KR20220135253A - 용융 염 원자로 - Google Patents

Abstract

핵분열에 의해 에너지를 생성하도록 적응된 장치가 제공되며, 상기 장치는 노심 용기 재료의 노심 용기를 포함하고, 상기 노심 용기는 내부 튜브 재료의 내부 튜브를 둘러싸고, 상기 내부 튜브 및/또는 상기 노심 용기는 입구 및 출구를 가지며, 상기 장치는 핵분열성 물질을 갖는 용융 연료 염, 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수소 또는 이들의 조합, 및 내부 튜브 재료의 환원 전위 또는 내부 튜브 재료 및 내부 노심 용기 재료의 환원 전위보다 더 큰 환원 전위를 갖는 산화 환원 요소를 포함하는 용융 감속재 염을 더 포함하며, 상기 용융 감속재 염은 상기 노심 용기에 위치하고 상기 용융 연료 염은 상기 내부 튜브에 위치하거나, 상기 용융 연료 염은 상기 노심 용기에 위치하고 상기 용융 감속재 염은 상기 내부 튜브에 위치한다. 본 발명은 또한 상기 장치를 사용하여 핵분열 과정을 제어하는 방법 및, 핵분열 반응 과정에서 생성되는 핵분열 중성자를 감속하기 위한 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합, 및 산화 환원 요소를 포함하는 용융 염의 용도에 관한 것이다.

Description

용융 염 원자로{MOLTEN SALT REACTOR}

본 발명은 원자로 노심(reactor core)을 포함하는 용융 염 핵분열 원자로(molten salt nuclear fission reactors)에 관한 것으로, 원자로 노심은 핵분열성 물질을 갖는 용융 연료 염, 중성자 감속(neutron moderation)을 위한 감속재 물질을 갖는 용융 감속재 염을 포함한다. 이하에서, 그러한 원자로는 간단히 용융 염 원자로 또는 MSR로 지칭될 것이다. 본 발명은 또한 핵분열 원자로에서 용융 감속재 염을 사용하여 핵분열 과정을 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 특히 MSR을 위한 감속재 물질, MSR을 감속하는 방법, 및 MSR에서 감속재 물질의 용도에 관한 것이다.

핵분열은 전형적으로 100 keV 내지 2 MeV의 에너지 범위에서 활동적 중성자(energetic neutrons)를 생성한다. 핵분열 발생 확률은 중성자 에너지에 따라 다르다. 소위 고속 원자로에서, 핵분열로 생성된 감속되지 않은 중성자는 다른 핵과 직접 상호 작용한다. 열 및 열외(thermal and epi-thermal) 핵분열 원자로는 에너지를 줄여 핵분열 확률을 높이기 위해 감속재에 의존한다. 따라서 핵분열 원자로는 두 가지 상이한 원리, 즉 고속 원자로와 열 및 열외 원자로에 의해 작동될 수 있다.

고속 원자로에서, 활동적 중성자는 핵분열성 물질과 직접 상호 작용하여 에너지, 핵분열 생성물 및 활동적 중성자를 생성한다. 고속 원자로는 감속재를 갖는 것에 의존하지 않으며 본 특허에서는 고려되지 않을 것이다.

열 및 열외 원자로에서, 핵분열에 의해 생성된 활동적 중성자는 감속재와 에너지를 교환하고 결국 핵분열성 물질과 상호 작용함으로써 에너지, 핵분열 생성물 및 더 많은 활동적 중성자를 생성한다. 2 세대 및 3 세대 경수로(LWR)는 그러한 원자로의 전형적인 예이며, 상업적인 원자로 집합체의 핵심이다. 수랭식 원자로는 합리적인 높은 작동 온도에 도달하기 위해 냉각수를 매우 높은 압력으로 유지해야 한다는 본질적인 단점이 있다. 이러한 구조의 다양한 고장으로 인한 증기 및 가스 폭발은 원자력 산업에서 가장 심각한 사건 중 일부를 초래했다. 감속재로 사용되는 물에 대해서도 유사한 단점이 발생한다.

핵분열 연료와 관련하여 어떤 설계를 선택하든, 열 및 열외 핵분열 원자로에서 감속재 물질과 상호 작용함으로써 활동적 중성자가 감속되어야 한다. 2 세대 및 3 세대 원자로의 경우, 핵분열성 물질은 중공 관 내부의 금속 또는 금속 산화물의 혼합물로서, 핵분열성 담체(fissile carrier)에 고체 형태로 유지된다. 핵분열성 물질은 항상 고체 상태이며 따라서 고정식(stationary)이다. 새로운 3세대 및 4세대 핵분열 원자로는 전형적으로 고체 세라믹 산화물 연료를 기반으로 하지만, 핵분열성 물질이 고체 및 고정식(예: 페블 베드 원자로); 액체 및 고정식(안정한 염 원자로); 또는 액체 및 순환식(용융 염 원자로)인 새로운 설계도 포함한다.

연료와 관련하여 이루어진 설계 선택에 상관없이, 적절한 감속재 물질은 일반적으로 중성자와 핵분열 원자 사이의 상호 작용을 위해 다음과 같은 특성을 제공해야 한다.

- 산란에 의한 상호 작용 가능성이 높아야 한다. 이는 상호 작용들 사이의 중성자의 평균 자유 이동 경로가 짧다는 것과 동일한 의미이며, 감속재와 원자로 노심의 크기에 영향을 준다.

- 경량 감속재 원자로 구성되어야 한다. 산란 상황에서 중성자는 에너지를 감속 물질로 전달하고 속도가 느려진다. 원자가 가벼울수록 상호 작용 당 더 많은 에너지가 전달된다.

- 중성자 흡수 가능성이 낮아야 한다. 감속재에서의 흡수는 핵분열에 이용 가능한 중성자 플럭스(flux)를 감소시키고 재료의 활성화의 어려움을 증가시킨다. 따라서, 감속재에서 낮은 흡수를 갖는 것이 전형적으로 유리하다.

이상적인 감속재는 여러 가지 추가적인 특성을 제공해야 한다.

- 작동 조건하에서 액체 상태이어야 한다. 고체 상태 감속재를 사용해서는 얻을 수 없는 냉각 가능성을 액체상의 감속재가 제공한다. 또한, 중성자 조사 하에서 수명을 향상시키고 화학적 재처리를 가능하게 한다.

- 고온에서 작동할 수 있어야 한다. 원자로 노심의 높은 작동 온도는 외부 냉각 루프와 더 많은 에너지를 교환할 가능성이 있으므로, 원자로 효율이 더 높아질 가능성이 있다. 또한, 온도가 높을수록 터빈 효율이 높아지고, 다양한 산업 공정에서 열을 생성할 수 있다.

- 작동 압력이 낮아야 한다. 작동 압력이 낮으면 사고로 인한 위험을 완화하는데 필요한 안전 기능의 복잡성이 줄어든다. 또한 구조 및 엔지니어링에 대한 요구가 줄어든다.

- 감속재 물질은 세계 시장에서 충분한 양, 안정적인 공급 및 예측 가능한 가격 수준으로 사용할 수 있어야 한다.

- 사용된 재료는 추가적인 화학적 또는 환경적 위험을 초래해서는 안된다.

위에 나열된 요구 사항은 더 가벼운 원자 수소, 중수소, 리튬, 베릴륨, 및 탄소로 옵션을 제한하는 반면, 이들 중 어떠한 단일 원소도 위에 나열된 요구 사항을 모두 충족하지는 않는다.

아래의 표 1은 다양한 종래 기술의 감속재 물질의 감속 특성을 요약한다. ζ는 활동적 중성자를 열 에너지 수준으로 감소시키는데 필요한 평균 산란 이벤트 수이고, MFP는 cm 단위로 측정된 탄성 산란을 위한 평균 자유 이동 경로이며, ∑_abs는 미터당 흡수된 중성자 수 단위이다.

<다양한 종래 기술의 감속재 물질의 감속 효과>

물질	ζ [#]	MFP ela [cm]	Σ abs [1/m]	주석
H2O(액체)	24.8	0.66	2.226	매우 콤팩트
D2O(액체)	33.4	2.77	0.001	매우 우수한 감속재, 콤팩트하지 않음
C(흑연)	110.9	2.50	0.030	매우 우수한 감속재, 콤팩트하지 않음
CH2(폴리에틸렌)	24.3	0.56	2.589	매우 콤팩트(고온 조건에 적합하지 않음)
7Li	67.2	22.15	0.207	감속재 크기로 인해 적합하지 않음
23Na	207.1	11.86	1.346	감속 않음
Be	84.7	1.29	0.094	매우 우수한 감속재, 고가
2 7LiF: 1 BeF2	25.9	2.97	0.201	매우 양호하나 고가이고 7Li를 강화하기 곤란
MgO	174.7	2.53	0.339	감속하지 않음

위의 표 1의 정보는 다음과 같은 결론에 이른다. 물(H₂0)은 매우 콤팩트한 감속재다. 중수소 수(D₂0), 베릴륨(Be) 및 흑연(C)은 중성자 흡수율이 낮다는 점에서 매우 양호한 감속재다. 이는 상용 및 연구용 원자로에서 현재 통용되고 있기 때문에 놀라운 일이 아니다. 또한, 순수한 리튬(Li)은 요구되는 큰 감속재 크기 때문에 적합하지 않다. 순수한 나트륨(Na)은 실제적인 의미에서 감속하지 않는다. 화학량론적 화합물 2 ⁷LiF: 1 BeF2는 양호한 감속재다. 산화 마그네슘(MgO)은 감속하지 않는다. 세라믹 물질의 예로서 MgO가 포함된다. ⁷LiOH는 콤팩트한 감속재이며, 흡수율이 낮다.

용융 염 원자로는 용융 염에 용해된 핵분열성 물질의 임계 농도에 기반한다. 용융 염은 핵분열성 요소 및 다른 성분의 불화물(fluoride) 염의 함량을 갖는 ⁷LiF의 염기를 가질 수 있다. 이것을 일반적으로 연료 염이라고 한다. MSR은, 1950년대와 1960년대에 i.a. 오크 리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서 연구되었으나 성공적으로 상용화되지 않았다. MSR은 현재 상업적으로 사용되는 것을 포함하여 다른 원자로 유형에 비해 몇 가지 장점이 있다. MSR은 토륨으로부터 핵분열성 ²³³U를 증식시킬 수 있으며, 우라늄/플루토늄 원자로보다 훨씬 낮은 수준으로 초우라늄 악티나이드(transuranic actinide) 폐기물을 생성할 수 있고, 고온에서 작동할 수 있으며, 고체 연료봉에 휘발성 방사성 핵분열 생성물이 축적되는 것을 피할 수 있고 통상의 원자로에서 가능한 것보다 더 많은 양의 핵분열성 물질을 연소시킬 수 있다.

1950년대와 1960년대에 발생한 몇 가지 단점으로 인해 MSR이 상용화되지 못했다. 한가지 단점은 활용되는 대부분의 MSR 유형이 흑연을 중성자 감속재로 사용한다는 것이다.

흑연은 육각형 격자로 배열된 탄소 원자로 구성되며, 적어도 세 가지 이유로 중성자 감속재로 사용된다. 첫째, 질량이 12u(통합 원자 질량 단위)인 탄소 원자는 1u 무게의 중성자와 비교할 때 상당히 가볍다. 결과적으로, 각각의 탄성 산란 이벤트에서 중성자는 탄소 원자와 충돌하면서 상당한 양의 에너지를 잃을 수 있다. 또한, 흑연은 상당히 조밀하고 탄소의 산란 단면이 나름 괜찮으므로, 충돌이 자주 발생한다. 감속재의 밀도와 감속 효율을 모두 포함하는 수식은 다음과 같이 정의된 SDP, 즉 감속력이다.

SDP = ζ*N*σ_s

여기서 ζ는 고속 중성자가 열중성자화(thermalize)하는데 필요한 평균 산란 이벤트 수이고, N은 원자 밀도이며, σ_s는 미시적 탄성 산란 단면적이다. 흑연의 경우, SDP는 0.060 이다. SDP가 높을수록 더 좋다는 것을 주목해야 한다. 둘째, 천연 탄소의 미시적 흡수 단면적(microscopic absorption cross section)은 매우 작다. 셋째, 흑연은 풍부하고, 상당히 저렴하며, 원자로에 사용하기에 유리한 열적 및 구조적 특성을 갖는다.

그러나 감속재로서 흑연은 다음과 같은 몇 가지 단점이 있다.

- 원하는 수준의 중성자 감속을 얻기 위해서는 상당량의 흑연이 필요하며, 이는 대형 원자로 노심으로 이어진다.

- 고 에너지 중성자가 흑연의 결정 구조에 영향을 미치고 손상을 주기 때문에 고체 흑연은 중성자 조사에 의해 손상을 받는다. 이것은 구조 재료의 부식과 함께, 현재 흑연 감속 원자로 노심의 수명 제한 요인을 나타낸다.

- 충분한 순도, 균질성 및 밀도를 가지는 원자로 등급의 흑연을 제조하는데는 상당한 어려움이 있고 이에 따라 비용이 든다.

- MSR 노심의 흑연은 반감기가 5730년인 ¹⁴C를 생성하는 고 에너지 중성자에 의해 활성화되어 상당한 시간 동안 높은 수준의 핵 폐기물로서 폐기된 흑연이 저장되어야 한다.

- 고온에서 흑연은 공기와 접촉할 때 불타오르고, 또한 복잡한 온도 팽창 반응성 계수를 가지느데, 이는 방향에 의존하고 흑연의 조사에 따라 변한다.

원자로에 대한 순수한 물리적 관점에서, ZrH_x는 매우 훌륭한 감속재다. 지르코늄 성분은 상당히 작은 (전체) 미시적 단면적(microscopic cross section)을 가지기 때문에, ZrH_x의 감속 특성은 수소 핵을 구성하는 단독 양성자에 의해 두드러진다. 원자 질량이 1u인 수소는 입사 중성자(incident neutron)와 교환할 수 있는 에너지를 최대화한다. 결과적으로, ZrH_x는 5g/cm³ 이상의 밀도를 갖기 때문에, 낮은 x 값에서도 수소 밀도는 매우 높다. 결과적으로, ZrH_x는 우수한 감속력을 보인다. 예를 들어, 수소 분율이 x = 1.8인 경우, ZrH_x는 2.91의 감속력을 갖는다. MSR에서 감속재로서 ZrH_x의 용도는 최근에 US 2013/083878(WO 2013/077941 A2로도 공개됨)에 개시되었다.

그러나, ZrH_x는, 뛰어난 감속 특성에도 불구하고 원자로 응용 분야에 널리 사용되지 않았다. 이는 몇 가지 이유 때문이다. 첫째, ZrH_x는 수소 함량과 온도에 따라 복잡한 구조적 거동을 갖는다. ZrH_x가 용융 염 원자로의 정상 작동 공간 내의 온도에 노출될 때 ZrH_x가 상 변환되지 않는 x = 1.6 부근의 작은 영역만이 존재하는 것으로 잘 알려져 있다. 둘째, ZrH_x의 수소 함량 또한 온도에 의존한다. 따라서, 정상 상태 작동에서, 중성자 및 감마 가열로 인해 감속재 내에 온도 구배가 존재할 때, ZrH_x 내부의 수소 구배가 존재하며, 이는 그 구조적 거동의 예측을 더욱 복잡하게 한다. 부하 추종(load-following) 또는 우연한 시나리오로 인한 온도 변동이 클 경우, 수소는 감속재 내에서 재배치되고, 표면에서 잠재적으로 흡수되거나 방출되어 ZrH_x의 수소 양이 다시 변경된다.

감속재로서 ZrH_x와 관련된 추가 단점은 다음과 같다.

- ZrH_x는 공기가 있는 곳에서 고온에서 탄다.

- ZrH_x는 용융 염과 접촉할 때 발열 반응을 일으켜, 가연성 수소 가스를 잠재적으로 방출한다.

- ZrH_x는 고온에서 물과 접촉할 때 가연성 수소 및 산소 가스를 생성한다.

