KR20220112842A - 계층식 중성자 차폐부 - Google Patents

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KR20220112842A
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토마스 데이비스
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Abstract

중성자 차폐부. 상기 중성자 차폐는 복수 개의 흡수 층들(201, 203), 및 적어도 하나의 감속 층(202)을 포함한다. 상기 복수 개의 흡수 층들 각각은 붕화 텅스텐 또는 탄화 텅스텐을 포함한다. 상기 적어도 하나의 감속 층은 금속 수소화물을 포함한다. 각각의 감속 층은 적어도 2개의 흡수 층 사이에 존재한다.

Description

계층식 중성자 차폐부
본 발명은 중성자 차폐부, 구체적으로는 토카막 핵융합로에서 사용하기 위한 중성자 차폐부에 관한 것이지만, 이에 국한되지 않는다.
핵융합 에너지의 생성 문제는 매우 복잡하다. 핵융합 중성자는 중수소-삼중수소(deuterium-tritium; D-T) 또는 중수소-중수소(deuterium-deuterium; D-D) 플라즈마가 가열될 때 생성되고, 그 결과로 핵(nucleus)은 쿨롱(Coulomb)의 정전기적 반발력을 극복하여 함께 핵융합 하기에 충분한 에너지를 지니게 됨으로써 에너지 중성자와 핵융합 생성물(예컨대, D-T의 경우 4He)을 방출하게 된다. 지금까지 이를 달성하는 가장 기대되는 방법은 토카막(tokamak) 장치를 사용하는 것이지만, (ITER에 의해 구체화된 바와 같은) 핵융합에 대한 기존의 토카막 수법에서는 이러한 프로세스를 최적화하기 위해 상기 플라즈마에 대해 밀폐 시간(confinement time)이 길고, 온도가 높으며 밀도가 높아야 한다.
토카막은 강력한 토로이달 자기장(BT), 높은 플라즈마 전류(Ip) 및 일반적으로 큰 플라즈마 체적과 상당한 보조 가열의 조합을 특징으로 하여 고온의 안정적인 플라즈마를 제공하여 핵융합이 이루어질 수 있게 한다. (예를 들어, 수십 메가와트의 고에너지 중성자 비임(H, D 또는 T) 주입을 통한) 상기 보조 가열은 온도를 핵융합이 이루어지는데 필요한 충분히 높은 값으로 증가시키고, 그리고/또는 플라즈마 전류를 유지하는데 필요하다.
상기 핵융합로가 가능한 한 콤팩트하게 이루어지게 하기 위해(이는 더 큰 효율, 특히 "구형 토카막(spherical tokamak)" 플라즈마 구성의 경우에 더 큰 효율성을 허용하게 됨), 방사선 차폐부 두께는 다른 구성요소에 대해 적절한 보호를 유지하면서 가능한 한 많이 감축되어야 한다. 상기 플라즈마와 자기장 코일 간 거리를 최소화하면 상기 코일 내 전류가 낮아질 수 있게 되고 플라즈마 내 자기장이 커질 수 있게 된다.
도 1은 중앙 기둥의 단면을 보여주며 차폐 소재가 극복해야 하는 문제를 보여준다. 상기 중앙 기둥은 고온 초전도체(High Temperature Superconductor; HTS) 코일(11)의 중앙 코어와 차폐부(12)의 외부 층을 포함한다. 차폐부에 사용되는 소재에 의존하여, 외부 표면상에는 산화 차폐 소재 층(13)이 있을 수 있다. 플라즈마(14)로부터 발생하게 되는 주요 손상 원인에는 3가지가 있다. 첫째, 핵융합 반응에 의해 생성된 고에너지 중성자(15)는 본질적으로 차폐 구조에서 원자를 떼어낼 수 있으며, 이는 소재를 통해 전파되고 소재 특성(예컨대, 기계적, 열적 또는 초전도 특성)을 저하 시키는 손상 캐스케이드 표시(damage cascade; 16)를 생성하게 된다. 둘째, 핵융합 반응으로부터의 열 플럭스(heat flux; 17)는 상당하며, 초전도성을 유지하면서 전달 가능한 전류를 높은 온도가 감축시킴에 따라 상기 HTS 코어 및 불균일한 가열에 의해 유도된 열 응력(thermal stress)으로 인해 상기 차폐부를 손상시킬 수 있고, 상기 코일에 돌발적으로 저항이 걸려 자석에 ??치(quench) 현상이 일어나게 할 수 있다. 마지막으로, 상기 플라즈마의 에너지 입자에 의해 상기 차폐부의 외부 표면이 제거(ablation)되게 된다(18). 이는 상기 차폐부 자체에 손상을 줄뿐만 아니라 상기 차폐부가 상기 플라즈마에 직접 노출되는 경우 상기 플라즈마를 오염시킬 수도 있다. 이러한 효과에 영향을 받지 않을 수 있고 중성자가 초전도체 코일에 도달하지 못하게 할 수 있는 차폐 소재를 지니는 것이 바람직하다.
