KR20230116858A

KR20230116858A - 마이크로-반응기에 사용하는 베릴륨계(be 또는 beo또는 be2c) 슬리브에 의해 둘러싸이는 연료 펠릿/콤팩트

Info

Publication number: KR20230116858A
Application number: KR1020237021862A
Authority: KR
Inventors: 알렉스 레빈스키
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-08-04
Also published as: US20220172852A1; CA3200746A1; JP2023552753A; WO2022120331A1; US11728048B2; TW202236306A; EP4256587A1; TWI810732B

Abstract

일 양태에서, 반응기 유닛 셀(202)이 개시된다. 반응기 유닛 셀은 흑연 감속재 구조물(204), 흑연 감속재 구조물 내에 위치된 히트 파이프(208), 및 흑연 감속재 구조물 내에 위치된 연료 조립체(210)를 포함한다. 연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브(212) 및 산화베릴륨 슬리브 내에 위치된 핵 연료(214)를 포함한다.

Description

마이크로-반응기에 사용하는 베릴륨계(BE 또는 BEO 또는 BE2C) 슬리브에 의해 둘러싸이는 연료 펠릿/콤팩트

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 "FUEL PELLETS/COMPACTS SURROUNDED BY BERYLLIUM-BASED (Be or BeO or Be2C) SLEEVE FOR USE IN A MICRO-REACTOR"라는 명칭으로 2020년 12월 1일자로 출원된 미국 정규출원 제17/108,602호의 이익을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

정부 지원

본 발명은 미국 에너지부에 의해 수여된 계약 DE-NE0008853 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.

본 발명은 일반적으로 소형 모듈형 반응기(SMR) 및 마이크로-반응기와 같은 핵 반응기에 관한 것이다.

전기 에너지 시장은 중앙집중형 및 분산형으로 분할될 수 있다. 중앙집중형 시장은 대형(수백 MWe의 범위) 발전기 및 고용량 조밀 송배전망에 기초한다. 분산형 또는 오프-그리드(off-grid) 시장은, 그 대신에, 작은 국소적인 배전망 또는 마이크로-그리드에 일반적으로 연결되는 콤팩트한 발전기(15 MWe 미만)에 의존한다. 현재, 외딴 극지 공동체, 외딴 광산, 군사 기지 및 섬 공동체는 분산형 시장의 예이다. 현재, 오프-그리드 시장에서의 에너지는 주로 디젤 발전기에 의해 제공된다. 이는 높은 전기 비용, 화석 연료 의존성, 부하 제한, 복잡한 연료 공급 물류 및 노화되는 사회기반시설로 이어진다. 오프-그리드 시장의 엄격한 요건은 저렴성, 신뢰성, 유연성, 탄력성, 지속성(청정 에너지), 에너지 안보, 및 신속한 설치 및 최소의 유지보수 노력을 포함한다. 모든 이러한 요구는 핵 에너지로 해결될 수 있다.

마이크로-반응기는 10MWe 미만을 생성할 수 있고 원격 용례를 위해 전개될 수 있는 핵 반응기이다. 이들 마이크로-반응기는 비교적 소형 컨테이너 내에 패키징되고, 인력의 적극적인 개입 없이 동작하며, 통상의 핵 발전소보다 더 긴 기간 동안 연료 재공급/교체 없이 동작할 수 있다.

하나의 이러한 마이크로-반응기는 Westinghouse Electric Company에 의해 설계되는 에빈치 마이크로 반응기 시스템(eVinci Micro Reactor system)이다. 이들 마이크로-반응기는 비교적 소형 컨테이너 내에 패키징되고, 인력의 적극적인 개입 없이 동작하며, 통상의 핵 발전소보다 더 긴 기간 동안 연료 재공급/교체 없이 동작할 수 있다. 마이크로-반응기의 다른 예가 "HIGH TEMPERATURE HYDRIDE MODERATOR ENABLING COMPACT AND HIGHER POWER DENSITY CORES IN NUCLEAR MICRO-REACTORS"라는 명칭의 공동 소유의 미국 가출원 공개 제62/984,591호뿐만 아니라 미국 특허 출원 공개 제2016/0027536호로서 공개된 "MOBILE HEAT PIPE COOLED FAST REACTOR SYSTEM"라는 명칭의 미국 특허 출원 제14/773,405호에도 설명되어 있으며, 이들 양자 모두는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

도 1을 참조하면, 예시적인 마이크로-반응기(100)의 단면도가 제공된다. 마이크로-반응기(100)는 연료, 감속재 채널, 히트 파이프 및 반응성 제어 채널(셧다운 봉)을 수용하는 코어(102)를 포함할 수 있다. 연료는 코어(102) 내에 캡슐화될 수 있고, 히트 파이프는 연료에 의해 발생된 열의 추출을 허용하기 위해 코어(102)의 외부로 마이크로-반응기(100)의 이차측(secondary side)으로 연장될 수 있다.