- 용융 염에서 ZrH_x를 분리하기 위해서는, i) 높은 신뢰성, ii) 낮은 투과성(permeability) 및 iii) 수소 가스의 방출을 잠재적으로 야기하는 높은 배압을 견딜 수 있는 이색적인 클래딩 재료(cladding materials)가 필요하다.

- ZrH_x는 상당히 비싸고, 적어도 흑연보다 비싸다. 이것은 핵급 지르코늄(nuclear-grade Zirconium)을 생산할 때 지르코늄과 하프늄의 분리 공정이 비용이 많이 드는 것과 어느정도 연관이 있고, 하프늄이 큰 중성자 포획 단면을 가지기 때문에 분리 공정은 필요하다.

- ZrH_x 감속재 내에서 수소 재배치를 최소화하려면, 항상 온도를 제어하기 위해 정교한 냉각 방식이 필요하다.

따라서, 대안적인 감속재 물질을 MSR에 제공하는 것이 본 기술 분야에서의 일반적인 요구이다.

C.E. Teeter 등: "핵 원자로 개념의 카탈로그", (아르곤국립연구소, 미합중국, 1965)(Teeter 등)는 1965년까지 과학적으로 조사된 수많은 상이한 용융 염 원자로 개념을 개시하고 있다. 감속재로서 흑연 또는 ZrH_x를 사용하는 상이한 개념 외에, Teeter 등은 다양한 운송 수단, 특히 비행기, 잠수함 및 순환 감속재를 갖는 모든 운송 수단의 추진력을 목적으로 서스펜션 원자로에서 조합된 감속재 및 냉각제로서 수산화나트륨(NaOH), ⁷LiOH 및 ⁷Li OD를 사용하는 것 또한 개시하고 있다. 종종 급격한 및/또는 갑작스러운 이동을 하는 이동 장치의 추진력에 사용되는 원자로에서, 원자로 노심의 과열을 피하기 위해 충분한 냉각을 제공하기 위해 감속재의 강제 순환이 필수적이라는 점에 주목해야 한다. Teeter 등은 또한, 수산화물, 특히 감속재로서의 NaOH에 대한 몇 가지 실망스러운 문제를 언급한다. NaOH에 우라늄 화합물을 용해시키기가 매우 어렵고, 수산화물이 너무 작은 전환율을 유발하므로 작은 임계 질량이 요구될 때 내부 증식이 가능하지 않다고 언급되어 있다. 가장 중요한 것은, 수산화물과 중수산화물(deuteroxide), 특히 NaOD가 부식성이 크며, 특히 순환 수산화물과 중수산화물의 대체, 특히 NaOD가 부식과 관련된 문제를 일으킨다고도 언급되어 있다.

G. P. Smith: "융합 수산화물의 재료 부식"(오크리지 국립연구소, 미합중국, 1956)(G.P. Smith)는 또한, 수산화물, 특히 NaOH에서 발생하는 부식 문제를 강조하고, 이들이 하이드록실(hydroxyl) 이온 및/또는 알칼리 금속 이온에 의해 발생한다고 언급하고 있다. G.P. 스미스는 또한 불순물이 존재할 때 부식이 특히 크다고 언급한다. 또한, G.P. 스미스는 융합된 수산화물에 노출될 때 모두 부식을 나타내는 적어도 31개의 원소 금속과 65개의 합금에 대한 연구가 이루어졌다고 언급하고 있다.

따라서, 이 두 문서는 MSR에서 중성자 감속재로서 금속 수산화물의 용도에 대해 직접적으로 교시하고 있다. 다시 말해서, 핵분열 원자로, 특히 용융 염 원자로에서 일반적으로 금속 수산화물, 특히 나트륨 및 수산화 리튬을 감속재로서 사용하지 않는 것에 대한 교시에는 명백한 편견이 있다.

또한, 1964년 6월 17일자로 공개된 GB 960,720 A는, 고온(1000-2000 ℃)에서도 고체를 유지하는 중성자 감속재로 사용할 수 있는 많은 세라믹 물질을 개시하고 있다. GB 960,720 A에서 제안된 물질 중에는 CaZr0₂H_1.8, LiZr_0.20_0.5H_2/3 및 Ce0_3/4H_1.5가 있다. 이들 물질은 모두 수소화된, 즉 수소가 결정 격자에 흡수된 금속 산화물이다. 그러나, 고체 감속재의 중성자 활성화로 인한 폐기물 문제는 물론, 중성자 조사로 인한 구조적 저하로 인해 MSR에서 고체 감속재는 바람직하지 않다. 또한, 고체 감속재의 냉각 효과는 낮거나 심지어 무시해도 될 정도이므로 별도의 냉각 시스템이 필요하며, 이는 결국 대형 원자로 노심으로 이어진다.

MSR이 아직 상용화되지 않게 하는 두 번째 단점은 불용성 핵분열 생성물이 MSR의 펌프 및 열 교환기를 오염시킨다는 점이다. 따라서 대부분의 활용되는 용융 염 원자로 설계는 연료 염에서 핵분열 생성물을 지속적으로 제거하기 위해 부착된 재처리 설비를 필요로 한다. 결과적으로 MSR은 복잡하고 비싸며, MSR에는 광범위한 개발 작업이 필요하다.

MSR이 아직 상용화되지 않게 하는 단점 중 가장 결정적인 세 번째 단점은 용융 염이 부식성이 높다는 것이다. 이로 인해, 내식성 금속 합금 개발에 대한 광범위한 연구가 이루어졌다. 니켈 기반 초합금과 같은 일부 적합한 금속 합금이 실제로 개발되었지만, 이러한 합금은 매우 고가이며 그럼에도 불구하고 부식은 일반적으로 오랜 시간이 지난 후에 여전히 발생한다.

탄소 및/또는 탄화물(carbides)에 기초한 새로운 복합 재료, 예로서 탄화 규소(silicon carbide)는, 원리적으로 용융 염을 견딜 수 있는 내화학성을 갖지만, 이러한 물질로부터 복잡한 구조를 만드는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 든다.

적어도 전술한 이유들로 인해, 나트륨 고속 원자로 또는 오늘날까지 일반적으로 사용되는 유형의 전통적인 핵분열 원자로를 선호하여, 용융 염 원자로에 대한 연구는 일반적으로 1960년대 후반에 포기되었다.

그 이후로는, 핵분열 원자로의 감속재로서 흑연과 물에 전적으로 초점을 맞추고 있다.

최근에, MSR은 새로운 관심을 받고 있다. 그러나, 이러한 새로운 시도에서, 감속재 물질과 관련하여, 감속재로서 수소화물의 사용, 특히 ZrH_x가 제안되는 전술한 US 2013/083878을 제외하고는 흑연에 거의 전적으로 초점이 맞춰져 있다.

MSR의 또 다른 예는 US 2015/243376 및 US 2016/005497에 개시되어 있다. US 2015/243376은 용융 염 및 연료 조합을 수용하는 용기를 포함하는 노심 원자로 용기를 갖는 모듈식 핵분열 원자로를 개시한다. 용기 하우징은 용기 하우징의 내부를 라이닝하는 보호층을 포함하며; 상기 보호층은 흑연 또는 코팅된 세라믹 물질을 포함할 수 있다.

US 2016/005497은 하나 이상의 핵분열 동위 원소의 용융 염을 각각 함유하는 중공 연료 튜브 어레이(array)를 갖는 노심을 갖는 핵분열 원자로를 개시하고 있다. 연료 튜브 어레이는 액체 냉각제 풀에 담겨 있다. 각각의 연료 튜브의 용융 염으로부터 튜브 외부로의 열전달은 자연 대류, 기계적 교반, 용융 염 흐름 진동(oscillating molten salt flow) 또는 용융 염의 비등(boiling)에 의해 달성될 수 있다. 냉각재 염에 지르코늄 금속 샘플을 포함시키는 것이 제안되어 있지만, 일반적으로 내식성 합금, 가령 니켈 합금이 부식 방지를 위해 의존된다.

따라서, 감속재로서 물이 가지는 자체적인 단점, 즉, 가장 중요한 것으로서 연료 염을 용융 상태로 유지하는데 필요한 온도에 비해 매우 낮은 융점을 갖는다는 단점을 가지고 있기에, 흑연 및 ZrH_x의 사용뿐만 아니라, 물의 사용에도 관련된 단점을 완화시키는 대안적인 감속재 물질을 MSR에 제공하고자 하는 요구가 오늘날 본 기술 분야에 남아있다.

따라서, 본 발명의 목적은 용융 염 원자로(MSR)에 감속재를 제공하여, 전술한 문제점을 완화시키고 소규모 원자로를 건설할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용융 염 원자로에서의 부식과 관련된 전술한 문제점을 동시에 해결하는 것이다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 이들 목적 및 다른 목적은 핵분열에 의해 에너지를 생성하도록 적응된 장치에 의해 달성되며, 상기 장치는 노심 용기 재료의 노심 용기를 포함하고, 상기 노심 용기는 내부 튜브 재료의 내부 튜브를 둘러싸고, 상기 내부 튜브 및/또는 상기 노심 용기는 입구 및 출구를 가지며, 상기 장치는 핵분열성 물질을 갖는 용융 연료 염 및 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융 감속재 염 및 내부 튜브 재료의 환원 전위 또는 내부 튜브 재료 및 노심 용기 재료의 환원 전위보다 더 큰 환원 전위를 갖는 산화 환원 요소를 더 포함하며, 용융 감속재 염은 노심 용기에 위치하고 용융 연료 염은 상기 내부 튜브에 위치하거나, 용융 연료 염은 노심 용기에 위치하고 용융 감속재 염은 내부 튜브에 위치한다. 감속재 물질은 원자로 노심에서 발생하는 핵분열 반응 과정에서 생성되는 핵분열 중성자를 감속하도록 배열되고 적응되며, 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함한다. 따라서 감속재는 금속 수산화물 및/또는 금속 중수산화물일 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 특히 화학 반응의 맥락에서, "수산화물" 또는 "중수산화물"이 단독으로 언급될 때, "수산화물 및/또는 중수산화물"로 해석되도록 두 용어가 상호 교환적으로 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 적어도 하나의 금속 수산화물 및/또는 적어도 하나의 금속 중수산화물은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 또는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 조합을 포함하는 금속의 군으로부터 선택되는 금속을 포함한다. 관련있는 알칼리 금속은 리튬(Li), 특히 ⁷Li, 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)을 포함한다. 마찬가지로, 관련있는 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)을 포함한다. 감속재로서 본 발명에서 사용되는 수산화물은 액체, 즉 용융 염이므로 중성자 조사에 의한 구조적 손상은 발생하지 않는다. 수산화물, 특히 NaOH의 경우, 중성자 포획으로 생성된 대부분의 동위 원소는 안정적(예: ²H 또는 "D" 및 ¹⁷0)이거나 안정된 형태(예: ²⁴Na)로 빠르게 붕괴된다. 따라서, 폐기 처분 관련 문제가 없다.

또한, 수산화물, 다시 특히 NaOH는 비등점까지 안정적이며 다른 화합물로 분해되지 않는다.

또한, 특히 액체 형태의 수산화물의 구조적 거동은 (고체) ZrH_x의 구조적 거동보다 훨씬 더 예측 가능하다. 고체 NaOH 내에서는 상 변화가 일어날 수 있지만 용융된 NaOH에서는 상 변화가 일어나지 않을 것이다. 마지막으로, 수산화물은 생산 비용이 저렴하고, 복잡하거나 정교한 냉각 방식이 필요하지 않다.

더욱이, 특히 전술한 흑연 및 ZrH_x의 단점을 염두에 두면, 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 감속재 물질을 제공하면 다음과 같은 추가 장점을 가진다. 즉, 수산화물은 흑연보다 더 효율적으로 감속시키는데 이는 산란이 비교적 높은 밀도로 분포된 수소 원자에 의해 주로 발생하기 때문이다. 예를 들어, NaOH는 0.67의 감속력을 나타내며, 이는 흑연의 감속력보다 약 10배 더 높다. 따라서 수산화물 기반 감속재가 있는 MSR을 흑연 감속재보다 더 콤팩트하게 만들 수 있어 원자로 노심의 전체 크기가 줄어 든다. 다른 수산화물, 특히 금속이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속인 다른 수산화물에 대해서도 유사한 관찰이 관련된다.

따라서, 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 감속재 물질을 제공함으로써, 종래 기술의 감속재 물질과 관련된 문제가 완화되는 MSR이 제공되며, 이는 제조가 간단하고 저렴하며, 이는 매우 소형화되어 소규모 배치의 새로운 가능성을 열어주고 MSR을 해체할 때 폐기되는 재료가 더 적어진다.

감속재 물질은 산화 환원 요소를 추가로 포함한다. 특히, 용융 감속재 염은 내부 튜브 재료와 접촉하고, 산화 환원 요소 또한 예컨대 직접 또는 용융 감속재 염을 통해, 내부 튜브 재료와 접촉할 수 있다. 산화 환원 요소는 또한 노심 용기 재료와 접촉할 수 있다. 산화 환원 요소는 적절하게 내부 튜브 재료 및/또는 노심 용기 재료의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 갖는다. 환원 전위의 결정은 당업자에게 잘 알려져 있다. 그러나, 본 발명자들은 용융 염의 환원 전위가, 즉 본 발명과 관련된 조건하에서 표준 전극 전위로부터 쉽게 추정될 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 표준 전극 전위는 298.15K의 온도, 각 수성 종 또는 수은 종에 대한 유효 농도 1 mol/l, 가스 시약에 대한 부분압 101.325 kPa(절대)(1 atm, 1.01325 bar), 및 순수 고체, 순수 액체, 또는 물(용제) 각각에 대한 단위 활동에서 추정될 수 있다.

본 발명자들은, 산화 환원 요소, 내부 튜브 재료 및/또는 노심 용기 재료의 전기 음성도로부터 환원 전위가 추정될 수 있음을 추가로 발견하였다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 내부 튜브 재료는 금속을 포함하고, 산화 환원 요소는 폴링 스케일에 따른 전기 음성도를 갖는 금속이고, 산화 환원 요소의 전기 음성도는 내부 튜브 재료의 금속 및/또는 노심 용기 재료의 금속의 전기 음성도보다 낮다. 본 실시예의 맥락에서, 산화 환원 요소는 일반적으로 금속 형태, 즉 산화 수준 0의 금속이다. 또한, 본 발명의 맥락에서, "환원 전위" 및 "전기 음성도" 용어는 산화 환원 요소, 내부 튜브 및/또는 노심 용기의 재료에 대한 각각의 값 사이의 관계를 고려할 때 서로 쉽게 대체될 수 있다. 일반적으로, 적어도 내부 튜브 재료는 용융 감속재 염과 접촉할 것이며, 본 실시예에서 내부 튜브 재료는 예컨대 금속, 가령 금속 합금으로 이루어지는 것을 포함할 것이다. 내부 튜브 재료가 금속을 "포함하는" 경우에, 내부 튜브는 일반적으로 적절하게 다른 금속 또는 재료의 섹션을 갖는 금속으로 제조된다는 것을 이해해야 한다. 본 실시예에서 내부 튜브 재료가 합금을 포함하는 경우, 합금의 전기 음성도는 합금이 기초로 하는 금속, 즉 적어도 합금의 50%(w/w)를 구성하는 금속의 전기 음성도인 것으로 이해해야 한다. 그러나, 합금은 또한 다른 금속, 예를 들어 합금의 모재(base metal)보다 전기 음성도가 낮은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 합금은 구리, 코발트, 크롬, 철, 망간 등의 함량을 갖는 니켈을 기초로 할 수 있다. 마찬가지로, 산화 환원 요소는 단일 원소로 제한되지 않고 금속의 혼합물일 수 있다.