현재의 차폐부 설계는 종종 차폐부의 냉각과 중성자의 감속(차폐의 유효성을 증가시킴)을 위해 수로(water channel)를 이용하기도 한다. 그러나 이는 압력 시스템의 위험, 물의 오염, 활성화 및 기화(vaporisation), 및 잘못 취급하면 핵융합로로부터의 물이 환경에 유입될 가능성으로 인한 애플리케이션의 폐기 또는 유지관리 중에 물을 취급하기 어렵기 때문에 문제가 된다.
따라서 감속을 위해 물을 요구하지 않는 유효한 중성자 차폐부가 필요하다.
제1 실시형태에 의하면, 중성자 차폐부가 제공된다. 상기 중성자 차폐부는 복수 개의 흡수 층들, 및 적어도 하나의 감속 층을 포함한다. 상기 복수 개의 흡수 층들 각각은 각각 붕화 텅스텐 또는 탄화 텅스텐을 포함한다. 상기 적어도 하나의 감속 층은 금속 수소화물(metal hydride)을 포함한다. 각각의 감속 층은 적어도 2개의 흡수 층 사이에 존재한다.
제2 실시형태에 의하면, 중성자 차폐부가 제공된다. 상기 중성자 차폐부는 금속 수소화물을 포함한다. 상기 금속 수소화물은 중성자 흡수 요소를 포함하며, 상기 중성자 흡수 요소는,
0.02 내지 0.03 eV의 중성자 에너지 범위에서 0.1 반(barns)보다 큰 평균 중성자 흡수 단면을 지니며, 그리고
합금 내 다른 모든 금속에서 적어도 1mol%의 고용도(solid solubility)를 지닌다.
상기 "평균 중성자 흡수 단면"은 존재하는 상기 중성자 흡수 요소의 모든 동위원소들의 지정된 범위(모든 동위 원소들의 존재 비율(abundance)에 따라 가중됨)에서의 중성자 흡수 단면의 평균이다. 상기 중성자 흡수 요소의 동위원소들의 분포는 상기 동위원소들의 자연적 존재 비율일 수도 있고 상기 중성자 흡수 요소의 동위원소들의 분포는 필요한 평균 중성자 흡수 단면을 지니는 다른 어떤 분포일 수도 있다.
제3 실시형태에 의하면, 토카막 핵융합로가 제공된다. 상기 토카막 핵융합로는 토로이달 플라즈마 챔버, 플라즈마 밀폐 시스템, 및 중성자 차폐부를 포함한다. 상기 플라즈마 밀폐 시스템은 플라즈마 챔버 내부에 플라즈마를 밀폐시키기 위한 자기장을 생성하도록 구성된다. 상기 중성자 차폐부는 상기 제1 또는 제2 실시형태에 따른 중성자 차폐부이고, 상기 토로이달 플라즈마 챔버의 내부와 상기 플라즈마 밀폐 시스템 사이에 배치된다.
추가 실시 예들은 청구항 제2항 및 그 이하의 청구항에 제시되어 있다.
도 1은 토카막 중앙 기둥의 중성자 차폐부, 및 그의 설계 문제를 보여주는 도면이다.
도 2는 대표적인 중성자 차폐부의 개략도이다.