일 양태에서, 코어(102)는 축방향 및 반경방향 반사기에 의해서 둘러싸일 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 6개의 반응성 제어 드럼(106)이 반경방향 반사기(118)에 내장될 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 코어(102)는 예로서 12개의 제어 드럼(106)과 같은 6개 초과의 제어 드럼(106)으로 둘러싸일 수 있다. 제어 드럼(106) 각각은 반사부(108) 및 흡수부(110)를 포함할 수 있다. 사용 시, 제어 드럼(106)은 제어 드럼의 반사부(108)가 모놀리식 코어(102)와 대면하여 코어 내에서 반응성을 증가시키는 반사 위치와 흡수부(110)가 코어(102)와 대면하여 코어 내에서 반응성을 감소시키는 흡수 위치 사이에서 회전가능할 수 있다. 이러한 반사기는 구조적 컨테이너(112), 중성자 흡수기 용기(122), 및 붕소 탄화물, 또는 감마, 중성자 차폐부(114)를 포함할 수 있는 복수의 하우징 내에 수용될 수 있다. 또한, 차폐부 냉각 및 감마 차폐를 위해서, 중성자 흡수기 용기(122)와 붕소 탄화물 차폐부(114) 사이에 공기 간극(116)이 제공될 수 있다. 모든 이들 구성요소는 외부 구조적 캐니스터(120)의 내부에 배치될 수 있다.

기술적 및 사업적 관점으로부터, 반응기 코어는 다수의 기준을 충족시킬 것이 요구된다. 하나의 이러한 기준은, 반응기 코어가 중성자적으로 유연하고, 다양한 감속재 조합, 예를 들어, 전적인 흑연 감속재, 산화베릴륨(BeO) 감속재 핀을 갖는 흑연 감속재-예컨대 "ENHANCED GRAPHITE NEUTRON REFLECTOR WITH BERYLLIUM OXIDE INCLUSIONS"를 명칭으로 하여 2020년 10월 26일자로 출원되었으며 본원에 그 전체가 참조로 포함된 공동 소유의 미국 특허 출원 제17/080,241호에 설명됨-, 또는 YHx 또는 ZrHx 감속재 핀을 갖는 흑연 감속재와 함께 이용될 수 있는 것이다. 다른 기준은, 히트 파이프 고장이 있을 때 열 제거 감소를 충분히 고려하여 탄력적인 것과 같이, 반응기 코어가 열-기계적 관점으로부터 자급자족적인 것이다. 다른 기준은, 반응기 코어가 이용가능한 제조 능력을 지원할 수 있는 것이다. 다른 기준은, 반응기 코어가 반경방향 반사기(예컨대, 제어 드럼)와 같은 다른 코어 구성요소와 통합될 수 있어 콤팩트하고 초기 기하형태를 유지하는 유닛으로서 운송될 수 있는 반응기 코어를 형성할 수 있는 것이다. 다른 기준은, 반응기 코어가 운송가능형, 고정형, 및 이동가능형 반응기를 위해서 이용될 수 있는 것이다.

전술한 기준을 충족시키는 것에 더하여, 일부 용례는 더 콤팩트한 반응기 코어 크기를 필요로 한다. 동시에, 연료 취급 및 반응기 조립의 단순화가 바람직하다.

전술한 것에 더하여, 일부 핵 반응기는 삼중-구조 등방성(Tri-structural Isotropic)("TRISO") 연료 입자를 이용한다. TRISO 연료가 이용되는 경우에, 확산 프로세스로 인한 히트 파이프로부터의 몇몇 금속 동위원소의 이동(migration)으로부터의 TRISO 연료의 보호에 관한 우려가 있다. 이들 동위원소, 더 구체적으로는 니켈은 TRISO 입자의 실리콘 탄화물 층을 손상시킬 수 있으며, 이는 TRISO 커널로부터 핵분열 생성물 및 가스의 방출을 초래할 수 있다. 반응기 코어 설계와 관련된 위에서-설명된 기준에 더하여, 연료의 양의 최소화 및 그와 관련되는 대응하는 비용은 반응기 설계를 고려할 때에 매우 중요하다.

그러므로, 위에서-설명된 기술적 문제 및 요건 중 전부는 아니더라도 일부를 해결하며 동시에 개발된 유닛 셀 및 코어 설계를 보존하는 것을 돕는 반응기 코어 변형예를 식별하는 것이 바람직할 것이다.

다양한 실시예에서, 흑연 감속재 구조물, 흑연 감속재 구조물 내에 위치된 히트 파이프, 및 흑연 감속재 구조물 내에 위치된 연료 조립체를 포함하는 반응기 유닛 셀이 개시된다. 연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브 및 산화베릴륨 슬리브 내에 위치된 핵 연료를 포함한다.

다양한 실시예에서, 흑연 감속재 매트릭스, 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 히트 파이프, 및 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 연료 조립체를 포함하는 반응기 유닛 셀이 개시된다. 복수의 연료 조립체는 히트 파이프를 둘러싼다. 복수의 연료 조립체의 적어도 하나의 연료 조립체는 베릴륨계 재료로 구성된 슬리브 및 슬리브 내에 위치된 핵 연료를 포함한다.

다양한 실시예에서, 복수의 반응기 유닛 셀을 포함하는 핵 반응기 코어가 개시된다. 반응기 유닛 셀 중 적어도 하나가 흑연 감속재 매트릭스, 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 히트 파이프, 및 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 연료 조립체를 포함한다. 복수의 연료 조립체 중 적어도 하나의 연료 조립체는 그 내부에 핵 연료를 수용하도록 구성된 산화베릴륨 슬리브를 포함한다.

