TWI836190B - 於核子微型反應器中實現小型且較高功率密度核心的高溫氫化物減速劑 - Google Patents

於核子微型反應器中實現小型且較高功率密度核心的高溫氫化物減速劑 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種反應器核心塊，其包括燃料通道、熱管、經構形以包圍該燃料通道及該熱管的主要減速劑基體、及經構形以至少部分環繞該燃料通道、該熱管、及該主要減速劑基體的次要減速劑通道。該次要減速劑通道包含金屬氫化物。

Description

於核子微型反應器中實現小型且較高功率密度核心的高溫氫化物減速劑
本發明大致係關於微型反應器，及更特定言之，係關於燃料通道、熱管、及減速劑於反應器核心內的配置。
電能市場可分成集中式及分散式。集中式市場係基於大型(在數百MWe之範圍內)發電機及高容量密集輸配電網路。分散式或離網型市場替代地仰賴通常連接至小型局部化配電網或微電網的小型發電機(＜15 MWe)。目前，偏遠的北極社區、偏遠礦場、軍事基地及島嶼社區係分散式市場的實例。當前，離網型市場中之能量主要係由柴油發電機提供。此導致高電力成本、化石燃料依賴、負荷限制、複雜的燃料供應物流及老化的基礎設施。離網型市場的嚴格要求包括負擔能力、可靠度、靈活度、彈性、永續性(潔淨能源)、能源安全姓、及快速裝設和最小維修投入。所有此等要求皆可藉由核能獲得解決。
微型反應器係能夠產生低於10MWe且能夠經佈署用於遠端應用的核反應器。此等微型反應器可封裝於相當小的容器中，不主動牽連人員來操作，及與習知核電廠相比持續更長時間不補給燃料/更換燃料來操作。
一種該微型反應器係由西屋電氣公司(Westinghouse Electric Company)設計的eVinci微型反應器系統。eVinci系統係利用容置於小型整體式核心塊中之燃料、中子減速劑通道、及熱管的熱管冷卻式反應器電力系統。熱管充作將熱能自整體式核心有效率地移出至位在微型反應器之第二側上之熱交換器的被動熱移除裝置。熱管係經隔絕密封的管，其包含少量在管的一端(蒸發器區段)沸騰的揮發性液體(諸如液態鉀或鈉)，且蒸氣輸送至管的另一端並在該處凝結(冷凝器區段)，從而存放其之汽化熱。凝結液體藉由芯使用毛細力回到管的另一端，從而將冷凝液朝向蒸發器區段往回抽吸。關於熱管的額外論述描述於美國專利申請案第14/773,405號，標題「行動熱管冷卻式快中子反應器系統(MOBILE HEAT PIPE COOLED FAST REACTOR SYSTEM)」，其作為美國專利申請公開案第2016/0027536號及美國專利第3,668,070號，標題「具有用於熱抽取之熱管的核反應器(NUCLEAR REACTOR WITH HEAT PIPES FOR HEAT EXTRACTION)」公開，該等案之全體內容以引用的方式併入本文。
當前於微型反應器中之核心利用需經濃縮至大大超過5重量% U-235之含量的鈾燃料。一種該燃料係高含量低濃縮鈾(HALEU；High Assay Low Enriched Uranium)，其係經濃縮至高達19.75重量% U-235的鈾燃料。由於不存在所需規模的製造能力，因而工業規模量之經濃縮至超過5重量% U-235的鈾受限。此使得核燃料成本高，且因此導致高的微型反應器成本。因此，此限制微型反應器對潛在市場及顧客的可及性。
本揭示的此一目標係要提供一種輕量化核子微型反應器為本質上安全，能夠操作數年而無須替換，可使用降低量的HALEU燃料或可使用具低至5重量% U-235之濃度之燃料，且在質量及尺寸上符合嚴格限制可由飛機、卡車及習用道路來運輸。
在各種具體例中，揭示一種反應器核心塊，其包括燃料通道、熱管、經構形以包圍燃料通道及熱管的主要減速劑基體、及經構形以至少部分環繞燃料通道、熱管、及主要減速劑基體的次要減速劑通道。次要減速劑通道包含金屬氫化物。
在各種具體例中，揭示一種反應器核心，其包括複數個反應器核心塊。各反應器核心塊包括燃料通道、熱管、包圍燃料通道及熱管的主要減速劑基體、及經構形以至少部分環繞燃料通道、熱管、及主要減速劑基體的次要減速劑通道。次要減速劑通道包含金屬氫化物。