도 3은 다른 한 대표적인 중성자 차폐부의 개략도이다.
도 4는 토카막 플라즈마 챔버의 개략도이다.
(구형 토카막의 중앙 기둥에서와 같은) 고-에너지 중성자 소스에서 발생하게 되는 민감한 소재에서 흡수되는 선량(dose)을 감축시키기 위한 유효하고 콤팩트한 방사선 차폐부에서는 벌크 소재 내 높은 Z(원자 질량)와 낮은 Z 원소들의 조합이 필요하다. 수 MeV보다 높은 운동 에너지를 가진 고-에너지 중성자는 2가지 주요 메커니즘에 의해, 다시 말하면 첫 번째로는 높은 Z 핵과의 비-탄성 핵반응을 통해, 그리고 두 번째로는 낮은 Z 핵의 탄성 산란을 통해 유효하게 감속된다. 비-탄성 산란 후에는, 2차 중성자 에너지가 일반적으로 높은 Z 원소와의 후속 비-탄성 핵반응으로 반응 임계값 에너지 미만이고 결과적으로는 낮은 Z 원소에 의해서만 유효하게 감속될 수 있다. 그러므로 높은 Z 원소 및 및 낮은 Z 원소의 조합은 상기 차폐부를 넘어 민감한 소재에 입사되는 고-에너지 중성자 플럭스를 감축시키는 데 사용될 수 있다.
유효한 고-에너지 중성자 차폐부에서는 중성자 소스에서부터 보호 대상 물체들에 이르기까지 순서대로 4개의 주요 섹션이 필요하다.
·상기 플라즈마로부터 중성자 에너지를 체감시키기 위해 원자 질량이 높은 원소를 포함하는 소재(특히, 비-탄성 산란 또는 중성자 증배 반응을 위한 단면이 큰 소재)
·중성자를 최적의 단면 에너지로 더 감속시키기 위한 중성자 감속재(다시 말하면, 원자 질량이 작은 원소를 함유하는 소재)
·감속된 중성자를 흡수하기 위한 중성자 흡수재
·초기 단계에서 중성자 상호작용에 의해 생성되는 감마선을 흡수하기 위한 감마 차폐부.
단일 소재 또는 복합 소재가 예컨대 중성자 흡수재 및 감마 차폐부로서 다중 기능을 수행할 수 있는 경우에, 2개 이상의 섹션이 조합될 수 있다.
기존의 차폐부에서는, 상기 중성자 감속재가 물인 경우가 많아서, 위에서 설명한 바와 같이 폐기 및 안전을 위해 신중한 취급이 필요하다.
텅스텐은 높은 Z 수(74)와 납과 같은 다른 높은 Z 원소와 비교하여 안정적인 화합물에서 일반적으로 높은 질량 및 개수 밀도 양자 모두로 인해 상기 첫 번째 단계에 대해 높은 Z 구성원소로서 이상적인 선택이다. 붕화 텅스텐은 중성자 차폐부의 구성원소로서 붕소가 첨가되므로 차폐 애플리케이션에 특히 유리하며, 붕소는 저-에너지 중성자가 상기 차폐부를 관통하지 못하게 하는 유효한 중성자 흡수재이다. 또한, 텅스텐은 감마선의 유효한 흡수재이다. 이 때문에, 붕화 텅스텐은 (붕소가 예컨대 수소에 비해 상당한 감속 효과를 지니지 않으므로) 중성자 감속재를 제외하고 위의 모든 섹션으로서 작용할 수 있다. 탄화 텅스텐은 또한 탄소가 중성자 에너지 감속을 제공하지만 예컨대 수소만큼 유효하지 않기 때문에 차폐 애플리케이션에 유리하며, 이 때문에 탄화 텅스텐은 위의 모든 섹션에 사용될 수 있지만 일반적으로 수소 함유 소재에 의한 감속재만큼 또는 붕화 텅스텐에 의한 중성자 흡수재만큼 능가하게 된다.
