KR20240015686A - 보다 안전한 원자로를 위한 연료-감속재 반전 - Google Patents
보다 안전한 원자로를 위한 연료-감속재 반전 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240015686A KR20240015686A KR1020237045406A KR20237045406A KR20240015686A KR 20240015686 A KR20240015686 A KR 20240015686A KR 1020237045406 A KR1020237045406 A KR 1020237045406A KR 20237045406 A KR20237045406 A KR 20237045406A KR 20240015686 A KR20240015686 A KR 20240015686A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- moderator
- fuel
- inverted
- block
- inverted fuel
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 467
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 130
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 96
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 53
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 claims description 21
- OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N [C].[Zr] Chemical compound [C].[Zr] OTCHGXYCWNXDOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N methylidyneniobium Chemical compound [Nb]#C UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 49
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 35
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 31
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 31
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 27
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 19
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 17
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 16
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 15
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 11
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 8
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 6
- QPXOIGGWJBMJIH-UHFFFAOYSA-N bis(boranylidyne)uranium Chemical compound B#[U]#B QPXOIGGWJBMJIH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 5
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 5
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 5
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 4
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 4
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 4
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 4
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 4
- LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N Beryllium oxide Chemical compound O=[Be] LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 3
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 2-iodoquinoline Chemical compound C1=CC=CC2=NC(I)=CC=C21 FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N Pyridine Chemical group C1=CC=NC=C1 JUJWROOIHBZHMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910003564 SiAlON Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N hafnium;methane Chemical compound C.[Hf] WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- NBWXXYPQEPQUSB-UHFFFAOYSA-N uranium zirconium Chemical compound [Zr].[Zr].[U] NBWXXYPQEPQUSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000047 yttrium hydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- QSGNKXDSTRDWKA-UHFFFAOYSA-N zirconium dihydride Chemical compound [ZrH2] QSGNKXDSTRDWKA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000568 zirconium hydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 208000032484 Accidental exposure to product Diseases 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical class [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011184 SiC–SiC matrix composite Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ACTXVUKAWNGDKG-UHFFFAOYSA-N [Gd].[U] Chemical compound [Gd].[U] ACTXVUKAWNGDKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GMUYFVVXSABBHE-UHFFFAOYSA-N [Mo+4].[O-2].[O-2].[U+6] Chemical compound [Mo+4].[O-2].[O-2].[U+6] GMUYFVVXSABBHE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AARIKZRFQVXMDW-UHFFFAOYSA-N [Zr].[Nb].[U] Chemical compound [Zr].[Nb].[U] AARIKZRFQVXMDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000818 accidental exposure Toxicity 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- MVXWAZXVYXTENN-UHFFFAOYSA-N azanylidyneuranium Chemical compound [U]#N MVXWAZXVYXTENN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JZKFIPKXQBZXMW-UHFFFAOYSA-L beryllium difluoride Chemical compound F[Be]F JZKFIPKXQBZXMW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000005255 beta decay Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000037237 body shape Effects 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006353 environmental stress Effects 0.000 description 1
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002139 neutron reflectometry Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011824 nuclear material Substances 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N pyridine Natural products COC1=CC=CN=C1 UMJSCPRVCHMLSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- RCKBMGHMPOIFND-UHFFFAOYSA-N sulfanylidene(sulfanylidenegallanylsulfanyl)gallane Chemical compound S=[Ga]S[Ga]=S RCKBMGHMPOIFND-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000005068 transpiration Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C5/00—Moderator or core structure; Selection of materials for use as moderator
- G21C5/14—Moderator or core structure; Selection of materials for use as moderator characterised by shape
- G21C5/16—Shape of its constituent parts
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
- G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
- G21C3/62—Ceramic fuel
- G21C3/626—Coated fuel particles
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
원자로 노심을 포함하는 원자로. 원자로 노심은 복수의 감속재 요소, 및 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록의 반전된 연료 감속재 블록 어레이를 포함한다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은 고온 매트릭스; 고온 매트릭스 내부에 매립된 복수의 연료 입자; 및 감속재 요소 중 적어도 하나를 내부에 배치하기 위한 적어도 하나의 감속재 개구를 포함한다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은 또한 냉각재를 유동하게 하기 위해 고온 매트릭스에 형성된 적어도 하나의 냉각재 통로를 포함한다. 원자로는 또한 하나 이상의 제어 드럼, 하나 이상의 제어봉, 또는 그 조합을 포함할 수 있는 반응성 제어 시스템을 포함할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 6월 4일자로 출원된 "Fuel-Moderator Inversion for Safer Nuclear Reactors"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제63/196,901호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 주제는 전력 생산 및 추진을 위한 원자로 시스템 및 원자로, 예를 들어 발전 또는 핵열 추진을 위한 지상 육상 원자로의 예에 관한 것이다. 본 주제는 또한 반전된 연료 감속재 블록 어레이(inverted fuel moderator block array)를 포함하는 원자로 노심 아키텍처를 포함한다.
종래의 원자로에서는, 원자로 내의 흑연 블록은 냉각재 채널 뿐만 아니라 연료 채널로 기계가공된다. 연료 펠릿은 헬륨 백필(backfill)이 있는 연료 채널에 삽입되고, 흑연 캡으로 밀봉된다. 원자로가 작동하는 동안, 헬륨은 흑연 냉각 채널을 통과하여 원자로를 냉각시킨다. 감압 또는 플러딩 중에, 공기가 원자로 노심에 진입하여, 잠재적으로 흑연 화재라고도 알려진 흑연의 자기-지속형 산화를 초래할 수 있다. 흑연은 공기나 물에 노출되면 에너지 방출 산화 반응을 받을 수 있다: 산화 프로세스는 흑연의 구조적 무결성을 손상시킨다. 또한, 흑연 화재 동안, 흑연과의 의도하지 않은 화학 반응으로 인해 또한 새로운 방사성 종이 생성되어, 추가적인 안전 위험이 발생할 수 있다. 흑연 화재의 결과는 흑연 분진의 존재에 의해 악화된다: 흑연은 명확하게 일부 화학적 위험을 내포하고 있다.
흑연은 형상이 내부적으로 노심을 지지하고, 일부 원자로에서는 연료를 보호하기 때문에, 종래의 원자로에서 흑연에 대한 손상은 원자로 자체 뿐만 아니라 연료의 무결성에도 영향을 미친다. 종래의 원자로에서, 연료는 가장 약한 구성요소이고, 흔히 방사선 손상과 팽윤 하에 붕괴되어, 핵분열 생성물 방출을 방지하기 위해 광범위하고 적층된 격납 장치가 필요하다. 그러나, 핵연료 기술의 향상으로 연료 펠릿이 매립된 매트릭스의 개선과 함께 연료 펠릿의 안정성이 개선되었다: 특히, 아래의 특허와 워싱턴주 시애틀에 소재한 Ultra Safe Nuclear Corporation의 간행물에 설명된 바와 같이 삼중구조-등방성(tristructural-isotropic)(TRISO) 연료 입자는 실리콘 탄화물 매트릭스에 분산되어 원통형 핵연료 콤팩트를 형성한다: "Fully Ceramic Nuclear fuel and Related Methods"라는 명칭으로 2016년 3월 29일자로 허여된 미국 특허 제9,299,464호; "Fully Ceramic Micro-encapsulated (FCM) fuel for CANDUs and Other Reactors"라는 명칭으로 2018년 7월 24일자로 허여된 미국 특허 제10,032,528호; "Method for Fabrication of Fully Ceramic Microencapsulation Nuclear Fuel"라는 명칭으로 2018년 10월 23일자로 허여된 미국 특허 제10,109,378호; "Dispersion Ceramic Micro-encapsulated (DCM) Nuclear Fuel and Related Methods"라는 명칭으로 2017년 4월 11일자로 허여된 미국 특허 제9,620,248호 및 2019년 11월 12일자로 허여된 미국 특허 제10,475,543호; "Composite Moderator for Nuclear Reactor Systems"라는 명칭으로 2020년 1월 23일자로 공개된 미국 특허 공개 제2020/0027587호; 및 "Nuclear Fuel Particle Having a Pressure Vessel Comprising Layers of Pyrolytic Graphite and Silicon Carbide"라는 명칭으로 2020년 2월 25일자로 허여된 미국 특허 제10,573,416호(이들의 전문은 본 명세서에 참조로 포함됨).
따라서, 원자로 시스템(100)과 원자로 블록 및 블록 어레이에는 추가적인 개선의 여지가 있다. 고온 가스로(high-temperature gas reactor)(HTGR)의 주요 관심사는 공기 및 물과의 흑연 화학 반응성 및 흑연 분진의 방출이기 때문에, 연료-감속재 반전된(Fuel-Moderator Inverted)(FMI) 연료 블록(즉, 반전된 연료 감속재 블록) 개념은 외부 종의 연료를 사용하여 흑연 또는 다른 감속재를 보호함으로써 이 문제를 해결한다; 그리고 이에 의해 원자로(107)의 복원력과 기능성을 증가시킨다.
본 명세서에는, 반전된 연료 감속재 블록(103B)이 물 및 공기에 대해 불침투성이고, 상대적으로 민감한 감속재 요소(150B-M)를 보호하기 때문에, 원자로 노심(101) 내의 물 또는 공기 존재에 대한 감속재 요소(150B-M)의 복원력을 개선시키는 반전된 연료 감속재 블록(103B) 해결책(도 1b 참조)이 설명되어 있다. 이러한 보호는 흑연 또는 다른 감속재에 의해 제기되는 화학적 상호작용 위험을 감소시키거나 제거하여, 보다 안전한 원자로(107)를 초래한다.
추가로, 반전된 연료 감속재 블록(103B)은 유동된 냉각재에 직접 노출될 수 있기 때문에, 원자로 노심(101)은, 연료 입자(151)가 감속재 블록을 통해 유동된 냉각재에 열을 간접적으로 전달하는 종래의 원자로와 달리, 임계 작동 중에 더 낮은 연료 온도에 도달할 수 있다. FMI 기술은 연료 입자(151A-N)의 작동 온도를 감소시키고, 이는 연료 입자(151A-N) 뿐만 아니라 고온 매트릭스(152)에 부여되는 열적 및 환경적 스트레스를 감소시켜, 연료 강건성 및 핵분열 생성물 유지를 개선시킨다.
반전된 연료 감속재 블록(103B) 해결책은 또한 더 작은 냉각재 통로(141A-B) 체적을 허용하여, 더 작은 원자로 노심(101) 또는 더 오래 지속되는 원자로 노심(101)을 허용할 수 있다. 또한, 감속재 요소(150B-M)의 표면은 일부 반전된 연료 감속재 블록(103B) 해결책의 냉각재에 의해 습윤되지 않기 때문에, 대안 냉각 유체(잠재적으로 공기를 포함)가 가능하다. 이러한 더 작은 냉각재 통로(141A-N) 체적은 감소된 냉각재 채널 체적과 함께 환경적 공기 흡기 및 배기를 통해 공기 호흡 사이클을 구현하는 공기 호흡 원자로를 허용할 수 있으며, 더 저렴하고 더 효율적인 원자로를 허용할 수 있다.
반전된 연료 감속재 블록(103B) 해결책에서, 반전된 연료 감속재 블록(103A) 형태의 핵연료는 원자로 노심(101)에서 가장 높은 성능의 구성요소이다: 핵연료는 공기 및 물과 대체로 반응하지 않으며, 높은 원자당 변위(Displacements per Atom)(DPA) 및 DPA 속도 하에서 안정적이고, 고온에서도 안정적이다. 주어진 감속재 요소(150A)를 보호하기 위해 반전된 연료 감속재 블록(103A) 형태의 핵연료를 사용하면 흑연 화학 반응성 및 분진 문제가 해결되고 실제로 주어진 감속재 요소(150A)와 관련된 임의의 반응성 문제가 해결된다. 반전된 연료 감속재 블록(103A) 해결책은 원자로 노심(101) 구성요소를 보호하고 냉각재에 대한 열 경로 길이를 감소시킨다.
일 예에서, 반전된 연료 감속재 블록(103A)(도 1a 참조)은 고온 매트릭스(152), 고온 매트릭스(152) 내부에 매립된 복수의 연료 입자(151A-N), 및 적어도 하나의 감속재 요소(150A)를 내부에 배치하기 위한 공동과 같은 적어도 하나의 감속재 개구(131A)를 포함한다.
제2 예에서, 원자로 노심(101)은 복수의 감속재 요소(150N-Z), 및 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(103A-N)의 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)를 포함한다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(103A-N)은 고온 매트릭스(152), 고온 매트릭스(152) 내부에 매립된 복수의 연료 입자(151A-N), 및 냉각재를 유동하기 위해 고온 매트릭스(152)에 형성된 적어도 하나의 냉각재 통로(141N-Z)를 포함한다.
예의 추가 목적, 이점 및 신규 특징은 다음 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 부분적으로는 다음 및 첨부 도면을 검토함으로써 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해지거나 또는 예의 생산 또는 작동에 의해 학습될 수 있다. 본 주제의 목적 및 이점은 첨부된 청구범위에서 특히 언급된 방법론, 수단 및 조합에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
도면은 제한이 아니라 단지 예로서 하나 이상의 구현예를 도시한다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다.