본 명세서에 설명된 실시예의 다양한 특징은 그 장점과 함께 이하와 같은 첨부 도면과 함께 취한 이하의 설명에 따라 이해될 수 있다.
도 1은 예시적인 마이크로-반응기를 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 적어도 하나의 양태에 따른 향상된 반응기 코어의 복수의 반응기 유닛 셀을 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 적어도 하나의 양태에 따른 핵 연료를 수용하는 슬리브의 측면도를 도시한다.
대응 도면 부호는 다수의 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 지시한다. 본원에 설명된 예시는 일 형태로 본 발명의 다양한 실시예를 예시하고, 이러한 예시는 임의의 방식으로 본 발명의 범위를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안된다.

명세서에 설명되고 첨부 도면에 도시되는 바와 같은 실시예의 전체 구조, 기능, 제조 및 사용의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 상세가 설명된다. 공지된 동작, 구성요소, 및 요소는 본 명세서에 설명된 실시예를 불명료하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않았다. 독자는 본원에 설명되고 예시된 실시예가 비제한적 예이고, 따라서 본원에 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부사항이 대표적이고 예시적일 수 있음을 인지할 수 있음을 이해할 것이다. 그에 대한 변형 및 변화가 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 본 개시내용의 적어도 하나의 양태에 따른 향상된 반응기 코어(200)의 일부가 제공된다. 반응기 코어(200)는 반응기 코어(200) 내에서 서로에 대해 인접하게 위치되는 복수의 반응기 유닛 셀(202)을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 반응기 유닛 셀(202)은 위에서 참조로 통합되는 미국 가출원 제62/984,591호에 설명된 반응기 코어 블록과 유사할 수 있다. 5개의 반응기 유닛 셀(202)이 도시 및 설명되지만, 임의의 개수의 반응기 유닛 셀(202)이 반응기 코어(200) 내에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

다양한 실시예에서, 반응기 유닛 셀(202) 각각은 흑연 감속재 구조물 또는 매트릭스(204)를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 흑연 감속재 구조물(204)은 일체형 구성일 수 있다. 다른 양태에서, 흑연 감속재 구조물(204)은, 흑연 감속재 구조물(204)을 형성하기 위해서 함께 조립된 복수의 더 작은 흑연 지지 구조물 구성요소로 구성될 수 있다. 흑연 감속재 구조물(204)은, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 복수의 히트 파이프(208) 및 복수의 연료 조립체(210)를 내부에 수용하도록 크기설정될 수 있는 복수의 채널(206)을 형성할 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 채널(206), 히트 파이프(208) 및 연료 조립체(210) 중 몇 개만이 지시된다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 흑연 지지 구조물(204)의 채널(206)은 복수의 연료 조립체(210)가 단일 히트 파이프(208)를 둘러싸도록 배열될 수 있다. 일 예로서, 도 2에 도시되는 바와 같이, 채널(206)은 6개의 연료 조립체(210)가 하나의 히트 파이프(208)를 둘러싸도록 배열될 수 있다. 8개, 10개 또는 12개의 연료 조립체(210) 같은 6개 초과의 연료 조립체(210)가 하나의 히트 파이프(208)를 둘러싸는 다른 실시예가 고려된다. 5개, 4개, 또는 3개의 연료 조립체(210) 같은 6개 미만의 연료 조립체(210)가 하나의 히트 파이프(208)를 둘러싸는 다른 예시적인 실시예가 고려된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 반응기 유닛 셀당 연료 조립체(210)의 개수 대 히트 파이프(208)의 개수는 도 2에 도시되는 바와 같이 24:7일 수 있다. 연료 조립체(210)의 개수 대 히트 파이프(208)의 개수가, 예로서 약 4:1, 5:1, 6:1, 또는 7:1 같이 24:7 초과인 다른 예시적인 실시예가 고려된다. 연료 조립체(210)의 개수 대 히트 파이프(208)의 개수가, 예로서 약 3:1, 2.5:1, 또는 2:1 같이 24:7 미만인 다른 예시적인 실시예가 고려된다. 복수의 연료 조립체(210)가 하나 초과의 히트 파이프(208)를 둘러싸도록 채널(206)이 배열되는 다른 예시적인 실시예가 고려된다.

이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 연료 조립체(210) 각각은 흑연 감속재 구조물(204)에 의해 형성된 채널(206) 내에 위치될 수 있는 원통형 슬리브(212)를 포함할 수 있다. 또한, 연료 조립체(210) 각각은 슬리브(212) 내에 위치되는 핵 연료(214)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 슬리브(212)는 슬리브(212)의 적어도 일부가 채널(206)에 의해 반경방향으로 포위되고 슬리브(212)의 다른 부분이 채널(206)에 의해 반경방향으로 포위되지 않을 수 있도록 채널(206) 내에 위치된다. 달리 설명하면, 슬리브(212)는 슬리브(212)의 적어도 일부가 흑연 지지 구조물(204) 내에 반경방향으로 포위되고 슬리브(212)의 다른 부분이 흑연 지지 구조물(204)의 외부로 연장되도록 채널(206) 내에 위치될 수 있다. 도 3에 도시되는 바와 같은 다양한 다른 실시예에서, 슬리브(212)는 슬리브(212)가 채널(206)에 의해 완전히 반경방향으로 포위되도록 채널(206) 내에 위치될 수 있다.