수소는 수 MeV 미만의 이상적인 중성자 감속재이며 많은 잠재적 소재의 구성원소로서 이용 가능하다. 그러나 가장 일반적인 물과 탄화수소는 핵융합 발전소 내로 통합될 때 문제가 된다. 금속 수소화물은 수소 밀도 측면에서 물 및 탄화수소와 필적하지만 실압(room pressure)에서 물 또는 일반적인 탄화수소보다 실질적으로 높은 온도에서 고체 상태로 있게 된다. 이는 (고형 성분이 액체 성분보다 통합하기 쉬우므로) 중성자 차폐 구조를 더 쉽게 설계할 수 있게 하고 결과적으로는 (고형 성분의 누설 위험이 더 낮으므로) 유지관리 및 원전 폐로(decommissioning)가 더 쉽게 이루어진다.
이 때문에, 붕화 텅스텐의 2개의 층(201, 203)과 2개의 층 간 금속 수소화물의 층(202)을 지니는, 붕화 텅스텐과 금속 수소화물의 "샌드위치(sandwich)"인 도 2에 도시된 바와 같은 복합 차폐부는 중성자 조사(205)로부터 민감한 구성요소(204)를 보호하기 위한 중성자 차폐부로서 매우 유효하다. 실제로는, 붕화 텅스텐(또는 탄화 텅스텐)과 금속 수소화물이 번갈아 교차하는 층들을 지니고 붕화 텅스텐(또는 탄화 텅스텐)을 방사상의 외부 층으로서 지니는 다층 차폐부가 일반적으로 유효하게 된다.
붕화 텅스텐은 다양한 형태로, 예컨대 경화된(cemented) 붕화 텅스텐(금속 매트릭스 내 붕화 텅스텐 입자)으로서, 소결된(sintered) 붕화 텅스텐으로서, 또는 금속 텅스텐 및/또는 기타 원소들과의 합금 등으로서 제공될 수 있다. 차폐부 애플리케이션의 특정한 구조적 고려사항에 의해 요구되는 대로 붕화 텅스텐 화합물들 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 한 가지 기대되는 수법은 W2B를 지니는 텅스텐의 2상 구조이며, 이는 질화 붕소로 순수 텅스텐을 진공 핫프레싱(vacuum hot-pressing)하여 열적 및 기계적 특성을 지니는 소재를 생성하는 단계를 포함하는 공지된 프로세스로 형성될 수 있다.
탄화 텅스텐은 또한 다양한 형태로, 예컨대 경화된 탄화 텅스텐(금속 매트릭스 내 탄화 텅스텐 입자)로서 또는 세라믹-금속(서멧(cermet)) 탄화 텅스텐, 반응 소결된(reactively-sintered) 탄화/붕화 텅스텐으로서, 또는 모놀리식 탄화 텅스텐으로서 제공될 수 있다.
상기 감속재로서 사용하기 위한 잠재적 금속 수소화물들에는 리튬 하이드라이드(LiHx), 하프늄 하이드라이드(HfHx), 이트륨 하이드라이드(YHx) 및 지르코늄 하이드라이드(ZrHx), 또는 이들의 조합이 포함된다. 각각의 경우에, 상기 수소화물은 가장 일반적인 화합물의 화학식으로 확인되었지만 다른 수소화물들(또는 이들의 조합들 또는 순수 금속과의 합금들)이 사용될 수 있다. 정확한 수소 대 금속 비율(x)은 필요한 감속 정도, 필요한 구조적 특성에 기초하여 선택될 수 있으며 일반적으로 0.1 내지 4이게 되거나 또는 1 내지 2이게 된다. 중성자 차폐부의 시뮬레이션 테스팅에서는 1.33 값이 사용되었다.