도 1a는 고온 매트릭스로 형성되고 감속재 요소를 위한 감속재 개구를 제공하는 일반적인 반전된 연료 감속재 블록의 3/4 절취도이다.
도 1b는 다수의 감속재 개구, 냉각재 통로, 및 제어 드럼 채널을 제공하는 육각형 반전된 연료 감속재 블록의 등각 투영도이다.
도 1c는 단일 감속재 개구와 반전된 연료 감속재 블록의 접경 코너에 있는 냉각재 통로를 갖는 육각형 반전된 연료 감속재 블록을 구현하는 원자로 노심을 포함하는 원자로 시스템의 단면도이다.
도 2는 삼각형 연료 감속재 블록으로 형성된 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이고, 삼각형 연료 감속재 블록은 단일 감속재 개구 뿐만 아니라 유동하는 냉각재를 위한 패싯 코너를 포함한다.
도 3a는 감속재 요소 및 감속재 요소 위와 아래에 적층된 2개의 플레이트 반전된 연료 감속재 블록을 포함하는 층상 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 프로파일 도면이다.
도 3b는 도 3a의 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이다.
도 3c는 반전된 연료 감속재 블록 내에 냉각재 통로가 형성된 모놀리식 반전된 연료 감속재 블록의 등각 투영도이다.
도 3d는 냉각재 통로를 갖는 감속재 요소, 냉각재 통로를 라이닝하는 다수의 라이너 반전된 연료 감속재 블록, 및 감속재 요소를 둘러싸는 경계 반전된 연료 감속재 블록을 포함하는 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이다.
도 4a는 큰 비율의 감속재 요소를 갖는 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같이 다수의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체로 형성된 캡핑된 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체의 등각 투영도이다.
도 4c는 캡이 제거된 도 4b의 캡핑된 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체의 등각 투영도이다.
도 5a는 작은 비율의 감속재 요소를 갖는 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 캡핑된 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 등각 투영도이다.
도 5c는 캡이 제거된 도 5b의 캡핑된 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 등각 투영도이다.
도 6a는 3개의 추가 절단된 냉각재 통로를 갖는 도 5a의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 6b는 추가 절단된 링 냉각재 통로를 갖는 도 5a의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 7a는 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 도면이다.
도 7b는 다면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 도면이다.
도 7c는 절두 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 도면이다.
도 7d는 하나 이상의 삼각형 면의 다면체 내의 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록의 도면이다.
도 7e는 볼록한 상단 캡과 오목한 하단 캡을 갖는 테이퍼형 원형 반전된 연료 감속재 블록의 도면이다.
도 7f는 테이퍼형 냉각재 통로를 갖는 테이퍼형 오각형 반전된 연료 감속재 블록의 도면이다.
도 8은 삼각형 반전된 연료 감속재 블록으로 형성된 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이고, 삼각형 연료 감속재 블록은 단일 감속재 개구 뿐만 아니라 유동하는 냉각재를 위한 패싯 코너를 포함하며, 여기서 감속재 개구는 원자로 노심 중심에 더 가까운 반전된 연료 감속재 블록보다 원자로 노심 주연부에 더 가까운 반전된 연료 감속재 블록에서 더 크다.
도 9a는 산소(O2)에 의한 실리콘 탄화물(SiC)의 계산된 산화 모드 영역의 그래프이다.
도 9b는 물(H2O)에 의한 실리콘 탄화물(SiC)의 계산된 산화 모드 영역의 그래프이다.
도 10은 고온에서의 SiC 산화 메커니즘의 차트이다.
부품 목록
100 원자로 시스템
101 원자로 노심
103A-Z 연료 감속재 반전 블록
113 반전된 연료 감속재 블록 어레이
115 제어 드럼
131A-Z 감속재 개구
135 제어 드럼 채널
140 반사체
141A-B, N-Z 냉각재 통로
142 냉각재 통로 벽
150A-Z 감속재 요소
151A-N 연료 입자
152 고온 매트릭스
155 캡
156 원자로 노심 중심
157 원자로 노심 주연부
160 압력 용기
198 블록 벽
199A-B 블록 베이스
203A-N 연료 감속재 반전 블록
213 반전된 연료 감속재 블록 어레이
231A-N 감속재 개구
253A-C 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽
254A-C 반전된 연료 감속재 블록 패싯
241A-N 냉각재 통로
250A-N 감속재 요소
303A-D, O-Z 반전된 연료 감속재 블록
313A 플레이트 반전된 연료 감속재 블록 어레이
313C 모놀리스 반전된 연료 감속재 블록 어레이
313D 라이닝된 반전된 연료 감속재 블록 어레이
341A-Z 냉각재 통로
350A-B 감속재 요소
390 감속재 인터페이스 벽
391O-Z 감속재 패싯
403A-C 반전된 연료 감속재 블록
413 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체
414A-F 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
441A-C 냉각재 통로
450A-F 감속재 요소
503 반전된 연료 감속재 블록
514 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
441A-C 냉각재 통로
550 감속재 요소
641A-D 절단된 냉각재 통로
703A 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록
703B 테이퍼형 원형 반전된 연료 감속재 블록
703C 테이퍼형 오각형 반전된 연료 감속재 블록
714A 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
714B 다면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
713C 절두 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
741 테이퍼형 냉각재 통로
900A O2에 의한 SiC의 계산된 산화 모드 영역 그래프
900B H2O에 의한 SiC의 계산된 산화 모드 영역 그래프
1000 고온 차트에서의 SiC 산화 메커니즘
도 1a는 고온 매트릭스로 형성되고 감속재 요소를 위한 감속재 개구를 제공하는 일반적인 반전된 연료 감속재 블록의 3/4 절취도이다.
도 1b는 다수의 감속재 개구, 냉각재 통로, 및 제어 드럼 채널을 제공하는 육각형 반전된 연료 감속재 블록의 등각 투영도이다.
도 1c는 단일 감속재 개구와 반전된 연료 감속재 블록의 접경 코너에 있는 냉각재 통로를 갖는 육각형 반전된 연료 감속재 블록을 구현하는 원자로 노심을 포함하는 원자로 시스템의 단면도이다.
도 2는 삼각형 연료 감속재 블록으로 형성된 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이고, 삼각형 연료 감속재 블록은 단일 감속재 개구 뿐만 아니라 유동하는 냉각재를 위한 패싯 코너를 포함한다.
도 3a는 감속재 요소 및 감속재 요소 위와 아래에 적층된 2개의 플레이트 반전된 연료 감속재 블록을 포함하는 층상 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 프로파일 도면이다.
도 3b는 도 3a의 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이다.
도 3c는 반전된 연료 감속재 블록 내에 냉각재 통로가 형성된 모놀리식 반전된 연료 감속재 블록의 등각 투영도이다.
도 3d는 냉각재 통로를 갖는 감속재 요소, 냉각재 통로를 라이닝하는 다수의 라이너 반전된 연료 감속재 블록, 및 감속재 요소를 둘러싸는 경계 반전된 연료 감속재 블록을 포함하는 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이다.
도 4a는 큰 비율의 감속재 요소를 갖는 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같이 다수의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체로 형성된 캡핑된 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체의 등각 투영도이다.
도 4c는 캡이 제거된 도 4b의 캡핑된 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체의 등각 투영도이다.
도 5a는 작은 비율의 감속재 요소를 갖는 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 캡핑된 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 등각 투영도이다.
도 5c는 캡이 제거된 도 5b의 캡핑된 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 등각 투영도이다.
도 6a는 3개의 추가 절단된 냉각재 통로를 갖는 도 5a의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 6b는 추가 절단된 링 냉각재 통로를 갖는 도 5a의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다.
도 7a는 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 도면이다.
도 7b는 다면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 도면이다.
도 7c는 절두 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 도면이다.
도 7d는 하나 이상의 삼각형 면의 다면체 내의 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록의 도면이다.
도 7e는 볼록한 상단 캡과 오목한 하단 캡을 갖는 테이퍼형 원형 반전된 연료 감속재 블록의 도면이다.
도 7f는 테이퍼형 냉각재 통로를 갖는 테이퍼형 오각형 반전된 연료 감속재 블록의 도면이다.
도 8은 삼각형 반전된 연료 감속재 블록으로 형성된 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 등각 투영도이고, 삼각형 연료 감속재 블록은 단일 감속재 개구 뿐만 아니라 유동하는 냉각재를 위한 패싯 코너를 포함하며, 여기서 감속재 개구는 원자로 노심 중심에 더 가까운 반전된 연료 감속재 블록보다 원자로 노심 주연부에 더 가까운 반전된 연료 감속재 블록에서 더 크다.
도 9a는 산소(O2)에 의한 실리콘 탄화물(SiC)의 계산된 산화 모드 영역의 그래프이다.
도 9b는 물(H2O)에 의한 실리콘 탄화물(SiC)의 계산된 산화 모드 영역의 그래프이다.
도 10은 고온에서의 SiC 산화 메커니즘의 차트이다.
부품 목록
100 원자로 시스템
101 원자로 노심
103A-Z 연료 감속재 반전 블록
113 반전된 연료 감속재 블록 어레이
115 제어 드럼
131A-Z 감속재 개구
135 제어 드럼 채널
140 반사체
141A-B, N-Z 냉각재 통로
142 냉각재 통로 벽
150A-Z 감속재 요소
151A-N 연료 입자
152 고온 매트릭스
155 캡
156 원자로 노심 중심
157 원자로 노심 주연부
160 압력 용기
198 블록 벽
199A-B 블록 베이스
203A-N 연료 감속재 반전 블록
213 반전된 연료 감속재 블록 어레이
231A-N 감속재 개구
253A-C 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽
254A-C 반전된 연료 감속재 블록 패싯
241A-N 냉각재 통로
250A-N 감속재 요소
303A-D, O-Z 반전된 연료 감속재 블록
313A 플레이트 반전된 연료 감속재 블록 어레이
313C 모놀리스 반전된 연료 감속재 블록 어레이
313D 라이닝된 반전된 연료 감속재 블록 어레이
341A-Z 냉각재 통로
350A-B 감속재 요소
390 감속재 인터페이스 벽
391O-Z 감속재 패싯
403A-C 반전된 연료 감속재 블록
413 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체
414A-F 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
441A-C 냉각재 통로
450A-F 감속재 요소
503 반전된 연료 감속재 블록
514 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
441A-C 냉각재 통로
550 감속재 요소
641A-D 절단된 냉각재 통로
703A 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록
703B 테이퍼형 원형 반전된 연료 감속재 블록
703C 테이퍼형 오각형 반전된 연료 감속재 블록
714A 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
714B 다면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
713C 절두 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체
741 테이퍼형 냉각재 통로
900A O2에 의한 SiC의 계산된 산화 모드 영역 그래프
900B H2O에 의한 SiC의 계산된 산화 모드 영역 그래프
1000 고온 차트에서의 SiC 산화 메커니즘
다음의 상세한 설명에서, 관련 교시의 철저한 이해를 제공하기 위해 예로서 다수의 특정 세부 사항이 기재된다. 그러나, 본 교시가 이러한 세부 사항 없이 실시될 수 있음이 본 기술 분야의 숙련자에게 명백하다. 다른 경우에, 본 교시의 양태를 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 널리 알려진 방법, 절차, 구성요소, 및/또는 회로는 세부 사항 없이 비교적 높은 수준으로 설명하였다.
본 명세서에 사용될 때 "결합된"이라는 용어는 임의의 논리적 또는 물리적 연결을 의미한다. 달리 설명되지 않는 한, 결합된 요소 또는 디바이스는 서로 직접 연결될 필요가 없으며 중간 구성요소, 요소 등에 의해 분리될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, 아래의 청구범위를 포함하여 본 명세서에 기재된 임의의 그리고 모든 측정치, 값, 등급, 위치, 규모, 크기, 각도 및 기타 사양은 정확한 것이 아니라 개략적인 것이다. 그러한 양은, 관련된 기능 및 해당 기술 분야에서 통상적인 것과 일치되는 합리적인 범위를 갖도록 의도된다. 예를 들어, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 파라미터 값 등은 언급된 양으로부터 ±5%만큼 또는 ±10%만큼 달라질 수 있다. "대략" 또는 "실질적으로"라는 용어는, 파라미터 값 등이 언급된 양으로부터 ±10%까지 달라진다는 것을 의미한다.
원자로 시스템(100), 원자로(107), 원자로 노심(101), 반전된 연료 감속재 블록(103A-B, N-Z, 203A-N, 303A-D, O-Z, 403A-C, 503, 703A-C), 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113, 313A, C-D), 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413), 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A-F, 514, 714A-C), 관련 구성요소, 및/또는 임의의 도면에 도시된 바와 같은 원자로 노심(101)을 통합하는 임의의 원자로 시스템(100)의 배향은 예시 및 설명의 목적을 위해 예로서만 주어진다. 특정 원자로 시스템(100)에 대한 작동에서, 구성요소는 원자로 시스템(100)의 특정 용례에 적합한 임의의 다른 방향으로, 예를 들어 직립, 측방향, 또는 임의의 다른 배향으로 배향될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 정도로, 임의의 방향성 용어, 예컨대 측방향, 길이방향, 위, 아래, 상부, 하부, 상단, 하단, 및 측면은 단지 예로서 사용되고, 본 명세서에서 달리 설명되는 바와 같이 구성된 임의의 원자로 시스템(100) 또는 원자로 시스템(100)의 구성요소의 방향 또는 배향에 관해서 제한되지 않는다.