다양한 실시예에서, 슬리브(212)는, 예로서 산화베릴륨(BeO) 또는 베릴륨 탄화물(Be2C)과 같은 베릴륨계 재료로 구성될 수 있다. 핵 연료(214) 주위에 베릴륨계 슬리브(212)를 위치시키는 것은 중성자 관점에서 매우 유리하다. 예를 들어, 베릴륨계 재료는 핵 연료(214)에 대한 중성자 감속을 제공할 뿐만 아니라, ~1.8 MeV 초과의 에너지를 갖는 중성자에 대한 (n, 2n) 반응으로부터 약간의 반응성 기여를 제공한다.

일 양태에서, 슬리브(212)의 측벽(216)은 핵 연료(214)의 필요 감속뿐만 아니라 반응기 코어(200) 내의 온도 구배 및 응력을 고려하여 규정되는 벽 두께를 가질 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 측벽(216)은 약 0.15cm 내지 약 0.4cm 범위의 벽 두께를 가질 수 있다. 측벽(216) 두께가, 예로서 0.5cm, 0.6cm 또는 0.7cm과 같이 0.4cm를 초과할 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다. 측벽(216) 두께가, 예로서 0.125cm, 0.1cm 또는 0.075cm과 같이 0.15cm 미만일 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다.

도 3에 가장 잘 도시되는 바와 같이, 슬리브(212)의 측벽(216)과 슬리브(212)가 내부에 위치되는 흑연 지지 구조물(204)의 채널(206)의 내부 연부(220) 사이에 제1 반경방향 간극(218)이 형성될 수 있다. 일 양태에서, 제1 반경방향 간극(218) 크기는 조사 하에서의 베릴륨계 재료 팽창 및 흑연 수축 그리고 베릴륨계 재료 및 흑연의 상대적인 열 팽창의 고려사항에 기초하여 규정될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 반경방향 간극(218)은 약 0.1cm 내지 약 0.2cm의 범위 내에 있을 수 있다. 제1 반경방향 간극(218)이, 예로서 0.25cm, 0.3cm, 또는 0.4cm과 같이 0.2cm 초과일 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다. 제1 반경방향 간극(218)이, 예로서 0.75cm, 0.5cm, 또는 0.25cm과 같이 0.1cm 미만일 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다.

도 2 및 도 3을 계속 참조하면, 위에서 언급된 바와 같이, 연료 조립체(210)는 슬리브(212) 내에 위치된 핵 연료(214)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 핵 연료(214)는 TRISO 연료를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 핵 연료(214)는, 예로서 UN과 같은 우라늄계 연료와 같이 핵 반응기 내에서 이용될 수 있는 임의의 다른 적합한 핵 연료를 포함할 수 있다. 도 3에 가장 잘 도시되는 바와 같이, 제2 반경방향 간극(222)이 슬리브(212)의 측벽(216)과 핵 연료(214)의 반경방향 연부(224) 사이에 형성될 수 있다. 일 양태에서, 제2 반경방향 간극(222) 크기는 연료 취급 및 조립 공정 그리고 또한 조사 하에서의 연료 밀집도 변화의 고려사항에 기초하여 규정될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제2 반경방향 간극(222)은 약 0.007cm 내지 약 0.01cm의 범위 내에 있을 수 있다. 제2 반경방향 간극(222)이, 예로서 0.02cm, 0.025cm 또는 0.03cm과 같이 0.01cm를 초과할 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다. 제2 반경방향 간극(222)이, 예로서 0.006 cm, 0.005 cm 또는 0.004 cm 같이 0.007cm 미만일 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다.

전술한 바와 같이, 제1 반경방향 간극(218)은 슬리브(212)의 측벽(216)과 흑연 지지 구조물(204)의 채널(216)의 내부 연부(220) 사이에 형성될 수 있다. 유사하게, 전술한 바와 같이, 제2 반경방향 간극(222)은 슬리브(212)의 측벽(216)과 핵 연료(214)의 반경방향 연부(224) 사이에 형성될 수 있다. 일 양태에서, 제1 반경방향 간극(218) 크기 대 제2 반경방향 간극(222) 크기의 비는 약 10:1 내지 약 30:1의 범위 내에 있을 수 있다. 제1 반경방향 간극(218) 크기 대 제2 반경방향 간극(222) 크기의 비가, 예로서 9:1, 7:1, 또는 5:1과 같이 10:1 미만일 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다. 제1 반경방향 간극(218) 크기 대 제2 반경방향(222) 간극 크기의 비가, 예로서 32:1, 35:1 또는 40:1과 같이 30:1을 초과할 수 있는 다양한 다른 실시예가 고려된다.