在各種具體例中，揭示一種反應器核心，其包括第一配置、第二配置、及設置於該第一配置與該第二配置之間的第三配置。第一配置包括第一複數個燃料通道及第一複數個熱管。第一配置係經構形以於來自第一複數個燃料通道之燃料通道與來自第一複數個熱管之熱管之間交替。第二配置包括第二複數個燃料通道及第二複數個熱管。第二配置係經構形以於來自第二複數個燃料通道之燃料通道與來自第二複數個熱管之熱管之間交替。第三配置包括第一複數個減速劑通道。來自第一複數個減速劑通道之各減速劑通道包含金屬氫化物。反應器核心進一步包括減速劑基體。第一配置、第二配置、及第三配置係嵌於減速劑基體內。
在各種具體例中，揭示一種反應器核心，其包括第一反應器區段、第二反應器區段、及設置於該第一反應器區段與該第二反應器區段之間的一列減速劑通道。第一反應器區段包括第一列燃料通道及平行於該第一列燃料通道之第一列熱管。第二反應器區段包括第二列燃料通道及平行於該第二列燃料通道之第二列熱管。第一列燃料通道與該列減速劑通道接合以於其間界定第一角度。第二列燃料通道與該列減速劑通道接合以於其間界定第二角度。第一列燃料通道係相對於第二列燃料通道形成角度。減速劑通道包含金屬氫化物。
在各種具體例中，揭示一種反應器核心，其包括燃料通道、設置於燃料通道間之間隙內的第一熱管、設置於燃料通道之中心內的第二熱管、及包含金屬氫化物的減速劑通道。
闡述許多特定細節以提供對如於說明書中所說明及繪示於附圖中之具體例之整體結構、功能、製造、及使用的徹底理解。未詳細描述熟知的操作、組件、及元件以，以不致模糊描述於說明書中的具體例。讀者將理解文中說明及繪示之具體例係非限制性實例，及因此可明瞭文中揭示的特定結構及功能細節可係代表性及說明性的。可對其進行變化及改變而不脫離申請專利範圍之範疇。
用語「包含(comprise)」(及任何形式的包含，諸如「包含(comprises)」和「包容(comprising)」)、「具有(have)」(及任何形式的具有，諸如「具有(has)」和「擁有(having)」)、「包括(include)」(及任何形式的包括，諸如「包括(includes)」和「含括(including)」)和「包含(contain)」(及任何形式的包含，諸如「包含」和「含有」)係非限定開放連接動詞。因此，一種「包容」、「具有」、「包括」或「包含」一或多個元件的系統擁有這類一或多個元件，但不限於僅擁有這類一或多個元件。同樣地，一種「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個特徵的系統、裝置或設備的元件擁有這類一或多個特徵，但不限於僅擁有這類一或多個特徵。
圖1繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心塊200。反應器核心塊200包括複數個燃料源或通道202及複數個熱管204。如前文所述，熱管204係經構形以使由燃料通道202所產生之熱自反應器核心塊200移出至反應器之第二側，該第二側可包括用於自熱管204抽取熱的熱交換。
如圖1中所繪示，燃料通道202及熱管204可以六邊形型態配置。在其他具體例中，燃料通道202及熱管204可以其他型態配置，諸如方形型態、八邊形型態、十邊形型態、或任何其他產生具有偶數個邊之形狀的型態。在其他具體例中，燃料通道202及熱管204可被配置成其中最終形狀不具有偶數個邊的其他型態，諸如，比方說，三角形型態、五邊形型態、或七邊形型態。設想其他具體例，其中燃料通道202及熱管204於反應器核心塊200內具有不對稱型態。
如圖1中所示，反應器核心塊200可包括十二個燃料通道202及七個熱管204。換言之，反應器核心塊200可包括較熱管204多的燃料單元202。在一具體例中，針對每一熱管204存在兩個燃料通道202。在另一具體例中，針對每一熱管204存在超過兩個燃料通道202。在另一具體例中，存在1:1數量比的燃料通道202及熱管204。設想其他具體例，其中存在較燃料通道202多的熱管204。在一態樣中，毗鄰熱管204之燃料通道202的數目係可變的。如圖1所示，位在反應器核心塊200之中心中的熱管204係毗鄰六個燃料通道202，而沿反應器核心塊200之外周邊的熱管204僅毗鄰四個燃料通道202。設想其他具體例，其中毗鄰燃料通道202之熱管204的數目在整個反應器核心塊200中係相同的。