A는 알파벳의 첫 글자이고 Z는 알파벳의 26번째 글자이지만, 알파벳의 제한으로 인해, 103, 131, 132, 141, 142, 161, 162 등과 같은 참조 번호 다음에 오는 경우 "A-Z", "A-N", "B-M", 및 "N-Z"이라는 표기는 26개 초과의 동일한 요소를 지칭할 수 있다. 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113) 및 플레이트 반전된 연료 감속재 블록 어레이(313A)와 같은 특정 요소는 용이한 가독성을 위해 형태별로 분리되어 있지만 여전히 기능의 통일성을 유지한다.
이제, 첨부 도면에 예시되고 아래에서 설명되는 예를 상세히 참조한다. 도 1a는 고온 매트릭스(152)로 형성되고 감속재 요소(150A)를 위한 감속재 개구(131A)를 제공하는 일반적인 형상의 환상체 반전된 연료 감속재 블록(103A)의 3/4 절취도이다. 일반적으로, 반전된 연료 감속재 블록(103A-Z)은 고온 매트릭스(152) 내부에 매립된 복수의 연료 입자(151A-N)를 포함하는 고온 매트릭스로 형성된다. 도 1a의 예에서, 연료 입자(151A-N)는 TRISO 연료 입자를 포함한다. 대안적으로 또는 추가로, 연료 입자(151A-N)는 이중구조-등방성(bistructural-isotropic)(BISO) 연료 입자를 포함할 수 있다. TRISO와 같은 코팅은 안전 관련 및 제조 실현 가능성에 따라 단순화되거나 제거될 수 있다. 본 예에서 연료 입자(151A-N)는 TRISO 연료 입자 또는 BISO 연료 입자와 같은 코팅된 연료 입자를 포함하지만, 연료 입자(151A-N)는 코팅되지 않은 연료 입자를 포함할 수 있다.
도 1a의 좌측에서, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 고온 매트릭스(152)의 내부 뿐만 아니라 고온 매트릭스(152) 내에 매립된 연료 입자(151A-N)를 보여주는 고온 매트릭스(152)의 절취된 단면과 함께 도시되어 있다. 반전된 연료 감속재 블록(103A)이 예에서 원통 형상으로서 도시되어 있지만, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 다양한 상이한 기하학적 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 타일, 예를 들어 다각형 형상(예를 들어, 입방체), 회전 타원체, 또는 평면형 표면, 비구면 표면, 구면 표면(예를 들어, 원통, 원추형, 2차 곡면 표면), 그 조합, 또는 그 일부(예를 들어, 그 절두 부분)를 포함할 수 있는 다른 형상일 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 평면형, 비구면 또는 구면 표면과 같은 규칙적인 표면과 달리 강성 반경방향 치수를 갖지 않는 하나 이상의 자유형 표면을 포함할 수 있다. 추가 예는 이후 도면에 나타난다.
예로서, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 반전된 연료 감속재 블록(103A)의 외부 주연부를 형성하기 위해 불연속적인 복수의 측방향 패싯을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, "불연속적"은 집합체로 측방향 패싯에 의해 형성된 외부 주연부가 연속적인 라운드형(예를 들어, 원형 또는 타원형) 둘레를 형성하지 않는다는 것을 의미한다. 외부 주연부는 복수의 평면형, 비구면, 구면 또는 자유형 표면을 포함한다. 본 명세서에 사용될 때, "자유형 표면"은 평면형 표면; 또는 비구면 또는 구면 표면(예를 들어, 원통, 원추형, 2차 곡면 표면)과 같은 규칙적인 표면과 달리 강성 반경방향 치수를 갖지 않는다.
TRISO 연료 입자(151A-N)는 1,600℃ 초과의 온도에서 응력 또는 핵분열 가스 압력으로 인해 균열이 발생하지 않도록 설계되고, 따라서 최악의 사고 시나리오에서 내부에 핵연료를 함유할 수 있다. TRISO 연료 입자(151A-N)는 고온 가스 냉각 원자로(high-temperature gas-cooled reactor)(HTGR)에 사용하고 경수로의 온도보다 훨씬 높은 온도에서 작동되도록 설계된다. TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)는 1500℃ 미만에서 파손이 매우 낮다. 더욱이, 캡슐화 재료(152)의 존재는 방사성 생성물 방출에 대한 추가적인 강력한 장벽을 제공한다.
일부 구현예에서, 핵연료는 고온 매트릭스 내부에 매립된 이중구조-등방성(BISO) 연료 입자로 구성된 연료 콤팩트를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 핵연료는 TRIZO 연료 입자로서 알려진 TRISO의 변형으로 구성된 연료 콤팩트를 포함한다. TRIZO 연료 입자는 TRISO 연료 입자의 실리콘 탄화물층을 지르코늄 탄화물(ZrC)로 대체한다. 대안적으로, TRIZO 연료 입자는 TRISO 연료 입자의 통상적인 코팅 및 연료 커널 둘레의 추가적인 얇은 ZrC 층 코팅을 포함하며, 이는 이어서 TRISO 연료 입자의 통상적인 코팅에 의해 둘러싸인다. 각각의 TRISO 연료 입자는 다공성 탄소 버퍼층, 내부 열분해 탄소층, 이원 탄화물층(예를 들어, SiC의 세라믹층 또는 내화 금속 탄화물층), 및 외부 열분해 탄소층으로 둘러싸인 연료 커널을 포함할 수 있다. TRISO 연료 입자의 내화 금속 탄화물층은 티타늄 탄화물(TiC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 니오븀 탄화물(NbC), 탄탈륨 탄화물, 하프늄 탄화물, ZrC-ZrB2 복합재, ZrC-ZrB2-SiC 복합재, 또는 그 조합중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 고온 매트릭스는 TRISO 연료 입자의 이원 탄화물층과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
원통형 핵연료 콤팩트를 형성하기 위해 실리콘 탄화물 매트릭스에 분산된 TRISO 연료 입자에 대한 설명은 워싱턴주 시애틀 소재의 Ultra Safe Nuclear Corporation의 다음 특허 및 간행물에 제공된다: "Fully Ceramic Nuclear fuel and Related Methods"라는 명칭으로 2016년 3월 29일자로 허여된 미국 특허 제9,299,464호; "Fully Ceramic Micro-encapsulated (FCM) fuel for CANDUs and Other Reactors"라는 명칭으로 2018년 7월 24일자로 허여된 미국 특허 제10,032,528호; "Method for Fabrication of Fully Ceramic Microencapsulation Nuclear Fuel"라는 명칭으로 2018년 10월 23일자로 허여된 미국 특허 제10,109,378호; "Dispersion Ceramic Micro-encapsulated (DCM) Nuclear Fuel and Related Methods"라는 명칭으로 2017년 4월 11일자로 허여된 미국 특허 제9,620,248호 및 2019년 11월 12일자로 허여된 미국 특허 제10,475,543호; "Composite Moderator for Nuclear Reactor Systems"라는 명칭으로 2020년 1월 23일자로 공개된 미국 특허 공개 제2020/0027587호; 및 "Nuclear Fuel Particle Having a Pressure Vessel Comprising Layers of Pyrolytic Graphite and Silicon Carbide"라는 명칭으로 2020년 2월 25일자로 허여된 미국 특허 제10,573,416호(이들의 전문은 본 명세서에 참조로 포함됨). 이들 Ultra Safe Nuclear Corporation 특허에 설명된 바와 같이, 핵연료는 원통형 핵연료 콤팩트를 생성하기 위해 실리콘 탄화물 매트릭스 내부에 매립된 TRISO 연료 입자로 구성된 원통형 연료 콤팩트 또는 펠릿을 포함할 수 있다. 원통형 핵연료 콤팩트를 형성하기 위해 지르코늄 탄화물 매트릭스에 분산된 TRISO, BISO, 또는 TRIZO 연료 입자에 대한 설명은 "Processing Ultra High Temperature Zirconium Carbide Microencapsulated Nuclear Fuel"이라는 명칭으로 2021년 1월 7일자로 공개된 워싱턴주 시애틀 소재의 Ultra Safe Nuclear Corporation의 미국 특허 공개 제2021/0005335호에 제공되며, 그 전문은 본 명세서에 참조로 포함된다.
연료 입자(151A)는 내부 커널, 및 적어도 하나의 코팅층으로 형성된다. 커널은 우라늄 탄화물(UCx), 이산화토륨(ThO2), 우라늄 산화물(예를 들어, UO2, UCO, 안정화된 UO2), 일질화우라늄(UN), 우라늄-몰리브덴(UMo) 합금, 우라늄-지르코늄(UZr) 합금, 삼우라늄 이규산염(U3Si2,5), 우라늄 붕화물(UB), 우라늄 이붕화물(UB2), 우라늄 가돌리늄 탄화물 질화물(UGdCN), 우라늄 지르코늄 탄화물 질화물(UZrCN), 우라늄 지르코늄 탄화물(UZrC), 우라늄 삼탄화물(UC3), 우라늄 지르코늄 니오븀 탄화물(UZrNbC), 탄소 커널(즉, 침투된 커널)의 용융 연료, 복합재(예를 들어, 이산화우라늄-몰리브덴(UO2Mo) 합금, 우라늄 질화물/삼우라늄 이규산염(UN/U3Si2), 또는 삼우라늄 이규산염/이붕화우라늄(U3Si2/UB2)), 도펀트(예를 들어, 크롬 산화물(Cr2O3)), 기타 핵분열성 및 핵 연료, 또는 그 임의의 조합으로 형성될 수 있다. 커널은 구면, 복합재, 또는 나노섬유로 형성될 수 있다.
각각의 연료 입자(151A-N)는 내부 커널을 둘러싸는 다공성 탄소 버퍼층, 내부 열분해 탄소층, 이원 탄화물층(예를 들어, SiC의 세라믹층 또는 내화 금속 탄화물층), 및 외부 열분해 탄소층을 포함할 수 있다: 각각의 층은 적어도 하나의 코팅층을 구성한다. 연료 입자(151A-N)의 내화 금속 탄화물층은 티타늄 탄화물(TiC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 니오븀 탄화물(NbC), 탄탈륨 탄화물, 하프늄 탄화물, ZrC-ZrB2 복합재, ZrC-ZrB2-SiC 복합재, 또는 그 조합중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 연료 입자(151A-N)는 연료 입자(151A-N)의 패킹 분율을 개선시키기 위해 다수의 크기 집단(예를 들어, 100 미크론, 700 미크론, 2000 미크론)을 갖는 100 내지 2000 마이크론일 수 있다.
적어도 하나의 코팅층은 피리딘 탄화물(PyC), 실리콘 탄화물(SiC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 이붕화지르코늄(ZrB2), 니오븀 탄화물(NbC), 티타늄 탄화물(TiC), 탄탈륨 탄화물(TaC), 티타늄 질화물(TiN), 붕소 탄화물(B4C), 베타 붕괴 실리콘 질화물(β-Si3N4), SiAlON 세라믹, 또는 그 임의의 조합으로 형성될 수 있다.
고온 매트릭스(152)는 저장소 조건 뿐만 아니라 원자로(107) 온도에서도 공기 및 물의 존재 하에서 우수한 화학적 안정성을 갖는 실리콘 탄화물(SiC)로 형성될 수 있다. SiC가 충분히 높은 성능이 아닌 경우, 지르코늄 탄화물(ZrC)과 같은 다른 고온 매트릭스(152) 재료가 또한 사용될 수 있다. 고온 매트릭스(152) 재료의 몇몇 예는 실리콘 탄화물(SiC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 마그네슘 산화물(MgO), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 지르코늄 붕화물(ZrB2), NbC, TiC, TaC, TiN, 지르코늄(Zr), TaC, B4C, β-Si3N4, SiAlON 세라믹, 알루미늄 질화물(AlN), 알루미늄 산화물(Al2O3), 스테인리스강, 또는 그 임의의 조합을 포함한다.
감속재 요소(150A)는 흑연, 지르코늄 수소화물(ZrH), 이트륨 수소화물(YH), 알려진 복합 감속재, 강철 캔의 알려진 감속재 또는 SiC-SiC 매트릭스 복합재와 같은 임의의 다른 유형의 클래딩으로 형성될 수 있다. 감속재 요소(150A)는 보호 물질로 클래딩될 수 있거나, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 감속재 요소(150A)에 대한 구조적 격납 장치로서 작용할 수 있다. 복합 감속재는 감속재 요소(150A)를 냉각재로부터 보호할 수 있고 2상 감속재에 대한 구조적 격납 장치의 역할을 할 수 있다. 복합 감속재는 낮은 감속 재료와 높은 감속 재료를 포함하는 2개 이상의 감속재로 형성된다. 높은 감속 재료는 낮은 감속 재료에 비교하여 중성자 감속력이 더 높다. 낮은 감속 재료는 실리콘 탄화물(SiC) 또는 마그네슘 산화물(MgO)의 감속 매트릭스를 포함한다 - 높은 감속 재료는 감속 매트릭스 내에 분산되며 베릴륨(Be), 붕소(B), 또는 그 화합물을 포함한다. 이러한 복합 감속재는 보호를 위해 반전된 연료 감속재 블록(103A)에 의존하지 않는다. 이러한 복합 감속재는 MgO, SiC 또는 ZrC와 같은 의도적이고 추가적인 구조적 및 비핵 재료를 사용하여 감속재의 구체를 캡슐화하고 원자로 노심(101)에서 귀중한 체적을 점유하는 매트릭스를 만든다 - 따라서 감속재 요소(150A) 내에 이러한 복합 감속재를 사용하는 것을 회피하는 것이 유익할 수 있다.
