KR20220119487A - 파일 내 원자로 출력 및 플럭스 측정, 직접 에너지 변환 및 관련 방법을 위한 고체 상태 핵 펌프식 레이징 센서 - Google Patents
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Abstract
원자로의 동작 특성을 결정하기 위한 센서 어셈블리. 센서 어셈블리는 핵분열성 종으로 도핑되고 핵반응 원자로의 노심 내에서 배치될 수 있는 고체 상태 레이징 매체 및 고체 상태 레이징 매체에 동작 가능하게 결합되고 핵반응 원자로의 노심 밖으로 그리고 핵반응 원자로의 제어 시스템으로 연장되도록 구성된 광섬유를 포함한다. 핵분열성 종은 우라늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 캘리포늄 중 하나 이상을 포함한다. 핵반응 원자로의 동작 특성을 결정하는 방법은 핵반응 원자로의 동작 중; 광섬유로부터 레이저 광을 수신하는 단계, 레이저 광을 분석하는 단계, 레이저 광의 분석을 기초로, 핵반응 원자로의 동작 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
Description
우선권 주장
본 출원은 "파일 내 원자로 출력 및 플럭스 측정, 직접 에너지 변환 및 관련 방법을 위한 고체 상태 원자력 펌프식 레이징 센서"에 대한 2020년 1월 6일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/957,583호의 출원일의 이익을 주장한다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부가 수여한 계약 번호 DE AC07-05-ID14517에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.
기술 분야
본 개시는 일반적으로 핵반응 원자로(nuclear reactor)의 출력 및 방사선 플럭스를 결정하기 위한 센서 어셈블리(sensor assembly)에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 센서 어셈블리를 포함하는 원자로 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 또한 센서 어셈블리를 사용하는 핵반응 원자로 시스템의 작동 특성을 결정하는 방법에 관한 것이다.
핵반응 원자로 출력의 측정은 일반적으로 필요에 따라 원자로 노심 외부, 일반적으로 차폐(shielding) 뒤에 수용되어야 하는 기기(instrumentation)를 사용하여 수행된다. 기기가 원자로 외부에 있기 때문에, 벌크 동작 출력만이 추론될 수 있다. 결과적으로, 추론된 벌크 동작 출력은 공간 분해능(spatial resolution)이 매우 제한적이거나 전혀 제공되지 않는다. 비교적 큰 규모의 원자로에서 원자로 출력을 추론하기 위해, 고출력에서 소스 스케일 기기 포화 및 고전력 기기에 대한 최소 임계값 출력으로 인해 원자로가 동작하는 출력들의 범위를 커버하기 위해 일반적으로 여러 기기들이 사용된다. 또한 스펙트럼 시프트와 전자/열 드리프트 및 안정성으로 인해 정확도가 저하된다. 플럭스와 출력의 보다 정확한 측정은 화학적으로 처리되어야 하는 플럭스 및 핵분열(fission) 와이어를 사용하여 고전적으로 결정되거나 또는 그의 활성이 감마 신틸레이션 검출기(gamma scintillation detector)를 사용하여 계산될 수 있지만; 그러나 두 방법 모두 정보를 처리하는 데 몇 시간 또는 며칠이 소요되므로 실시간 측정에서 사용될 수 없다.
본 개시의 상세한 이해를 위해, 동일한 요소들이 일반적으로 유사한 번호로 지정되어 있는 첨부된 도면들과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조해야 하며, 여기서:
도 1은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 센서 어셈블리를 갖는 원자로 시스템의 개략도이고;
도 2는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 센서 어셈블리의 개략도이고;
도 3은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 센서 어셈블리들의 세트의 개략도이고; 및
도 4는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 원자로 시스템의 동작 특성을 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 1은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 센서 어셈블리를 갖는 원자로 시스템의 개략도이고;
도 2는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 센서 어셈블리의 개략도이고;
도 3은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 센서 어셈블리들의 세트의 개략도이고; 및
도 4는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 원자로 시스템의 동작 특성을 결정하는 방법의 흐름도이다.
본 명세서에 제공된 도면은 센서 어셈블리, 핵반응 원자로 시스템 또는 그 컴포넌트들의 실제 모습이 아니라 단지 이상화된 표현이며, 이는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어("a", "an" 및 "the") 뒤에 오는 단수 형태는 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 재료, 구조, 특징, 또는 방법 행위와 관련하여 "~일 수 있다(may)"라는 용어는 그러한 것이 본 개시의 실시예의 구현에 사용하기 위해 고려됨을 나타내고, 이러한 용어는 다른 호환 가능한 재료, 구조, 특징 및 이와 조합하여 사용할 수 있는 방법이 제외되어야 하거나 제외되어야 한다는 암시를 피하기 위해 보다 제한적인 용어 "~이다(is)"보다 우선적으로 사용된다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등과 같은 관계 용어는 본 개시 및 첨부된 도면에 대한 이해의 명확성과 편의를 위해 사용되었으며, 문맥에서 달리 명시적으로 나타내는 경우를 제외하고는 특정 선호도나 순서를 내포하거나 의존하지 않는다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 주어진 파라미터, 속성 또는 조건과 관련하여 "실질적으로"라는 용어는 주어진 파라미터, 속성 또는 조건이 허용 가능한 제조 공차 내에서와 같은 약간의 변동으로 충족된다는 것을 당업자가 이해할 정도를 의미하고 포함한다. 예를 들어, 실질적으로 충족되는 특정 파라미터, 속성 또는 조건에 따라 파라미터, 속성 또는 조건은 적어도 90.0% 충족, 적어도 95.0% 충족, 적어도 99.0% 충족, 또는 적어도 99.9% 충족될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 주어진 파라미터와 관련하여 사용된 용어 "약(about)"은 명시된 값을 포함하고 문맥에 의해 지시된 의미를 갖는다(예를 들어, 이는 주어진 파라미터의 측정과 관련된 오차의 정도와 제조 공차 등으로 인한 편차를 포함한다).