反應器核心塊200進一步包括主要減速劑基體206，其經構形以包圍燃料通道202及熱管204且將其等緊固地固持於反應器核心塊200內。在一具體例中，主要減速劑基體206包含具低中子吸收性質，及較佳具有小的減速作用的實心塊狀材料。在一此種具體例中，主要減速劑基體可包含石墨。在另一具體例中，主要減速劑基體可包含碳化矽。在另一具體例中，主要減速劑基體可包含氮化鋁。在另一具體例中，主要減速劑基體可包含不鏽鋼。在另一具體例中，主要減速劑基體可包含，例如，任何石墨、碳化矽、氮化鋁、及不鏽鋼的組合。
反應器核心塊200可進一步包括複數個次要減速劑通道208。如圖1所示，複數個次要減速劑通道可部分地環繞位於主要減速劑基體206內的燃料單元202及熱管204。在另一具體例中，複數個次要減速劑通道208可完全環繞燃料單元202及熱管204。在一具體例中，反應器核心塊200僅包括一個經構形以完全環繞燃料單元202及熱管204的連續次要減速劑通道。如圖1所示，次要減速劑通道208可包括冰球(puck)橫截面形狀。雖然次要減速劑通道208經顯示為具有冰球橫截面形狀，但設想其他橫截面形狀，諸如方形橫截面形狀、六邊形橫截面形狀、或任何其他使得次要減速劑通道208部分或完全環繞主要減速劑基體206、燃料通道202、及熱管204的橫截面形狀。
如圖1所示，次要減速劑通道208係經構形成與主要減速劑基體206重疊，使得次要減速劑通道208僅環繞主要減速劑基體206的一部分，同時主要減速劑基體206之部分未經次要減速劑通道208環繞。在一具體例中，反應器核心塊200僅包括一個經構形以完全環繞燃料通道202、熱管204、及主要減速劑基體206的連續次要減速劑。
在一態樣中，次要減速劑通道208可包含呈在反應器內之高操作溫度下不解離之化學形式的氫原子。在一具體例中，此可經由使用高溫金屬氫化物來達成。在一具體例中，金屬氫化物可包含金屬氫化物塊。在一具體例中，金屬氫化物可包含金屬氫化物顆粒。在一具體例中，金屬氫化物可包含金屬氫化物棒。在一具體例中，金屬氫化物可包含金屬氫化物板。在一具體例中，金屬氫化物可包含金屬氫化物塊、顆粒、棒、或板中任何者之組合。
在一具體例中，次要減速劑通道208可包含氫化釔。在一具體例中，次要減速劑通道208可包含氫化鈰。在一具體例中，次要減速劑通道208可包含氫化釔鋯。在一具體例中，次要減速劑通道208可包含氫化釔、氫化鈰、氫化釔鋯中任何者之組合。在一具體例中，次要減速劑通道208可包含其中氫原子在反應器內之高操作溫度下不解離的任何適當材料。
高溫金屬氫化物減速劑(諸如次要減速劑通道208)的優點係金屬性晶格可於其晶格中溶解氫，且於其結構內保留高濃度的氫。高濃度的氫將確保中子減速。同時，不同於在較高溫度下之水、有機化合物或氫氣，歸因於在氫化物中保留氫而不顯著解離成氫氣，高溫操作係可能的。高溫氫化物減速劑亦提供經由解離氫及自核心移除氫來停止反應器的被動方法。在高於操作溫度(高於600°C)且可經由選擇適當減速劑及其化學計量數值來界定的一特定溫度下，氫原子將自次要減速劑208解離及釋放。結果，將喪失中子減速劑，且反應器將被動地停機。
此外，該配置及組合使用次要減速劑通道208與主要減速劑基體206容許減少操作反應器所需的燃料量。諸如氫化釔、氫化鈰、氫化鋯或此等之組合的高溫減速劑、連同諸如石墨之低吸收結構材料從未被使用於任何商業或實驗核子微型反應器中。在一具體例中，該配置及主要減速劑基體206與次要減速劑通道208之組合容許減少操作反應器所需的HALEU燃料量。在其他具體例中，該配置及主要減速劑基體206與次要減速劑通道208之組合容許使用具較HALEU低之U-235濃度的燃料，諸如經濃縮至高達5重量% U-235的燃料(低濃縮鈾)，其較HALEU更容易取得。