도 1a의 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 감속재 요소(150A) 또는 블록을 위한 공동 또는 감속재 개구(131A)를 포함하도록 적층 제조되었다. 연료 개구 또는 연료 채널 내에 연료 입자가 배치된 전통적인 흑연 감속재 블록 대신에, 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 감속재 개구(131A) 또는 감속재 채널 내에 배치된 감속재 요소(150A)를 가질 수 있다. 또한, 감속재 요소(150A)는 반전된 연료 감속재 블록(103A)의 감속재 개구(131A) 내에 밀봉될 수 있고, 하나 이상의 캡(155)이 하나 이상의 감속재 개구(131A) 위에 배치된다. 반전된 감속재 연료 블록(103A) 내에 감속재 요소(150A)를 밀봉함으로써, 반전된 연료 감속재 블록(103A)(및 결과적으로 구성 연료 입자(151A-N))은, 종래의 감속재 블록이 임의의 외부 종으로부터 연료 입자를 보호하는 종래의 감속재 블록에서와 달리, 감속재 요소를 임의의 외부 종으로부터 보호한다. 반전된 연료 감속재 블록(103A) 내에 감속재 요소(150A)를 밀봉하는 것은 반전된 연료 감속재 블록(103A)에 열 발생 연료로서 작용하는 것 뿐만 아니라 감속재 요소(150A) 보호층이라는 이중 용도를 부여한다.
몇몇 상황에서는, 반전된 연료 감속재 블록(103A) 내의 감속재 요소(150A)를 "밀봉"하는 것이 감속재 요소(150A)로부터 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 통해 임의의 외부 종 또는 냉각재까지 절대적인 진공 장벽을 제공하는 것을 구성할 수 있지만, 감속재 요소(150A)는, 그럼에도 불구하고, 반전된 연료 감속재 블록(103A)이 유동된 액체 냉각재에 감속재 요소(150A)가 의도적으로 또는 우발적으로 노출되는 것을 방지한다면 반전된 연료 감속재 블록(103A) 내에서 충분히 "밀봉"될 수 있다.
추가로, 반전된 연료 감속재 블록(103A) 내에 감속재 요소(150A)를 밀봉하는 것이 특히 유리하지만, 단순히 감속재 요소(150A)의 습윤된 표면적을 감소시키는 것이 유익하다. 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)(CVD) SiC와 같은 얇은 코팅도 일부 보호를 제공하는 데 사용될 수 있다. 반전된 연료 감속재 블록(103A)이 습윤된 재료의 개수를 낮추기 때문에, 용융 염, 공기, 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 수소(H2), 액체 금속, 또는 유기 액체와 같은 양립 가능한 냉각재가 많이 있을 것이다. 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 또한 공기 호흡 램 제트, 우주 원자로, 및 우주의 핵열 추진 시스템과 같은 고성능 원자로(107)에서 용도를 찾을 수 있다.
3D 적층 제조, 소결(무압력, 열간 등방압 프레싱, 스파크 플라즈마 소결을 포함), 기계가공, 또는 화학 기상 침착(chemical vapor infiltration)(CVI)과 같은 연료 입자(151A-N) 및 감속재 요소(150A)를 포함하는 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 생성하기 위해 세라믹 매트릭스 생산을 위한 많은 다양한 방법이 사용될 수 있다. 그러나, 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 제조하는 것은 적층 제조 및 CVI 없이 어려울 수 있으므로, 3D 적층 제조 및 CVI를 이용하는 제조 프로세스를 고려한다. 이러한 제조 프로세스는 다음을 수반한다: 먼저, 블록 베이스(199A-B) 및 블록 벽(198) 또는 반전된 연료 감속재 블록(103A)의 벽을 제조한다. 블록 베이스(199A-B)와 블록 벽(198)은 연료 입자(151A-N)를 위한 공동 및 감속재 요소(150A)를 위한 별개의 공동 또는 감속재 개구(131A)와 함께 형성될 것이다. 이 도시된 예에서, 연료 입자(151A-N)를 위한 공동은 대략 연료 입자(151A-N)의 크기이고 반전된 연료 감속재 블록 전체에 걸쳐 확률론적으로 분포된다; 그러나, 연료 입자(151A-N)는 균일한 방식으로 분포될 수 있거나, 반전된 연료 감속재 블록(103A) 전체에 걸쳐 행, 열, 평면 또는 다른 패턴으로 분포될 수 있다. 특히, 컬럼 내부와 같이 하나 이상의 연속 체적에 분포된 경우, 연료 입자(151A)는 하나 이상의 연속 체적의 형상에 일치하는 추가 콤팩트 재료 내에 추가로 저장될 수 있다. 더욱 상세하게, 이 단계는 실리콘 탄화물의 분말 공급 원료를 제공한 다음, 분말 공급 원료의 연속적인 층에 바인더를 선택적으로 퇴적하여 실리콘 탄화물 중량의 30 중량%를 초과하는 치수 안정적인 물체를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
블록 베이스(199A-B) 및 블록 벽(198)의 제조는 바인더 분사를 사용하는 3D 적층 제조를 통해 수행될 수 있지만, 블록에 대한 다른 적층 제조 방법 또는 전통적인 제조 방법도 가능하다: 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 사용되는 재료에 적절한 임의의 유형의 적층 제조 방법(예를 들어, 세라믹용 바인더 분사, 또는 금속 및 세라믹용 레이저 기반 시스템 제조)을 사용하여 형성될 수 있다. 일단 연료 입자용 공동(151A-N)이 반전된 연료 감속재 블록(103A) 내에 형성되면, 연료 입자(151A-N)는 이러한 공동 내에 배치된다.
다음으로, 연료 입자(151A-N)와 감속재 요소(150A)를 고정하는 2개의 상이한 방법이 있다. 도 1의 반전된 연료 감속재 블록(150A)을 구성하게 되는 제1 방법은 감속재 요소가 감속재 재료로 이루어진 큰 모놀리식 요소일 때 흔히 사용되며 다음과 같이 수행된다. 먼저, CVI는 연료 입자(151A-N) 둘레에 고온 매트릭스(152)를 생성하는 데 사용된다. 감속재 개구(131A)는 이 CVI 프로세스 동안 보존된다. 다음에, 감속재 요소(150A)는 반전된 연료 감속재 블록(103A)의 고온 매트릭스(152) 내의 감속재 개구(131A) 내에 배치된다. 마지막으로, 감속재 개구(131A)는 고온 매트릭스(152) 접합 기술, 나사형 캡, 또는 추가 CVI를 사용하여 밀봉되며, 밀봉부를 형성하기 위해 더 많거나 상이한 재료를 퇴적할 수 있다.
제2 방법은 순서가 제1 방법과 다르다. 제2 방법에서는, CVI가 수행되기 전에, 감속재 요소(150A)가 감속재 개구(131A) 내에 배치된다: 이 제2 방법은 감속재 요소(150A)가 많은 더 작은 감속재 요소로 분해될 때, 잠재적으로 연료 입자(151A-N)만큼 작거나 그보다 더 작을 때 사용될 수 있다: 이들 예에서 감속재 개구(131A)는 감속재 요소의 크기에 합치하고, 따라서 연료 입자(151A-N)의 공동만큼 작거나 그보다 더 작을 수 있다. 이러한 감속재 요소(150A)는 기계가공 노력을 최소화하기 위해 작은 구체(100-2000 미크론)로부터 매크로 크기의 봉 또는 프리즘까지 다양한 형상을 가질 수 있다. 마지막으로, CVI 프로세스는 연료 입자(151A-N)와 감속재 요소(150A) 또는 요소들 모두의 둘레에 고온 매트릭스(152)를 생성한다. 제2 방법은 본질적으로 연료 입자(151A-N) 및 감속재 요소(150A) 입자와 동시에 형성된 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 초래한다: 감속재 요소(150A)에 대한 큰 노출 공동으로서 제공되는 감속재 개구(131A) 대신에, 감속재 요소(150A) 입자(및 결과적으로 감속재 요소 입자가 있는 감속재 개구(131A))는 고온 매트릭스(152) 내에 매립된다. 연료 입자(151A-N) 대 감속재 요소(150A) 입자의 군집은 연료 입자(151A-N)와 감속재 요소(150A) 입자가 CVI 처리 단계 이전에 인쇄된 공동 내에 먼저 배치되는 방법에 의해 제어된다.
CVI 프로세스는 CVI 원자로 내에 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 위치 설정하고 그 내부의 온도를 상승시킴으로써, 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 결합 해제하는 것을 수반할 수 있다. 다음으로, CVI 원자로 내에 실리콘과 탄화수소를 포함하는 전구체 가스를 상승된 온도에 있는 동안 도입하여, 상승된 온도에서 전구체 가스의 분해로 인해 실리콘 탄화물이 반전된 연료 감속재 블록(103A)에 침투하여 조밀화된 외부층을 갖는 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 밀봉하게 하는 것을 수반할 수 있다: 반전된 연료 감속재 블록(103A)은 실질적으로 순수한 실리콘 탄화물 미세구조 및 실리콘 탄화물의 85 중량%보다 큰 밀도를 갖는 높은 내열성을 포함한다.
반전된 연료 감속재 블록(103A)은 화학적 제어, 제조 보조, 및 특성 조절을 위해 중성자 독 및 산소 게터와 같은 독을 포함할 수 있다.
도 1b는 다수의 감속재 개구(131B-M), 냉각재 통로(141A-B), 및 제어 드럼 채널(135)을 제공하는 육각형 반전된 연료 감속재 블록(103B)의 등각 투영도이다. 이 예에서, 연료 감속재 반전 블록은 고온 매트릭스(152) 내에 많은 감속재 개구(131B-M)를 갖도록 제조되었다: 일단 감속재 요소(150B-M)가 감속재 개구(131B-M)에 삽입되면, 연료 감속재 반전 블록(103B)은 고온 매트릭스(152) 접합 기술, 나사형 캡, 또는 추가 CVI를 사용하여 밀봉될 수 있으며, 밀봉부 또는 캡(155)을 형성하기 위해 더 많거나 상이한 재료를 퇴적할 수 있다.
연료 감속재 반전 블록(103B)은, 연료 감속재 반전 블록(103B) 및 연료 감속재 반전 블록(103B)이 내부에 배치되는 임의의 원자로 노심(101)의 반응성을 제어하기 위해, 연료 감속재 반전 블록(103B) 내에 길이방향으로 배치되고 고온 매트릭스(152) 및 감속재 요소(150B-M)에 매립된 복수의 연료 입자(151A-N)를 측방향으로 둘러싸는 제어 드럼(115)을 갖는 제어 드럼 채널(135)을 더 포함한다. 제어 드럼(115)은 제어 드럼(115)의 외부 표면의 제1 부분 상의 반사체 재료 및 제어 드럼(115)의 외부 표면의 제2 부분 상의 흡수체 재료를 포함한다. 가연성 독은 비상 시에 원자로 노심(101)을 정지시키기 위해 연료 감속재 반전 블록(103B) 내에 일체화될 수 있다.
제어 드럼(115)은 연료 감속재 반전 블록(103B)의 중성자 집단, 원자로 노심(101), 및 다른 원자로 시스템의 제어봉과 같은 원자로(107) 전력 레벨을 조절한다. 제어 드럼(115)을 갖는 연료 감속재 반전 블록(103B)은 또한 제어 드럼(115)을 포함하지 않는 원자로 노심(101) 내의 다른 연료 감속재 반전 블록(103A)의 반응성을 제어할 수 있다. 원자로 노심(101)의 중성자 선속을 증가 또는 감소시키기 위해, 제어 드럼(115)은 반응성 제어 시스템에 의해 회전되는 반면; 제어봉은 반응성 제어 시스템에 의해 원자로 노심(101)으로부터 삽입되거나 제거된다. 제어 드럼(115)은 원자로 노심(101)의 반응성을 조절하기 위해 삽입 및 제거되는 대신에 회전되기 때문에, 제어 드럼(115)은 영구적으로 고정된 길이방향 위치를 갖고: 제어 드럼(115)은 원자로 노심(101) 또는 연료 감속재 반전 블록(103B) 내외로 이동하지 않는다. 제어봉 채널의 오정렬 또는 막힘으로 인해 제어봉이 원자로 노심(101)에 완전히 삽입되지 않을 수 있는 위험이 있으며, 제어 드럼(115)을 이용하면 이러한 위험을 유리하게 감소시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 제어봉은 제어 드럼 채널(135) 대신에 제어봉 채널과 함께 이용될 수 있다.