본 개시의 실시예는 광섬유를 통해 원자로 노심 밖으로 보내지는 레이저 광을 생성하기 위해 핵반응 원자로 노심 내의 중성자, 감마, 베타 및 핵분열 단편(fragment)에 의한 고체 상태 레이징 매체(lasing media) 및/또는 결정(crystal)의 원자의 여기를 이용하는 센서 어셈블리를 포함한다. 레이저 광 강도는 원자로 출력과 원자로 노심 내의 방사선 플럭스 모두에 정비례한다. 결과적으로, 원자로 출력 및 원자로 노심 내의 방사선 플럭스가 레이저 광으로부터 결정될 수 있다. 본 개시의 추가 실시예는 별개의 방사선 에너지 그룹들에 결합되어 원자로 출력 및 원자로 에너지 스펙트럼(예를 들어, 열 스펙트럼 및/또는 고속 스펙트럼) 모두가 결정될 수 있게 하는 상이한 핵분열성 종(예를 들어, 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 캘리포늄 등) 내에 도핑된 다중 레이징 매체(상이한 출력 파장을 갖는)를 이용하는 것을 포함한다. 본 개시의 센서 어셈블리는 실시간으로 전력/플럭스 분포를 결정하기 위해 원자로 노심 전체에 분포될 수 있다. 본 개시의 센서 어셈블리는 본질적으로 수동적이며 센서 어셈블리에 그리고 노심 내에서 전력이 공급될 필요가 없다. 광섬유는 출력/플럭스 분포의 원격 측정 및 전력/플럭스 분포를 디지털 정보로 변환하기 위해 검출기 및/또는 분광계(pectrometer)로 확장될 수 있다.
도 1은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 핵반응 원자로 시스템(100)을 도시한다. 핵반응 원자로 시스템(100)은 제어봉들(102), 연료 요소들(104), 가압기(pressurizer)(106), 원자로 용기(108), 증기 발생기(110), 원자로 냉각수 펌프(112), 및 원자로 냉각수 시스템(114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 핵반응 원자로 시스템(100)은 종래의 가압수형 원자로(PWR)를 포함할 수 있다. 또한, 핵반응 원자로 시스템(100)이 본 명세서에서 PWR로서 설명되지만, 본 개시는 이에 제한되지 않으며, 핵반응 원자로 시스템(100)은 Magnox, 고급 가스 냉각식, 끓는 물 원자로, 캔두형원자로(Canada Deuterium Uranium), 또는 흑연 감속(예를 들어, RBMK) 원자로 시스템을 포함할 수 있다.
핵반응 원자로 시스템(100)은 제어 시스템(116) 및 센서 어셈블리(118)를 더 포함할 수 있다. 센서 어셈블리(118)는 핵반응 원자로 시스템(100)의 원자로 용기(108)(예를 들어, 노심) 내에 배치될 수 있다. 제어 시스템(116)은 수동 및 자율 원자로 동작을 위한 원자로 제어 시스템을 포함할 수 있고 데이터 획득 시스템(122), 프로세서(124), 메모리(126), 저장 디바이스(128), 사용자 인터페이스(130), 및 통신 인터페이스(132)를 포함할 수 있고, 이들은 통신 기반구조(134)를 통해 통신적으로 결합될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스의 한 예가 도 1에 도시되어 있지만, 도 1에 도시된 컴포넌트들은 제한의 의도가 아니다. 추가적인 또는 대안적인 컴포넌트들이 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 제어 시스템(116)은 도 1에 도시된 것보다 더 적은 수의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 제어 시스템(116)의 컴포넌트들은 아래에서 추가로 상세하게 설명된다.
센서 어셈블리(118)는 고체 상태 레이징 매체, 케이싱, 및 적어도 하나의 광섬유를 포함할 수 있다. 고체 상태 레이징 매체는 케이싱 내에 배치될 수 있고, 적어도 하나의 광섬유는 고체 상태 레이징 매체(136)에 광학적으로 결합될 수 있다. 적어도 하나의 광섬유는 또한 제어 시스템(116)의 데이터 획득 시스템(122)에 결합될 수 있다. 센서 어셈블리(118)는 도 2 및 도 3과 관련하여 아래에서 더 상세히 설명된다. 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 핵반응 원자로 시스템(100)은 레이저 광을 생성하기 위해 원자로 노심 내의 중성자, 감마, 베타, 및 핵분열 단편 플럭스에 의한 고체 상태 레이징 매체의 원자의 여기를 이용할 수 있다. 제어 시스템(116)의 다른 요소들과 함께 데이터 획득 시스템(122)은 레이저 광을 수신할 수 있고 레이저 광을 분석하여 원자로 출력 및 원자로 방사선의 플럭스를 실시간으로 결정할 수 있다.
도 2는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 핵반응 원자로 시스템(100)의 센서 어셈블리(118) 및 제어 시스템(116)의 개략도이다. 일부 실시예에서, 센서 어셈블리(118)는 고체 상태 레이징 매체(136), 케이싱(138), 및 적어도 하나의 광섬유(140), 인터페이스 부분(142), 양방향(two-way) 미러 코팅(144), 및 전체(full) 미러 코팅(146)을 포함할 수 있다. 전체 미러 코팅(146)은 고체 상태 레이징 매체(136)를 부분적으로 둘러쌀 수 있고, 양방향 미러 코팅(144)은 고체 상태 레이징 매체(136)의 나머지 부분을 둘러쌀 수 있다. 양방향 미러 코팅(144)은 또한 고체 상태 레이징 매체(136)와 인터페이스 부분(142)에 고체 상태 레이징 매체(136)를 동작 가능하게 결합하는 인터페이스 부분(142) 사이에 배치될 수 있다. 케이싱(138)은 전체 미러 코팅(146), 양방향 미러 코팅(144), 및 인터페이스 부분(142)의 적어도 일부의 노출된 부분을 둘러쌀 수 있다. 적어도 하나의 광섬유(140)는 인터페이스 부분(142)에 동작 가능하게 결합될 수 있고 원자로 용기(108)(도 1) 밖으로 그리고 제어 시스템(116)으로 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 원통형 형상을 가질 수 있다. 그러나, 고체 상태 레이징 매체(136)는 임의의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 실시예에서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 결정을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 합성 에메랄드, 사파이어, 또는 루비를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 방사선에 대한 감도(sensitivity)(예를 들어, 중성자 감도)를 생성하기 위해 재료로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태 레이징 매체(136)는 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 캘리포늄, 또는 다른 핵분열성 원자 종 중 하나 이상으로 도핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 캘리포늄, 또는 다른 핵분열성 원자 종의 적어도 2개의 혼합물로 도핑될 수 있다. 결과적으로, 고체 상태 레이징 매체(136)는 핵분열 단편, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스, 및/또는 핵반응 원자로 시스템(100)에 의해 방출된(예를 들어, 원자로 노심 내에서 방출된) 외부 복사 플럭스에 의해 직접 펌핑될 수 있다. 따라서, 고체 상태 레이징 매체(136)는 핵반응 원자로 시스템(100)의 작동에 의해 펌핑될 수 있고, 그 결과, 센서 어셈블리(118)는 수동 센서 어셈블리(118)일 수 있고 동작 및 기능하기 위해 추가 전력 입력을 필요로 하지 않을 수 있다. 또한, 도핑 재료는 출력 레이저 광의 색상과 파장이 제어되고 선택될 수 있게 한다. 