산화 환원 요소는 금속 원소로 제한되지 않지만, 산화 환원 요소는 용융 염, 예를 들어, 용융 감속재 염과 직접 접촉하거나 물리적으로 접촉하는 고체 물질 또는 접촉하는 물질의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 제공해야 한다. 산화 환원 요소로서 임의의 적절한 원소 또는 재료가 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 산화 환원 요소는 Sr, Ca, Li, Rb, K, Ba, Li₂C₂, Na, Mg, Th, U, Be, Al 또는 Zr 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 맥락에서, 원소가 하나 또는 두 개의 문자 기호로 단독으로 나열될 때, 일반적으로 이들이 산화 수준 0에 있음을 이해해야 한다. 따라서, 금속이 산화 환원 요소로서 사용될 때 그것은 금속 형태, 즉 산화 수준 0에 있다는 것이 이해된다. 그러나, 원소가 특정 동위 원소, 예로서 ²³²Th, ²³³U로 표시되는 경우, 이들은 임의의 산화 수준일 수 있으며, 특히 이들은 염의 일부일 수 있다.

다른 태양에서, 본 발명은 핵분열성 물질을 포함하는 원자로 노심에서 발생하는 핵분열 반응 과정에서 생성되는 핵분열 중성자를 감속하기 위한 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합 및 Sr, Ca, Li, Rb, K, Ba, Li₂C₂, Na, Mg, Th, U, Be, Al 또는 Zr로 이루어지는 군 또는 이들의 조합으로부터 선택된 산화 환원 요소를 포함하는 용융 염의 용도에 관한 것이다. 또 다른 태양에서, 본 발명은 금속 섹션을 갖는 원자로 노심에서 발생하는 핵분열 반응 과정에서 생성되는 핵분열 중성자를 감속하기 위한 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합 및 산화 환원 요소를 포함하고 핵분열성 물질을 포함하는 용융 염의 용도에 관한 것으로, 산화 환원 요소는 원자로 노심의 금속 섹션의 전기 음성도 보다 낮은, 폴링 스케일에 따른 전기 음성도를 갖는 금속이다.

또 다른 태양에서, 본 발명은, 본 발명의 장치에서 핵분열 과정을 제어하는 방법에 관한 것이다. 따라서, 본 방법은 본 발명에 따른 장치를 제공하는 단계를 포함하고, 다음의 단계를 더 포함할 수 있다. 즉,

- 내부 튜브에 용융 연료 염을 도입하되, 상기 용융 연료 염은 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 요소를 포함하는 단계,

- 노심 용기에 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융 감속재 염 및 산화 환원 요소를 도입하는 단계 - 산화 환원 요소는 내부 튜브 재료의 환원 전위 또는 내부 튜브 재료 및 노심 용기 재료의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 가짐 -,

- 내부 튜브의 입구 및 출구와 유체 연통하는 열 교환기를 제공하여 열 교환 루프에서 순환하는 용융 연료 염으로부터 열을 제거하도록 열 교환 루프를 제공하는 단계;

- 열 교환 루프에서 연료 염을 순환시켜서 내부 튜브 내의 연료 염의 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 용융 연료 염이 내부 튜브에 도입될 때, 내부 튜브에는 입구와 출구가 있어야 한다.

다른 태양에서, 상기 방법은,

- 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융 감속재 염 및 내부 튜브 재료의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 갖는 산화 환원 요소를 내부 튜브에 도입하는 단계,

- 알칼리 금속의 불화물을 포함하는 용융 연료 염 및 핵분열성 요소를 노심 용기에 도입하는 단계,

- 입구 및 출구와 유체 연통하는 열 교환기를 제공하여 열 교환 루프에서 순환하는 용융 염으로부터 열을 제거하도록 열 교환 루프를 제공하는 단계,

- 열 교환 루프에서 용융 염을 순환시켜 노심 용기 내의 연료 염의 온도를 제어하는 단계를 더 포함한다. 본 태양은 본 발명의 장치의 임의의 실시예를 사용할 수 있다. 특히, 내부 튜브는 입구 및 출구를 필요로 하지 않으므로, 감속재 염은 내부 튜브에 고정되어 있다. 또한, 본 발명의 장치에서 본 발명의 어느 하나의 방법을 수행하는 것도 가능하며, 산화 환원 요소가 내부 튜브 재료의 표면 상 또는 내부 튜브 재료 및 노심 용기 재료의 표면 상에 위치하는 희생 물질(sacrificial material)이고; 이 경우에, 용융 감속재 염은, 산화 환원 요소가 장치에 존재하기 때문에 산화 환원 요소를 현탁액 또는 용해 또는 용융 형태로 함유할 필요가 없다. 그러나, 장치가, 산화 환원 요소를 표면 상에 위치한 희생 물질로서 갖는 한편, 산화 환원 요소가 존재하는 용융 감속재 염을 현탁액으로서 또는 용해 또는 용융 형태로 적용하는 것도 가능하다.

상기 두 방법 태양의 임의의 실시예는 일반적으로 본 발명의 장치의 임의의 실시예에서 발생할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 용도 태양의 임의의 실시예는 본 발명의 장치의 임의의 실시예에서 수행될 수 있다. 그러나, 용도 태양은 본 발명의 장치로 제한되지 않으며, 원하는 대로 임의의 적절한 원자로에서 사용될 수 있다.

MSR은 전형적으로, 용융 염 위에 커버 가스를 함유할 것이다. 예를 들어, 용융 연료 염 위 및/또는 용융 감속재 염 위에 커버 가스를 함유할 것이다. 커버 가스가 H₂0, H₂, HF 등과 같은 용융물의 산화 환원 전위 및/또는 옥소산도(oxoacidity)를 제어하는 화학 종(chemical species)을 함유할 수 있지만, 커버 가스는 화학적으로 불활성이어야 하고, 바람직한 커버 가스는 불활성 기체, 예를 들어 아르곤을 포함한다. 예를 들어, 커버 가스의 조성물은, 대응되는 실시예 및 태양에서 용융 감속재 염 및/또는 용융 연료 염을 통해, 버블링 가스, 가령 H₂0와 함께 조정되고 제어될 수 있다.

본 발명의 장치는 용융 연료 염 및 용융 감속재 염을 갖는다. 그러나, 본 장치는 상이한 기능을 갖는 용융 염을 추가적으로 포함할 수도 있다. 본 장치는 예를 들어 용융 냉각제 염을 포함할 수 있다. 임의의 연료 염 조성물이 본 발명에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 용융 연료 염은 임의의 핵분열성 요소, 예를 들어 핵분열성 악티나이드 또는 핵분열성 요소로 전환될 수 있는 원소, 예를 들어 토륨을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 연료 염은 알칼리 금속의 불화물, 예를 들어 리튬, 토륨 및 핵분열성 요소, 예를 들어 핵분열성 요소 및 토륨의 불화물 염의 함량을 갖는 ⁷Li F와 선택적으로 다른 구성 요소들을 기초로 할 수 있다. 연료 염은 바람직하게는 공융 조성물, 예를 들어 조성물 LiFAnF_n의 악티나이드 염이 보충된 78 몰 %의 ⁷Li F 및 22 몰 %의 ThF₄를 기초로 하며, 여기서 An은 핵분열성 악티나이드이고, n은 3 또는 4이다.

연료 염은 연료 함량으로 설명될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, "연료 함량"은, 핵분열 악티나이드 분율의 단위 "cmol%"로 표현되는 양이온 몰 분율, 즉 핵분열 악티나이드, 예를 들어, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²⁴¹Pu의 합을 연료 염의 모든 악티나이드의 합으로 나눈 값이다. 따라서 연료 염은 다음 방정식으로 나타낼 수 있다.

연료 염 = a NaF + b AnF₄

여기서 Na는 임의의 알칼리 금속을 나타내고 An은 적어도 하나 이상의 악티나이드를 나타내고; a = 22% 및 b = 78%의 경우, 혼합물은 공융성이다. 구체적으로, AnF₄의 An은 토륨 및 핵분열성 요소를 모두 포함할 수 있다. 여기서, 핵분열성 요소, 특히 ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²⁴¹Pu의 몰 함량은 연료 함량이며 바람직하게는 악티나이드, 즉, 2 cmol% 내지 10 cmol% 범위의 An이다.

연료 염은 바람직하게는 토륨을 포함하며, 핵분열성 악티나이드, 예를 들어 ²³³U, ²³⁵U 및 ²³⁹Pu의 핵분열 중에 생성된 중성자는 비 핵분열성 ²³²Th를 핵분열성 ²³³U로 전환할 것이다. "연료 함량" 용어가 사용될 때, 이는 일반적으로 핵분열 반응이 개시될 때의 조성물을 지칭한다. 산화 환원 요소에 의해 제공되는 개선된 내식성은 본 발명에 의해 제공되는 토륨 기반 핵 원자로가 실현되도록 본 장치의 수명을 연장시킨다. 내식성이 없으면, 용융 염은 생성된 ²³³U에 기반한 작동이 가능하기 전에 장치를 저하시킬 것으로 예상된다.

장치의 연료 염은 핵분열성 물질을 포함한다. 본 발명의 맥락에서 "핵분열성 물질"은 열중성자(thermal neutrons)로부터 핵분열을 겪을 수 있는 물질로서, 가령, "핵분열성" 물질이거나, 또는 중성자가 흡수됨으로써 핵분열성 물질로 전환될 수 있는 물질이다. 따라서, 예를 들어, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²³²Th는 핵분열 가능 물질이고, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²³³U는 핵분열성 물질이다.

본 발명의 장치는 용융 감속재 염에 감속재 물질을 포함한다. 마찬가지로, 본 발명은 감속재와의 용융 염의 용도에 관한 것으로, 이는 또한 본 발명의 방법에 사용된다. 감속재 물질은 금속 수산화물, 금속 중수산화물 또는 금속 수산화물과 금속 중수산화물의 조합이거나 이것을 포함한다. 감속재는 본 발명의 장치에 도입될 때 적절한 임의의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 감속재는 용융 염이거나, 고체 형태일 수 있다. 용융 수산화물 및 중수산화물 염은 부식성이 강하며, 현재까지 핵분열 반응에서 감속재로 사용하는 것은 실용적이지 못했다. 산화 환원 전위를 조절하고 용융 염에 의해 야기되는 부식을 감소시키기 위해 용융 염에 금속 성분을 첨가하는 것이 공지되어 있다. 예를 들어, MSR의 맥락에서, 금속성 베릴륨은 용융 불소-리튬-베릴륨(FLiBe)에 첨가되어 산화 환원 전위를 낮추고 부식을 거의 제거한다. 그러나, 용융 염 중의 수산화물은 대부분의 금속과 반응하는 것으로 여겨지며, 이는 반응(A)에 따라 수산화물을 H₂로 바꾼다.

반응(A) 2 NaOH + 2/x Me -> Na₂0 + 2/x MeO _x/2 + H₂

형성된 수소는 용융 염으로부터 확산되어 수소가 손실될 것이며, 따라서 감속 효과도 줄어들 것으로 예상된다. 니켈, 코발트, 구리 및 이들의 합금이 추가적인 반응에 더 관여하거나 이 반응을 야기하는 것으로 관찰되었다(Williams 등, 1956, Naval Research Laboratory, 78: 5150-5155).

반응(B) MeO_x + x H₂ -> Me + x H₂0

반응(C) Na₂0 + ½ H₂ -> NaOH + Na

반응(D) H₂0 + Na -> NaOH + ½ H₂

반응(B), 반응(C) 및 반응(D)는 용융 NaOH에 의한 질적 저하에 대해 니켈계 합금이 갖는 어느 정도의 고유한 저항에 대한 이유를 설명하는 것으로 해석되었다. 그러나, 니켈, 구리 또는 코발트 이외의 금속의 첨가에 의한 추가적인 보호는 단지 반응(A)에 따라 수소 가스의 형성으로 이어질 것으로 예상된다. 따라서, (금속) 수산화물 또는 중수산화물의 용융 염에 금속을 첨가함으로써, 용융 염의 감속 효과가 상실될 것으로 예상된다. 본 발명자들은 놀랍게도, 용융 감속재 염이 위에서 정의된 바와 같은 산화 환원 요소를 포함할 때, 산화 환원 요소는 감속 효과를 잃지 않으면서 용기 재료에 대한 부식으로부터 희망했던 보호를 제공할 것이라는 점을 발견했다. 이론에 구속되지 않고, 본 발명자들은 산화 환원 요소의 첨가, 예를 들어 산화 환원 요소의 양이 금속 수산화물 및 산화 환원 요소의 총 10%(w/w) 이하인 경우, 확산에 의한 수소의 제거를 유리하게 방지하는 반응(A) 내지 반응(D)에서 평형이 형성될 것이라고 생각한다. 본 발명자들은 또한 형성된 임의의 H₂가 각각의 용기 재료에 존재하는 금속과 수소화물(hydrides)을 형성할 것이며, 또한 감속재 효과를 유지하게 할 것이라고 믿는다. 이 효과는 특히 H₂가 임의의 존재하는 금속에 "강제로" 투입된 것으로 여겨지는 용융 염의 고온에서 촉진되는 것으로 여겨진다. 본 발명자들은 수소화물이 노심 용기 재료, 내부 튜브 재료 또는 노심 용기 재료 및 내부 튜브 재료 모두에서 형성될 수 있다고 생각한다. 특히, 용융 감속재 염은 내부 튜브의 내부 또는 내부 튜브가 위치한 노심 용기 내에 존재하여, 내부 튜브 재료에 수소화물이 존재할 수 있도록 하여 감속 효과가 제공될 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명은 핵분열 과정을 제어하기 위해 수산화물 및/또는 중수산화물에 기초한 감속재 염을 허용한다. 산화 환원 요소를 첨가하는 효과는 내부 튜브 재료 및 또한 노심 용기 재료가 니켈, 구리, 코발트 및 이들의 혼합물에 기초한 합금을 포함할 때, 예를 들어 이들 합금으로 만들어질 때 특히 확연하다. 이는, 니켈, 구리, 코발트 등 이들 금속이 추가로 반응(B), 반응(C) 및 반응(D)이기 때문이다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 내부 튜브 재료 및 선택적으로 노심 용기 재료는 니켈계 합금, 예를 들어 하스텔로이(Hastelloy) 이다. 본 발명의 맥락에서, 니켈계 합금은 적어도 50%의 니켈을 갖는 합금이다. 이것은 코발트 및 구리 기반 합금의 경우에도 해당된다.

특정 실시예에서, 내부 튜브 재료 및 산화 환원 요소의 폴링 전기 음성도의 차이는 0.8 내지 1.2의 범위에 있으며, 예를 들어, 내부 튜브 재료는 니켈을 기초로 하고, 산화 환원 요소는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 기초로 한다. 다른 실시예에서, 내부 튜브 재료 및 산화 환원 요소의 폴링 전기 음성도의 차이는 0.3 내지 0.8의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, 내부 튜브 재료 및 산화 환원 요소의 폴링 전기 음성도의 차이는 0.3 이하이며, 예를 들어, 내부 튜브 재료는 니켈을 기초로 하고, 산화 환원 요소는 전이 원소(transition metal)이다. 본 발명자들은 놀랍게도, 폴링 전기 음성도의 차이가 작은 경우, 예를 들어 0.3 이하인 경우, 이것은 부식 방지를 제공하기에 충분하고, 더욱 유리하게는 큰 차이의 전기 음성도가 사용될 때와 비교하여 용융 감속재 염에서 전체적으로 더 적은 H₂가 형성되도록 한다는 것을 발견하였다.

본 발명은 용융 감속재 염에 산화 환원 요소를 사용하는 것으로 제한되지 않으며, 용융 연료 염도 물론 산화 환원 요소를 포함할 수 있다. 용융 감속재 염에 대해 설명된 임의의 산화 환원 요소는 용융 연료 염에 사용될 수 있다. 본 발명의 장치의 원자로 노심은, 전술한 바와 같은 산화 환원 요소를 추가로 포함한다. 산화 환원 요소는 장치와 함께 사용되는 임의의 용융 염, 예를 들면 연료 염에 존재할 수 있으며, 존재하는 경우 용융 염 또는 냉각제 염으로서의 감속재이다. 둘 이상의 용융 염이 사용될 때, 각각의 용융 염은 동일하거나 상이한 산화 환원 요소를 가질 수 있다.