일 양태에서, 제1 반경방향 간극(218) 및 제2 반경방향 간극(222)에는 간극의 크기를 유지하고 또한 연료 조립체(210) 외부로의 열 전달을 용이하게 하는 가스가 충전될 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 제1 반경방향 간극(218) 및 제2 반경방향 간극(222)은 헬륨 가스로 충전될 수 있다. 제1 반경방향 간극(218) 및 제2 반경방향 간극(222)이 연료 조립체(210) 외부로의 열 전달을 용이하게 하는 것을 도울 수 있는 임의의 적절한 가스로 충전되는 다양한 다른 실시예가 고려된다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 연료 조립체(210)는 제1 단부 캡(226) 및 제2 단부 캡(230)을 더 포함할 수 있다. 제1 단부 캡(226) 및 제2 단부 캡(230)은 각각 슬리브(212)의 제1 개방 단부(228) 및 슬리브(212)의 제2 개방 단부(232)와 상호작용하여 핵 연료(214)를 슬리브(212) 내에 밀봉할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 및 제2 단부 캡(226, 230)은 각각 제1 및 제2 개방 단부(228, 232) 내로 압입되어, 핵 연료(214)를 슬리브(212) 내에 밀봉할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 및 제2 단부 캡(226, 230)은 각각 제1 및 제2 개방 단부(228, 232)에 용접되어, 핵 연료(214)를 슬리브(212) 내에 밀봉할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 및 제2 단부 캡(226, 230)은 각각 래치 메커니즘에 의해 제1 및 제2 개방 단부(228, 232)에 대해서 유지되어, 핵 연료(214)를 슬리브(212) 내에 밀봉할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 및 제2 단부 캡(226, 230)은, 예로서 BeO 또는 Be2C와 같은 베릴륨계 재료로 구성되어, 핵 연료(214)에 대해 축방향에서 슬리브(212)와 유사한 이점을 제공할 수 있다.

또한, 연료 조립체(210)는, 제1 및 제2 단부 캡(226, 230)과 핵 연료(214)의 축방향 연부(236) 사이에 위치가능한 축방향 반사기 펠릿(234)을 더 포함할 수 있다. 일 양태에서, 축방향 반사기 펠릿(234)은, 예로서 BeO 또는 Be2C와 같은 베릴륨계 재료로 구성되어, 핵 연료(214)에 대해 축방향에서 슬리브(212) 및 단부 캡(226, 230)과 유사한 이점을 제공할 수 있다.

본 명세서에 설명된 전술한 베릴륨계 슬리브 및 다른 변형예는 종래 기술에 비해 많은 이점을 제공하고 반응기 설계 및 연료 고려사항과 관련된 전술한 요구 사항 중 많은 것을 충족시키는 것으로 밝혀졌다. 이전에, 베릴륨계 재료는 그 낮은 이용가능성 및 대응하는 높은 비용으로 인해 반응기 용례에서 고려되지 않았다. 또한, 베릴륨계 재료는 반응기 용례에서 고려되지 않았는데, 이는 대형 전력 반응기 용례에서 보여지는 높은 중성 플럭스율이 베릴륨계 재료의 균열 및 형상 변화를 야기하기 때문이다. 따라서, 더 작은 발전기(예컨대, 마이크로-반응기)에서 발견되는 더 낮은 중성 플럭스율은 베릴륨계 재료를 사용에 적합하게 만든다.

종래 기술에 비한 이점의 일 예로서, 전술한 개선이 예로서 TRISCO 연료와 같은 연료를 ~5 내지 12%만큼 감소시키는 것을 제공한다는 것을 발견하였다. 이러한 감소는 활성 연료 길이, 반응기 코어 길이, 및 코어와 모든 주변 구성요소의 중량의 감소로 전환된다. 또한, 적절히 모델링된 히트 파이프 물리적 거동에 의한 3-D 열-기계적 분석의 사용으로, 상술한 향상은 핵 반응기 시스템을 위한 허용가능한 연료 온도 범위를 충족하는 것으로 판명되었다. 핵 시스템의 성능은 또한 과도 조건에서 안전 요건을 충족하고, 특히 음의 전력 반응성 계수를 충족한다.

또한, 향상은 히트 파이프뿐만 아니라 반응기 기기를 포함하는 반응기 내의 임의의 다른 금속 구성요소로부터의 니켈과 같은 금속 동위원소의 가능한 이동으로부터의 TRISO 연료와 같은 핵 연료의 보호를 제공할 수 있다. 또한, 반응기의 각각의 연료 채널 내에 위치되는 핵 연료를 위한 "컨테이너"를 제공하는 베릴륨계 슬리브는 반응기의 조립을 용이하게 할 수 있다. 다수의 다른 이익이 위에서 제공된 개시내용을 고려하여 관련분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백할 것이다.

본 명세서에 설명된 주제의 다양한 양태가 이하의 예에서 설명된다.

예 1 - 흑연 감속재 구조물, 흑연 감속재 구조물 내에 위치된 히트 파이프, 및 흑연 감속재 구조물 내에 위치된 연료 조립체를 포함하는 반응기 유닛 셀이며, 연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브 및 산화베릴륨 슬리브 내에 위치된 핵 연료를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 2 - 예 1에 있어서, 연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브 내에 위치되는 복수의 산화베릴륨 펠릿을 더 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 3 - 예 2에 있어서, 연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브와 결합 가능한 단부 캡을 더 포함하고, 산화베릴륨 펠릿은 단부 캡과 핵 연료 사이에 위치되는 반응기 유닛 셀.

예 4 - 예1 내지 예3 중 어느 하나에 있어서, 핵 연료와 산화베릴륨 슬리브 사이에 반경방향 간극이 형성되는 반응기 유닛 셀.

예 5 - 예 4에 있어서, 반경방향 간극은 헬륨 가스를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 6 - 예 4 또는 예 5에 있어서, 반경방향 간극은 약 0.007 cm 내지 약 0.01 cm의 범위 내에 있는 반응기 유닛 셀.

예 7 - 예 1 내지 예 6 중 어느 하나에 있어서, 반경방향 간극이 연료 조립체와 흑연 감속재 구조물 사이에 형성되는 반응기 유닛 셀.