예를 들어, 도펀트는 고체 상태 레이징 매체(136)의 출력 레이저 광의 파장을 조정(예를 들어, 선택)하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 도펀트는 출력 레이저 광을 적외선 범위 내로 유지하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 케이싱(138)은 밀폐된(hermetic) 케이싱을 포함할 수 있다. 즉, 케이싱(138)은 유체가 새지 않는다. 하나 이상의 실시예에서, 케이싱(138)은 세라믹 재료 및/또는 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 또는 하나 이상의 실시예에서, 전체 미러 코팅(146)은 금을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 전체 미러 코팅(146)은 미러 코팅을 형성하기 위한 임의의 다른 공지된 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 양방향 미러 코팅(144)은 한 측에서 반사성이고 다른 측에서 투명한 상호 미러(reciprocal mirror)를 포함할 수 있다. 양방향 미러는 일 측에서 비교적 얇은 금속 층 내에 투명한 재료를 포함할 수 있다. 금속은 알루미늄 및/또는 임의의 다른 금속 재료를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 인터페이스 부분(142)은 적어도 하나의 광섬유(140)가 인터페이스 부분(142)의 렌즈(예를 들어, 원뿔 형상의 팁 부분에 있는 렌즈)에 동작 가능하게 결합되는 일반적인 원뿔 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 인터페이스 부분(142) 및/또는 인터페이스 부분(142)의 렌즈는 반구형, 구형, 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 인터페이스 부분(142) 및/또는 인터페이스 부분(142)의 렌즈의 형상은 출력 빔 요건에 기초하여 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈는 광학 유리, 용융 실리카, 및/또는 다른 적절한 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 시스템(116) 및 데이터 획득 시스템(122)은 전력계(power meter), 광학 분광계, 멀티플렉서, 실리콘 다이오드 또는 광을 수신하고 레이저 광으로부터 복사의 플럭스 및 출력을 결정하거나 광 및/또는 열 에너지를 판독하기 위한 기타 시스템/기기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 센서 어셈블리(118)는 원자로 용기(108) 외부로 그리고 제어 시스템(116)의 데이터 획득 시스템(122)으로 연장되는 적어도 하나의 광섬유(140)와 함께 원자로 용기(108) 내에(예를 들어, 원자로 노심) 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서 어셈블리(118)는 실험 구획 내에 및/또는 원자로 노심의 연료 채널 내에 배치될 수 있다. 더욱이, 동작 동안, 고체 상태 레이징 매체(136)는 핵반응 원자로 시스템(100)에 의해 펌핑될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태 레이징 매체(136)는 핵분열 단편, 내부 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스, 및/또는 원자로 노심으로부터의 외부 복사 플럭스 및 고체 상태 레이징 매체(136)의 여기된 원자 및/또는 고체 상태 레이징 매체(136) 내의 도펀트에 대한 작동에 의해 펌핑되어 레이저 광을 생성할 수 있다. 더욱이, 위에서 언급된 바와 같이, 고체 상태 레이징 매체(136)가 핵반응 원자로 시스템(100)에 의해 펌핑되기 때문에, 센서 어셈블리(118)는 임의의 외부 전력을 필요로 하지 않고 핵반응 원자로 시스템(100) 내에서 수동적일 수 있으며, 이는 사용 동안 센서 어셈블리(118)의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
또한, 센서 어셈블리(118)는 양방향 미러 코팅(144), 전체 미러 코팅(146) 및 인터페이스 부분(142)을 통해 적어도 하나의 광섬유(140)로 레이저 광을 지향할 수 있고, 적어도 하나의 광섬유(140)는 레이저 광을 원자로 외부로 그리고 제어 시스템(116) 및 데이터 획득 시스템(122)으로 전달할 수 있다. 제어 시스템(116) 및 데이터 획득 시스템(122)은 레이저 광을 수신할 수 있고 수신된 레이저 광을 공지된 방법을 통해 분석하여 원자로 출력 및 방사선 플럭스(예를 들어, 중성자, 베타, 감마 및 외부 방사선 플럭스)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 수신된 레이저 광 강도는 원자로 출력에 정비례할 수 있고 및/또는 방사선 플럭스(예를 들어, 중성자, 베타, 감마 및 외부 방사선 플럭스)를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 감마 플럭스는 원자로 출력에 비례할 수 있다. 결과적으로 원자로 출력과 방사선 플럭스(예를 들어, 중성자, 베타, 감마 및 외부 방사선 플럭스)는 실시간으로 결정될 수 있다. 더욱이, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 다중 센서들을 사용하여 열(thermal) 대 빠른 플럭스의 비율이 센서 어셈블리에 의해 제공되는 정보를 통해 결정될 수 있다. 또한, 센서 어셈블리(118)에 의해 제공되는 레이저 광을 통해, 핵반응 원자로 시스템(100)의 출력 이력(history)이 결정될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 제어 시스템(116)은 레이저 광의 강도 및 파장에 표시된 정보를 디지털 정보로 변환할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 시스템(116)은 레이저 광을 수신할 때 획득된 데이터를 원자로 출력 및 방사선 플럭스를 결정하기 위한 원격 컴퓨팅 시스템으로 송신할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 수신된 레이저 광 및 관련 분석은 당업계에 공지된 플럭스 와이어로부터 획득된 정보를 통해 교정될 수 있다.
일부 실시예에서, 다수의 센서 어셈블리들(118)이 원자로 노심 전체에 배치(예를 들어, 분산)될 수 있다. 결과적으로, 국부적인 출력 및 방사선 플럭스가 핵반응 원자로 시스템(100) 내에서 결정될 수 있다. 또한, 원자로 노심 내의 출력/플럭스 분포가 실시간으로 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어 시스템(116)은 수동 및 자율 원자로 동작을 위한 원자로 제어 시스템을 포함할 수 있다. 그 결과, 일부 실시예에서, 제어 시스템(116)은 결정된 원자로 출력 및 방사선 플럭스를 원자로 제어 시스템에 송신할 수 있고, 원자로 제어 시스템은 결정된 원자로 출력 및 방사선 플럭스에 기초하여 하나 이상의 동작 파라미터들을 자동으로 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 시스템(116)은 레이저 출력 및 원자로 출력에 대한 별도의 표시와 함께 독립형(stand-alone)일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 제어 시스템(116)은 더 큰 프로그래밍 가능 논리 제어기(PLC) 또는 분산 제어 시스템(DCS)의 일부를 형성할 수 있다. 센서 어셈블리(118)로부터 수신된(예를 들어, 유도된) 정보는 원자로 파라미터를 조작자에게 알리기 위해 원자로 조작자에게 표시를 제공할 수 있다. 추가 실시예에서, 정보는 조작자 조치와 무관한 자동 제어 또는 안전 기능을 제공하기 위해 제어 시스템(116)에 의해 사용될 수 있다.