붕화 텅스텐은 일반적으로 붕화 텅스텐 층들의 총 두께가 붕화 텅스텐 및 금속 수소화물의 총 두께의 75% 내지 99%, 더 구체적으로는 붕화 텅스텐 및 금속 수소화물의 총 두께의 80% 내지 95%인 차폐부 대부분을 포함하게 된다. 중성자 소스에 대향하는 붕화 텅스텐 층(201)(다시 말하면, 외부 붕화 텅스텐 층들 중 하나)은 붕화 텅스텐 및 금속 수소화물의 총 두께의 30% 내지 90%, 더 구체적으로는 상기 총 두께의 40% 내지 80%일 수 있다. 층(201)이 도 2에서는 단일 층으로서 도시되어 있지만, 이는 다중 개별 층으로부터 구성될 수 있다. 다른 붕화 텅스텐 층들 중 하나(다시 말하면, 금속 수소화물 층이 이러한 층과 중성자 대향 층, 일반적으로는 최종 층(203) 사이에 있게 되는 층)은 붕화 텅스텐 및 금속 수소화물의 총 두께의 적어도 10%일 수 있다. 당업자라면 이해하겠지만, 다른 붕화 텅스텐 층의 두께의 상한(upper limit)은 중성자 대향 층 내 붕화 텅스텐의 두께와 붕화 텅스텐의 총 두께 간의 차이에 의해 정의된다.
위의 논의 중 어느 하나에서는, 붕화 텅스텐(WB)이 탄화 텅스텐(WC) 또는 붕화 텅스텐과 탄화 텅스텐의 조합으로 대체될 수 있다.
추가 HfHx 및 WB 층들을 지니는 구조들이 또한 양호하게 수행 가능한데, 예컨대 각각의 층이 WB 또는 WC 층에 의해 분리되고 WB 또는 WC 층들을 방사상의 외부 층들로서 지니는 다중 HfHx 층을 지니는 구조들이 양호하게 수행 가능하다. 유사한 조성들은 다른 금속 수소화물들에 대해 양호하게 수행할 것으로 예상될 것이다.
(x=1.33일 경우) 계층식 WB-HfHX-WB 차폐부 시뮬레이션들은 동일한 총 두께의 탄화 텅스텐 및 물 차폐부의 벤치마크보다 최대 5배 더 유효한(다시 말하면 기본 구성요소들에 대한 5배 더 적은 에너지 증착을 결과적으로 초래하는) 차폐부를 제공하였다. (순수 HfHx 또는 상기 시뮬레이션에서 사용된 특정한 붕화 텅스텐 조성물이 아닌) 실제로 획득 가능한 붕화 텅스텐 및 하프늄 하이드라이드 소재에 대해 이를 조정함으로써 유사한 결과들이 제공되었다.
붕화 또는 탄화 텅스텐 층들은 붕화 또는 탄화 텅스텐을 포함하는 복합 소재 - 예컨대, 금속 매트릭스 내 붕화 또는 탄화 텅스텐 입자를 지니는 서멧)로부터 형성될 수 있다. 추가로, 이전에 논의한 바와 같이, 붕화/탄화 텅스텐 층은 붕화 또는 탄화 텅스텐의 혼합물을 함유할 수 있으며, 이는 일부 다른 재료를 지니는 복합 소재(예컨대, 집성체(aggregate)들로서 붕화 텅스텐 및 탄화 텅스텐 양자 모두를 지니는 서멧)일 수 있다.
마찬가지로, 금속 수소화물 층 또는 층들은 금속 수소화물, 예를 들어 금속-클래드(metal-clad) 금속 수소화물 층을 포함하는 복합 소재로부터 형성될 수 있다. 상기 금속 수소화물 층들은 합금 내 다중 금속의 수소화물을 포함할 수 있다. 이는 합금 수소화물의 열 분해 곡선(다시 말하면, 온도에서 상기 소재로부터 방출되는 수소의 양)이 넓은 온도 프로파일을 지니므로 수소를 더 쉽게 수용하기 위한 열 분해의 결과로서 생성된 수소를 흡수하거나 제거하도록 구성된 임의의 시스템이 허용된다는 이점을 제공하다. 일 예로서, 상기 금속 수소화물 층들은 서로 체심 입방 고용체(body-centred cubic solid solutions)를 형성하는 것으로 공지된 금속들, 예를 들어 주기율표의 4, 5 및 6족에 있는 금속들(예컨대, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐 및 지르코늄) 및/또는 이트륨, 가돌리늄, 베릴륨 및 우라늄의 임의의 조합을 함유할 수 있다.