此外，參照圖2至7更詳細論述於下文之燃料通道、熱管、主要減速劑、及次要減速劑通道的配置，提供再更大的燃料質量降低並確保反應器的本質安全性。次要減速劑通道208與主要減速劑基體206之組合、連同燃料通道、熱管、主要減速劑基體、及次要減速劑通道的特定配置使得能夠使用其他類型的低密度燃料源，諸如三重各向同性晶體(TRISO；Tri-structural Isotropic)燃料或諸如經濃縮至(例如)5重量%之U3Si2燃料的燃料類型。前述主要及次要減速劑之組合及配置確保負的反應性係數並維持不同核心組件中之反應性回饋之間的適當時間延遲，因此增進微型反應器安全性。此外，前述特徵將容許微型反應器較先前所可能者操作更長時間，使燃料經濟性改良一個數量級，及使反應器均化發電成本(LCOE；levelized cost of electricity)改良至少50%。
[0002]現參照圖2，繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心300。反應器核心300包含複數個重複徑向位於反應器核心300內的反應器核心塊200。反應器核心塊200係容置於整體式核心外殼302內，該整體式核心外殼可由適當的抗蠕變、高溫材料(諸如，比方說，不鏽鋼)製成。整體式核心302充作分裂產物障壁且充作燃料通道202與熱管204之間的熱介質。
熱管204係經構形以自反應器核心300延伸至反應器之第二側，使得燃料通道202所產生之熱可被熱交換器吸收。如以上所論述，熱管204可包括蒸發器區段及冷凝器區段。熱管204之蒸發器區段可位於反應器核心300內及冷凝器區段可位於反應器之第二側內，於該處熱經構形成被抽取。由燃料通道202所產生之熱被熱管204之蒸發器區段吸收，其導致熱管204之工作流體經汽化。汽化的流體行進至冷凝器區段，將其潛熱釋放給熱交換器。工作流體接著藉由熱管204內之芯結構的毛細作用回到蒸發器區段(及反應器核心300)。
反應器核心300之整體式核心302可被複數個控制滾筒310環繞，該控制滾筒包括中子吸收劑區段312及中子反射劑區段314。控制滾筒310係經構形以於第一位置與第二位置之間旋轉。在第一位置中，控制滾筒310之中子吸收劑區段312可經構形以面向整體式核心302，從而限制或停止反應器核心300內的反應性。在第二位置中，控制滾筒310之中子反射劑區段314可經構形以面向整體式核心302，因此經由都卜勒(Doppler)效應提高反應器核心300的反應性。
在一態樣中，控制滾筒310可係反應器核心300內之唯一的移動組件。在一具體例中，所有控制滾筒310係經構形以一起旋轉，使得所有的控制滾筒310係在第一位置或第二位置中。在其他具體例中，控制滾筒310可相對於彼此獨立地旋轉。在其他具體例中，控制滾筒310可經旋轉至部分旋轉位置，其中中子吸收劑區段312及中子反射劑區段314兩者的一部分係面向整體式核心302。在另一具體例中，控制滾筒310係經構形以取決於各種因素(諸如反應器核心300內之溫度)於第一位置與第二位置之間自動旋轉。在一態樣中，當反應器核心300內之溫度符合或超過臨限溫度時，控制滾筒310可經構形以自動地旋轉至其中中子吸收劑區段312面向整體式核心302的第一位置，從而限制或停止反應器核心300的反應性。在另一態樣中，當反應器核心300內之溫度降至低於臨限溫度時，控制滾筒310可經構形以自動地旋轉至其中中子反射劑區段314面向整體式核心302的第二位置，因此，經由都卜勒效應提高反應器核心300的反應性。在一態樣中，控制滾筒310之間的空間316可額外地包含中子反射劑以提高反應性。在另一具體例中，空間316可包含中子吸收劑以限制反應性。在另一具體例中，空間316可係中子吸收劑及中子反射劑的混合物。
反應器核心300及控制滾筒310可容置於一圍阻容器(未圖示)內，該圍阻容器可包含經構形以容置反應器核心300及控制滾筒310的任何適當材料。在一態樣中，圍阻容器可包含，例如，不鏽鋼。圍阻容器可經額外的中子吸收劑、碳化硼中子屏蔽、用於屏蔽冷卻的氣隙、伽馬屏蔽(gamma shield)、及不鏽鋼外壁環繞。
如以上所論述，在高於操作溫度且可經由選擇適當減速劑及其化學計量數值來界定的一特定溫度下，氫原子將自次要減速劑通道208解離及釋放。結果，將喪失中子減速，且反應器核心300將被動地停機。再次參照圖2，反應器核心300亦可包括反應器停機模組350。反應器停機模組350提供用於停止反應器核心300的第二被動停機系統以及由次要減速劑208所提供的被動停機。在一態樣中，中子吸收材料可經設計為當與預定臨限值相比時在特定反應器核心300溫度下插入至停機模組350中。