여전히 도 2를 참조하면, 일부 실시예에서, 센서 어셈블리(118)는 원통형 형상을 갖는 제1 고체 상태 레이징 매체 부분 및 환형 형상을 갖고 제1 고체 상태 레이징 매체 부분을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 고체 상태 레이징 매체 부분을 가질 수 있다. 또한, 제2 고체 상태 레이징 매체 부분은 다결정질 결정을 포함할 수 있고 원통형 형상을 갖는 제1 고체 상태 레이징 매체 부분을 위한 펌프로서 작용할 수 있다. 그 결과, 센서 어셈블리(118)에서 제2 고체 상태 레이징 매체 부분이 원자로에 의해 펌핑되고, 제1 고체 상태 레이징 매체 부분이 제2 고체 상태 레이징 매체 부분과 함께 펌핑된다. 2개의 고체 상태 레이징 매체 부분들을 갖는 것은 상대적으로 높은 출력 레벨을 갖는 레이저 광(예를 들어, 메가와트의 광)을 생성하는 것을 용이하게 할 수 있다.
도 3은 핵반응 원자로 시스템(100)의 원자로 출력과 에너지 스펙트럼 모두를 결정하기 위한 센서 어셈블리들(150)의 세트의 개략도이다. 예를 들어, 센서 어셈블리들의 세트는 제1 센서 어셈블리(152), 제2 센서 어셈블리(154), 및 제3 센서 어셈블리(156)를 포함할 수 있다. 더욱이, 단지 3개의 센서 어셈블리들이 본 명세서에 도시되어 있지만, 센서 어셈블리들(150)의 세트는 임의의 수(예를 들어, 4, 5, 10, 20 등)의 센서 어셈블리들을 포함할 수 있다. 더욱이, 센서 어셈블리들(150)의 복수 세트들이 핵반응 원자로 시스템(100)의 원자로 노심 전체에 분포될 수 있다. 센서 어셈블리들(150)의 세트의 센서 어셈블리들 각각은 도 2와 관련하여 위에서 설명된 센서 어셈블리(118)의 요소들을 포함할 수 있으며, 각각은 핵반응 원자로 시스템(100)의 제어 시스템(116)에 동작 가능하게 결합될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 센서 어셈블리들(150)의 세트의 각각의 센서 어셈블리(152, 154, 156)는 상이한 도펀트로 도핑될 수 있다. 결과적으로, 센서 어셈블리들(150)의 세트를 이용하여, 핵반응 원자로 시스템(100)의 제어 시스템(116)은 제1 센서 어셈블리(152)로부터 원자로 출력, 제2 센서 어셈블리(154)로부터 감마 플럭스, 및 제3 센서 어셈블리(156)로부터 내부 중성자 플럭스를 결정할 수 있다. 따라서, 센서 어셈블리들(150)의 세트 내에 다수의 센서 어셈블리들을 포함하고 핵반응 원자로의 에너지 스펙트럼(즉, 핵분열 파편, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스 및/또는 외부 복사 플럭스)의 일부(예를 들어, 부분)의 결정을 가능하게 하도록 선택된 도펀트로 각각의 센서 어셈블리를 도핑함으로써, 핵반응 원자로 시스템(100)의 제어 시스템(116)은 원자로 출력 및 핵반응 원자로 시스템(100)의 에너지 스펙트럼 둘 모두를 결정할 수 있다. 예를 들어, 센서 어셈블리들(150)의 세트 내에 다수의 센서 어셈블리들을 포함하고 핵반응 원자로의 에너지 스펙트럼(즉, 핵분열 파편, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스 및/또는 외부 복사 플럭스)의 일부(예를 들어, 부분)의 결정을 가능하게 하도록 선택된 도펀트로 각각의 센서 어셈블리를 도핑함으로써, 센서 어셈블리에 대한 에너지 펌프의 유형이 선택될 수 있고 센서 어셈블리들(150)의 세트의 센서 어셈블리에 의해 생성된 레이저 광의 파장이 선택될 수 있다. 또한, 원자로 노심을 통해 센서 어셈블리들(150)의 다중 세트들을 분배함으로써, 핵반응 원자로 시스템(100)의 제어 시스템(116)은 원자로 출력의 분포 및 핵반응 원자로 시스템(100)의 에너지 스펙트럼의 분포를 결정할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 센서 어셈블리는 핵반응 원자로 시스템(100)으로부터의 직접 에너지 출력으로서 추가로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 고체 상태 레이징 매체는 비교적 높은 에너지(예를 들어, 메가와트)의 레이저 광을 생성하고, 레이저 광은 광에서 열, 전기 또는 기타 전원으로 변환하기 위해 다른 위치로 전달될 수 있다. 예를 들어, 레이저 광은 광전변환소자(photovoltaic)를 통해 변환될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 레이저 광은 비교적 긴 거리(예를 들어, 킬로미터, 수백 킬로미터 등)에 걸쳐 전달될 수 있다. 전술한 내용을 고려하여, 본 명세서에 기재된 센서 어셈블리들 및/또는 센서 어셈블리들의 부분들은 핵반응 원자로 시스템(100)의 에너지 출력을 핵반응 원자로 시스템(100)에 대해 원격 위치로 전달하기 위해 이용될 수 있다.
도 4는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 핵반응 원자로 시스템(100)으로부터의 원자로 출력 및/또는 방사선 플럭스를 결정하는 방법(400)의 흐름도를 도시한다.