본 발명자들은 수산화물 또는 중수산화물에 기초한 감속재 염이 산화 환원 요소의 10%(w/w)까지 구성할 때 수산화물 또는 중수산화물의 감속 효과가 유지될 수 있음을 관찰하였다(예를 들어, 도 6 참조). 따라서, 특정 실시예에서 산화 환원 요소의 농도는 산화 환원 요소를 포함하는 용융 감속재 염의 총 중량의 1 g/kg 내지 100 g/kg의 범위에 있다. 농도가 100 g/kg을 초과하면, 충분한 감속 효과가 얻어지지 않는데, 즉, 수소/중수소의 양이 너무 적다. 특히, 농도가 100 g/kg 초과인 경우, 수산화물은 산화 환원 요소와 반응하여 잔류 염에 비해 산화 환원 요소의 농도를 감소시킨다. 그러나, 산화 환원 요소의 양이 감소하더라도 감속 효과는 다시 얻어지지 않을 것이다.

핵분열 원자로는 전력 밀도(P) 면에서 기술될 수 있으며, 이는 핵분열 및 방사성 붕괴로 인한 단위 용적-시간당 노심 내 연료 염에서 생성된 (평균) 열량을 의미한다. 원자로의 중성자 개수가 한 세대에서 다음 세대까지 꾸준히 유지되면 (소실된 만큼 새로운 중성자를 생성하면서), 핵분열 연쇄 반응은 자동으로 계속되며 원자로의 상태는 "임계상태"로 지칭된다. MSR의 열 생성은 연쇄 반응 방식이며 원자로 노심에 고체 연료가 없기 때문에, 전력 밀도에 대한 이론적 상한이 매우 높으며, 이는 정상 작동 중에 원하는 것보다 훨씬 높다. 따라서 전력 밀도는 설계 특성보다는 설계 선택으로 간주될 수 있다. 원자로 노심 전력 밀도는 순환 시간, 체류 분율, 연료 염의 물리적 특성 및 마지막으로 입구/출구 온도차에 의존한다. MSR에서의 연료 염 전력 밀도에 대한 성능 지수는 다음과 같다.

여기서 f는 연료 체류 시간 분율, T_c는 순환 시간, C_fuel 및 P_fuel은 각각 용융 연료 염의 열 용량 및 밀도이고, △T는 입구 온도와 출구 온도의 차이이다.

일반적으로 더 높은 전력 밀도는 더 작은 노심 용적을 가능하게 한다. 그러나, 주어진 전력 출력 및 노심 용적의 경우, 붕괴 생성물로 인한 잔류 열 생성과 노심에 대한 방사선 손상은 원자로의 수명을 단축시키므로, 붕괴 생성물로 인한 잔류 열 생성과 노심에 대한 방사선 손상을 줄이기 위해 전력 밀도는 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 따라서 특정 연료 전력 밀도에 정착하는 것은 노심 용적을 최소화하는 것과 원자로 제어 및 수명을 최대화하는 것 사이의 절충이다.

원자로 노심 용적은 원자로 폼 팩터 F에 의존한다. 폼 팩터는 노심 용적 중 얼마나 많은 양이 연료로 구성되어 있고, 그에 따라 노심 용적 중 얼마나 많은 양이 열 생성에 기여하는지에 관한 척도이다. 열 원자로에서 폼 팩터는 감속재의 효율성을 나타내는 성능 지수이다. 일반적으로, 감속이 더 좋을 수록 폼 팩터는 더 작아지며, 따라서, 본 발명은 MSR에서 수산화물/중수산화물 기반 감속재를 이용 가능하게 하기 때문에, 즉 산화 환원 요소에 의해 제공되는 부식 방지로 인해, 다른 감속재, 예를 들어 흑연을 사용하는 MSR에 비해 폼 팩터를 크게 개선하는 것이 가능하다. 아래에서는, 일반적인 열 원자로 폼 팩터를 총 노심 용적과 노심내 연료 염 용적 사이의 비율로 정의한다.

여기서 V_core는 노심 용기의 총 용적이고 V_{core, fuel}는 연료의 용적, 가령, 용융 연료 염의 위치에 따라 노심 용기의 용적에서 내부 튜브의 용적을 뺀 값 또는 내부 튜브의 용적이다. 따라서, 노심내 용적 감속재 대 연료 비는 R = F-1(클래딩을 고려하지 않음)을 통한 폼 팩터와 관련이 있다. 일 실시예에서, 원통형일 수 있는 노심 용기는 용융 감속재 염을 함유하고, 용융 연료 염은 본 실시예에서는 "연료 핀"으로 지칭되는 튜브를 포함하는 내부 튜브에 함유되며, 육각형 패턴, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 배치되는데, 폼 팩터 F는 다음에 따라 추정될 수 있다.

여기서 l은 인접 핀 사이의 거리의 절반이며, δ는 연료 핀 클래딩 두께, 즉 내부 튜브 재료의 두께이며, r_pin은 연료 핀의 반경이다.

원자로 노심의 총 용적(연료 블랭킷(blanket) 및 차폐물은 포함되지 않음)은 일반적인 MSR에 유효한 다음과 같은 식으로 주어진다.

여기서 f는 연료 체류 시간 분율, T_c는 순환 시간이고, C_salt 및 P_salt는 각각 용융 연료 염의 열 용량 및 밀도이다. 따라서, 폼 팩터가 작을수록, 주어진 전력 밀도 및 전력에 대해 노심 용적이 더 작다. 이에 의해, 감속재로서 금속 수산화물/중수산화물을 사용하여 훨씬 더 작은 폼 팩터가 이용가능하기 때문에, 본 발명의 장치는 종래 기술의 MSR보다 높은 전력을 유지하면서 더 작게 만들어질 수 있다. 이것은 산화 환원 요소가 사용되거나 용융 염에 전류가 인가될 때 적용된다.

연료 염 및 감속재는 일반적으로 서로 분리되지만, 서로 혼합될 수 있는 것으로도 고려된다. 일반적으로, 용융 염, 예를 들어 연료 염 및/또는 감속재 물질은 용기에 함유되고, 예를 들면 용기에 둘러싸인다. 예를 들어, 감속재는 노심 용기 또는 내부 튜브 안에 존재할 수 있다. 어느 용기에나 임의의 적절한 재료가 선택될 수 있다. 그러나, 노심 용기 재료 및/또는 내부 튜브 재료는 금속을 포함하거나 금속인 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 장치는 하나 이상의 내식성 금속 또는 합금, 예컨대 니켈계 합금, 가령, 하스텔로이로 만들어진 노심 용기를 갖는다. 일반적으로, 장치의 임의의 재료는 내식성 금속, 예를 들어, 하스텔로이로 만들어 질 수 있다. 동일한 합금은 내부 튜브에 동일하게 관련된다. 산화 환원 요소와 용융 감속재 염과 맞대는 용기의 금속 부분은 전술한 수소화물 기반 효과에 참여하는 것으로 여겨지며, 용기의 재료로서 금속이 바람직하다.

또한, 용융 염 예를 들어 용융 감속재 염 및/또는 용융 연료 염에 전류, 예를 들어 직류 전류 또는 교류 전류를 인가함으로써 부식 방지가 얻어질 수 있다는 점이 고려된다. 예를 들어, 내부 튜브 재료 및/또는 노심 용기 재료는 금속을 포함하거나 금속일 수 있고, 내부 튜브 재료는 양극(anode)으로 사용될 수 있고, 노심 용기 재료는 음극(cathode)으로 사용될 수 있고, 그 반대도 성립할 수 있다. 금속으로 된 양극 및 음극을 용융 염에 삽입하는 것도 가능하다. 이러한 양극은 예를 들어 금 또는 백금으로 만들어지거나 코팅될 수 있지만, 다른 금속도 고려될 수 있다.

일반적으로, 핵분열 원자로의 감속재는 전형적으로 예를 들어 용융 염으로서 핵분열성 물질보다 큰 용적이 필요하며, 또한 감속재가 핵분열 과정을 유지, 즉 감속하기 위해 핵분열성 물질, 예를 들어 용융 연료 염은 감속재에 가능한 한 균등하게 분배되어야 한다. 이는 또한 용융 감속재 염이 용융 연료 염과 혼합되지 않으면, 용융 감속재 염이 이를 둘러싸는 용기와 반드시 큰 접촉 표면을 가져야하는 것임을 의미한다. 큰 접촉 표면은 수산화물 또는 중수산화물에 의한 용기 재료의 부식을 증가시킨다. 그러나, 용융 감속재 염에 산화 환원 요소를 첨가하면 부식 효과가 감소되고, 이에 따라 제공되는 더 큰 표면적의 이용 가능성은 전술한 수소화물 유지 효과를 최대화한다.

일 실시예에서, 산화 환원 요소는 알칼리 금속이다. 알칼리 금속은 불가피하게 용융될 것이며, 또한 용융 염에 용해되어 산화 환원 요소의 더 나은 혼합을 보장할 수 있다. 산화 환원 요소가 감속재 염에 효율적으로 혼합되기 때문에 개선된 혼합은 부식 방지에 유리하다. 특정 실시예에서, 감속재 물질은 알칼리 수산화물 또는 중수산화물 염이고, 산화 환원 요소는 동일한 알칼리 금속이다. 예를 들어, 감속재는 NaOH/NaOD, 산화 환원 요소는 Na일 수 있거나, 감속재는 KOH/KOD, 산화 환원 요소는 K 등일 수 있다. 상이한 알칼리 금속을 함유하는 금속 수산화물/중수산화물의 혼합물 또한 가능하다. 감속재 염에 특정 금속 이온, 예를 들어 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘이 함유된 경우, 금속 형태의, 즉 산화 환원 요소로서의 특정 금속은 산화 환원 요소로서의 기능을 여전히 유지하면서 용융 염에 유리하게 용해될 수 있다. 이에 의해 더 나은 혼합이 보장된다.

산화 환원 요소는 용융 감속재 염에 분포될 수 있거나, 산화 환원 요소는 내부 튜브 재료 및/또는 노심 용기 재료의 표면에 부착되거나 표면의 일부가 될 수 있다. 따라서, 산화 환원 요소는 예를 들어 감속재 염의 용융점보다 낮은 용융점을 가질 수 있으며, 예를 들어 산화 환원 요소는 알칼리 금속 일 수 있으며, 산화 환원 요소가 용융, 예를 들어 용융 감속재 염에 용해된다. 산화 환원 요소는 또한 용융 염의 온도, 예를 들어 용융 염의 용융점보다 높은 용융점을 가질 수 있으며, 용융 염에서 분체의 현탁액으로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 입자는 0.1 mm 내지 10 mm 범위의 크기를 가질 수 있다. 용융 염에서 분체의 현탁액 또는 용융 염에 용융 또는 용해된 물질로서 사용되는 산화 환원 요소는 1 g/kg 용융 염 내지 100 g/kg 용융 염, 즉, 산화 환원 요소를 포함하는 용융 감속재 염의 범위의 양으로 존재할 수 있다. 미립자 산화 환원 요소는, 용융 염 내의 산화 환원 요소가 혼합되도록 하여 표면이 부식으로부터 보호될 수 있도록 하기 때문에 유리하다. 또한, 산화 환원 요소가 입자 형태일 때 추가적인 산화 환원 요소의 첨가가 단순화된다. 산화 환원 요소가 0.1 mm 내지 10 mm 범위, 특히 0.5 mm 내지 2 mm 범위의 크기의 입자를 포함하는 경우, 산화 환원 요소 입자는 용융 감속재 염과 접촉하는 표면적을 제공할 것이며, 이는 반응(A) 내지 반응(D)에 따라 반응을 제어하여 H₂ 생성을 최소화하면서 충분한 부식 방지를 가져오는데 최적이다. 특정 실시예에서, 산화 환원 요소는 용융 감속재 염, 예를 들어 알칼리 토금속, 전이 금속, 란타나이드(lanthanide) 및/또는 악티나이드보다 높은 용융점을 갖는 물질로서 존재하며, 산화 환원 요소는 산화 환원 요소를 포함하는 용융 감속재 염의 총 중량의 1 g/kg 내지 100 g/kg 범위의 농도에서 0.1 mm 내지 10 mm 범위, 특히 0.5 mm 내지 2 mm 범위의 크기를 갖는 입자로서 존재한다. 추가의 특정 실시예에서, 이러한 산화 환원 요소는 니켈계 합금을 기반으로 하는 내부 튜브 재료와 함께 사용된다.

본 발명의 장치의 실시예에서, 산화 환원 요소는 표면에 부착되거나 표면의 일부이다. 이것은 일반적으로 희생 물질이라고 한다. 그러나, 희생 물질은 또한 희생 양극(anode) 또는 갈바니 음극(galvanic cathode) 보호 시스템으로 지칭될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, "희생 물질", "희생 양극"및 "갈바니 음극 보호 시스템" 용어는 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 물질 예를 들어 내부 튜브 재료 또는 노심 용기 재료의 표면에 전형적으로 위치하여 용융 염으로부터 각각의 재료에 대한 부식 방지를 제공하는 고체 구조물을 나타낸다. 이들 실시예에서, 산화 환원 요소는 용융 감속재 염의 온도보다 높은 용융점을 가질 것이다. 따라서, 산화 환원 요소는 Sr, Ca, Ba, U2C2, Mg, Th, U, Be, Al 또는 Zr 중 임의의 하나 또는 이들의 조합이거나 이것을 포함할 수 있다. 희생 물질, 희생 양극 또는 갈바니 음극 보호 시스템은 원하는 임의의 형상 또는 형태, 예를 들어 보호될 표면 상에 위치하는 블록 또는 시트로서의 형상 또는 형태를 가질 수 있다. 블록 또는 시트의 두께는 전형적으로 10 mm까지 이르거나 그 이상일 수 있다. 특정 실시예에서, 용융 감속재 염과 대면하는 내부 튜브 재료 또는 노심 용기 재료의 표면에는, 10% 내지 90%의 범위의 표면 또는 면적의 부분에 산화 환원 요소가 장착된다. 산화 환원 요소는 전형적으로 0.5 mm 내지 5 mm 범위의 두께를 가질 것이다.

산화 환원 요소가 희생 물질, 희생 양극 또는 갈바니 음극 보호 시스템인 경우, 산화 환원 요소의 질량은 제한되지 않으며, 산화 환원 요소의 질량은 금속 수산화물과 산화 환원 요소가 결합된 질량 중 높은 비율을 구성할 수 있다. 그러나, 산화 환원 요소, 즉 희생 물질, 희생 양극 또는 갈바니 음극 보호 시스템의 용적 분율은 용융 감속재 염과 산화 환원 요소의 결합 용적의 1%(V/V) 내지 20%(V/V)의 범위인 것이 바람직하다.

희생 물질 및 희생 양극은 원자로 노심에서 제한된 양의 공간만을 차지하고 간단하고 상당히 저렴하며 대체하기 쉽다는 이점이 있다. 갈바니 음극 보호 시스템은 희생 물질과 비교하여 원자로 노심에서 훨씬 더 적은 양의 공간을 차지할 수 있다는 추가적인 이점을 갖는데, 왜냐하면 그러한 시스템의 대부분 또는 모든 요소가 원자로 노심의 외부에 배치될 수 있기 때문이다.

산화 환원 요소는 보호될 물질보다 우선적으로 산화 환원 요소의 부식을 야기하는 용융 염과 화학 반응을 겪고, 결과적으로 다른 원소, 특히 원자로 노심내의 용융 염과 접촉하는 것들을 부식으로부터 보호한다. 또한, 이러한 보호 시스템은 원자로 노심의 크기에 맞게 치수화될 수 있어서, 매우 작은 원자로 노심 구조를 갖는 MSR을 제공하는 것이 가능하다.