제어 드럼(115)의 외부 표면의 제1 부분은 일반적으로 높은 탄성 산란 중성자 단면을 갖는 재료로 형성되는 반사체 재료를 포함한다. 반사체 재료가 원자로 노심 중심(156)을 향해 내향을 향할 때, 중성자 선속이 증가하고, 이는 원자로 노심(101)의 반응성 및 작동 온도를 증가시킨다. 제어 드럼(115)의 외부 표면의 제2 부분은 중성자 독으로 형성될 수 있는 흡수체 재료를 포함한다. 중성자 독은 자유 중성자를 흡수하는 데 특히 적절한 높은 흡수 중성자 단면을 갖는 동위원소 또는 분자이다. 흡수체 재료가 원자로 노심 중심(156)을 향해 내향을 향할 때, 원자로 노심(101)의 중성자 선속은 감소하고, 이는 원자로 노심(101)의 반응성 및 작동 온도를 감소시킨다.
하나 이상의 제어 드럼(115)을 구현하는 원자로 시스템(100)은 제어 드럼(115) 또는 복수의 제어 드럼(115)을 선택적으로 회전시켜 원자로 노심 중심(156)을 향해 흡수체 재료를 향하게 하여 중성자 선속 및 작동 온도를 감소시키거나; 또는 원자로 노심 중심(156)을 향해 반사체 재료를 향하게 하여, 중성자 선속 및 작동 온도를 증가시킨다. 따라서, 원자로 시스템(100)은 원자로 노심(101)의 중성자 선속, 및 결과적으로 원자로 노심(101) 내의 반전된 연료 감속재 블록(103B)의 중성자 선속을 선택적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 중성자 선속을 신속하게 감소시키고 감소된 선속 상태를 달성하기 위해, 원자로 시스템(100)은 제어 드럼(115)을 회전시켜 제어 드럼(115)의 흡수체 재료를 반전된 연료 감속재 블록(103B)의 연료 입자(151A-N)에 최대한 노출시킴으로써, 더 많은 자유 중성자를 흡수하여 중성자 선속을 감소시킬 수 있다. 연료 입자(151A-N)의 분포는 반전된 연료 감속재 블록(103B) 전체에 걸쳐 정규적이지 않을 수 있거나, 제어 드럼(115)은 반전된 연료 감속재 블록(103B) 내에 센터링되지 않을 수 있거나, 다수의 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)에 걸쳐 연료 입자(151A-N)의 밀도는 제어 드럼(115)에 대해 정규 분포되지 않을 수 있으며, 그에 의해 제어 드럼(115)의 관점에서 연료 입자(151A-N)의 상대적으로 높은 밀도 영역과 연료 입자(151A-N)의 상대적으로 낮은 밀도 영역을 생성할 수 있다. 중성자 선속을 신속하게 증가시키고 증가된 선속 상태를 달성하기 위해, 원자로 시스템(100)은 제어 드럼(115)을 회전시켜 제어 드럼(115)의 반사체 재료를 반전된 연료 감속재 블록(103)의 연료 입자(151A-N)에 최대한 노출시킴으로써, 더 많은 자유 중성자를 반사하여 중성자 선속을 증가시킬 수 있다. 중간 조절을 하거나 중성자 선속의 연속적인 레벨을 지속하기 위해, 원자로 노심(100)은 제어 드럼(115)을 회전시켜 제어 드럼(115)의 흡수체 재료를 반전된 연료 감속재 블록(103B)의 연료 입자(151A-N)에 부분적으로 노출시킬 수 있다.
반사체 재료의 부분적 또는 전체 노출은 원자로(107)를 임계 상태로 이동시킬 수 있으며, 지속된 임계 상태는 활성 상태를 유도할 것이다. 반전된 연료 감속재 블록(103B)을 포함하는 원자로(107)가 활성 상태에 있을 때, 원자로(107)는 원자로 노심(101)을 빠져나갈 수 있는 높은 레벨의 자유 중성자 뿐만 아니라 최적량의 열, 및 따라서 전기를 생산한다.
흡수체 재료의 부분적 또는 전체 노출, 또는 연료 입자(151A-N)의 물질적으로 완전한 소비는 원자로(107)를 하위 임계 상태로 이동시킬 것이며: 지속적인 하위 임계 상태는 비활성 상태를 유도할 것이다. 반전된 연료 감속재 블록(103B)을 포함하는 원자로(107)가 비활성 상태에 있을 때, 원자로(107)는 최소량의 열을 생성하고 전기는 생성하지 않을 가능성이 매우 높다. 비활성 상태의 원자로(107)는 또한 원자로 노심(101)을 빠져나갈 수 있는 최소량의 자유 중성자를 생성한다.
도 1c는 단일 감속재 개구(131N-Z)와 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 접경 코너에 있는 냉각재 통로(141N-Z)를 갖는 육각형 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)를 구현하는 원자로 노심(101)을 포함하는 원자로 시스템(100)의 단면도이다.
반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)은 도 1a의 반전된 연료 감속재 블록(103A)과 도 1b의 반전된 연료 감속재 블록(103B)의 특징을 공유한다: 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)은 도 1b의 반전된 연료 감속재 블록(103B)의 육각형 면 형상을 갖고, 각각은 도 1b의 반전된 연료 감속재 블록(103B)과 같은 다수의 감속재 개구(131B-M)보다는 도 1a의 반전된 연료 감속재 블록(103A)과 같은 각각의 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)에 단일 감속재 개구(131N-Z)를 구현한다. 반전된 감속재 블록(103A-B)과 감속재 개구(150A-M)의 양 스타일 모두 원자로 시스템(100) 설계에 의해 요구되는 대로 조합될 수 있다.
이러한 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)에서, 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 연결부에는 냉각재 통로(141N-Z)가 형성된다: 냉각재 통로(141N-Z)는 각각의 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 블록 벽(198)을 완전히 둘러쌀 수 있거나, 또는 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 다양한 공동이 냉각재 통로(141N-Z)를 용이하게 하기 위해 (바람직하게는 제조 시에) 도입될 수 있다: 냉각재 통로에 대한 추가 세부 사항은 이후 도면에 나타난다: 이 설계 및 이후 도면에서 냉각재 통로의 설계는 감속재 요소(150B)를 통해 열을 간접적으로 전달하는 대신에 냉각재와 직접 접촉하는 연료 입자(151A-N)로 인해 작동 중에 연료 온도를 낮출 수 있다. 결과적으로, 냉각재 경로 길이는 5의 통상적인 열 원자로 냉각재 감속재 비율을 기준으로 최대 5배 이상 감소될 수 있다.
원자로 시스템(100)의 원자로(107)는 압력 용기(160)를 갖는다. 압력 용기(160) 외부는 조절 유체(예를 들어, 물 또는 더 복잡한 유체)에 잠긴 모듈식 원자로에 의해 경험되는 부식 또는 산화를 추가로 감소시키기 위해 코팅으로 처리되거나 특정 금속 또는 화학 물질로 단조 또는 제조될 수 있다.
원자로(107)는 압력 용기(160) 내부에 위치된 반사체(140)(예를 들어, 외부 반사체 영역)를 포함한다. 반사체(140)는 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)를 측방향으로 둘러싸는 복수의 반사체 블록을 포함한다.
원자로(107)는 제어된 핵 연쇄 반응이 일어나 에너지가 방출되는 원자로 노심(101)을 포함한다. 원자로 노심(101)에서의 중성자 연쇄 반응은 중요하고 - 각각의 핵분열 핵으로부터의 단일 중성자는 다른 핵의 핵분열을 초래함 - 연쇄 반응은 제어되어야 한다. 제어된 핵분열을 지속함으로써, 원자로 시스템(100)은 열 에너지를 생성한다. 예시적인 구현예에서, 원자로 시스템(100)은 가스 냉각식 고온 원자로(107)로서 구현된다. 그러나, 원자로 시스템(100)은 히트 파이프 원자로, 용융염 냉각식 원자로, 헬륨 냉각식 원자로, 흑연 감속 원자로, 염중 연료 원자로, 초임계 CO2 원자로, (개방형 또는 폐쇄형) 브레이튼 사이클 원자로, 또는 나트륨 냉각식 고속 원자로로서 구현될 수 있다. 특히, 원자로 시스템(100)은 가스 냉각식 흑연 감속 원자로, 가스 냉각식 흑연 감속 원자로보다 더 높은 열 중성자 선속을 갖는 불화물염 냉각식 고온 원자로, 또는 가스 냉각식 흑연 감속 원자로보다 더 빠른 중성자 선속을 갖는 나트륨 고속 원자로로 구현될 수 있다.
핵연료는 핵분열 생성물을 자체적으로 보유하여, 핵 폐기물 처리의 즉각적인 필요성을 감소시킨다. 코팅된 연료 입자는 또한 상업용 경수로 연료에 비교하여 증산 위험을 감소시킨다.
도시된 바와 같이, 원자로 노심(101)은 절연체 요소의 절연체 요소 어레이를 포함한다: 절연체 요소는 낮은 열 전도도를 갖는 고온 단열체 재료로 형성된다. 고온 단열체 재료는 저밀도 탄화물, 금속 탄화물, 금속 산화물, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 고온 단열체 재료는 저밀도 SiC, 안정화된 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물, 저밀도 ZrC, 저밀도 탄소, 또는 그 조합을 포함한다. 감속재 요소(103A-N)는 저온 고체상 감속재로 형성된다. 저온 고체상 감속재는 MgHx, YHx, ZrHx, CaHx, ZrOx, CaOx, BeOx, BeCx, Be, 농축 붕소 탄화물, 11B4C, CeHx, LiHx, 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
이러한 원자로 시스템(100)에서, 원자로(107)는 복수의 제어 드럼(115) 및 반사체(140)를 포함할 수 있다. 제어 드럼(115)은 제어 드럼(115)을 회전시킴으로써 원자로 노심(101)의 반응성을 변경하기 위해 절연체 요소의 절연체 요소 어레이 및 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)를 측방향으로 둘러쌀 수 있다. 제어 드럼(115)은 압력 용기(160)의 둘레 또는 주연부에 있을 수 있고 원자로 노심(101)의 절연체 요소(102A-N) 및 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113) 둘레에 원주방향으로 위치 설정될 수 있다. 제어 드럼(115)은 반사체(140)의 영역, 예를 들어 원자로 노심(101)을 바로 둘러싸는 반사체 블록으로 형성된 외부 반사체 영역에 위치되어 작동 중에 중성자 집단 및 원자로 출력 레벨을 선택적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어 드럼(115)은 원통형 형상일 수 있고 제1 외부 표면의 부분 상의 반사체 재료(예를 들어, 베릴륨(Be), 베릴륨 산화물(BeO), BeSiC, BeMgO, Al2O3 등) 및 외부 표면(예를 들어, 외주)의 제2 부분 상의 흡수체 재료 모두로 형성될 수 있다.
반사체 재료와 흡수체 재료는 제어 드럼의 원통형 형상의 대향 측면, 예를 들어 외주의 부분에 있을 수 있다. 반사체 재료는 원통 또는 그 절두 부분으로서 형상화된 반사체 기판을 포함할 수 있다. 흡수체 재료는 흡수체 플레이트 또는 흡수체 코팅을 포함할 수 있다. 흡수체 플레이트 또는 흡수체 코팅은 제어 드럼(115)의 원통형 형상을 형성하도록 반사체 기판 상에 배치된다. 예를 들어, 흡수체 플레이트 또는 흡수체 코팅은 제어 드럼(115)을 형성하기 위해 반사체 재료로 형성된 반사체 기판을 덮는다. 반사체 재료가 원통의 절두 부분인 경우, 흡수체 재료는 절두 부분에 상보적인 본체 형상이어서 원통형 형상을 형성한다.
제어 드럼(115)은 연속적인 표면, 예를 들어 원통을 형성하기 위한 라운드형, 비구면 또는 구면 표면으로 형성될 수 있거나, 쌍곡면, 원추, 타원체, 포물면 등과 같은 이차 표면을 형성하기 위한 다른 원추형 표면으로 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 제어 드럼(115)은 (예를 들어, 직육면체 또는 육각형 프리즘과 같은 다른 다면체를 형성하기 위해) 복수의 불연속적인 표면으로 형성될 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, "불연속적"은 집합체의 표면이 제어 드럼(115A)의 라운드형(예를 들어, 원형 또는 타원형) 둘레인 연속적인 외부 표면을 형성하지 않는다는 것을 의미한다.
원통형 제어 드럼(115)을 회전시키면 원자로 노심(101)에 대한 제어 드럼(115)의 흡수체 재료(예를 들어, 붕소 탄화물, B4C)의 근접도가 변경되어 중성자 반사의 양을 변경시킨다. 반사체 재료가 원자로 노심(101)을 향하는 내향이고 흡수체 재료가 외향일 때, 중성자는 원자로 노심(101)으로 다시 산란(반사)되어 더 많은 핵분열을 야기하고 원자로 노심(101)의 반응성을 증가시킨다. 흡수체 재료가 원자로 노심(101)을 향하는 내향이고 반사체 재료가 외향일 때, 중성자는 흡수되고 추가 핵분열이 중단되어 원자로 노심(101)의 반응성을 감소시킨다.