예 8 - 예 7에 있어서, 반경방향 간극은 헬륨 가스를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 9 - 예 7 또는 예 8에 있어서, 반경방향 간극은 약 0.1 cm 내지 약 0.2 cm의 범위 내에 있는 반응기 유닛 셀.

예 10 - 예 1 내지 예 9 중 어느 하나에 있어서, 산화베릴륨 슬리브는 약 0.15 cm 내지 약 0.4 cm의 범위 내의 벽 두께를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 11 - 예 1 내지 예 10 중 어느 하나에 있어서, 핵 연료는 TRISO 연료를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 12 - 반응기 유닛 셀이며, 흑연 감속재 매트릭스, 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 히트 파이프, 및 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 연료 조립체를 포함하고, 복수의 연료 조립체는 히트 파이프를 둘러싸고, 복수의 연료 조립체 중 적어도 하나의 연료 조립체는 베릴륨계 재료로 구성된 슬리브 및 슬리브 내에 위치된 핵 연료를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 13 - 예 12에 있어서, 적어도 하나의 연료 조립체는 베릴륨계 재료로 구성되는 복수의 펠릿을 더 포함하며, 펠릿은 슬리브 내에 위치되는 반응기 유닛 셀.

예 14 - 예 13에 있어서, 적어도 하나의 연료 조립체는 슬리브와 결합가능한 단부 캡을 더 포함하며, 펠릿은 단부 캡과 핵 연료 사이에 위치되는 반응기 유닛 셀.

예 15 - 예 12 내지 예 14 중 어느 하나에 있어서, 제1 반경방향 간극이 슬리브와 흑연 감속재 매트릭스 사이에 형성되고, 제2 반경방향 간극이 핵 연료와 슬리브 사이에 형성되며, 제1 반경방향 간극은 제2 반경방향 간극과 상이한 반응기 유닛 셀.

예 16 - 예 15에 있어서, 제1 반경방향 간극은 약 0.1 cm 내지 약 0.2 cm의 범위 내에 있으며, 제2 반경방향 간극은 약 0.007 cm 내지 약 0.1 cm의 범위 내에 있는 반응기 유닛 셀.

예 17 - 예 15 또는 예 16에 있어서, 제1 반경방향 간극 및 제2 반경방향 간극은 헬륨 가스를 포함하는 반응기 유닛 셀.

예 18 - 복수의 반응기 유닛 셀을 포함하는 핵 반응기 코어이며, 반응기 유닛 셀 중 적어도 하나가 흑연 감속재 매트릭스, 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 히트 파이프, 및 흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 연료 조립체를 포함하고, 복수의 연료 조립체 중 적어도 하나의 연료 조립체가 핵 연료를 내부에 수용하도록 구성된 산화베릴륨 슬리브를 포함하는 핵 반응기 코어.

예 19 - 예 18에 있어서, 반경방향 간극이 적어도 하나의 연료 조립체와 흑연 감속재 매트릭스 사이에 형성되는 핵 반응기 코어.

예 20 - 예 18 또는 예 19에 있어서, 산화베릴륨 슬리브는 약 0.15 cm 내지 약 0.4 cm 범위의 벽 두께를 포함하는 핵 반응기 코어.

달리 구체적으로 기술되지 않는 한, 전술한 개시내용으로부터 자명한 바와 같이, 전술한 개시내용 전체를 통해서, "프로세싱", "컴퓨팅", "계산", "결정", "디스플레이" 등과 같은 용어를 이용한 설명은, 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적(전자적) 양으로서 표현된 데이터를 조작하고 그리고 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 그러한 정보 저장, 전달 또는 디스플레이 장치 내의 물리적 양으로서 유사하게 표현되는 다른 데이터로 변환하는, 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자적 컴퓨팅 장치의 작용 및 프로세스를 지칭한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

하나 이상의 구성요소는 본원에서 "~하도록 구성되는", "~하도록 구성가능한", "~하도록 동작가능한/동작되는", "~하도록 적응되는/적응가능한", "~할 수 있는", "~하도록 순응가능한/순응하는" 등의 것으로서 지칭될 수 있다. 관련분야의 통상의 기술자는 문맥상 달리 요구되지 않는 한, "~하도록 구성된"은 일반적으로 활성 상태 구성요소 및/또는 비활성 상태 구성요소 및/또는 대기 상태 구성요소를 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다.

관련분야의 통상의 기술자는, 일반적으로, 본원에서 그리고 특히 첨부된 청구항(예를 들어, 첨부된 청구항의 본문)에서 사용된 용어가 일반적으로 "개방형" 용어로서 의도된 것임을 인지할 것이다(예를 들어, "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 그에 제한되지 않는"으로 해석되어야 하고, "갖는"이라는 용어는 "적어도 갖는"으로 해석되어야 하며, "구비하는"이라는 용어는 "구비하지만 그에 제한되지 않는"으로 해석되어야 한다). 도입된 청구항 언급의 특정한 번호가 의도되는 경우 이러한 의도가 청구항 내에 명시적으로 언급될 것이고 이러한 언급이 없을 때에 이러한 의도가 존재하지 않는다는 것이 관련분야의 통상의 기술자에 의해 추가로 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해서, 이하의 첨부된 청구항은 청구항 언급을 도입하기 위한 도입 문구 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 이용을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 문구의 이용은, 동일한 청구항이 도입 문구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 그리고 "a" 또는 "an"와 같은 부정관사를 포함하는 경우에도, 부정관사 "a" 또는 "an"에 의한 청구항 언급의 도입이 그러한 도입된 청구항 언급을 포함하는 임의의 특별한 청구항을 하나의 그러한 언급만을 포함하는 청구항으로 제한한다는 것을 암시하는 것으로 해석되지 않아야 하고(예를 들어, "a" 및/또는 "an"는 전형적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 하고); 이는 청구항 언급을 도입하기 위해서 정관사가 이용되는 경우에도 마찬가지이다.