일부 실시예에서, 방법(400)은 도 4의 동작(402)에 도시된 바와 같이 핵반응 원자로 시스템(100)의 원자로 용기(예를 들어, 원자로 노심) 내에 적어도 하나의 센서 어셈블리(예를 들어, 센서 어셈블리(118))를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 원자로 노심 내에 적어도 하나의 센서 어셈블리를 배치하는 단계는 원자로 노심 내에 한 세트의 센서 어셈블리(예를 들어, 센서 어셈블리들(150)의 세트)를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 원자로 노심 내에 적어도 하나의 센서 어셈블리를 배치하는 단계는 원자로 노심 전체에 다수의 센서 어셈블리들 또는 센서 어셈블리들의 세트를 배치(예를 들어, 분배)하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 방법(400)은 도 4의 단계(404)에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 센서 어셈블리로부터 적어도 하나의 레이저 광을 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이, 고체 상태 레이징 매체(예를 들어, 고체 상태 레이징 매체(136))는 원자로 시스템에 의해 직접 펌핑될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태 레이징 매체는 핵분열 파편, 내부 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 원자로 노심으로부터의 외부 복사 플럭스에 의해 그리고 고체 상태 레이징 매체 및/또는 고체 상태 레이징 매체 내의 도펀트의 여기된 원자에 대한 동작에 의해 펌핑되어 레이저 광을 생성할 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 센서 어셈블리는 양방향 미러 코팅, 전체 미러 코팅, 및 인터페이스 부분을 통해 적어도 하나의 센서 어셈블리의 적어도 하나의 광섬유로 레이저 광을 지향시킬 수 있고, 적어도 하나의 광섬유는 레이저 광을 원자로 밖으로 그리고 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(116)) 및 데이터 수집 시스템(예를 들어, 데이터 수집 시스템(122))으로 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 센서 어셈블리로부터 적어도 하나의 레이저 광을 수신하는 단계는 복수의 센서 어셈블리들로부터 복수의 레이저 광을 수신하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 복수의 레이저 광의 각각의 레이저 광은 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스, 및/또는 외부 복사 플럭스 중 하나를 나타낸다.
적어도 하나의 센서 어셈블리로부터 적어도 하나의 레이저 광을 수신하면, 방법(400)은 또한 도 4의 단계(406)에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 레이저 광을 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 레이저 광을 분석하는 단계는 펌프 소스의 출력(예를 들어, 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 원자로 시스템의 외부 복사 플럭스)을 결정하기 위해 통상적인 방법을 통해 적어도 하나의 레이저 광의 파장 및 강도를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 레이저 광을 분석하는 단계는 복수의 레이저 광 및/또는 복수의 레이저 광 세트를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
추가적으로, 방법(400)은 도 4의 동작(408)에 도시된 바와 같이 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스, 및/또는 원자로 시스템의 외부 복사 플럭스 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 원자로 시스템의 외부 복사 플럭스는 도 4의 단계(406)의 분석을 통해 결정될 수 있다. 또한, 원자로 시스템의 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 외부 복사 플럭스가 실시간으로 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스, 및/또는 원자로 시스템의 외부 복사 플럭스 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 외부 복사 플럭스의 분포를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스, 및/또는 원자로 시스템의 외부 복사 플럭스 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 원자로 노심 내의 에너지 스펙트럼의 분포를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 방법(400)은 도 4의 동작(410)에 도시된 바와 같이 선택적으로, 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 외부 복사 플럭스 중 결정된 적어도 하나에 응답하여, 원자로 출력, 중성자 플럭스, 베타 플럭스, 감마 플럭스 및/또는 외부 복사 플럭스 중 결정된 적어도 하나에 기초하여 원자로 시스템의 동작 파라미터가 조정되게 하는 단계를 포함한다.
도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 센서 어셈블리는 여러 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서 어셈블리는 외부 전력을 필요로 하지 않으며(즉, 센서 어셈블리는 수동적임), 따라서 원자로 내에 배치될 추가 전자 장치가 필요하지 않다. 따라서, 센서 어셈블리는 방사선에 민감한 전자 장치를 포함하는 어셈블리에 비해 향상된 신뢰성을 제공한다. 그 결과, 센서 어셈블리는 차폐가 필요하지 않으며 기존의 출력 결정 시스템과 비교하여 원자로 노심에 직접 배치될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 센서 어셈블리는 국부 원자로 출력 및 방사선 플럭스/스펙트럼의 직접적인 파일 내 측정을 제공할 수 있다. 더욱이, 위에서 언급한 바와 같이, 센서 어셈블리는 원자로 제어 시스템에 실시간 정보를 제공하면서 수동 동작 및 자율 원자로 동작 모두를 위해 원자로 제어 시스템에 통합될 수 있습니다. 예를 들어, 센서 어셈블리는 즉시 정보를 제공할 수 있다. 또한, 센서 어셈블리와 관련된 전자 장치 및 재료가 없기 때문에, 센서 어셈블리는 상당히 높은 복사장을 견딜 수 있고 비교적 긴 수명 주기를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 센서 어셈블리는 원자로 외부로 이어지는 단일 광섬유로 인해 원자로 전체에 설치 및 분배하기 위한 비교적 간단한 시스템을 제공한다. 마찬가지로, 센서 어셈블리의 단순성은 잠재적인 오류 지점을 줄이고 센서 어셈블리의 내구성과 신뢰성을 높인다. 센서 어셈블리의 단순성은 또한 기존의 출력 결정 시스템과 비교하여 설치 및 운영 비용을 절감시킨다. 또한, 센서 어셈블리는 크기가 비교적 작을 수 있고 미세 원자로 동작 및 시스템에서 출력 결정에 매우 적합한 솔루션을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 센서 어셈블리는 우주력(space power) 및 원자력 열추진 원자로 시장에 쉽게 적용될 수 있다.
다시 도 1 및 도 1의 제어 시스템(116)을 참조하면, 데이터 수집 시스템(122)은 센서 어셈블리(118)로부터 신호를 수신할 수 있고 센서 어셈블리 및 다양한 센서의 광섬유로부터의 아날로그 신호를 제어 시스템(116)(예를 들어, 제어 시스템(116)의 프로세서(124) 및/또는 데이터 획득 시스템(122))에 의해 조작 및/또는 분석될 수 있는 디지털 수치 값으로 변환하기 위한 아날로그에서 디지털로의 변환 회로를 포함하거나 이와 연관될 수 있다. 데이터 획득 시스템(122)은 Assembly, BASIC, C, C++, C#, Fortran, Java, LabVIEW, Lisp, Pascal 등과 같은 다양한 범용 프로그래밍 언어를 사용하여 개발된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램을 더 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 제어 시스템(116)은 당업계에 공지된 임의의 데이터 획득 시스템을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 프로세서(124)는 컴퓨터 프로그램을 구성하는 것과 같은 명령어를 실행하기 위한 하드웨어를 포함한다. 제한이 아닌 예로서, 명령어를 실행하기 위해, 프로세서(124)는 내부 레지스터, 내부 캐시, 메모리(126), 또는 저장 디바이스(128)로부터 명령어들을 검색(또는 페치)하고 그것들을 디코딩하고 실행할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 프로세서(124)는 데이터, 명령어, 또는 어드레스를 위한 하나 이상의 내부 캐시를 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 프로세서(124)는 하나 이상의 명령어 캐시, 하나 이상의 데이터 캐시, 및 하나 이상의 TLB(translation lookaside buffer)를 포함할 수 있다. 명령어 캐시의 명령어는 메모리(126) 또는 저장 디바이스(128)의 명령어 복사본일 수 있다.