예를 들어, 외부 반사체 영역으로서 도시된 중성자 반사체(140)는 최외측 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)과 제어 드럼(115) 사이 뿐만 아니라 제어 드럼(115) 둘레에 배치된 필러 요소일 수 있다. 반사체(140)는 최외측 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)과 임의적인 배럴(예를 들어, 베릴륨으로 형성됨) 사이에 배치되는 감속재로 형성될 수 있다. 반사체(140)는 육각형 또는 부분적으로 육각형 형상의 필러 요소를 포함할 수 있고 중성자 감속재(예를 들어, 베릴륨 산화물, BeO)로 형성될 수 있다. 필수는 아니지만, 원자로(107)는 반사체(140) 뿐만 아니라 원자로 노심(101)의 절연체 요소(102A-N)와 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)를 포함하는 번들 집합체를 둘러싸는 임의적인 배럴(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제어 드럼(115)은 압력 용기(160)의 둘레에 있을 수 있고 반사체(140) 내에 산재되거나 배치될 수 있으며, 예를 들어 반사체(140)를 형성하는 필러 요소(예를 들어, 반사체 블록)의 서브세트를 둘러쌀 수 있다.
압력 용기(160)는 알루미늄 합금, 탄소-복합재, 티타늄 합금, 내방사선성 SiC 복합재, 니켈 기반 합금(예를 들어, Inconel™ 또는 Haynes™), 또는 그 조합으로 형성될 수 있다. 압력 용기(160) 및 원자로 시스템(100)은 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z) 냉각재 통로(141N-Z)를 통해 유동하는 감속재 냉각재를 전달하는 원통, 배관, 및 저장 탱크를 포함하는 다른 구성요소로 구성될 수 있다. 냉각재 통로(141N-Z)는 원자로 노심(101) 내에서 냉각재가 통과하게 하는 채널 또는 구멍과 같은 평탄한 링 형상(예를 들어, O 형상) 개구이다: 바람직하게는, 냉각재 통로(141N-Z)는 감속재 요소(150N-Z)와의 접촉을 최소화하여 감속재 요소의 습윤을 최소화한다.
냉각재 통로(141N-Z)를 통해 유동하는 냉각재는 헬륨, 리튬 불화물(LiF)로 형성된 FLiBe 용융염, 베릴륨 불화물(BeF2), 나트륨, He, HeXe, CO2, 네온, 또는 HeN을 포함할 수 있다.
전통적인 프리즘형 가스 원자로에서, 흑연 블록은 냉각재 채널과 연료 채널로 기계가공된다. 연료 펠릿은 헬륨 백필이 있는 연료 채널에 삽입되고, 흑연 캡으로 밀봉된다. 작동 중에, 헬륨은 흑연 냉각 채널을 통과하여 원자로를 냉각시킨다. 감압 또는 플러딩 경우에, 공기가 원자로 노심에 진입하여, 잠재적으로 흑연 화재라고도 알려진 흑연의 자기-지속형 산화를 초래할 수 있다. 흑연은 공기나 물에 노출되면 에너지 방출 산화 반응을 받게 되어, 형상이 내부적으로 노심을 지지하고 일부 원자로에서는 연료를 보호하는 구조적 무결성을 손상시킨다. 흑연과의 화학 반응은 추가 안전 위험이 있는 새로운 종을 생성할 수도 있다. 문제는 페블베드 가스 원자로(pebbled bed gas reactor)와 관련된 문제 중 하나인 흑연 분진의 존재에 의해 악화된다. 도 1c의 원자로 시스템(100)은 이러한 화학적 위험을 감소시킨다.
도 2는 삼각형 연료 감속재 블록(203A-N)으로 형성된 반전된 연료 감속재 블록 어레이(213)의 등각 투영도이고, 삼각형 연료 감속재 블록(203A-N)은 감속재 개구에 단일 감속재 요소(250A-N) 뿐만 아니라 유동하는 냉각재를 위한 패싯 정점을 포함한다.
반전된 연료 감속재 블록 어레이(213)는 도 13의 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)와 기능적으로 및 화학적으로 매우 유사하고: 그러나, 육각형 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z) 대신에 삼각형 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)이 이용된다. 추가로, 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)은 냉각재 유동을 위한 전용 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)을 갖는다. 도 1c의 예에서, 냉각재는 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 6개의 블록 벽(198) 각각 위로 유동될 수 있다. 이 예에서, 삼각형 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)은 2개의 서브-그룹, 즉, 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C) 및 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)으로 분할된 벽(198)을 갖는다. 주어진 반전된 연료 감속재 블록(203A)의 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C)은 이웃한 반전된 연료 감속재 블록(203B)의 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C)과 접촉한다. 그러나, 제1 반전된 연료 감속재 블록(203A)의 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A), 제2 반전된 연료 감속재 블록(203B)의 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254B), 및 제3 반전된 연료 감속재 블록(203C)의 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254C) 모두 단일 지점에서 만난다: 이들 3개의 반전된 연료 감속재 패싯(254A-CN)은 서로 접경하여 집합적으로 냉각재 통로(241A)를 형성한다: 반전된 연료 감속재 블록 어레이(213)의 각각의 개별적인 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)은 단일 냉각재 통로(241A)를 완전히 둘러싸지 않지만, 집합적으로 반전된 연료 감속재 블록 어레이(213)는 다수의 냉각재 통로(241A-N)를 둘러싼다.
반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)은 관찰자에게 만곡 표면 또는 많은 패싯을 갖는 절단된 보석과 같은 평탄한 표면으로서 나타난다. "패싯"은 평탄한 세그먼트(예를 들어, 평면형 표면) 또는 만곡 세그먼트(예를 들어, 비구면 또는 구면 표면)일 수 있다. 다수의 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)은 반전된 연료 감속재 블록(203A)의 불연속적인(예를 들어, 불균일하거나 들쭉날쭉한) 외부 주연부를 형성한다. 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C)은 외부 주연부가 분할되는 외부 주연부의 섹션을 포함한다. 인터페이스 벽은 도 1a의 블록 벽(198)과 같은 한 패싯(단일 패싯)으로 형성될 수 있거나 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C)과 같은 다수의 패싯(다중 패싯)으로 형성될 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, "불연속적"은 집합체로 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C)과 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)에 의해 형성된 외부 주연부가 연속적인 라운드형(예를 들어, 원형 또는 타원형) 둘레를 형성하지 않는다는 것을 의미한다. 반전된 연료 감속재 블록(203A)의 외부 주연부는 복수의 평면형, 비구면, 구면 또는 자유형 표면을 포함한다. 본 명세서에 사용될 때, "자유형 표면"은 평면형 표면; 또는 비구면 또는 구면 표면(예를 들어, 원통, 원추형, 2차 곡면 표면)과 같은 규칙적인 표면과 달리 강성 반경방향 치수를 갖지 않는다.
도 3a 내지 도 3d는 반전된 연료 감속재 블록(303A-D, O-Z)에 대한 대안적인 구조 포맷을 도시한다. 화학적으로 또는 기능적으로, 이들 반전된 연료 감속재 블록(303A-D,O-Z)은 이전에 제시된 반전된 연료 감속재 블록(103A, B, N-Z, 203A-N)과 실질적으로 유사하다. 도 3a는 감속재 요소(350A) 및 감속재 요소(350A) 위와 아래에 적층된 2개의 플레이트 반전된 연료 감속재 블록(303A-B)을 포함하는 층상 반전된 연료 감속재 블록 어레이(313)의 프로파일 도면이다. 이 예에서, 플레이트 또는 웨이퍼는 먼저 반전된 연료 감속재 블록(303B)의 하단 층 또는 플레이트를 배치함으로써 형성된다. 다음으로, 감속재 요소(350A) 층 또는 플레이트는 반전된 연료 감속재 블록(303B)의 하단 층 위에 배치된다. 마지막으로, 반전된 연료 감속재 블록(303B)의 상단 층 또는 플레이트는 감속재 요소(350A) 위에 배치된다. 이 예에서, 냉각재 채널은 반전된 감속재 블록(303A-B) 또는 감속재 요소(350A) 내에 형성되지 않는다: 오히려, 냉각재는 상단 반전된 연료 감속재 블록(303A)의 상단 위의 평면형 냉각재 통로(341A)를 통해 그리고 하단 반전된 연료 감속재 블록의 하단 아래의 또 다른 평면형 냉각재 통로(341B)를 통해 연속적인 유체 본체처럼 유동한다: 냉각재는 감속재 요소(350A)와 직접 접촉하지 않는다. 도시되지는 않았지만, 감속재 요소(350A)의 측면은 추가적인 반전된 연료 감속재 블록에 의해, 또는 원자로(107)의 압력 용기(160)에 의해 냉각재로부터 보호될 수 있다. 도 3b는 도 3a의 반전된 연료 감속재 블록 어레이(313A)의 등각 투영도이고, 냉각재가 감속재 요소(350A)와 접촉할 수 있는 측면 둘레가 아니라 반전된 연료 감속재 블록 어레이(313A)의 상단 위로 어떻게 냉각재가 유동하는 지를 추가로 도시한다.
도 3c는 반전된 연료 감속재 블록(303C) 내에 냉각재 통로(341C-N)가 형성된 모놀리식 반전된 연료 감속재 블록(303C)의 등각 투영도이다. 냉각재를 연료 입자(151A-N)에 근접하게 유동하게 하기 위해 여러 냉각재 통로(341C-N)가 반전된 연료 감속재 블록(303C) 내에 직접 형성되었다. 이러한 특정한 반전된 연료 감속재 블록(303C)은 감속재 요소를 포함하지 않을 수 있거나, 또는 도 1a의 설명에 제시된 연료 입자(151A-N) 및 감속재 요소(150A)를 고정하기 위한 제2 방법과 유사한 방법을 사용하여 임의의 감속재 요소가 반전된 연료 감속재 블록(303C) 내에 매립될 수도 있다.
도 3d는 냉각재 통로(341O-Z)를 갖는 감속재 요소(350B), 냉각재 통로(341O-Z)를 라이닝하는 다수의 라이너 반전된 연료 감속재 블록(303O-Z), 및 감속재 요소(350B)를 둘러싸는 경계 반전된 연료 감속재 블록(303D)을 포함하는 반전된 연료 감속재 블록 어레이(313D)의 등각 투영도이다. 이 예는 임의의 기존 감속재가 감속재 요소(350B)의 형태라는 점을 제외하면 도 3c의 예와 유사하다. 감속재 요소(350B)에는 냉각재를 유동하게 하는 냉각재 통로(341O-Z)가 형성되어 있다. 감속재 요소(350B)의 습윤을 방지하기 위해, 각각의 냉각재 통로(341O-Z)는 보완적인 감속재 요소(303O-Z)가 라이닝된다: 이러한 보완적인 감속재 요소(303O-Z)는 일반적으로 두꺼운 빨대와 같이 형상화되어, 감속재 요소(350C)가 습윤되는 것으로부터 여전히 보호하면서 냉각재가 냉각재 통로(341O-Z)를 통해 유동하게 한다. 전체 감속재 요소(350B)는 또한 감속재 요소(350B) 측면의 습윤 또는 분진으로부터 보호하기 위해 접경하는 반전된 연료 감속재 블록(303D)에 의해 둘러싸여 있다.
도 3a 내지 도 3d 각각은 3차원 물체를 나타낸다: 필요에 따라, 감속재 요소(350A-350B)가 노출되는 3차원 물체의 임의의 면은 절연체 또는 압력 용기와 같은 비반응성 재료에 의해 덮일 수 있거나, 또는 추가적인 반전된 연료 감속재 블록에 의해 덮이거나 캡핑될 수 있다. 도 3a 내지 도 3d는 또한 감속재 요소(350A-B)가 단순한 원통일 필요가 없다는 것을 예시한다: 특히, 감속재 요소(350B)는 감속재 인터페이스 벽(390)을 형성하는 직사각형 평행육면체 외부와, 감속재 요소(350B)가 습윤되는 것으로부터 보호하기 위해 슬리브를 형성하는 반전된 연료 감속재 블록(303O-Z)과 접경하는 감속재 패싯(391O-Z)을 갖는 복잡 피스이다. 감속재 인터페이스 벽(390)은 반전된 연료 감속재 인터페이스 벽(253A-C)이 취할 수 있는 임의의 형태 또는 구조를 취할 수 있고, 감속재 패싯(391O-Z)은 반전된 연료 감속재 패싯(254A-C)이 취할 수 있는 임의의 형태 또는 구조를 취할 수 있다.