또한, 특정 수의 도입된 청구항 언급이 명시적으로 기재된 경우에도, 관련분야의 통상의 기술자는 그러한 언급이 전형적으로 적어도 언급된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인지할 것이다(예를 들어, 다른 수식어가 없는 "2개의 언급"의 기본적인 언급은 전형적으로 적어도 2개의 언급 또는 2개 이상의 언급을 의미한다). 또한, "A, B, 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 이러한 구성은 관련분야의 통상의 기술자가 관례를 이해하는 의미로 의도된다(예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A를 단독으로, B를 단독으로, C를 단독으로, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께 및/또는 A, B 및 C를 함께 등의 방식으로 갖는 시스템을 포함하지만 이에 한정되지 않는다). "A, B 또는 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 이러한 구성은 관련분야의 통상의 기술자가 관례를 이해할 것이라는 의미로 의도된다(예를 들어, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A를 단독으로, B를 단독으로, C를 단독으로, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께 및/또는 A, B 및 C를 함께 등의 방식으로 갖는 시스템을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다). 2개 이상의 대체 용어를 제시하는 전형적으로 이접성 단어 및/또는 문구는 상세한 설명, 청구항 또는 도면에 있는지와 무관하게 문맥상 달리 지시되지 않으면 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두의 용어를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것이 통상의 기술자에 의해 추가로 이해될 것이다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 전형적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

첨부된 청구범위에 관하여, 관련분야의 통상의 기술자는 본 명세서에 언급된 동작이 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 다양한 동작 흐름도가 순서(들)로 제시되어 있지만, 다양한 동작은 예시된 것 이외의 다른 순서로 수행될 수 있거나 또는 동시에 수행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 대안적인 순서의 예는 문맥상 달리 지시되지 않으면 중첩, 인터리빙, 중단, 재정렬, 증분, 준비, 보충, 동시, 역전 또는 다른 변형 순서를 포함할 수 있다. 또한, "~에 반응하는", "~에 관련된" 또는 다른 과거 시제 형용사와 같은 용어는 일반적으로, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 그러한 변형을 배제하기 위한 것이 아니다.

"일 양태", "양태", "예시", "하나의 예시" 등에 대한 임의의 언급은 양태와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 양태에 포함된다는 것을 의미한다는 것을 주목할 가치가 있다. 따라서, 명세서 전체를 통한 여러 곳에서의 "하나의 양태에서", "양태에서", "예시에서", 및 "하나의 예시에서"라는 문구의 출현은 모두가 반드시 동일한 양태를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 양태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

본 명세서에서 언급되고 및/또는 임의의 출원 데이터 시트에 나열된 임의의 특허 출원, 특허, 비특허 공보, 또는 다른 개시 자료는, 포함된 자료가 본원과 불일치하지 않는 범위까지, 본원에서 참조로 포함된다. 이와 같이, 그리고 필요한 정도로, 본 명세서에 명시적으로 설명된 바와 같은 개시내용은 본 명세서에 참조로서 통합된 임의의 상충하는 자료를 대체한다. 본 명세서에 참조로서 통합되어 있는 것으로 언급되지만, 기존의 정의, 진술, 또는 본원에 설명된 다른 개시 자료와 상충하는 임의의 자료, 또는 그 부분은 단지 통합된 자료와 기존의 개시 자료 사이에 상충이 발생하지 않는 정도로만 통합될 것이다.

"포함한다"(및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하는의 임의의 형태), "갖는다"(및 "갖는다" 및 "갖는"과 같은 갖는의 임의의 형태), "구비한다"(및 "구비한다" 및 "구비하는"과 같은 구비하는의 임의의 형태) 및 "수용한다"(및 "수용한다" 및 "수용하는"과 같은 수용하는의 임의의 형태)라는 용어는 개방형 연결 동사이다. 그 결과, 하나 이상의 요소를 "포함하는", "갖는", "구비하는" 또는 "수용하는" 시스템은 이들 하나 이상의 요소를 소유하지만, 단지 이들 하나 이상의 요소만을 소유하는 것에 한정되는 것은 아니다. 마찬가지로, 하나 이상의 특징부를 "포함하는", "갖는", "구비하는" 또는 "수용하는" 시스템, 디바이스 또는 장치의 요소는 이들 하나 이상의 특징부를 소유하지만, 단지 이들 하나 이상의 특징부를 소유하는 것에 한정되는 것은 아니다.

본 개시내용에서 사용된 바와 같은 "실질적으로", "약", 또는 "대략"이라는 용어는, 달리 구체화되지 않는 한, 관련분야의 통상의 기술자에 의해서 결정된 바와 같은 특별한 값에 대한 허용가능한 오류를 의미하고, 이는 값이 어떻게 측정되거나 결정되는지에 부분적으로 의존한다. 특정 실시예에서, "실질적으로", "약", 또는 "대략"이라는 용어는 1, 2, 3, 또는 4 표준 편차 이내를 의미한다. 특정 실시예에서, "실질적으로", "약", 또는 "대략"이라는 용어는 주어진 값 또는 범위의 50%, 20%, 15%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5% 또는 0.05% 이내를 의미한다.