한 가지 가능성은 원자 비율(다시 말하면, 해당 금속의 원자수를 상기 수산화물 내 금속 원자들의 총 개수로 나눈 값)이 각각의 금속에 대해 5% 내지 50%(또는 5% 내지 30%)인 여러(예컨대, 적어도 5개의) 다른 금속을 지니고 그럼으로써 어떤 하나의 금속이 소재 특성을 지배하지 않게 하는, "고-엔트로피 합금(high-entropy alloy)" 같은 구조를 사용하는 것이다. 단일 금속 수소화물의 경우와 같이, 상기 수소화물 내 (총) 금속 원자들에 대한 수소 원자들의 비율은 0.1 내지 4, 더 바람직하게는 1 내지 2일 수 있다.
복합 소재의 가능성을 고려하면, "탄화 및/또는 붕화 텅스텐" 소재는 "흡수층들"로서 언급될 수 있고, "금속 수소화물 층"은 "감속 층"으로서 언급될 수 있다. 당업자라면 이해하겠지만, 상기 조성물에 의존하여 일부 감속이 상기 흡수 층에서 일어날 수 있고 그 반대의 경우도 있을 수 있으므로 이러한 라벨들은 어느 한 층의 기능을 제한하는 것으로 간주 되어서는 아니 된다. 상기 라벨들은 주로 예컨대 붕화 텅스텐 층이 순수 붕화 텅스텐이어야 함을 암시할 수 있는 혼동을 회피하기 위해 기능 한다.
상기 차폐부는 (도 2에 도시된 바와 같이) 연속적일 수 있는데, 다시 말하면 붕화 텅스텐 및 금속 수소화물 층이 서로 맞닿아 있다. 대안으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 붕화 텅스텐(310)과 금속 수소화물(320) 층들 사이에나 또는 상기 층들 중 하나 이상의 층들 내에 냉각재 채널들(301, 302) 또는 다른 요소들(예컨대, 온도, 방사선 및/또는 응력 센서들)이 있을 수 있다. 상기 냉각재 채널은 액체 또는 기체 냉각재를 반송(搬送)하도록 구성될 수 있다(물이 냉각재로서 사용될 수 있으며, 비록 상기 차폐부가 상기 차폐부로부터 물을 제거하지 못한다 하더라도 상기 차폐부는 기존 설계에 대한 유용한 대안을 여전히 제공하게 된다).
상기 차폐부의 최대 작동 온도는 일반적으로 상기 금속 수소화물의 열 분해 온도(다시 말하면, 상기 금속 수소화물이 부분적으로 분해되어 수소를 방출하게 되는 온도)에 의해 정의되게 된다. 실제 작동 온도는 핵융합로 안전 케이스에 의해 일부 수소 방출이 허용될 수 있으므로 열 분해 온도보다 약간 높을 수 있다. 스테인리스 강 또는 이와 유사한 것으로의 상기 금속 수소화물의 캡슐화는 핵융합로 시스템에 대한 수소 방출을 방지하는데 사용될 수 있게 된다. 펄스 길이가 10초 미만인 핵융합로와 같은 중성자 부하가 낮거나 일시적인 애플리케이션의 경우, (예방 차원으로서는 제공될 수 있지만) 일반적으로는 상기 차폐부의 직접 냉각이 필요하지 않게 된다. 높은 중성자 부하가 지속 되는 애플리케이션들에서는 상기 차폐부를 사용된 금속 수소화물의 열 분해 온도 미만으로 유지하기 위해 냉각이 필요하게 된다. 일반적으로 하프늄 하이드라이드 및 이트륨 하이드라이드의 경우, 상기 온도가 약 600℃ 미만으로 유지되어야 하며, 지르코늄 하이드라이드의 경우 상기 온도가 약 300℃ 미만으로 유지되어야 하고, 그리고 리튬 하이드라이드의 경우 상기 온도가 약 200℃ 미만으로 유지되어야 한다.
냉각은 (위에서 간략하게 설명한 바와 같이) 상기 차폐부 내 냉각재 채널들에 의해서나 또는 차폐층들 외부의 냉각재 채널들로의 열 전도에 의해서 제공될 수 있다.