도 4a는 큰 비율의 감속재 요소(450A)를 갖는 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A)의 단면도이다. 이 도면에서, 감속재 요소(450A)의 상대적으로 큰 비율을 유지하기 위해, 반전된 연료 감속재 블록(403A-C)은 삼각형 감속재 요소(450A)의 정점에서 유지된다: 도면의 각각의 반전된 연료 감속재 블록(403A-C)은 냉각재 통로(441A-C)를 포함한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같이 다수의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A-F)로 형성된 캡핑된 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413)의 등각 투영도이다. 도 4a의 도면은 냉각재, 연료, 및 감속재 사이의 기능적 관계를 도시한다: 대신에 도 4b는 물리적 요소가 어떻게 상호작용하는 지를 도시한다. 첫째, 특정 반전된 연료 감속재 서브-조립체(414A)는 3개의 완전한 냉각재 통로(441A-C)를 유지하지 않는다: 오히려, 각각의 연료 감속재 서브-조립체(414A-F)는 3개의 냉각재 통로(441A-C) 각각의 1/6을 유지한다: 반전된 감속재 블록 서브-조립체(414A-F)가 합쳐져 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413)를 형성할 때, 각각의 1/6 냉각재 통로(441A)가 조우하여 완전한 냉각재 통로(441A)를 형성한다. 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413)가 적어도 2개의 다른 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413)에 인접하여 설치됨에 따라, 또 다른 전체 냉각재 통로(441B)가 6개의 1/6 냉각재 통로(441B)가 조우하는 지점에 형성된다. 패턴은 도 1c의 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 육각형 패턴과 유사하며, 각각의 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413)는 육각형 배향으로 도 2의 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C) 및 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)을 추가로 구현한다. 각각의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A-F)는 감속재 요소(450A-F)를 습윤 및 분진으로부터 보호하는 캡(155)과 함께 도시되어 있다.
도 4c는 캡(155)이 제거된 도 4b의 캡핑된 육각형 반전된 연료 감속재 블록 조립체(413)의 등각 투영도이다. 도 4c는 각각의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A-F)가 냉각재 통로(441A)의 냉각재 통로 벽(142)의 1/6만을 제공한다는 것을 더 명확하게 도시한다. 도 4c는 또한 반전된 연료 감속재 블록에 의해 모든 측면(제거된 캡(155) 제외)에서 보호되는 내부 감속재 요소(450A-F)를 도시한다.
도 5a는 작은 비율의 감속재 요소(450A-C)를 갖는 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(514)의 단면도이다. 이 도면에서, 상대적으로 작은 비율의 감속재 요소(450A)를 유지하기 위해, 반전된 연료 감속재 블록(503)은 더 작은 감속재 요소(550)를 둘러싸고, 도 4a의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(413A)와 유사한 방식으로 삼각형 반전된 연료 감속재 블록(503)의 정점에서 3개의 1/6 냉각재 통로(541A-C)를 유지한다.
도 5b는 도 5a에 도시된 캡핑된 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(514)의 등각 투영도이다. 도 5c는 캡(155)이 제거된 도 5b의 캡핑된 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(514)의 등각 투영도이다. 원자로 노심(101)은 완전 반전된 연료 감속재 블록 조립체를 형성하기 위해 뿐만 아니라 완전 반전된 연료 감속재 블록 어레이를 형성하기 위해 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(514) 및 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A) 모두를 포함할 수 있다: 형상과 냉각재 통로가 양립 가능하므로, 2개의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(414A, 514)는 원자로 시스템(100)의 요구 사항을 충족하기 위해 상호 교환될 수 있다.
도 6a는 3개의 추가 절단된 냉각재 통로(641A-C)를 갖는 도 5a의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(514)의 단면도이다. 절단된 냉각재 통로(641A-C)는 임의의 형상 또는 배향일 수 있으며, 직경 및 체적이 달라질 수 있다. 절단된 냉각재 통로(641A-C)는 반전된 연료 감속재 블록(503)으로 "절단"될 수 있지만, 대신에 반전된 연료 감속재 블록(503)을 제조할 때 절단된 냉각재 통로(641A-C)를 형성하는 것이 바람직하다. 도 6b는 추가 절단된 링 냉각재 통로를 갖는 도 5a의 삼각형 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체의 단면도이다. 도 6b는 절단된 냉각재 통로(641D)가 링 또는 환상체 형상일 수 있고, 절단된 냉각재 통로(641D)가 하나 초과의 냉각재 통로 벽(142)을 형성할 수 있다는 것을 추가로 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 반전된 연료 감속재 블록이 조립될 수 있는 다양한 블록 서브-조립체(714A-C)의 예이다. 도 7a는 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록으로 구성된 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A)의 도면이다. 도 7b는 또한 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록으로 구성된 다면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714B)의 도면이다. 도 7c는 절두 이십면체 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714C)의 도면이다: 이러한 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714C)는 다양한 크기의 테이퍼형 오각형 반전된 연료 감속재 블록으로 구성된다. 이들 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A-C)는 중실형일 수 있고, 반전된 연료 감속재 블록은 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A-C)의 중심까지 연장된다. 대안적으로, 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A-C)는 절두 테이퍼형 반전된 연료 감속재 블록을 가질 수 있고, 따라서 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A-C)는 부분적으로 중공일 수 있고, 내부에 하나 이상의 배기 냉각재 채널을 통해 열을 방출하는 냉각재 저장소가 둘러싸일 수 있다.
도 7d 내지 도 7f는 도 7a 내지 도 7c의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A-C)를 조립하는 데 사용될 수 있는 상이한 반전된 연료 감속재 블록(703A-C)의 예이다. 도 7d는 도 7a 및 도 7b의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714A-B)와 같은 하나 이상의 삼각형 면의 다면체 내의 테이퍼형 삼각형 반전된 연료 감속재 블록(703A)의 도면이다.
도 7e는 볼록한 상단 캡과 오목한 하단 캡(155)을 갖는 테이퍼형 원형 반전된 연료 감속재 블록(703B)의 도면이다. 이러한 반전된 연료 감속재 블록(703B)은 원자로 시스템(100)의 필요에 맞추기 위해 캡(155)의 형상이 임의적일 수 있다는 것을 추가로 예시한다: 또한, 이는 캡(155)이 편평하거나 임의의 다른 평면형 형상 외에 오목하거나 볼록할 수도 있음을 보여준다. 도 7f는 테이퍼형 냉각재 통로(741)를 갖는 테이퍼형 오각형 반전된 연료 감속재 블록(703C)의 도면이다. 이러한 반전된 연료 감속재 블록(703B)은 도 7c의 반전된 연료 감속재 블록 서브-조립체(714C)와 같은 하나 이상의 오각형 면의 다면체에 끼워질 것이다. 또한, 냉각재 통로(741)는 냉각재 통로(741)의 직경이 냉각재 통로의 전체 길이에 걸쳐 균일할 필요가 없다는 것을 예시한다: 특히, 다면체 형상의 원자로 노심(101)을 구현할 때, 냉각재 통로(741)가, 다면체의 주어진 반경에서 반전된 연료 감속재 블록 체적에 대한 냉각재 통로(741) 표면적의 비율을 유지하기 위해, 다면체 형상의 원자로 노심(101)의 중심보다 다면체 형상의 원자로 노심(101)의 표면 가까이에서 더 넓어지는 것이 유리할 수 있다.
도 8은 삼각형 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)으로 형성된 반전된 연료 감속재 블록 어레이(213)의 등각 투영도이고, 삼각형 연료 감속재 블록(203A-N)은 단일 감속재 요소(250A-N) 뿐만 아니라 도 2와 같이 냉각재 유동을 위한 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C) 코너를 포함한다. 그러나, 여기서 감속재 개구는 원자로 노심 중심(156)에 가까운 반전된 연료 감속재 블록보다 원자로 노심 주연부(157)에 더 가까운 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)에서 더 크다. 원자로 노심(101)이 원자로 노심 중심(156)에서 더 뜨거운 것이 종종 바람직하기 때문에, 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)에 대한 감속재 요소(250A-N)의 비율은 더 낮은 반면; 원자로 노심 주연부(157)를 향해, 과잉 중성자 선속을 감소시키기 위해, 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)에 대한 감속재 요소(250A-N)의 비율은 흔히 더 높다.
도 9a는 산소(O2)에 의한 실리콘 탄화물(SiC)의 계산된 산화 모드 영역의 그래프이다(900). 도 9b는 물(H2O)에 의한 실리콘 탄화물(SiC)의 계산된 산화 모드 영역의 그래프이다(901). 양자는 모두 주어진 원자로 온도에서 개선된 냉각재 압력(전기 에너지로 변환)을 도시한다.
도 10은 고온에서의 SiC 산화 메커니즘의 차트이다.
따라서, 도 1 내지 도 10은 고온 매트릭스(152), 고온 매트릭스(152) 내부에 매립된 복수의 연료 입자(151A-N), 및 적어도 하나의 감속재 요소(150A)를 내부에 배치하기 위한 공동과 같은 적어도 하나의 감속재 개구(131A)를 포함하는 반전된 연료 감속재 블록(103A)을 도시한다.
일부 예에서, 반전된 연료 감속재 블록(103B)은 인터로킹 기하형상 패턴을 갖는 베이스 형상을 포함한다. 반전된 연료 감속재 블록(103B)은 프리즘, 원통, 다면체, 이들의 절두 부분, 또는 그 조합으로서 형상화될 수 있다. 반전된 연료 감속재 블록(203A)은 복수의 블록 인터페이스 벽(253A-C)을 포함할 수 있고, 복수의 블록 인터페이스 벽(253A-C)은 평면형, 비구면, 구면, 또는 자유형 표면을 포함한다.
반전된 연료 감속재 블록(103B)은 냉각재를 유동하게 하기 위해 고온 매트릭스(152)에 형성된 적어도 하나의 냉각재 통로(141A-B)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 냉각재 통로는 냉각재 통로 벽(142)을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 냉각재 통로 벽(142)은 평면형, 비구면, 구면 또는, 자유형 표면을 포함한다. 반전된 연료 감속재 블록(103B)은 캡(155)을 포함할 수 있고, 캡(155)은 평면형 표면, 만곡 표면, 또는 그 조합이다.
복수의 연료 입자(151A-N)는 코팅된 연료 입자를 포함할 수 있고, 코팅된 연료 입자는 삼중구조-등방성(TRISO) 연료 입자, 이중구조-등방성(BISO) 연료 입자, 또는 TRIZO 연료 입자를 포함할 수 있으며; 고온 매트릭스(152)는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 10은 복수의 감속재 요소(150N-Z), 및 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)의 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)를 포함하는 원자로 노심(101)을 추가로 도시한다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(103N-Z)은 고온 매트릭스(152), 고온 매트릭스(152) 내부에 매립된 복수의 연료 입자(151A-N), 및 냉각재를 유동하기 위해 고온 매트릭스(152)에 형성된 적어도 하나의 냉각재 통로(141A-B)를 포함한다.
일부 예에서, 제1 감속재 요소(350A)는 제1 반전된 연료 감속재 블록(303A)과 제2 반전된 연료 감속재 블록(303B) 사이에 적층된다.
도 1 내지 도 10은 원자로 노심(101) 및 반응성 제어 시스템을 포함하는 원자로(107)를 추가로 도시하고, 반응성 제어 시스템은 하나 이상의 제어 드럼(115), 하나 이상의 제어봉, 또는 그 조합을 포함한다.
일부 예에서, 반전된 연료 감속재 블록 어레이(113)의 제1 체적은 원자로 노심(101)의 총 체적의 1% 내지 20%이다. 복수의 감속재 요소(150N-Z)의 제2 체적은 원자로 노심(101)의 총 체적의 70% 내지 99%일 수 있다. 원자로 노심(101)은 냉각재를 유동시키기 위한 복수의 냉각재 통로(141A-B)를 포함할 수 있고, 복수의 냉각재 통로(141A-B)의 제3 체적은 원자로 노심(101)의 총 체적의 0% 내지 10%이다. 감속재 요소(350B) 중 하나 이상은 하나 이상의 감속재 인터페이스 벽(390) 및 하나 이상의 감속재 패싯(391O-Z)을 포함하는 절두 다면체 형상일 수 있고, 하나 이상의 감속재 패싯(391O-Z)은 각각의 반전된 연료 감속재 블록(303O-Z)과 접경한다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)은 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽(253A-C) 및 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)을 포함하는 절두 다면체 형상일 수 있다: 적어도 하나의 냉각재 통로(241A-N)는 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록 패싯(254A-C)으로 형성되고, 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(203A-N)은 내부에 적어도 하나의 감속재 요소(250A-N)를 배치하기 위해 공동과 같은 적어도 하나의 감속재 개구(231A-N)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(503)은 냉각재를 유동시키기 위한 하나 이상의 절단된 냉각재 통로(641A-D)를 포함할 수 있다.
원자로 노심(101)은 다면체 또는 절두 다면체 형상을 포함하는 복수의 반전된 연료 감속재 블록(703A-C)을 더 포함할 수 있으며, 여기서 반전된 연료 감속재 블록(703A-C)의 다면체 또는 절두 형상은 다각형 또는 절두 다면체 서브-조립체(713A-C)를 형성한다. 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록(703B)은 볼록한 다면체 형상일 수 있다.
도 1 내지 도 10은 노심 중심(156) 및 노심 주연부(157)를 포함하는 원자로 노심(101)을 추가로 도시하며, 여기서 적어도 하나의 노심 감속재 요소(250M)를 포함하는 노심 중심 반전된 연료 감속재 블록(203M)은 노심 주연부(157)보다 노심 중심(156)에 더 가깝고, 적어도 하나의 주연부 감속재 요소(250N)를 포함하는 노심 주연부 반전된 연료 감속재 블록(203N)은 노심 중심(156)보다 노심 주연부(157)에 더 가깝고, 적어도 하나의 노심 감속재 요소(250M)에 대한 노심 중심 반전된 연료 감속재 블록(203M)의 노심 체적 비율은 적어도 하나의 주연부 감속재 요소(250N)에 대한 노심 주연부 반전된 연료 감속재 블록(203N)의 주연부 체적 비율과 상이하다.