요약하면, 본 명세서에 설명된 개념을 채용함으로써 초래되는 다수의 이점이 설명되었다. 하나 이상의 형태의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 포괄적이거나 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 상기 교시에 비추어 수정 또는 변형이 가능하다. 하나 이상의 형태는 원리 및 실제 용례를 예시하기 위해 선택되고 설명되었고 이에 의해 통상의 기술자가 고려된 특정 용도에 적합한 바와 같은 다양한 형태 및 다양한 수정을 이용하는 것을 가능하게 한다. 그와 함께 제출된 청구항들은 전체 범위를 정의하도록 의도된다.

Claims

반응기 유닛 셀이며,
흑연 감속재 구조물;
흑연 감속재 구조물 내에 위치된 히트 파이프; 및
흑연 감속재 구조물 내에 위치된 연료 조립체를 포함하고, 연료 조립체는,
산화베릴륨 슬리브; 및
산화베릴륨 슬리브 내에 위치된 핵 연료를 포함하는
반응기 유닛 셀.
제1항에 있어서,
연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브 내에 위치된 복수의 산화베릴륨 펠릿을 더 포함하는 반응기 유닛 셀.
제2항에 있어서,
연료 조립체는 산화베릴륨 슬리브와 결합가능한 단부 캡을 더 포함하며, 산화베릴륨 펠릿은 단부 캡과 핵 연료 사이에 위치되는 반응기 유닛 셀.
제1항에 있어서,
반경방향 간극이 핵 연료와 산화베릴륨 슬리브 사이에 형성되는 반응기 유닛 셀.
제4항에 있어서,
반경방향 간극은 헬륨 가스를 포함하는 반응기 유닛 셀.
제4항에 있어서,
반경방향 간극은 약 0.007 cm 내지 약 0.01 cm의 범위 내에 있는 반응기 유닛 셀.
제1항에 있어서,
반경방향 간극이 연료 조립체와 흑연 감속재 구조물 사이에 형성되는 반응기 유닛 셀.
제7항에 있어서,
반경방향 간극은 헬륨 가스를 포함하는 반응기 유닛 셀.
제7항에 있어서,
반경방향 간극은 약 0.1 cm 내지 약 0.2 cm의 범위 내에 있는 반응기 유닛 셀.
제1항에 있어서,
산화베릴륨 슬리브는 약 0.15 cm 내지 약 0.4 cm의 범위 내의 벽 두께를 포함하는 반응기 유닛 셀.
제1항에 있어서,
핵 연료는 TRISO 연료를 포함하는 반응기 유닛 셀.
반응기 유닛 셀이며,
흑연 감속재 매트릭스;
흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 히트 파이프; 및
흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 연료 조립체로서, 복수의 연료 조립체는 히트 파이프를 둘러싸는, 복수의 연료 조립체를 포함하며, 복수의 연료 조립체 중 적어도 하나의 연료 조립체는,
베릴륨계 재료로 구성된 슬리브; 및
슬리브 내에 위치된 핵 연료를 포함하는
반응기 유닛 셀.
제12항에 있어서,
적어도 하나의 연료 조립체는 베릴륨계 재료로 구성되는 복수의 펠릿을 더 포함하며, 펠릿은 슬리브 내에 위치되는 반응기 유닛 셀.
제13항에 있어서,
적어도 하나의 연료 조립체는 슬리브와 결합가능한 단부 캡을 더 포함하며, 펠릿은 단부 캡과 핵 연료 사이에 위치되는 반응기 유닛 셀.
제12항에 있어서,
제1 반경방향 간극이 슬리브와 흑연 감속재 매트릭스 사이에 형성되고, 제2 반경방향 간극이 핵 연료와 슬리브 사이에 형성되며, 제1 반경방향 간극은 제2 반경방향 간극과 상이한 반응기 유닛 셀.
제15항에 있어서,
제1 반경방향 간극은 약 0.1 cm 내지 약 0.2 cm의 범위 내에 있으며, 제2 반경방향 간극은 약 0.007 cm 내지 약 0.1 cm의 범위 내에 있는 반응기 유닛 셀.
제15항에 있어서,
제1 반경방향 간극 및 제2 반경방향 간극은 헬륨 가스를 포함하는 반응기 유닛 셀.
핵 반응기 코어이며,
복수의 반응기 유닛 셀을 포함하고, 반응기 유닛 셀 중 적어도 하나는,
흑연 감속재 매트릭스;
흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 히트 파이프; 및
흑연 감속재 매트릭스 내에 위치된 복수의 연료 조립체로서, 복수의 연료 조립체 중 적어도 하나의 연료 조립체는 핵 연료를 내부에 수용하도록 구성된 산화베릴륨 슬리브를 포함하는, 복수의 연료 조립체를 포함하는
핵 반응기 코어.
제18항에 있어서,
반경방향 간극이 적어도 하나의 연료 조립체와 흑연 감속재 매트릭스 사이에 형성되는 핵 반응기 코어.
제18항에 있어서,
산화베릴륨 슬리브는 약 0.15 cm 내지 약 0.4 cm 범위의 벽 두께를 포함하는 핵 반응기 코어.