메모리(126)는 프로세서(들)에 의한 실행을 위한 데이터, 메타데이터, 및 프로그램을 저장하는 데 사용될 수 있다. 메모리(126)는 휘발성 및 비휘발성 메모리, 예를 들어 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 판독 전용 메모리("ROM"), 고체 상태 디스크("SSD"), 플래시, 상변화 메모리("PCM"), 또는 다른 유형의 데이터 저장소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 메모리(126)는 내부 또는 분산 메모리일 수 있다.
저장 디바이스(128)는 데이터 또는 명령어를 저장하기 위한 저장소를 포함한다. 제한이 아닌 예로서, 저장 디바이스(128)는 전술한 비일시적 저장 매체를 포함할 수 있다. 저장 디바이스(128)는 고체 상태 드라이브(SSD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 플로피 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 광 디스크, 광자기 디스크, 자기 테이프, 범용 직렬 버스(USB) 드라이브 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 저장 디바이스(128)는 적절한 경우 착탈식 또는 비이동식(또는 고정) 매체를 포함할 수 있다. 저장 디바이스(128)는 제어 시스템(116)의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 저장 디바이스(128)는 비휘발성, 고체 상태 메모리이다. 다른 실시예에서, 저장 디바이스(128)는 판독 전용 메모리(ROM)를 포함한다. 적절한 경우 이 ROM은 마스크 프로그래밍된 ROM, 프로그래밍 가능한 ROM(PROM), 소거 가능한 PROM(EPROM), 전기적으로 소거 가능한 PROM(EEPROM), 전기적으로 변경 가능한 ROM(EAROM) 또는 플래시 메모리 또는 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다.
사용자 인터페이스(130)는 사용자가 제어 시스템(116)에 대한 입력을 제공하고, 그로부터 출력을 수신하고, 그렇지 않으면 그에 데이터를 전송하고 그로부터 데이터를 수신할 수 있게 한다. 사용자 인터페이스(130)는 마우스, 키패드 또는 키보드, 터치 스크린, 카메라, 광학 스캐너, 네트워크 인터페이스, 모뎀, 기타 공지된 사용자 디바이스 또는 이러한 사용자 인터페이스들의 조합을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(130)는 그래픽 엔진, 디스플레이(예를 들어, 디스플레이 스크린), 하나 이상의 출력 드라이버(예를 들어, 디스플레이 드라이버), 하나 이상의 오디오 스피커 및 하나 이상의 오디오 드라이버를 포함하지만 이에 제한되지 않는 사용자에게 출력을 제시하기 위한 하나 이상의 디바이스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 사용자 인터페이스(130)는 사용자에게 제시하기 위해 디스플레이에 그래픽 데이터를 제공하도록 구성된다. 그래픽 데이터는 하나 이상의 그래픽 사용자 인터페이스 및/또는 특정 구현을 제공할 수 있는 임의의 다른 그래픽 콘텐츠를 나타낼 수 있다.
통신 인터페이스(132)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 통신 인터페이스(132)는 제어 시스템(116)과 하나 이상의 다른 컴퓨팅 디바이스 또는 네트워크 사이의 통신(예를 들어, 패킷 기반 통신과 같은)을 위한 하나 이상의 인터페이스를 제공하도록 구성된다. 제한이 아닌 예로서, 통신 인터페이스(132)는 이더넷 또는 다른 유선 기반 네트워크와 통신하기 위한 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC) 또는 네트워크 어댑터 또는 WI-FI와 같은 무선 네트워크와 통신하기 위한 무선 NIC(WNIC) 또는 무선 어댑터를 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 통신 인터페이스(132)는 애드 혹 네트워크, 개인 영역 네트워크(PAN), 로컬 영역 네트워크(LAN), 광역 통신망(WAN), 메트로폴리탄 영역 네트워크(MAN) 또는 인터넷의 하나 이상의 부분들 또는 이들 중 둘 이상의 조합과의 통신을 용이하게 할 수 있다. 하나 이상의 이러한 네트워크의 하나 이상의 부분들은 유선 또는 무선일 수 있다. 예로서, 통신 인터페이스(132)는 무선 PAN(WPAN)(예를 들어, BLUETOOTH WPAN과 같은), WI-FI 네트워크, WI-MAX 네트워크, 셀룰러 전화 네트워크(예를 들어, GSM(Global System for Mobile Communications) 네트워크), 또는 다른 적절한 무선 네트워크 또는 이들의 조합과의 통신을 용이하게 할 수 있다.
추가적으로, 통신 인터페이스(132)는 다양한 통신 프로토콜의 통신을 용이하게 할 수 있다. 사용될 수 있는 통신 프로토콜의 예는 데이터 송신 매체, 통신 디바이스, 송신 제어 프로토콜("TCP"), 인터넷 프로토콜("IP"), 파일 전송 프로토콜("FTP"), 텔넷, 하이퍼텍스트 전송 프로토콜("HTTP"), 하이퍼텍스트 전송 프로토콜 보안("HTTPS"), 세션 개시 프로토콜("SIP"), 단순 개체 액세스 프로토콜("SOAP"), 확장 가능한 마크업 언어("XML") 및 그 변형, 단순 메일 전송 프로토콜("SMTP"), 실시간 전송 프로토콜("RTP"), 사용자 데이터그램 프로토콜("UDP"), GSM(Global System for Mobile Communications) 기술, 코드 분할 다중 접속("CDMA") 기술, 시분할 다중 접속("TDMA") 기술, 단문 메시지 서비스("SMS"), 멀티미디어 메시지 서비스("MMS"), 무선 주파수("RF") 신호 기술, 롱 텀 에볼루션("LTE") 기술, 무선 통신 기술, 대역 내 및 대역 외 신호 기술, 및 기타 적절한 통신 네트워크 및 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
통신 기반구조(134)는 제어 시스템(116)의 컴포넌트들을 서로 결합하는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 통신 기반구조(134)는 가속 그래픽 포트(AGP) 또는 다른 그래픽 버스, EISA(Enhanced Industry Standard Architecture) 버스, 전면 버스(FSB), HYPERTRANSPORT(HT) 상호연결, 산업 표준 아키텍처(ISA) 버스, INFINIBAND 상호연결, 낮은 핀 수(LPC) 버스, 메모리 버스, MCA(Micro Channel Architecture) 버스, PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI-Express(PCIe) 버스, SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 버스, 비디오 전자 표준 협회 로컬(VLB) 버스, 또는 다른 적합한 버스 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예는 다음을 추가로 포함한다:
실시예 1. 핵반응 원자로(nuclear reactor)의 동작 특성을 결정하기 위한 센서 어셈블리(sensor assembly)에 있어서, 핵분열성(fissile) 종 또는 비핵분열성(non-fissile) 종 중 적어도 하나로 도핑되고 상기 핵반응 원자로의 노심(core) 내에 배치되도록 구성된 고체 상태 레이징 매체(solid-state lasing media); 및 상기 고체 상태 레이징 매체에 동작 가능하게 결합되고 상기 핵반응 원자로의 상기 노심 밖으로 그리고 상기 핵반응 원자로의 제어 시스템으로 연장되도록 구성된 광섬유(optical fiber)를 포함하는, 센서 어셈블리.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 상기 핵분열성 종은 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 또는 캘리포늄 중 하나 이상을 포함하는, 센서 어셈블리.