보호 범위는 이하 이어지는 청구범위에 의해서만 제한된다. 그러한 범위는, 본 명세서 및 이하의 기재 기록에 비추어 해석될 때 청구항에서 사용된 언어의 일반적인 의미와 일치하는 것으로 그리고 모든 구조적 및 기능적 등가물을 포괄하는 것으로 의도되고 해석되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 어떠한 청구항도 특허법 시행령의 101, 102 또는 103 섹션의 요구 사항을 충족하지 못하는 청구 대상을 포함하지 않으며, 그러한 방식으로 해석되어서도 안된다. 이러한 주제를 의도하지 않게 포함하는 것은 이로써 부인된다.
본 명세서에서 사용된 용어 및 표현은, 특정 의미가 본 명세서에서 달리 설명된 경우를 제외하고, 그들의 상응하는 각각의 조사 또는 연구 분야에 대해 그러한 용어 및 표현에 부여된 일반적인 의미를 갖는다는 것이 이해될 것이다. 제1 및 제2 등과 같은 관계 용어는, 해당 개체들 또는 작용들 간의 실제 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 암시하지 않으면서, 하나의 개체 또는 작용을 다른 개체 또는 작용과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. "포함한다", "포함하는", "포괄한다", "포괄하는", "갖는다", "갖는", "함유하는", "함유한다", "함유하고", "이용한", "~로 형성된"이라는 용어, 또는 그 임의의 다른 변형된 용어는 비-배타적인 포함을 커버하기 위한 것이고, 그에 따라 요소 또는 단계의 목록을 포함하거나 포괄하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치는 이러한 요소 또는 단계만을 포함하는 것이 아니고, 그러한 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에 대해서 명백하게 나열되지 않거나 내재되지 않은 다른 요소 또는 단계를 포함할 수 있다. 부정관사("a" 또는 "an")가 앞에 오는 요소는, 추가 제약 없이, 그러한 요소를 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에서 추가적인 동일한 요소의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 전술한 상세한 설명에서, 본 개시를 간소화하기 위해 다양한 피처가 다양한 예에서 함께 그룹화됨을 알 수 있다. 이 개시 방법은 청구된 예가 각 청구범위에 명시적으로 기재된 것보다 더 많은 피처를 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이하의 청구항이 반영하는 바와 같이, 청구 대상은 공개된 단일 예의 모든 특징보다 적다. 따라서, 다음의 청구범위는 상세한 설명에 포함되며, 각각의 청구범위는 그 자체로 개별적으로 청구된 주제를 주장한다.
이상에서 최선의 모드 및/또는 다른 예라고 생각되는 것을 설명했지만, 그 안에서 다양한 수정이 이루어질 수 있고 여기에 개시된 청구 대상은 다양한 형태 및 예로 구현될 수 있으며, 그것들은 수많은 용례에서 적용될 수 있으며, 그 중 일부만이 여기에 설명되었다. 이하의 청구항은, 본 개념의 진정한 범위에 속하는 임의의 그리고 모든 수정 및 변형을 청구하기 위한 것으로 의도된 것이다.
Claims (21)
- 반전된 연료 감속재 블록이며,
고온 매트릭스;
고온 매트릭스 내부에 매립된 복수의 연료 입자; 및
적어도 하나의 감속재 요소를 내부에 배치하기 위한 적어도 하나의 감속재 개구를 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록. - 제1항에 있어서, 반전된 연료 감속재 블록은 인터로킹 기하형상 패턴을 갖는 베이스 형상을 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록.
- 제1항에 있어서, 반전된 연료 감속재 블록은 프리즘, 원통, 다면체, 이들의 절두 부분, 또는 그 조합으로서 형상화되는, 반전된 연료 감속재 블록.
- 제1항에 있어서,
반전된 연료 감속재 블록은 복수의 블록 인터페이스 벽을 포함하고;
복수의 블록 인터페이스 벽은 평면형, 비구면, 구면, 또는 자유형 표면을 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록. - 제1항에 있어서, 냉각재가 유동하게 하기 위해 고온 매트릭스에 형성된 적어도 하나의 냉각재 통로를 더 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록.
- 제5항에 있어서,
적어도 하나의 냉각재 통로는 냉각재 통로 벽을 포함하고;
적어도 하나의 냉각재 통로 벽은 평면형, 비구면, 구면, 또는 자유형 표면을 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록. - 제1항에 있어서, 반전된 연료 감속재 블록은 캡을 포함하고, 캡은 평면형 표면, 만곡 표면, 또는 그 조합인, 반전된 연료 감속재 블록.
- 제1항에 있어서, 복수의 연료 입자는 코팅된 연료 입자를 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록.
- 제8항에 있어서,
코팅된 연료 입자는 삼중구조-등방성(TRISO) 연료 입자, 이중구조-등방성(BISO) 연료 입자, 또는 TRIZO 연료 입자를 포함하고;
고온 매트릭스는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴 또는 그 조합을 포함하는, 반전된 연료 감속재 블록. - 원자로 노심이며,
복수의 감속재 요소;
하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록의 반전된 연료 감속재 블록 어레이를 포함하고, 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은:
고온 매트릭스; 및
고온 매트릭스 내부에 매립된 복수의 연료 입자; 및
냉각재가 유동하게 하기 위해 고온 매트릭스에 형성된 적어도 하나의 냉각재 통로를 포함하는, 원자로 노심. - 제10항에 있어서,
제1 감속재 요소가 제1 반전된 연료 감속재 블록과 제2 반전된 연료 감속재 블록 사이에 적층되는, 원자로 노심. - 원자로이며,
제10항의 원자로 노심; 및
반응성 제어 시스템을 포함하고, 반응성 제어 시스템은:
(a) 하나 이상의 제어 드럼;
(b) 하나 이상의 제어봉; 또는
(c) 그 조합을 포함하는, 원자로. - 제10항에 있어서, 반전된 연료 감속재 블록 어레이의 제1 체적은 원자로 노심의 총 체적의 1% 내지 20%인, 원자로 노심.
- 제13항에 있어서, 복수의 감속재 요소의 제2 체적은 총 체적의 70% 내지 99%인, 원자로 노심.
- 제14항에 있어서, 냉각재를 유동시키기 위한 복수의 냉각재 통로를 더 포함하고, 복수의 냉각재 통로의 제3 체적은 총 체적의 0% 내지 10%인, 원자로 노심.
- 제10항에 있어서,
감속재 요소 중 하나 이상은 하나 이상의 감속재 인터페이스 벽과 하나 이상의 감속재 패싯을 포함하는 절두 다면체 형상이고;
하나 이상의 감속재 패싯은 각각의 반전된 연료 감속재 블록과 접경하는, 원자로 노심. - 제10항에 있어서,
하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록 인터페이스 벽과 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록 패싯을 포함하는 절두 다면체 형상이고;
적어도 하나의 냉각재 통로는 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록 패싯으로 형성되며;
하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은 내부에 적어도 하나의 감속재 요소를 배치하기 위한 적어도 하나의 감속재 개구를 포함하는, 원자로 노심. - 제17항에 있어서, 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은 냉각재를 유동시키기 위한 하나 이상의 절단된 냉각재 통로를 포함하는, 원자로 노심.
- 제10항에 있어서, 다면체 또는 절두 다면체 형상을 포함하는 복수의 반전된 연료 감속재 블록을 더 포함하고,
반전된 연료 감속재 블록의 다면체 또는 절두 형상은 다각형 또는 절두 다면체 서브-조립체를 형성하는, 원자로 노심. - 제10항에 있어서, 하나 이상의 반전된 연료 감속재 블록은 볼록한 다면체 형상인, 원자로 노심.
- 제10항에 있어서,
노심 중심; 및
노심 주연부를 더 포함하고;
적어도 하나의 노심 감속재 요소를 포함하는 노심 중심 반전된 연료 감속재 블록은 노심 주연부보다 노심 중심에 더 가깝고;
적어도 하나의 주연부 감속재 요소를 포함하는 노심 주연부 반전된 연료 감속재 블록은 노심 중심보다 노심 주연부에 더 가깝고;
적어도 하나의 노심 감속재 요소에 대한 노심 중심 반전된 연료 감속재 블록의 노심 체적 비율은 적어도 하나의 주연부 감속재 요소에 대한 노심 주연부 반전된 연료 감속재 블록의 주연부 체적 비율과 상이한, 원자로 노심.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202163196901P | 2021-06-04 | 2021-06-04 | |
| US63/196,901 | 2021-06-04 | ||
| PCT/US2022/032226 WO2022271433A2 (en) | 2021-06-04 | 2022-06-03 | Fuel-moderator inversion for safer nuclear reactors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240015686A true KR20240015686A (ko) | 2024-02-05 |
Family
ID=84545999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237045406A KR20240015686A (ko) | 2021-06-04 | 2022-06-03 | 보다 안전한 원자로를 위한 연료-감속재 반전 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4348684A2 (ko) |
| JP (1) | JP2024521660A (ko) |
| KR (1) | KR20240015686A (ko) |
| CA (1) | CA3220042A1 (ko) |
| WO (1) | WO2022271433A2 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11942229B2 (en) * | 2019-04-19 | 2024-03-26 | BWXT Advanced Technologies LLC | Molten metal fuel buffer in fission reactor and method of manufacture |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9299464B2 (en) | 2010-12-02 | 2016-03-29 | Ut-Battelle, Llc | Fully ceramic nuclear fuel and related methods |
| US9620248B2 (en) | 2011-08-04 | 2017-04-11 | Ultra Safe Nuclear, Inc. | Dispersion ceramic micro-encapsulated (DCM) nuclear fuel and related methods |
| US10032528B2 (en) | 2013-11-07 | 2018-07-24 | Ultra Safe Nuclear Corporation | Fully ceramic micro-encapsulated (FCM) fuel for CANDUs and other reactors |
| CA2993794C (en) | 2015-07-25 | 2023-08-29 | Ultra Safe Nuclear Corporation | Method for fabrication of fully ceramic microencapsulated nuclear fuel |
| CA3017974A1 (en) | 2016-03-29 | 2017-10-05 | Ultra Safe Nuclear Corporation | Enhancing toughness in microencapsulated nuclear fuel |
| WO2019164617A2 (en) | 2018-01-22 | 2019-08-29 | Ultra Safe Nuclear Corporation | Composite moderator for nuclear reactor systems |
| CA3215409A1 (en) * | 2018-06-21 | 2020-01-02 | Bwxt Nuclear Energy, Inc. | Universal inverted reactor and method for design and manufacture of universal inverted reactor |
| US11189383B2 (en) | 2018-12-02 | 2021-11-30 | Ultra Safe Nuclear Corporation | Processing ultra high temperature zirconium carbide microencapsulated nuclear fuel |
| CA3151991A1 (en) * | 2019-10-04 | 2021-04-08 | Paolo Francesco Venneri | Nuclear reactor core architecture with enhanced heat transfer and safety |
-
2022
- 2022-06-03 JP JP2023570223A patent/JP2024521660A/ja active Pending
- 2022-06-03 WO PCT/US2022/032226 patent/WO2022271433A2/en active Application Filing
- 2022-06-03 CA CA3220042A patent/CA3220042A1/en active Pending
- 2022-06-03 KR KR1020237045406A patent/KR20240015686A/ko unknown
- 2022-06-03 EP EP22828992.2A patent/EP4348684A2/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022271433A3 (en) | 2023-03-16 |
| EP4348684A2 (en) | 2024-04-10 |
| CA3220042A1 (en) | 2022-12-29 |
| WO2022271433A2 (en) | 2022-12-29 |
| WO2022271433A9 (en) | 2023-02-16 |
| JP2024521660A (ja) | 2024-06-04 |
| WO2022271433A8 (en) | 2023-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220301732A1 (en) | Nuclear reactor core architecture with enhanced heat transfer and safety | |
| US10475543B2 (en) | Dispersion ceramic micro-encapsulated (DCM) nuclear fuel and related methods | |
| EP2647012B1 (en) | Fully ceramic nuclear fuel and related methods | |
| ES2362233T3 (es) | Elemento combustible de tipo placa macro-estructurada. | |
| KR101733832B1 (ko) | 핵연료, 핵연료 요소, 핵연료 어셈블리 및 핵연료의 제조 방법 | |
| KR20220129071A (ko) | 원자로용 스큐-핀(SPin) 감속재 블록 | |
| WO2006076039A2 (en) | Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants | |
| CA3017974A1 (en) | Enhancing toughness in microencapsulated nuclear fuel | |
| US5805657A (en) | Nuclear fuel elements made from nanophase materials | |
| KR20240015686A (ko) | 보다 안전한 원자로를 위한 연료-감속재 반전 | |
| WO2024118125A1 (en) | Spiral ntp fuel for power flattening | |
| JP6699882B2 (ja) | 核燃料コンパクト、核燃料コンパクトの製造方法、及び核燃料棒 | |
| US20240079153A1 (en) | Thermal bridge | |
| WO2024054601A1 (en) | Ordered particle fuel | |
| Beleevskii et al. | Prospective micro-encapsulated fuel with silicon carbide protective coat | |
| RU182709U1 (ru) | Шаровой твэл |