산화 환원 요소는 보호될 물질에 우선하여 분해되기 때문에, 예를 들어, 산화 환원 요소는 반응(A) 내지 반응(D)에 참여하기 때문에, 점차적으로 소모될 수 있다. 따라서, 용융 연료 염으로부터의 보호가 필요한 경우, 적절하게는 산화 환원 요소는 용융 염의 금속 성분, 예를 들어 금속 수산화물 또는 금속 중수산화물의 금속 성분 또는 연료 염의 금속 성분과 같은 금속인 것이 바람직하다. 금속 성분은 또한 금속 부분으로도 지칭될 수 있고, 이 두 용어는 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 이들 금속 성분은 산화된 형태, 예를 들어 염 형태임을 알 수 있다. 이는, 산화 환원 요소의 분해에 의해 더 이상 어떤 원소도 염에 첨가되지 않기 때문에, 각각의 염의 후속 처리를 단순화시킨다.

용융 수산화물은 물과 산화물로 부분적으로 해리되며, 이들 종의 상대 농도는 용융물의 "옥소산도(oxoacidity)"를 정의한다. 옥소산도의 개념은, 물이 하이드로늄(hydronium) 이온과 수산화물 이온으로 해리되는 수용액의 산도와 유사하다.

용융물에서 물의 농도가 높을수록 옥소산도가 더 높아진다. 물의 pH 스케일과 유사한 개념인 pO^2- 또는 pH₂0을 사용하여 용융물의 산도와 염기도를 정의한다.

용기 재료의 제한된 용해가 발생하는 특정 범위의 값으로 용융물의 산화 환원 전위 및 옥소산도를 유지함으로써, 용융 수산화물에서의 부식을 제어할 수 있다. 니켈계 합금을 포함한 많은 금속 및 합금의 경우, 이는 일반적으로 환원 전위(즉, 용융 수산화물과 접촉하는 물질의 환원 전위보다 낮은 용융 수산화물의 환원 전위)를 갖는 산성 용융물이지만, 수소 또는 수소화물을 형성하는 정도로 환원하지 않는다. 227 ℃에서 NaOH-KOH 공융 혼합물에서 니켈에 대한 전위- 옥소산도 다이어그램이 도 7에 도시되어 있으며(J. Goret 및 B. Tremillon, Electrochim. Acta. 12 (1967) 1065-1083); 이 도면으로부터, 충분히 낮은 전위에서 및/또는 산성 용융물(즉, 낮은 pH₂0의 값)을 사용함으로써 가용성 니켈레이트(nickelate) 음이온, NiO2^2-의 형성이 회피될 수 있음을 알 수 있다. 이론에 얽매이지 않으면서, 본 발명자들은 다가의(multivalent) 가용성 화합물의 상대적인 양에 의해 용융 염의 전위가 제어될 수 있고, 염을 통한 버블링 가스(예를 들어 수산화물의 경우 H₂0) 또는 일정량의 강한 산화물 공여체(예를 들어 Na₂O)를 첨가하는 것에 의해 옥소산도가 제어될 수 있다고 생각한다. 더욱이, 옥소산도는 커버 가스의 조성을 제어함으로써 제어될 수 있고, 예를 들어 H₂0의 분압이 제어될 수 있는 것으로 고려된다. 본 발명의 맥락에서, 본 발명자들은 산화 환원 요소를 화학종으로서 추가로 정의하며, 이것은 예를 들어 전술한 방법을 통해 용융 수산화물의 산화 환원 전위 및/또는 용융 수산화물의 옥소산도를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 산화 환원 요소는 시간이 지남에 따라, 예를 들어 장치의 수명에 따라 각각의 용융 염에 첨가된다. 예를 들어, 장치에 대한 교체율이 정의될 수 있다. 교체율은, 존재하는 산화 환원 요소 또는 용융 감속 염의 양과 비교하여 첨가된 산화 환원 요소의 양을 나타낼 수 있고, 따라서 이는 단위 시간^-1, 예를 들면 연^-1, 월^-1 등을 가질 것이다.

또 다른 실시예에서, 감속재 물질은 95%, 심지어 98%를 초과하는 순도로 제공된다. 이에 의해, 그렇지 않았다면 감속재 물질의 부식 특성을 증가시킬 수 있는 불순물의 존재를 최소화하거나 심지어 완전히 피할 수 있다.

본 발명의 장치에 사용된 염은 물이 없을 수도 있는데, 예를 들어 염은 무수(anhydrous)일 수 있다. 그러나, 염은 불가피한 불순물로서 물을 함유할 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 불가피한 물의 불순물만을 함유하는 염은 "융합 염(fused salts)", 예를 들어 융합된 수산화물 또는 융합된 중수산화물로 지칭된다. 일 실시예에서, 물은 원자로 노심, 즉 노심 용기 또는 내부 루프에 존재하지 않는다. 금속의 수산화물 염, 예를 들어 나트륨 및 칼륨과 같은 알칼리 금속은 상당량의 결정수(crystal water)와 함께 이용 가능하며, 특정 실시예에서 감속재 염은 무수 염 및 10%(w/w) 물 이하, 예를 들면 5% 물 이하의 감속재 염을 제공하는 결정수가 있는 염과의 혼합물이다. 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 또한, 물의 첨가, 즉 최대 5%(w/w)의 첨가가 전술한 바와 같은 산화 환원 요소의 첨가에 의해 얻어지는 효과를 강화시킨다고 생각한다. 물이 염에 존재할 때, 이는 감속 효과를 추가로 증가시킬 수 있고, 본 발명자들은 낮은 수분 함량의 조합, 즉 금속 수산화물의 양에 비해 5%(w/w) 이하의 조합, 및 산화 환원 요소의 존재는 용융 감속재 염에 사용하기에 적합하며, 무수 염에 비해 감속재 효과를 증가시킨다는 점을 발견하였다. 또한, 염 속 물의 존재는 전술한 바와 같이 옥소산도에 기여하여 염이 물을 함유할 때 부식으로부터 추가적인 보호가 얻어진다.

추가의 실시예에서, 본 발명의 방법은 용융 염을 통해, 예를 들어 용융 감속재 염을 통해 및/또는 용융 연료 염을 통해 가스를 버블링하는 단계를 포함한다. 예를 들어, H₂0는 용융 감속재 염의 용적에 대해 시간당 0%(V/V) 내지 5%(V/V) 범위의 양으로 용융 감속재 염을 통해 버블링될 수 있다. 다른 양의 가스, 예를 들어 H₂0는 시간당 0.01%(V/V) 내지 1%(V/V)의 범위, 예를 들어, 시간당 0.1%(V/V) 내지 0.5%(V/V)의 범위일 수 있다. H₂0의 용적은 주변 압력 및 온도로 정규화된다. 필요한 H₂0의 실제 양은 부식으로부터 보호될 재료에 의존하고, 당업자, 예를 들어 B.L. Tremillon, 비수성 용매 화학, Springer Netherlands, Dordrecht, 1974. doi: 10.1007/978-94-010-2123-4에 의해 결정될 수 있다. 용융 염을 통해 버블링된 가스는 순수한 가스, 예를 들어 H₂0일 수 있지만, 이는 캐리어 가스, 특히 불활성 캐리어 가스, 예를 들어 아르곤과 같은 불활성 가스를 함유할 수 있다. 활성 가스, 예를 들어, H₂0의 양은 자유롭게 선택될 수 있지만 일반적으로 1%(V/V) 내지 50%(V/V)의 범위일 것이다. 특정 실시예에서, 가스는 용융 염, 즉 용융 감속재 염 및/또는 용융 연료 염을 통해 버블링되고, 커버 가스의 분압 및 조성은 동시에 제어된다. 예를 들어 동일한 조성의 가스, 가령, 캐리어 가스의 경우, 커버 가스로서, 용융 염을 통해 버블링될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 옥소산도는 커버 가스의 조성 및 압력을 제어함으로써 제어된다. 특히, 옥소산도는 커버 가스에서 H₂0의 분압을 제어함으로써 제어될 수 있다. 부분 압력이 제어될 때, H₂0는 커버 가스에서 불활성 가스, 예를 들어 아르곤과 혼합될 수 있다. 용융 감속재 염을 통해 버블링된 물의 양은 또한 시간당 용융 감속재 염의 용적당 질량 단위로 표현될 수 있으며, 그 양은 0 g/L/시간 내지 100 g/L/시간, 예를 들어 0.01 g/L/시간 내지 10 g/L/시간 또는 0.1 g/L/시간 내지 1 g/L/시간의 범위가 될 수 있다. 가스, 예를 들어, H₂0 또한 동일한 양으로 용융 연료 염을 통해 버블링될 수 있다.

본 발명자들은 놀랍게도 옥소산도가 용융 염, 즉 용융 감속재 염 및/또는 용융 연료 염을 통해 버블링 가스, 특히 H₂0에 의해 제어될 때, 부식으로부터의 보호가 위에서 정의된 산화 환원 요소를 필요로 하지 않는다는 것을 발견하였다. 상대적으로, 옥소산도는, 예를 들어 불활성 가스에서 H₂0의 분압과 관련하여, 조성물을 제어함으로써, 산화 환원 요소 없이도 부식으로부터의 보호를 제공하도록 제어될 수 있다. 커버 가스에서 H₂0의 분압은 0 bar에서 0.1 bar 사이, 예를 들면, 0.01 bar 내지 0.05 bar의 범위이어야 한다. 특정 실시예에서, 옥소산도는 예를 들어 커버 가스에서 H₂0의 분압과 관련하여, 커버 가스의 조성을 제어하는 것과 결합된 용융 염(들)을 통해 가스를 버블링함으로써 제어된다. 커버 가스의 제어는 용융 연료 염이 본 발명의 장치의 내부 튜브에 있을 때 특히 관련이 있다. 따라서, 또 다른 태양에서, 본 발명은 핵분열 과정을 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,

- 핵분열에 의해 에너지를 생성하도록 적응된 장치를 제공하는 단계 - 상기 장치는 노심 용기 재료의 노심 용기를 포함하고, 상기 노심 용기는 내부 튜브 재료의 내부 튜브를 둘러싸고, 내부 튜브 및/또는 노심 용기는 입구 및 출구를 가짐 -,

- 용융 연료 염을 내부 튜브에 도입하는 단계 - 상기 용융 연료 염은 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 요소를 포함함 -,

- 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융 감속재 염을 노심 용기에 도입하는 단계,

- 내부 튜브의 입구 및 출구와 유체 연통하는 열 교환기를 제공하여 열 교환 루프에서 순환하는 용융 연료 염으로부터 열을 제거하도록 열 교환 루프를 제공하는 단계,

- 열 교환 루프에서 연료 염을 순환시켜 내부 튜브 내의 연료 염의 온도를 제어하는 단계, 및

- 가스, 예를 들어 H₂0를 감속재 염을 통해 버블링하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 가스는 연료 염을 통해 버블링된다. 부식으로부터 보호하기 위해 가스가 연료 염을 통해 버블링될 때, 가스의 조성은 연료 염의 조성, 예를 들어 불화물의 함량을 고려하여 선택된다.

또 다른 태양에서, 본 발명은 핵분열 과정을 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,

- 핵분열에 의해 에너지를 생성하도록 적응된 장치를 제공하는 단계 - 상기 장치는 노심 용기 재료의 노심 용기를 포함하며, 상기 노심 용기는 내부 튜브 재료의 내부 튜브를 둘러싸고, 내부 튜브 및/또는 노심 용기는 입구 및 출구를 가짐 -,

- 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융 감속재 염을 내부 튜브에 도입하는 단계,

- 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 요소를 포함하는 용융 연료 염을 노심 용기에 도입하는 단계,

- 입구 및 출구와 유체 연통하는 열 교환기를 제공하여 열 교환 루프에서 순환하는 용융 염으로부터 열을 제거하도록 열 교환 루프를 제공하는 단계,

- 열 교환 루프에서 용융 염을 순환시켜 노심 용기 내의 연료 염의 온도를 제어하는 단계, 및

- 감속재 염을 통해 가스, 예를 들어 H₂0를 버블링하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 가스는 연료 염을 통해 버블링된다. 부식으로부터 보호하기 위해 가스가 연료 염을 통해 버블링될 때, 가스의 조성은 연료 염의 조성, 예를 들어 불화물의 함량을 고려하여 선택된다.

산화 환원 요소에 의존하지 않는 두 태양에서, 다른 모든 특징은 산화 환원 요소를 사용하는 태양에 관한 것일 수 있다. MSR은 전형적으로 커버 가스, 예를 들면 아르곤을 포함할 것이며, MSR은 커버 가스와 유체 연통하여 커버 가스의 압력이 제어될 수 있도록 하는 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 밸브는 또한 커버 가스에 추가 불활성 가스, 예를 들어 아르곤이 보충되도록 할 수 있다. 더욱이, 밸브는 또한 H₂0, 예를 들어 가스 H₂0가 커버 가스에 첨가되는 것을 허용할 수 있다. 이들 두 가지 태양에 대하여, 본 발명자들은 놀랍게도 H₂0이 산화 환원 요소를 포함하지 않는 용융 감속재 염 및/또는 연료 염을 통해 버블링 될 때 용기 재료가 용융 염에 의한 부식으로부터 보호된다는 것을 발견하였다. 이것은 특히 부식성 수산화물/중수산화물 염과 관련이 있다. 일반적으로, H₂0은 0%(V/V) 내지 5%(V/V) 범위의 양으로, 예를 들어, 용융 감속재 염 또는 용융 연료 염의 용적에 관련하여 시간당 0.01%(V/V) 내지 1%(V/V) 또는 0.1%(V/V) 내지 0.5%(V/V) 범위의 양으로 용융 감속재 염을 통해 버블링된다.

산화 환원 요소를 포함하는 원자로 노심을 MSR에 추가로 제공함으로써, 감속재 물질 및 용융 염 중 적어도 하나로부터 유래하는 부식과 관련된 문제가 완화되는 MSR이 제공된다. 이에 의해, 부식으로 인한 원자로 노심으로부터의 누출을 피한다는 점에서는 MSR의 수명 및 MSR의 안전성 양쪽 모두가 상당히 증가된다.

일 실시예에서, 장치는 용융 감속재 염을 둘러싸기 위해 입구 또는 출구를 포함하지 않는 내부 튜브를 갖는다. 감속재 염은 내부 루프의 적절한 포트를 사용하여 내부 루프에 도입될 수 있으며, 그 포트는 이후에 닫히게 되어 감속재 염이 내부 루프를 벗어날 수 없고 더 이상의 감속재 염을 첨가할 수 없게 된다. 이에 의해 감속재 물질은 변하지 않게 된다. 다시 말해서, 본 실시예에서 감속재 물질은 그것이 강제 순환되지 않는다는 점에서 비순환적이지만, 수동 순환 또는 대류 순환될 수 있다. 특히, 내부 튜브는 별도의 유닛일 수 있으며, 이는 연료 염을 보유하는 노심 용기에 삽입된다. 이에 의해, 매우 간단한 원자로 노심 구조를 갖는 MSR이 제공되는데, 특히 감속재 물질을 순환시키기 위한 펌프 및 관련 배관과 같은 요소가 생략될 수 있기 때문이다. 본 실시예에서, 감속재 염을 갖는 내부 튜브는 기설정된 수명을 갖도록 설계될 수 있다. 수명이 거의 끝나가면 내부 튜브를 연료 염에서 간단히 들어 올릴 수 있으며 감속재 염을 갖는 새로운 대체 내부 튜브가 연료 염에 도입될 수 있다. 내부 튜브가 제거되자마자, 감속 효과도 제거되고 핵분열 과정이 정지할 것이다. 대체 내부 튜브가 도입되면, 핵분열 과정이 다시 시작될 수 있다. 감속재 염의 수산화물은 예를 들어 내부 튜브 재료 및/또는 산화 환원 요소와 반응하여 H₂가 형성될 수 있다. 그러나, 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 용융 염의 고온에서, 임의의 가스 H₂가 수소화물로서 내부 튜브 재료 및/또는 산화 환원 요소의 금속으로 유도될 것이라고 생각한다. 이에 의해, 폭발 등을 피할 수 있기 때문에, 과도한 압력 형성이 방지되고 내부 튜브의 무결성이 보장된다. 그러나, 임의의 실시예에서, 내부 튜브는 내부 튜브에서 가스 축적을 방출하기 위한 압력 방출 밸브를 갖는 것도 가능하다.