실시예 3. 실시예 1 및 2에 있어서, 상기 고체 레이징 매체를 부분적으로 둘러싸는 전체 미러 코팅(full-mirror coating); 상기 고체 레이징 매체의 길이방향 단부(longitudinal end)에 배치된 양방향 미러 코팅(two-way mirror coating); 상기 양방향 미러 코팅을 상기 광섬유에 결합하는 인터페이스 부분(interface portion); 및 상기 전체 미러 코팅 및 상기 인터페이스 부분의 적어도 일부를 둘러싸는 케이싱(casing)을 더 포함하는, 센서 어셈블리.
실시예 4. 실시예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 가넷, 사파이어, 루비 또는 에메랄드 중 하나 이상을 포함하는, 센서 어셈블리.
실시예 5. 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 원통형 형상을 포함하는, 센서 어셈블리.
실시예 6. 실시예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 이트륨 알루미늄 가넷을 포함하는, 센서 어셈블리.
실시예 7. 실시예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 핵분열성 종은 레이저 광을 상기 광섬유를 통해 펌핑하기 위해 방사선에 응답하여 여기 가능한(excitable), 센서 어셈블리.
실시예 8. 핵반응 원자로 시스템에 있어서, 원자로 노심을 정의하는 원자로 용기; 상기 원자로 노심의 외부에 배치되어 상기 핵반응 원자로 시스템을 운영하기 위한 제어 시스템; 및 상기 원자로 노심 내에 부분적으로 배치된 적어도 하나의 센서 어셈블리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는: 핵분열성 종으로 도핑되고 상기 핵반응 원자로 시스템의 상기 원자로 노심 내에 배치된 적어도 하나의 고체 상태 레이징 매체; 및 상기 적어도 하나의 고체 상태 레이징 매체에 동작 가능하게 결합되고 상기 핵반응 원자로 시스템의 상기 원자로 노심 밖으로 연장되고 상기 핵반응 원자로의 제어 시스템에 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 광섬유를 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 9. 실시예 8에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는 상기 핵반응 원자로 시스템의 상기 원자로 노심 전체에 걸쳐 분포된 복수의 센서 어셈블리들을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 10. 실시예 8 및 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는 복수의 고체 상태 레이징 매체 및 복수의 광섬유들을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 11. 실시예 10에 있어서, 상기 복수의 고체 상태 레이징 매체의 각각의 고체 상태 레이징 매체는 상이한 핵분열성 종들로 도핑되는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 12. 실시예 8 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 핵분열성 종은 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 또는 캘리포늄 중 하나 이상을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 13. 실시예 8 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 가넷, 사파이어, 루비, 또는 에메랄드 중 하나 이상을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 14. 실시예 8 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 핵분열성 종은 상기 적어도 하나의 광섬유를 통해 레이저 광을 펌핑하기 위한 방사선에 응답하여 여기 가능한, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 15. 실시예 8 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어 시스템은: 적어도 하나의 추가 프로세서; 및 명령어를 저장하는 적어도 하나의 추가적인 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하고, 상기 명령어는, 상기 적어도 하나의 추가 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템으로 하여금: 상기 적어도 하나의 고체 레이징 매체로부터 그리고 상기 적어도 하나의 광섬유를 통해 레이저 광을 수신하게 하고; 상기 레이저 광을 분석하게 하고; 및 상기 레이저 광의 상기 분석을 통해, 상기 핵반응 원자로 시스템의 적어도 하나의 동작 특성을 결정하게 하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 16. 실시예 15에 있어서, 상기 적어도 하나의 동작 특성은 원자로 출력, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스, 또는 외부 복사 플럭스 중 하나 이상을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
실시예 17. 핵반응 원자로의 동작 특성을 결정하는 방법에 있어서, 상기 핵반응 원자로 내에 적어도 하나의 센서 어셈블리를 배치하는 단계-여기서, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는: 원자로 노심 내에 배치된 고체 상태 레이징 매체; 및 상기 고체 상태 레이징 매체에 결합되고 상기 원자로 노심 외부로 연장되는 광섬유를 포함함-; 및 상기 핵반응 원자로 동작 중; 상기 광섬유로부터 레이저 광을 수신하는 단계: 상기 레이저 광을 분석하는 단계; 및 적어도 부분적으로 상기 레이저 광의 상기 분석에 기초하여, 상기 핵반응 원자로의 상기 동작 특성을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 18. 실시예 17에 있어서, 상기 동작 특성은 원자로 출력, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스, 또는 외부 복사 플럭스 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
실시예 19. 실시예 17 및 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 레이저 광은 상기 핵반응 원자로에 의해 펌핑되는, 방법.
실시예 20. 실시예 17 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 핵반응 원자로의 상기 동작 특성을 결정하는 것에 응답하여, 상기 핵반응 원자로의 동작 파라미터를 실시간으로 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 21. 실시예 17 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 상기 핵반응 원자로에서 생성된 중성자 플럭스와의 상호작용을 통해 상기 고체 상태 레이징 매체의 핵분열성 종이 핵분열을 일으키게 하는 단계; 및 상기 핵분열을 통해 생성된 핵분열 파편을 통해 직접 운동 에너지를 통해 또는 간접적으로 열 여기를 통해 상기 레이저 광을 상기 광섬유를 통해 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 방법.