도 4는 플라즈마(43)를 밀폐시키기 위한, 플라즈마 용기(41) 및 자기 플라즈마 밀폐 시스템(42)을 포함하는, 핵융합로로서 사용하기 위한 토카막 플라즈마 챔버를 보여준다. 토카막은 또한 중앙 기둥 중성자 차폐부(44)와 외부 차폐부(45) 양자 모두에서 상기 플라즈마 용기와 상기 자기 플라즈마 밀폐 시스템 간에 위치한 중성자 차폐부(44, 45)를 포함한다.
상기 내용이 주로 다층 차폐부에 관한 것이었지만, 금속 수소화물을 포함하는 단일 층 중성자 차폐부를 제공하기 위해 유사한 원리가 적용될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 중성자 흡수 요소를 포함하는 금속 합금의 수소화물인 중성자 흡수 및 감속 소재를 포함하는 중성자 차폐부가 제공될 수 있다. 본 개시내용의 측면에서, "중성자 흡수 요소"는 0.02 내지 0.03 eV의 중성자 에너지 범위에서 0.1 반(barns)보다 큰 평균 중성자 흡수 단면을 지닌다. "평균 중성자 흡수 단면"은 존재하는 상기 중성자 흡수 요소의 모든 동위원소들의 지정된 범위(모든 동위 원소들의 존재 비율(abundance)에 따라 가중됨)에서의 중성자 흡수 단면의 평균이다. 상기 중성자 흡수 요소의 동위원소들의 분포는 상기 동위원소들의 자연적 존재 비율일 수도 있고 상기 중성자 흡수 요소의 동위원소들의 분포는 필요한 평균 중성자 흡수 단면을 지니는 다른 어떤 분포일 수도 있다. 상기 합금에 대한 적합한 원소들은 다층 용액의 금속 수소화물에 대해 위에서 논의한 것과 동일한 것들이다. 적절한 중성자 흡수 원소들에는 하프늄, 텅스텐, 붕소, 디스프로슘 및 가돌리늄이 포함된다(이들 모두는 상기 중성자 흡수 원소들의 자연적 동위원소 존재 비율에서 적절하지만, 서로 다른 동위원소 존재 비율로 사용될 수 있다).
상기 중성자 흡수 요소의 비율은 적어도 5 mol%일 수 있다. 상기 소재 내 다른 원소들에 대한 수소의 비율은 0.1 내지 4, 더 바람직하게는 1 내지 2이다. 상기 소재는 수소 이외의 적어도 5개의 원소(이 중의 적어도 하나는 강력한 중성자 흡수 요소임)를 포함하는 고-엔트로피 합금일 수 있으며, 여기서 비-수소 원소들 각각은 (수소를 제외하고 원자 비율로) 5 mol.% 내지 <50 mol.%이다. 상기 소재는 상기 중성자 흡수 요소의 수소화물일 수 있다.
이러한 소재는 또한 다층 차폐부의 일부, 예컨대 흡수하거나 감속하는 다른 소재에 추가하여 중성자 흡수 및 감속 소재를 포함하는 차폐부, 또는 상기 중성자 흡수 및 감속 소재와 클래딩(cladding) 또는 유사한 보호 층을 포함하는 차폐부로서 사용될 수 있다.
상기 소재의 조성물이 상기 소재의 두께에 따라 달라지도록 상기 소재가 분류될 수 있다. 예를 들어, 상기 중성자 차폐부의 방사상의 외부 표면들을 향해 더 큰 비율의 중성자 흡수 소재가 있을 수 있고, 상기 중성자 차폐부의 방사상의 내부 표면을 향해 더 큰 비율의 수소가 있을 수 있다.