용기, 예를 들어, 내부 튜브 및 노심 용기는 원하는 대로 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 내부 튜브이든 노심 용기이든 연료 염용 용기는 입구부터 출구까지 연료 염의 흐름을 허용하는 입구 및 출구를 가질 수 있다. 마찬가지로 감속재 물질의 용기, 예를 들어, 내부 튜브 또한 입구 및 출구를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 감속재 물질용 용기는 입구 및 출구 둘 다로서 작용하는 개구를 갖는다.

연료 염 내의 핵분열은 열을 생성할 것이며, 장치는 또한 연료 염 용기로부터 먼 곳, 예를 들어 전기 발전용 터빈 등으로 열을 전달하기 위한 열 교환 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 용융 연료 염으로부터 열이 제거되지 않으면, 용융 연료 염은 핵분열 반응이 정지될 시점까지 팽창할 것이다. 따라서, 본 발명의 방법 태양에서, 핵분열 과정은, 각각의 연료 염에 대한 임계 온도 범위 내의 온도를 유지하기 위해, 내부 튜브 또는 노심 용기 내의 연료 염의 온도를 제어함으로써 제어된다. 장치에 대해 임의의 열 교환 시스템이 선택될 수 있다. 일반적으로, 용융 연료 염의 온도는 예를 들어 핵 반응이 일어나도록 하기 위해 700˚C 내지 900˚C 의 범위이며, 냉각제는 500˚C 내지 1000˚C 또는 그 이상의 범위의 온도에서 작동하도록 선택된다. 특정 실시예에서, 입구에서의 온도는 400˚C 내지 800˚C 의 범위이고, 출구에서의 온도는 600˚C 내지 1000˚C 의 범위이다. 확실히 입구의 온도가 출구의 온도보다 낮다. 바람직한 실시예에서, 연료 염을 냉각시키기 위해, 예를 들어 내부 튜브로부터 열 교환 시스템으로 연료 염이 순환된다. 또 다른 실시예에서, 용융 감속재 염은 내부 튜브에 위치하고 열 교환기로 순환되어 감속재 염은 차례대로 용융 연료 염을 냉각시켜 임계 온도 내에서 이를 유지시킨다.

또 다른 실시예에서, 장치는 용융 냉각제 염을 갖는 별도의 냉각제 루프를 포함한다. 또한, 용융 금속, 예를 들어 알칼리 금속이 냉각제로 사용될 수 있음이 고려된다. 따라서, 열 교환 시스템은 용융 연료 염과 열 접촉하는 냉각제 루프를 포함하여 연료 염으로부터 냉각제 염으로 열을 전달할 수 있다. 냉각제 염으로서 임의의 염을 선택할 수 있다. 특정 실시예에서, 조성물이 또한 변할 수 있지만, 냉각제는 조성물 46.5% LiF, 11.5% NaF 및 42% KF의 염이다. 냉각제 루프에는 저온 냉각수를 위한 입구와 가열된 냉각수를 위한 출구가 있다.

용융 감속재 물질은 바람직하게는 연료 염으로부터 분리된다. 예를 들어, 감속재는 연료 염이 있는 노심 용기에 위치한 내부 튜브에 함유될 수 있거나, 용융 감속재 염이 노심 용기에 있도록 연료 염이 내부 튜브에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 장치는 두 세트의 내부 튜브를 가지며, 하나는 용융 감속재 염을 보유하고 다른 하나는 용융 연료 염을 보유한다.

내부 튜브는 원하는 바에 따라 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있으며, 연료 염과 용융 감속재 염 사이의 열 전달은 일반적으로 중요하지 않다. 일반적으로 내부 튜브는 예를 들어 연료 염과 함께 가능한 큰 용적의 노심 용기를 통해 분배되는 것이 바람직하므로, 내부 튜브의 표면적이 노심 용기의 용적에 비하여 클수록 더 양호하다. 산화 환원 요소가 부식을 감소시키기 때문에, 용융 감속재 염, 또는 용융 감속재 염 및 연료 염 둘 다에 산화 환원 요소가 존재하면 노심 용기의 용적에 비해 내부 튜브의 더 큰 표면적이 허용된다. 유사하게, 용융 연료 염에 위치한 내부 튜브에 용융 감속재 염이 함유될 때, 내부 튜브의 재료는 재료의 양면에서 용융 염에 노출된다. 따라서, 연료 염 및 용융 감속재 염 둘 모두가 산화 환원 요소를 포함하는 경우가 특히 유리한데, 이는 산화 환원 요소가 사용되지 않은 경우보다 연료 염의 용적에 비해 내부 튜브의 더 큰 표면적을 허용하기 때문이다.

장치가 냉각수 루프를 포함할 때 유사한 관찰이 관련된다. 연료 염으로부터 냉각제로의 열 전달을 최대화하기 위해, 연료 염의 용적에 대한 냉각제 루프의 표면적의 비는 가능한 한 커야 한다. 특히, 냉각제 루프의 재료는 용융 연료 염으로부터 먼 곳까지 열을 전달할 수 있어야 하므로, 냉각제 루프의 재료로서 금속이 바람직하다. 특정 실시예에서, 용융 연료 염 및 용융 감속재 염은 이들 각각의 용기에서 일반적으로 원통형 용기에 둘러싸이고, 냉각제 루프는 원통형 용기의 외부 표면에 위치한다. 이에 의해, 냉각제 재료는 일반적으로 연료 염에서 생성된 중성자를 방해하지 않을 것이며, 냉각제 재료는 자유롭게 선택될 수 있다.

노심 용기의 총 용적은 전형적으로 100 MWe 당 1 m³ 내지 5 m³의 범위일 것이다. 산화 환원 요소와 함께 용융 감속재 염을 사용하는 또 다른 이점은 용융 연료 염을 사용하는 것 외의 다른 원리에 기초하여 핵분열 원자로에 비해 더 높은 에너지 밀도가 가능하다는 것이지만, 특히 이전의 MSR 설계에 비해 더 높은 에너지 밀도가 가능하다는 것이다.

R로 나타낸, 용융 감속재 염과 용융 연료 염 사이의 용적비는, 자유롭게 선택될 수 있다. 그러나, 상기 비율은, 예를 들어 핵분열성 요소(들)의 농도와 관련하여, 어느 정도는 연료 염의 조성에 의존할 것이다. 예를 들어, 연료 함량이 2 cmol%인 용융 연료 염의 경우, 용융 감속재 염과 용융 연료 염의 비는 1 내지 1.5의 범위일 수 있다. 연료 함량이 4 cmol%인 용융 연료 염의 경우, 용융 감속재 염과 용융 연료 염의 비는 0.5 내지 2의 범위일 수 있다. 일반적으로, 염의 용적은 각 용기의 용적을 기반으로 절대적인 용어로 표현될 것이다. 예를 들어, 노심 용기 내의 내부 튜브의 용적은 노심 용기 용적에서 내부 튜브의 용적을 뺀 값의 0.5 내지 2배일 수 있다. 내부 튜브의 용적은 내부 튜브의 직경 및 길이로부터 계산될 수 있으며, 특정 실시예에서 내부 튜브의 길이는, 예를 들어 내부 튜브가 용융 연료 염에 대한 것일 때, 1m 내지 4m의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 내부 튜브는 0.2 cm 내지 30 cm 범위의 직경의 튜브를 포함한다. 연료 함량이 2 cmol% 연료인 용융 연료 염의 경우, 직경은 전형적으로 1 cm 내지 5 cm의 범위일 것이다. 연료 함량이 4 cmol% 연료인 용융 연료 염의 경우, 직경은 전형적으로 0.3 cm 내지 20 cm의 범위일 것이다. 내부 튜브의 둘레는 일반적으로 둥글다. 그러나, 내부 튜브는 둥근 것으로 제한되지 않으며 다른 형상도 고려된다. 내부 튜브의 둥근 둘레가 바람직한데, 이러한 형상이 용융 염, 즉 내부 튜브의 어느 한 쪽의 용융 염과 접촉하는 내부 튜브의 표면적을 최소화할 것이기 때문이다.

내부 튜브는 원하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 특히, 내부 튜브는, 원하는 길이의 내부 튜브가 노심 용기 내에 들어가도록 적절한 각도 또는 곡선 부분을 포함할 것이다. 예를 들어, 내부 튜브는 구불구불한 구조, 예를 들어 단일 입구 및 단일 출구를 갖는 구불구불한 구조를 포함할 수 있다. 구불구불한 구조는 평면일 수 있거나, 3차원으로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 내부 튜브의 입구는, 입구로부터의 흐름을 다수의 튜브, 예를 들면 2개 내지 1000개 이상의 튜브로 분할하는 매니폴드(manifold)를 포함하며, 상기 다수의 튜브는 이격, 예를 들면 일정하게 노심 용기 내에서 이격될 수 있다. 마찬가지로, 내부 튜브는 복수의 튜브, 예를 들면 2개 내지 1000개의 튜브로부터 단일 출구 튜브로의 흐름을 모으는 매니폴드를 갖는 출구를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 내부 튜브는 단일 입구 및 단일 출구를 가지며, 내부 튜브는, 3차원으로 연장하고 내부 튜브의 섹션 사이에 일정한 거리를 제공하는 구불구불한 부분을 형성한다. 내부 튜브의 설계에 관계없이 튜브 또는 내부 튜브의 섹션 사이의 거리는 0.5cm 내지 10cm의 범위일 것이다. 예를 들어, 용융 연료 염이 2 cmol% 연료를 갖는 경우, 거리는 1 cm 내지 3 cm의 범위일 것이다. 용융 연료 염이 4 cmol% 연료를 갖는 경우, 거리는 0.5 cm 내지 6 cm의 범위일 것이다. 이에 따라, 내부 튜브 사이의 거리는 0.5 cm 내지 10 cm의 범위일 수 있다. 일반적으로, 용융 연료 염이 내부 튜브에 함유될 때, 본 실시예에서 "연료 핀"으로 지칭될 수 있는 내부 튜브의 직경은 핀 사이의 거리와 관련이 있으며, 이는 또한 예를 들어 금속 성분 및 수산화물/중수산화물 비에 관련하여, 감속재 염의 특정한 선택에 의해 영향을 받는다. 연료 핀의 직경 및 이들 사이의 거리는 당업자에 의해 계산될 수 있다.

본 발명과 관련하여 이들 금속 각각에 관한 이점은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

실시예에서, 적어도 하나의 금속 수산화물은 X(OH)n 형태의 융합 금속 수산화물이며, 여기서 X는 금속이고 n은 1 이상의 정수이며 및/또는 NaOH, LiOH, ⁷LiOH, RbOH, KOH, Be(OH)₂, Mg(OH)₂, Ca(OH)₂ 및 AI(OH)₃를 포함하는 군에서 적어도 하나의 금속 수산화물이 선택된다. 유사한 실시예에서, 적어도 하나의 금속 중수산화물은 X(OD)n 형태의 융합 금속 중수산화물이고, 여기서 X는 금속이고, n은 금속의 산화 수준에 상응하는 정수, 즉 n은 1과 같거나 크며, 금속 중수산화물은 ⁷Li, RbOD, NaOD, Be(OD)₂ 및 Mg(OD)₂가 풍부한 LiOD를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 감속재 물질은 핵분열성 물질 및 용융 염으로부터 분리된다. 감속재를 용융 염으로부터 분리시키는 임의의 수단이 본 발명에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 감속재 물질, 특히 금속 또는 금속 합금에 저항성이 있는 재료로 만들어지거나 코팅된 요소에 의해, 감속재는 용융 염으로부터 분리될 수 있다.

이에 의해 감속 효과는 영향을 받지 않으면서 감속재 물질, 특히 노심 용기, 펌프 및 열 교환기와 같은 외부 구성 요소에서의 임의의 부식 효과가 회피되는 방식으로, 감속재 물질은 원자로 노심의 나머지 구성 요소, 특히 원자로 노심의 클래딩 외부의 장치의 구성 요소로부터 분리된다.

이들 실시예 중 임의의 것에 의해, 감속재 물질로서 선택된 수산화물 및/또는 중수산화물의 감속 효과가 최적화되는 장치가 제공된다.

이들 실시예 중 임의의 것에 의해, 원자로 노심, 예를 들어 노심 용기의 용적, 및/또는 핵분열성 물질과 관련하여, 감속재 물질로서 선택된 수산화물 및/또는 중수산화물의 감속 효과가 최적화되는 장치가 제공되고, 따라서 감속재 물질의 양 및 따라서 노심 용기의 크기가 최적화되는 장치가 제공된다.

또 다른 실시예에서, 원자로 노심은 냉각제 및/또는 감속재 물질과는 다른 반사체를 더 포함한다. 바람직한 반사체 재료는 흑연 또는 베릴륨이다. 이에 의해, 감속재 물질이 간단한 원자로 구조로 용이하게 정지 상태로 유지될 수 있고, 감속재 물질의 부식 효과가 간단한 원자로 구조로 용이하게 제어될 수 있는 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 장치는 용융 염 원자로이다. 본 발명에 따른 용융 염 원자로는 버너 타입의 용융 염 원자로 또는 폐기물 버너 타입의 용융 염 원자로일 수 있다. 본 발명에 따른 용융 염 원자로는 브리더(breeder) 타입, 브리드-및-번 타입 또는 MSR 타입의 용융 염 원자로일 수 있다. 일 실시예에서, 용융 염 원자로는 운송 수단의 추진력을 위한 에너지를 공급하기 위한 것일 수 있으며, 예를 들어 용융 염 원자로는 선박에 휴대될 수 있다. 다른 실시예에서, 용융 염 원자로는 고정 설비의 일부이다.

본 발명은 청구범위에 언급된 특징의 모든 가능한 조합에 관한 것임에 주목된다. 특히, 본 발명의 특정 태양의 맥락에서 언급된 임의의 특징은 본 발명의 다른 태양과 동등하게 관련되어 있으며, 본 발명의 특정 태양은 명시적으로 언급된 태양과 동일한 이점을 제공한다.

본 발명의 태양 및 다른 태양들에 대해 본 발명의 실시예(들)를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 장치의 측면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 장치의 평면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 장치의 상세 평면도이다.
도 4는 종래 기술의 용융 염 원자로의 상세 평면도를 도시한다.
도 5는 연료 및 NaOH 감속재의 원자로 증배 계수 및 열 반응성 계수의 등고선 플롯을 도시한다.
도 6은 NaOH 감속재에서 Na의 효과를 도시한다;
도 7은 NaOH-KOH에서 니켈에 대한 잠재적인 옥산산도를 도시한다.
도면에 도시된 바와 같이, 레이어 및 영역의 크기는 예시의 목적으로 과장되었고, 따라서 본 발명의 실시예의 일반적인 구조를 설명하기 위해 제공된다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 현재의 바람직한 실시예가 도시된 첨부의 도면을 참조하여, 본 발명이 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에서 기술되는 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 오히려, 이들 실시예는 철저함과 완전함을 위해 제공되며, 본 발명의 범위를 당업자에게 완전히 전달한다.