위에서 설명되고 첨부된 도면에 예시된 본 발명의 실시예는 첨부된 특허청구범위 및 그 법적 균등물의 범위에 의해 포함되는 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 임의의 등가 실시예는 본 개시의 범위 내에 있다. 실제로, 설명된 요소의 대안적인 유용한 조합과 같은 본 명세서에 도시되고 설명된 것에 추가하여 본 개시의 다양한 수정이 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 그러한 수정 및 실시예는 또한 첨부된 청구범위 및 균등물의 범위 내에 속한다.
Claims (21)
- 핵반응 원자로(nuclear reactor)의 동작 특성을 결정하기 위한 센서 어셈블리(sensor assembly)에 있어서,
핵분열성(fissile) 종 또는 비핵분열성(non-fissile) 종 중 적어도 하나로 도핑되고 상기 핵반응 원자로의 노심(core) 내에 배치되도록 구성된 고체 상태 레이징 매체(solid-state lasing media); 및
상기 고체 상태 레이징 매체에 동작 가능하게 결합되고 상기 핵반응 원자로의 상기 노심 밖으로 그리고 상기 핵반응 원자로의 제어 시스템으로 연장되도록 구성된 광섬유(optical fiber)를 포함하는, 센서 어셈블리. - 제1항에 있어서, 상기 핵분열성 종은 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 또는 캘리포늄 중 하나 이상을 포함하는, 센서 어셈블리.
- 제1항에 있어서,
상기 고체 레이징 매체를 부분적으로 둘러싸는 전체 미러 코팅(full-mirror coating);
상기 고체 레이징 매체의 길이방향 단부(longitudinal end)에 배치된 양방향 미러 코팅(two-way mirror coating);
상기 양방향 미러 코팅을 상기 광섬유에 결합하는 인터페이스 부분(interface portion); 및
상기 전체 미러 코팅 및 상기 인터페이스 부분의 적어도 일부를 둘러싸는 케이싱(casing)을 더 포함하는, 센서 어셈블리. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 가넷, 사파이어, 루비 또는 에메랄드 중 하나 이상을 포함하는, 센서 어셈블리.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 원통형 형상을 포함하는, 센서 어셈블리.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 이트륨 알루미늄 가넷을 포함하는, 센서 어셈블리.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핵분열성 종은 레이저 광을 상기 광섬유를 통해 펌핑하기 위해 방사선에 응답하여 여기 가능한(excitable), 센서 어셈블리.
- 핵반응 원자로 시스템에 있어서,
원자로 노심을 정의하는 원자로 용기;
상기 원자로 노심의 외부에 배치되어 상기 핵반응 원자로 시스템을 운영하기 위한 제어 시스템; 및
상기 원자로 노심 내에 부분적으로 배치된 적어도 하나의 센서 어셈블리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는:
핵분열성 종으로 도핑되고 상기 핵반응 원자로 시스템의 상기 원자로 노심 내에 배치된 적어도 하나의 고체 상태 레이징 매체; 및
상기 적어도 하나의 고체 상태 레이징 매체에 동작 가능하게 결합되고 상기 핵반응 원자로 시스템의 상기 원자로 노심 밖으로 연장되고 상기 핵반응 원자로의 제어 시스템에 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 광섬유를 포함하는, 핵반응 원자로 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는 상기 핵반응 원자로 시스템의 상기 원자로 노심 전체에 걸쳐 분포된 복수의 센서 어셈블리들을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는 복수의 고체 상태 레이징 매체 및 복수의 광섬유들을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 복수의 고체 상태 레이징 매체의 각각의 고체 상태 레이징 매체는 상이한 핵분열성 종들로 도핑되는, 핵반응 원자로 시스템.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 핵분열성 종은 우라늄, 플루토늄, 아메리슘, 또는 캘리포늄 중 하나 이상을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 고체 상태 레이징 매체는 가넷, 사파이어, 루비, 또는 에메랄드 중 하나 이상을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 핵분열성 종은 상기 적어도 하나의 광섬유를 통해 레이저 광을 펌핑하기 위한 방사선에 응답하여 여기 가능한, 핵반응 원자로 시스템.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제어 시스템은:
적어도 하나의 추가 프로세서; 및
명령어를 저장하는 적어도 하나의 추가적인 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하고, 상기 명령어는, 상기 적어도 하나의 추가 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 제어 시스템으로 하여금:
상기 적어도 하나의 고체 레이징 매체로부터 그리고 상기 적어도 하나의 광섬유를 통해 레이저 광을 수신하게 하고;
상기 레이저 광을 분석하게 하고; 및
상기 레이저 광의 상기 분석을 통해, 상기 핵반응 원자로 시스템의 적어도 하나의 동작 특성을 결정하게 하는, 핵반응 원자로 시스템. - 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 동작 특성은 원자로 출력, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스, 또는 외부 복사 플럭스 중 하나 이상을 포함하는, 핵반응 원자로 시스템.
- 핵반응 원자로의 동작 특성을 결정하는 방법에 있어서,
상기 핵반응 원자로 내에 적어도 하나의 센서 어셈블리를 배치하는 단계-여기서, 상기 적어도 하나의 센서 어셈블리는:
원자로 노심 내에 배치된 고체 상태 레이징 매체; 및
상기 고체 상태 레이징 매체에 결합되고 상기 원자로 노심 외부로 연장되는 광섬유를 포함함-; 및
상기 핵반응 원자로 동작 중; 상기 광섬유로부터 레이저 광을 수신하는 단계:
상기 레이저 광을 분석하는 단계; 및
적어도 부분적으로 상기 레이저 광의 상기 분석에 기초하여, 상기 핵반응 원자로의 상기 동작 특성을 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 동작 특성은 원자로 출력, 내부 중성자 플럭스, 감마 플럭스, 베타 플럭스, 또는 외부 복사 플럭스 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
- 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 레이저 광은 상기 핵반응 원자로에 의해 펌핑되는, 방법.
- 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 핵반응 원자로의 상기 동작 특성을 결정하는 것에 응답하여, 상기 핵반응 원자로의 동작 파라미터를 실시간으로 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 핵반응 원자로에서 생성된 중성자 플럭스와의 상호작용을 통해 상기 고체 상태 레이징 매체의 핵분열성 종이 핵분열을 일으키게 하는 단계; 및
상기 핵분열을 통해 생성된 핵분열 파편을 통해 직접 운동 에너지를 통해 또는 간접적으로 열 여기를 통해 상기 레이저 광을 상기 광섬유를 통해 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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