Claims (17)

  1. 중성자 차폐부로서,
    상기 중성자 차폐부는,
    복수 개의 흡수 층들 - 각각의 흡수 층은 붕화 텅스텐 또는 탄화 텅스텐을 포함함 -; 및
    금속 수소화물을 포함하는 적어도 하나의 감속 층;
    을 포함하며,
    각각의 감속 층은 적어도 2개의 흡수 층 사이에 존재하는, 중성자 차폐부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 주기율표의 4, 5 및 6족의 금속들 및/또는 이트륨, 베릴륨, 가돌리늄 또는 우라늄 중의 하나 이상을 포함하는, 중성자 차폐부.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 이트륨, 및 지르코늄 중의 하나 이상을 포함하는, 중성자 차폐부.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 적어도 5개의 금속을 포함하고, 각각의 금속은 상기 금속 수소화물 내 금속 원자들의 총 개수에 비해 5 mol.% 내지 50 mol.%의 원자 비율을 지니는, 중성자 차폐부.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 0.1 내지 4, 더 바람직하게는 1 내지 2의 금속 원자들에 대한 수소 원자들의 비율을 지니는, 중성자 차폐부.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 흡수 층은 붕화 및/또는 탄화 텅스텐 및 텅스텐 금속의 합금을 포함하는, 중성자 차폐부.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수 층들의 총 두께는 상기 감속 층들과 상기 흡수 층들의 총 합친 두께의 적어도 75%, 더 바람직하게는 80% 내지 95%인, 중성자 차폐부.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 흡수 층은 상기 감속 층들과 상기 흡수 층들의 총 합친 두께의 30% 내지 90%, 더 바람직하게는 40% 내지 80%인 두께를 지니고, 상기 차폐부는 상기 외부 흡수 층이 중성자 소스에 대향하도록 구성되는, 중성자 차폐부.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 외부 흡수 층이 아닌 추가 흡수 층은 상기 감속 층들과 상기 흡수 층들의 총 합친 두께의 적어도 10%인 두께를 지니는, 중성자 차폐부.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중성자 차폐부는,
    상기 감속 층들과 상기 흡수 층들 사이에 위치한 냉각재 채널들;
    을 포함하는, 중성자 차폐부.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중성자 차폐부는,
    상기 감속 층들 및/또는 상기 흡수 층들 중 하나 이상 내에 통합된 냉각재 채널들을 포함하는, 중성자 차폐부.
  12. 금속 수소화물을 포함하는 중성자 차폐부로서,
    상기 금속 수소화물은 중성자 흡수 요소를 포함하고,
    상기 중성자 흡수 요소는,
    0.02 내지 0.03 eV의 중성자 에너지 범위에서 0.1 반(barns)보다 큰 평균 중성자 흡수 단면을 지니며, 그리고
    합금 내 다른 모든 금속에서 적어도 1mol%의 고용도(solid solubility)를 지니는, 중성자 차폐부.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속 수소화물은 주기율표의 4, 5 및 6족의 금속들 및/또는 이트륨, 베릴륨, 가돌리늄, 또는 우라늄 중의 하나 이상을 포함하는, 중성자 차폐부.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 요소는,
    하프늄;
    텅스텐;
    붕소;
    디스프로슘; 또는
    가돌리늄;
    중의 하나인, 중성부 차폐부.
  15. 제10항 또는 제11항에 따른 중성자 차폐부, 및 냉각재 채널에 연결된 냉각재 소스를 포함하는 조립체로서, 상기 냉각재 소스는 금속 수소화물의 분해 온도 미만의 온도에서 상기 중성자 차폐부를 유지하도록 구성되는, 조립체.
  16. 토카막 핵융합로로서,
    상기 토카막 핵융합로는,
    토로이달 플라즈마 챔버;
    상기 토로이달 플라즈마 챔버 내부에 플라즈마를 밀폐시키기 위한 자기장을 생성하도록 구성된 플라즈마 밀폐 시스템;
    상기 플라즈마 밀폐 시스템 및 상기 토로이달 플라즈마 챔버 내부 사이에 배치된, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 중성자 차폐부;
    를 포함하는, 토카막 핵융합로.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 중성자 차폐부는 제10항 또는 제11항에 따른 중성자 차폐부이고, 상기 토카막 핵융합로는 냉각재 채널에 연결된 냉각재 소스를 포함하며, 상기 냉각재 소스는 금속 수소화물의 분해 온도 미만의 온도에서 상기 중성자 차폐부를 유지하도록 구성되는, 토카막 핵융합로.
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