바람직한 감속재 물질

전술한 바와 같이, 본 발명은 감속재 물질로서 수산화물 및/또는 중수산화물을 제안한다. 금속 수산화물이 바람직하다. 적어도 하나의 금속 수산화물 또는 중수산화물은 예를 들어 알칼리 금속, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 탄소(C), 실리콘(Si) 및 불소(F)를 포함하는 금속의 군으로부터 선택된 금속을 포함할 수 있다. X(OH)_n 형태의 융합 금속 수산화물 및 X(OD)_n 형태의 융합 금속 중수산화물이 더욱 바람직하다. 융합 금속 수산화물은 일반적으로 XOH 또는 X(OH)_n으로 기재되는 화합물이며, 여기서 X는 알칼리 또는 다른 금속이고 OH는 수산화물 이온이다. 정수 n은 1가의 원자의 경우 1과 같고, 더 높은 원자가 원자의 경우 1보다 크다. 융합 금속 수산화물의 효과적인 감속 효과는 화합물에서 비교적 높은 수소의 존재에 있다. 용융 금속 수산화물은 넓은 온도 작동 창(용융점에서 비등점까지 전형적으로 300˚C 내지 1300˚C 범위)을 갖는다. 액체 용융 염은 대기압 근처에서 펌핑 가능하므로 가압 격납 용기가 필요하지 않다. 융합 금속 수산화물 감속재는 NaOH와 같은 단일 화합물, 또는 다른 유체와 혼합되거나 고체 물질에 매립된 2 이상의 금속 수산화물의 혼합물로 이루어져 있다. 특히 유용한 금속 수산화물은 LiOH, ⁷LiOH, NaOH 및 루비듐 수산화물(RbOH)이다. 마찬가지로, 특히 유용한 금속 중수산화물은 LiOD, ⁷LiOD, NaOD 및 RbOD이다.

수산화 칼륨(KOH) 및 수산화 세슘(CsOH)과 같은 금속 수산화물과 KOD 및 CsOD와 같은 금속 중수산화물은, 융합 금속 수산화물 감속재가 둘 이상의 금속 수산화물 및/또는 금속 중수산화물의 혼합물을 포함하는 실시예에서, 매우 높은 중성자 흡수로 인해, 감속재 물질의 중성자 흡수를 조정하기 위해 첨가제로 사용되는 수산화물 또는 중수산화물로 유용하다.

루비듐(Rb)과 나트륨(Na)은 모두 자연적인 형태가 우수하며, ⁷Li에서 99.95% 이상으로 강화된 리튬(Li)은 Na와 비슷한 중성자(neutrotronics)가 있고(고농축 Li는 Na를 능가), 칼륨(K)과 세슘(Cs)은 중성자 측면에서 성능이 더 나쁘지만, 다른 알칼리 수산화물에 첨가되어 혼합물의 특정 물리적 및 화학적 특성, 예를 들어 용융점을 변경할 수 있기 때문에 관심이 있다. 이 중 NaOH는 산업용 화학 물질로 매우 잘 알려져 있다는 장점이 있다.

아래 표 2는 본 발명에 따라 제안된 다양한 감속재 물질의 감속 특성을 요약한다.

<다양한 수산화물의 감속 효과>

물질	N [#]	MFP ela [cm]	Σ abs [1/m]	주석
7LiOH	38.0	1.08	1.385	콤팩트,낮은 흡수율
NaOH	43.6	1.13	2.767	콤팩트
KOH	44.9	1.66	5.546
RbOH	45.9	1.76	1.340	콤팩트,매우 낮은 흡수율
CsOH	46.3	2.38	43.337

위 표 2의 정보는 다음과 같은 결론으로 이어진다. NaOH는 콤팩트한 감속재이며 흡수는 H₂0 및 폴리에틸렌에 필적한다. RbOH는 콤팩트한 감속재이며 상당히 낮은 흡수력을 가지고 있다. KOH 및 CsOH는 모두 높은 흡수로 인해 감속재로서 덜 적합하다.

일반적으로 가성 소다로 알려진 NaOH 또는 수산화 나트륨은 비누, 식품 생산, 배수 세정제, 알루미늄 생산 등에 사용되는 잘 알려진 산업 제품이다. 실온 및 대기압에서, NaOH는 고체이지만 318˚C 의 온도에서 녹고 1388˚C 에서 끓는다. 이는, NaOH가 고체 또는 액체 상태로 사용될 수 있기 때문에, 매우 유연한 중성자 감속재가 된다. 또한, 원자로 노심에서 감속재를 제자리에 유지하기 위해 고체 NaOH의 능동 냉각이 필요한 수동 안전 기능을 설계할 수 있다. 과열(출력폭주 또는 능동 냉각 손실로 인함)이 발생하면, NaOH가 녹아 노심에서 배출되어 핵분열 연쇄 반응을 효과적으로 차단한다.

전술한 바와 같이 액체 NaOH의 부식 특성에 기초하여 중성자 감속재로서 NaOH의 사용이 과거에는 거부되었지만, 상기 열거된 감속재 물질로서 일반적으로 수산화물과 관련된 이점은 NaOH와 관련하여 특히 엄청나고, 본 발명, 특히 부식 제어 및 재료 선택을 위한 제안된 수단은 이러한 우려를 불식시킨다.

바람직한 산화 환원 요소

예시적인 표준 전극 전위는 표 3에 제공되며, 여기서 표준 전극 전위는 298.15°K의 온도에서, 각각의 수용성 종류 또는 수은 아말감의 종류에 대한 1 mol/l의 유효 농도, 가스 시약에 대한 101.325 kPa(절대)의 분압(1 atm, 1.01325 bar), 및 각각의 순수한 고체, 순수한 액체 또는 물(용매)에 대한 단일 활성도이다. 표준 전극 전위에 대한 더 낮은 음의 값은 본 발명의 맥락에서 더 반응성 있는 물질에 해당하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, 내부 튜브 재료는 니켈일 수 있고, 니켈 위의 환원제 컬럼에 있는 임의의 원소는 산화 환원 요소로서 선택될 수 있다.

<표준 전극 전위>

산화제	환원제	값 (V)	산화제	환원제	값 (V)
Sr+ + e-	Sr	-4.101	Yb3+ + 3e-	Yb	-2.19
Ca+ + e-	Ca	-3.8	Cf2+ + 2e-	Cf	-2.12
Li+ + e-	Li	-3.0401	Ho2+ + 2e-	Ho	-2.1
Cs+ + e-	Cs	-3.026	Nd2+ + 2e-	Nd	-2.1
Rb+ + e-	Rb	-2.98	Sc3+ + 3e-	Sc	-2.077
K+ + e-	K	-2.931	Am3+ + 3e-	Am	-2.048
Ba2+ + 2e-	Ba	-2.912	Cm3+ + 3e-	Cm	-2.04
Sr2+ + 2e-	Sr	-2.899	Pu3+ + 3e-	Pu	-2.031
Ca2+ + 2e-	Ca	-2.868	Er2+ + 2e-	Er	-2
Eu2+ + 2e-	Eu	-2.812	Pr2+ + 2e-	Pr	-2
Ra2+ + 2e-	Ra	-2.8	Eu3+ + 3e-	Eu	-1.991
Yb2+ + 2e-	Yb	-2.76	Lr3+ + 3e-	Lr	-1.96
Na+ + e-	Na	-2.71	Cf3+ + 3e-	Cf	-1.94
Mg+ + e-	Mg	-2.7	Es3+ + 3e-	Es	-1.91
Sm2+ + 2e-	Sm	-2.68	Am2+ + 2e-	Am	-1.9
No2+ + 2e-	No	-2.5	Th4+ + 4e-	Th	-1.899
Tm2+ + 2e-	Tm	-2.4	Fm3+ + 3e-	Fm	-1.89
Md2+ + 2e-	Md	-2.4	Np3+ + 3e-	Np	-1.856
La3+ + 3e-	La	-2.379	Be2+ + 2e-	Be	-1.847
Mg2+ + 2e-	Mg	-2.372	U3+ + 3e-	U	-1.798
Y3+ + 3e-	Y	-2.372	Al3+ + 3e-	Al	-1.662
Pr3+ + 3e-	Pr	-2.353	Ti2+ + 2e-	Ti	-1.63
Ce3+ + 3e-	Ce	-2.336	Zr4+ + 4e-	Zr	-1.45
Er3+ + 3e-	Er	-2.331	Ti3+ + 3e-	Ti	-1.37
Ho3+ + 3e-	Ho	-2.33	Mn2+ + 2e-	Mn	-1.185
Nd3+ + 3e-	Nd	-2.323	V2+ + 2e-	V	-1.13
Tm3+ + 3e-	Tm	-2.319	Nb3+ + 3e-	Nb	-1.099
Sm3+ + 3e-	Sm	-2.304	Zn2+ + 2e-	Zn	-0.7618
Fm2+ + 2e-	Fm	-2.3	Cr3+ + 3e-	Cr	-0.74
Dy3+ + 3e--	Dy	-2.295	Ta3+ + 3e-	Ta	-0.6
Lu3+ + 3e-	Lu	-2.28	Ga3+ + 3e-	Ga	-0.53
Tb3+ + 3e-	Tb	-2.28	Fe2+ + 2e-	Fe	-0.44
Gd3+ + 3e-	Gd	-2.279	Cd2+ + 2e-	Cd	-0.4
Es2+ + 2e-	Es	-2.23	In3+ + 3e-	In	-0.34
Dy2+ + 2e-	Dy	-2.2	Tl+ + e-	Tl	-0.34
Pm2+ + 2e-	Pm	-2.2	Co2+ + 2e-	Co	-0.28
Ac3+ + 3e-	Ac	-2.2	Ni2+ + 2e-	Ni	-0.25

바람직한 실시예에서, 내부 튜브 재료는 금속을 포함하고, 산화 환원 요소는 폴링 스케일에 따른 전기 음성도를 갖는 금속이며, 이는 내부 튜브 재료의 금속의 전기 음성도보다 낮다. 다양한 금속 원소의 폴링 전기 음성도가 표 4에 제공된다. 예를 들어, 내부 튜브의 금속 및 선택적으로 노심 용기의 금속도 하스텔로이, 즉 니켈계 합금일 수 있고, 산화 환원 요소는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속일 수 있다.

<선택된 원소의 폴링 전기 음성도>

Tin (Sn)	1.96	Tantalum (Ta)	1.5	Holmium (Ho)	1.23
Silver (Ag)	1.93	Protactinium (Pa)	1.5	Yttrium (Y)	1.22
Nickel (Ni)	1.91	Uranium (U)	1.38	Dysprosium (Dy)	1.22
Silicon (Si)	1.9	Scandium (Sc)	1.36	Gadolinium (Gd)	1.2
Copper (Cu)	1.9	Neptunium (Np)	1.36	Samarium (Sm)	1.17
Technetium (Tc)	1.9	Zirconium (Zr)	1.33	Neodymium (Nd)	1.14
Rhenium (Re)	1.9	Magnesium (Mg)	1.31	Praseodymium (Pr)	1.13
Cobalt (Co)	1.88	Hafnium (Hf)	1.3	Cerium (Ce)	1.12
Iron (Fe)	1.83	Thorium (Th)	1.3	Lanthanum (La)	1.1
Gallium (Ga)	1.81	Americium (Am)	1.3	Actinium (Ac)	1.1
Indium (In)	1.78	Curium (Cm)	1.3	Calcium (Ca)	1
Cadmium (Cd)	1.69	Berkelium (Bk)	1.3	Lithium (Li)	0.98
Chromium (Cr)	1.66	Californium (Cf)	1.3	Strontium (Sr)	0.95
Zinc (Zn)	1.65	Einsteinium (Es)	1.3	Sodium (Na)	0.93
Vanadium (V)	1.63	Fermium (Fm)	1.3	Radium (Ra)	0.9
Thallium (Tl)	1.62	Mendelevium (Md)	1.3	Barium (Ba)	0.89
Aluminium (Al)	1.61	Nobelium (No)	1.3	Potassium (K)	0.82
Niobium (Nb)	1.6	Plutonium (Pu)	1.28	Rubidium (Rb)	0.82
Beryllium (Be)	1.57	Lutetium (Lu)	1.27	Caesium (Cs)	0.79
Manganese (Mn)	1.55	Thulium (Tm)	1.25
Titanium (Ti)	1.54	Erbium (Er)	1.24

따라서, 표 3 및 표 4에 기초하고, 반응(A) 내지 반응(D)에 비추어, 내부 튜브 및/또는 노심 용기를 위한 바람직한 물질은 니켈, 구리 및 코발트를 포함하며, 산화 환원 요소를 위한 바람직한 금속은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란타나이드 및/또는 악티나이드를 포함한다.

연료 염 조성물

연료 염(약칭 FS)은 일반적으로 비-악티나이드 캐리어 부분(열역학적 특성으로 선택됨)과 원자로 임계를 보장하는 악티나이드 성분으로 구성된다. 악티나이드 성분 An_i은 연료 성분 및 첨가된 핵연료 원료 성분으로 더 분할될 수 있다. 연료 염 벡터 F_i는 추가 성분(화학적 재처리 후 첨가된 것)과 함께 초기 플루토늄 성분(일반적으로 SNF(Spend Nuclear Fuel), 즉 핵 폐기물)을 포함하는 사전 정의된 연료 벡터에 의해 기술된다. 첨가된(핵연료 원료) 부분은 벡터 A_i에 의해 정의되며, 이는 원자로 연소 공정에서의 역할에서 선택되며 일반적으로 첨가된 토륨 및 우라늄으로 구성된다. 악티나이드 조성물은 다양한 연료 벡터에 의해 정의되며 다음과 같은 성능 값으로 담아낼 수 있다.

- F_Pu 연료 플루토늄(양이온 몰) 분율;

- A_Th 첨가된 핵연료 원료 벡터의 연료 토륨(양이온 몰) 분율;

- F_A 첨가된 (핵연료 원료)(양이온 몰) 분율.

여기서 2개의 제1 분율은 각각 연료 벡터 및 첨가된 핵연료 원료 벡터의 양이온 몰 분율을 지칭한다. 연료 염은, 연료 염에 대한 다음과 같은 성능 값에 따른 다양한 연료 벡터, 담체 염 벡터 CS_i에 의해 정의된다.

- FS_Pu 연료 염 플루토늄(양이온 몰) 분율;

- FS_Th 연료 염 토륨(양이온 몰) 분율;

- FS_CS 담체 염(양이온 몰) 분율.

여기서 "분율"은 조합된 연료 염의 양이온 몰 분율을 지칭한다. 이러한 정의를 사용하여 연료 염 벡터를 다음과 같이 쓸 수 있다: (FS)_i = FS_CS CS_i+(1-FS_CS)An_i. 악티나이드 벡터는 An_i = (1-F_A)F_i+F_A·A_i에 따라 분할된다. 여기서 F_i의 F_Pu는 플루토늄 동위 원소로 구성되고 A_i의 A_Th는 토륨으로 구성된다. 염 매개 변수 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

FS_Pu = (1-FS_CS)(1-F_A)F_Pu; FS_Th = (1-FS_CS)F_A·A_Th

예시적인 연료 염은 다음의 연료 염 벡터를 함유한다: CS_i = NaF; A_i = ThF₄. 이 연료는 표 5에 요약되어 있다.

<바람직한 연료 염 조성물>

분율	cmol%	자극
FSCS	78	공융점
FPu	80	화학 재처리
f238U	97.5	화학 재처리
ATh	100	폐기물 연소
FA	≒90	최적화 연구
f238Pu	0.5	산업 폐기물 표준
f239Pu	69	산업 폐기물 표준
f240Pu	25	산업 폐기물 표준
f241Pu	2	산업 폐기물 표준
f242Pu	1	산업 폐기물 표준
f241Am	2.5	산업 폐기물 표준
SPu	≒2	-
STh	≒20	-

본 발명의 바람직한 장치

본 발명의 바람직한 장치(100)는 측면에서 묘사된 도 1에 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1은 용융 감속재 염(2)을 갖는 노심 용기(20)를 갖는 장치(100)를 도시하고, 이 노심 용기(20)는 용융 연료 염(1)이 있는 내부 튜브를 둘러싼다. 내부 튜브는 입구 매니폴드(61)와 유체 연통하는 2개의 입구(6)를 가지며, 이 입구 매니폴드는 차례대로 연료 핀(10)과 유체 연통한다. 단일 출구(7)에서의 용융 연료 염(1)의 경우, 연료 핀(10)은 흐름을 모으는 출구 매니 폴드(62)와 연통한다. 흐름의 방향은 ">" 기호로 표시된다. 입구(6) 및 출구(7)는 열 교환기(미도시)의 입구 및 출구와 유체 연통하여 열 교환 루프를 제공한다. 내부 튜브 재료 및 노심 용기 재료는 바람직하게는 니켈계 합금으로 이루어진다. 장치(100)는 종래 기술의 일반적으로 사용되는 염 플러그(salt plug) 시스템 외에도 오버플로우 시스템을 포함하는 추가 안전 특징부(8)를 더 포함할 수 있다. 이 안전 시스템은 원자로 노심의 용융을 방지하고, 작업자의 실수로 인한 사고를 방지하며, 스코프 작동 조건을 벗어난 경우 자동으로 종료되며, 작동 전력의 손실시 노심 용기 아래의 수동적으로 냉각되며 임계치 이하인 덤프 탱크로 연료 재고를 플러시(flush)할 수 있다.

원자로 크기는 두 가지 조건, 즉 연료 및 감속재 모두를 위한 순환 시간 및 음의 온도 피드백으로부터 결정된다. 실제로, 운전 전력 밀도는 원자로 노심의 물리적 피드백 메커니즘을 통해 조정될 수 있다. 특히, 연료 염 및 감속재 모두의 음의 온도 피드백은 외부 에너지 유입을 조정함으로써 전력 밀도가 제어될 수 있음을 의미한다. 노심 순환은 연쇄 반응으로부터 지연된 중성자를 멀리 운반할 수 있기 때문에, 최적의 원자로 제어 및 안전 이유로 원자로 노심을 통한 질량 유동율은 일정하게 유지되어야 한다. 내부 노심 흐름을 변경하는 대신, 외부 열 교환기 시스템을 통해 질량 흐름을 변경하여 전력 생산을 제어하는 것이 더 바람직하다. 최대 원자로 제어를 달성하기 위해, 순환을 하지 않는 것과 비교하여 원자로 반응성의 변화가 실제로 가능한 한 작도록 원자로를 통한 질량 유동율을 선택해야 한다. 이러한 방식으로, 펌프 고장 시나리오의 경우, 원자로 노심에서 붕괴하는 전구체의 농도는 정상 작동할 때보다 최소로만 커질 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 장치(100)의 단면의 평면도를 도시한다. 따라서, 연료 핀(10)은 외부 클래딩(5)을 갖는 원통형 단면을 갖는 노심 용기 내에 육각형 패턴으로 분포된다. 또한, 외부 클래딩은 블랭킷 또는 차폐물로 지칭될 수 있다. 육각형 패턴이 장치(100)의 단면에 중첩되지만, 이 패턴은 임의의 특정 재료를 나타내도록 의도되지 않는다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 장치(도 3) 및 흑연(3)이 감속재로서 사용되는 종래 기술의 MSR(도 4)의 연료 핀(10)의 패킹(packing)을 예시하고 비교한다. 중첩된 육각형 패턴은 금속 수산화물/중수산화물 감속재가 흑연 감속 MSR에서 이용가능한 것보다 연료 핀(10)으로 하여금 훨씬 더 조밀한 패킹(packing)이 되도록 함으로써 훨씬 더 작은 폼 팩터 F를 제공하는 방법을 보여준다.

도 5는 연료 염과 NaOH 감속재 각각의 원자로 증배 계수와 열 반응성 계수의 등고선도를 도시한다. 원자로가 임계 상태에 도달할 수 있도록 증배 계수는 특정 임계값보다 높아야 한다. 또한, 반응성 계수는 최적의 원자로 제어 및 (내재적) 안전상의 이유로 약간 음수이어야 한다. 세가지 조건 모두와 호환되는 구성 공간 구역(9)은 원자로 치수의 범위를 결정할 수 있게 한다. 구체적으로, 연료 함량 S_Pu은 2 cmol%이고 연료 핀의 반경 r_pin은 1 cm 내지 5 cm의 범위일 수 있고, 매개 변수 l은 0.5 cm 내지 1.5 cm의 범위일 수 있다.

도 6은 중성자 증배 계수(Y-축에 도시됨)에 대한 감속재 염으로서 NaOH 내에 용해된 산화 환원 요소로서 Na의 양의 의존성을 보여주는 것으로; 오차 막대는 하나의 표준 편차이다. 구체적으로, 도 6은 NaOH의 수소 원자를 나트륨 원자로 치환함으로써 핵분열 연쇄 반응에 미치는 유해한 영향을 나타내며, 따라서 감속재 염을 효과적으로 희석시키고 감속재의 감속력을 감소시킨다. 중성자 관점에서 감속재 염 안의 산화 환원 요소의 상한이 분명히 존재하며, 실제로 산화 환원 요소의 양은 100g/kg을 초과해서는 안된다. 산화 환원 요소의 양이 적을수록 감속 효과가 우수하지만, 부식에 대한 보호를 제공하기 위해 감속재는 적어도 1g/kg의 산화 환원 요소를 함유해야 한다.

종래 기술의 예

탄소의 감속력이 수산화 나트륨의 감속력보다 낮기 때문에, 흑연 감속 원자로는 일반적으로 수산화 나트륨 감속 원자로보다 더 큰 폼 팩트를 나타낸다. 참고로, 표 5의 구조 및 연료 염 조성과 동일한 모의 흑연 감속 원자로(도 4)의 몇 가지 예를 제공한다.

작은 핀이 있는 MSR

연료 핀 반경 r_pin = 2 cm. 클래딩 두께 δ는 0.05 내지 0.5cm 범위에 있으며 매개 변수 l(인접 핀 간 거리의 절반)은 l = 3.0 내지 6.0 cm의 범위에 있다. 이러한 범위 내에서 폼 팩터는 F = 5 내지 15의 대략적인 범위에 있으며 노심 용적은 V = 8 m³ 내지 45 m³의 범위에 있다. 노심 반경 및 높이는 H = 2.0 m 내지 3.6 m, R = 1.1 m³ 내지 2.0 m³의 범위에 있고, 반면에 연료 핀의 총 수는 600개 내지 800개의 범위에 있다.

큰 핀이 있는 MSR

연료 핀 반경 r_pin = 6 cm. 클래딩 두께 δ는 0.05 내지 0.5cm 범위에 있으며 매개 변수 l(인접 핀 간 거리의 절반)는 l = 10.0 내지 14.0 cm의 범위에 있다. 이러한 범위 내에서 폼 팩터는 F = 6 내지 10의 대략적인 범위에 있으며 노심 용적은 V = 8 m³ 내지 32 m³의 범위에 있다. 노심 반경 및 높이는 H = 2.0 m 내지 3.2 m, R = 1.1 m=내지 2.0 m³의 범위에 있고, 반면에 연료 핀의 총 수는 50개 내지 120개의 범위에 있다.

본 발명의 예시적인 장치

도 1과 도 2에 도시되는 구조와 SPu = 2 cmol%의 NaOH 감속형 원자로에 대한 최적 구성 영역(원자로 임계도 및 음의 연료 및 감속재 온도 피드백으로 정의)을 도시하는 도 5를 참조한다. 이러한 플루토늄 분율의 경우 허용되는 핀 반경은 대략 r_pin = 1 내지 5 cm의 범위에 있다. 플루토늄 분율이 증가함에 따라 이 범위가 넓어짐을 주목한다. 원자로 격자 요소의 치수에 대한 하위 범위가 제시된다. 원자로 노심의 전체 치수는 원자로의 전력 밀도, 폼 팩터 및 총 전력 출력에 의존한다. 노심 치수에 범위를 부여하려면 이러한 세 가지 매개 변수에 범위를 할당해야 한다. 총 전력 출력은 300 MW이다. 연료 염의 전력 밀도에 대한 합리적인 범위는 P = 100 내지 200 kW/l인 반면 폼 팩터의 범위는 위에 나와 있다.

작은 핀

연료 핀 반경 r_pin = 1 cm. 클래딩 두께 δ는 0.05 cm 내지 0.5 cm 범위에 있으며 매개 변수 l(인접 핀 간 거리의 절반)은 l = 0.5 내지 1.5cm의 범위에 있다. 이러한 범위 내에서 폼 팩터는 F = 2.5 내지 10의 대략적인 범위에 있으며 노심 용적은 V = 4 m³ 내지 30 m³의 범위에 있다. 노심 반경 및 높이는 H = 1.5 m 내지 3.0 m, R = 0.9 ^m3 내지 1.8 m³의 범위에 있고, 반면에 연료 핀의 총 수는 8,000개 내지 12,000개의 범위에 있다.

큰 핀

연료 핀 반경 r_pin = 5 cm. 클래딩 두께 δ는 0.05 cm 내지 0.5 cm의 범위에 있으며 매개 변수(인접 핀 간 거리의 절반)는 l = 1.0 내지 2.5 cm의 범위에 있다. 이러한 범위 내에서 폼 팩터는 F = 1.6 내지 2.5의 대략적인 범위에 있으며 노심 용적은 V = 2 m³ 내지 8 m³ 범위에 있다. 노심 반경 및 높이는 H = 1.2 m 내지 2.0 m, R = 0.7 m³ 내지 1.2 m³의 범위에 있고, 반면에 연료 핀의 총 수는 300개 내지 700개의 범위에 있다.

따라서, 산화 환원 요소와 함께 금속 수산화물계 감속재를 사용함으로써 훨씬 더 작고 보다 효율적인 MSR이 얻어진다. 용융 감속재 염에 전류를 인가함으로써 부식 방지 효과도 확보할 수 있는 것으로 예상된다.

당업자는 결코 본 발명이 전술한 바람직한 실시예로 제한되지 않음을 인식한다. 반대로, 첨부의 청구범위의 범위 내에서 많은 변형 및 변경이 가능하다.

이에 더해서, 개시된 실시예에 대한 변경은 도면, 개시 내용 및 첨부된 청구범위에 대한 연구로부터 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 청구범위에서, "포함하는(comprising)"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "하나(a)" 또는 "하나의(an)"는 복수를 배제하지 않는다. 특정 수단이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 사실은 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.

Claims (16)

1. 핵 분열에 의해 에너지를 생성하도록 적응된 장치(100)로서, 상기 장치 (100)는 노심 용기 재료의 노심 용기(20)를 포함하되, 상기 노심 용기(20)는 내부 튜브 재료의 내부 튜브를 둘러싸고, 상기 내부 튜브 및/또는 상기 노심 용기(20)는 입구(6) 및 출구(7)를 가지며, 상기 장치(100)는 핵분열성 물질을 갖는 용융 연료 염, 용융 감속재(moderator) 염(2) 및 산화 환원 요소를 더 포함하되, 상기 용융 감속재 염(2)은 상기 노심 용기(20)에 위치하고 상기 용융 연료 염은 상기 내부 튜브 내에 위치하거나, 상기 용융 연료 염은 상기 노심 용기(20)에 위치하고 상기 용융 감속재 염(2)은 상기 내부 튜브 내에 위치하고,
   상기 용융 감속재 염(2)은 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물(deuteroxide) 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 산화 환원 요소는 상기 내부 튜브 재료의 환원 전위 또는 상기 내부 튜브 재료 및 상기 노심 용기 재료의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 장치(100).
2. 제1항에 있어서,
   상기 산화 환원 요소는, 상기 내부 튜브 재료의 표면 상 또는 상기 내부 튜브 재료 및 상기 노심 용기 재료의 표면 상에 위치하는 희생 물질(sacrificial material)인 장치(100).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 내부 튜브는 상기 용융 감속재 염(2)을 둘러싸기 위해 입구(6) 또는 출구(7)를 포함하지 않는 장치(100).
4. 핵분열성 물질을 포함하는 원자로 노심(reactor core)에서 발생하는 핵분열 반응 과정에서 생성되는 핵분열 중성자를 감속(moderate)하기 위한, (i) 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합 및 (ii) Sr, Ca, Li, Rb, K, Ba, Li₂C₂, Na, Mg, Th, U, Be, Al 또는 Zr 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 산화 환원 요소를 포함하는 용융 염의 용도.
5. 금속 섹션을 가지며 핵분열성 물질을 포함하는 원자로 노심에서 발생하는 핵분열 반응 과정에서 생성되는 핵분열 중성자를 감속하기 위한, 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합 및 산화 환원 요소를 포함하는 용융 염의 용도로서, 상기 산화 환원 요소는, 상기 원자로 노심의 상기 금속 섹션의 전기음성도 보다 낮은, 폴링 스케일(Pauling scale)에 따른 전기음성도를 갖는 금속인 용융 염의 용도.
6. 핵분열 과정을 제어하는 방법으로서,
   - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치(100)를 제공하는 단계,
   - 상기 내부 튜브에 용융 감속재 염(2) 및 산화 환원 요소를 도입하는 단계,
   - 상기 노심 용기(20)에 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 요소를 포함하는 용융 연료 염을 도입하는 단계,
   - 상기 입구(6) 및 상기 출구(7)와 유체 연통(fluid communication)하는 열 교환기를 제공하여, 열 교환 루프 내에서 순환하는 용융 염으로부터 열을 제거하기 위한 상기 열 교환 루프를 제공하는 단계,
   - 상기 열 교환 루프 내에서 상기 용융 염을 순환시켜 상기 노심 용기(20) 내의 상기 연료 염의 온도를 제어하는 단계
   를 포함하며,
   상기 용융 감속재 염(2)은 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 산화 환원 요소는 상기 내부 튜브 재료의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 핵분열 과정을 제어하는 방법으로서,
   - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치(100)를 제공하되, 상기 내부 튜브는 입구(6) 및 출구(7)를 가지는 단계,
   - 상기 내부 튜브에 용융 연료 염을 도입하되, 상기 용융 연료 염은 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 요소를 포함하는 단계,
   - 상기 노심 용기(20)에 용융 감속재 염(2) 및 산화 환원 요소를 도입하는 단계,
   - 상기 내부 튜브의 상기 입구(6) 및 상기 출구(7)와 유체 연통하는 열 교환기를 제공하여 열 교환 루프 내에서 순환하는 상기 용융 연료 염으로부터 열을 제거하기 위한 상기 열 교환 루프를 제공하는 단계, 및
   - 상기 열 교환 루프에서 상기 연료 염을 순환시켜서 상기 내부 튜브 내의 상기 연료 염의 온도를 제어하는 단계
   를 포함하며,
   상기 용융 감속재 염(2)은 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수산화물 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 산화 환원 요소는 상기 내부 튜브 재료의 환원 전위 또는 상기 내부 튜브 재료 및 상기 노심 용기 재료의 환원 전위보다 큰 환원 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 입구(6)에서의 온도는 400˚C 내지 800˚C 의 범위에 있으며, 상기 출구(7)에서의 온도는 600˚C 내지 1000˚C 의 범위에 있는 방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연료 염은 공융 염(eutectic salt)인 방법.
10. 제6항 내지 제9항에 있어서,
    상기 연료 염은 토륨(thorium)을 포함하는 방법.
11. 제6항 내지 제10항에 있어서,
    상기 산화 환원 요소의 농도는, 상기 감속재 염을 상기 산화 환원 요소로 보충함으로써 유지되는 방법.
12. 제6항 내지 제11항에 있어서,
    상기 용융 감속재 염 및/또는 상기 용융 연료 염을 통해 가스를 버블링하는 단계를 더 포함하는 방법.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치(100), 제4항 또는 제5항에 따른 용도, 또는 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 금속 수산화물 및/또는 상기 적어도 하나의 금속 중수산화물은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 또는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 조합을 포함하는 금속의 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 장치, 용도 또는 방법.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치(100), 제4항 또는 제5항에 따른 용도, 또는 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    상기 산화 환원 요소의 농도는 상기 용융 감속재 염(2)의 1g/kg 내지 100g/kg의 범위에 있는 장치, 용도 또는 방법.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치(100), 제4항 또는 제5항에 따른 용도, 또는 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    상기 산화 환원 요소는 상기 용융 염의 용융점 보다 높은 용융점을 가지며, 상기 산화 환원 요소는 0.1 mm 내지 11 mm의 범위의 크기를 갖는 입자의 현탁액으로서 존재하는 장치, 용도 또는 방법.
16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치(100), 제4항 또는 제5항에 따른 용도, 또는 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서,
    상기 용융 감속재 염(2)은 10%(w/w)까지의 물을 포함하는 장치, 용도 또는 방법.

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