如以上所論述，反應器核心300中所提供之配置容許減少操作反應器所需的HALEU燃料量。此外，該配置容許使用除HALEU外之其他類型的燃料，諸如，比方說，經濃縮至高達5重量% U-235的燃料(低濃縮鈾)、三重各向同性晶體(TRISO)燃料、或經濃縮至5重量%之U3Si2燃料。作為一實例，HALEU TRISO將需要2000-4000 kg U-235濃縮至20%、包裝比(packing ratio)為40%的TRISO燃料，以達成臨界條件。當使用諸如氫化釔的金屬氫化物時，總燃料質量可降低至~600 kg U-235濃縮至19.75%、包裝比為40%的TRISO燃料。圖2之配置確保負的反應性係數並維持不同核心組件中之反應性回饋之間的適當時間延遲，因此增進微型反應器安全性。此外，圖2中之配置容許反應器核心300較先前所可能者操作更長時間，使燃料經濟性改良一個數量級，及使反應器均化發電成本(LCOE)改良至少50%。
現參照圖3，繪示根據本揭示之至少一態樣之反應器核心370的另一具體例。反應器核心370係類似於反應器核心300且使用類似的元件符號來說明類似的組件。不同於反應器核心300，反應器核心370包括五個反應器停機模組350(然而反應器核心300包括九個反應器停機模組350)且反應器核心370不包括插入其中的燃料通道202及熱管404。如可於圖3中所見，控制滾筒310、主要減速劑基體206、及次要減速劑通道208完全地沿反應器核心370之長度延伸。
現參照圖4，繪示根據本揭示之至少一態樣之反應器核心420的另一具體例。如同反應器核心300，反應器核心420包括複數個反應器核心塊400，該等反應器核心塊包括燃料通道402、熱管404、主要減速劑基體(未顯示)、及次要減速劑通道408。如圖4所示，次要減速劑通道408包括圓形橫截面形狀。此外，次要減速劑通道408係經構形使得反應器核心塊400完全地被次要減速劑通道408環繞。在其他具體例中，次要減速劑通道係經構形使得反應器核心塊400僅部分地被次要減速劑通道408環繞。雖然次要減速劑通道408經顯示為具有圓形橫截面形狀，但設想其他橫截面形狀，諸如方形橫截面形狀、六邊形橫截面形狀、或任何其他使得反應器核心塊400完全地被次要減速劑通道408環繞的橫截面形狀。
類似於反應器核心300，反應器核心塊400係容置於整體式核心外殼422內。整體式核心外殼422亦可被複數個控制滾筒410環繞，該等控制滾筒包括中子吸收劑區段(未顯示)及中子反射劑區段414，以及位於控制滾筒410之間的空間416。不同於反應器核心300，反應器核心420包括單個反應器停機模組450，其提供用於停止反應器核心420的第二被動停機系統以及由次要減速劑408所提供的被動停機。雖然僅繪示一個反應器停機模組450，但設想其他具體例，其中反應器核心420包括複數個反應器停機模組450。
反應器核心420中所提供之配置容許減少操作反應器所需的HALEU燃料量。此外，該配置容許使用除HALEU外之其他類型的燃料，諸如，比方說，經濃縮至高達5重量% U-235的燃料(低濃縮鈾)、三重各向同性晶體(TRISO)燃料、或經濃縮至5重量%之U3Si2燃料。圖4之配置確保負的反應性係數並維持不同核心組件中之反應性回饋之間的適當時間延遲，因此增進微型反應器安全性。此外，圖4中之配置容許反應器核心420較先前所可能者操作更長時間，使燃料經濟性改良一個數量級，及使反應器均化發電成本(LCOE)改良至少50%。
現參照圖5，繪示根據本揭示之至少一態樣之反應器核心500的另一具體例。反應器核心500包含複數個自反應器核心500之中心向外延伸至整體式核心外殼522的連續、圓形配置530、540、550。如圖5所示，反應器核心500包括第一配置530，其包括沿其長度之交替的燃料通道502及熱管504。反應器核心500亦可包括第二配置540，其包括複數個環繞或包圍第一列530的減速劑通道508。該等減速劑通道可與論述於上的高溫金屬氫化物減速劑(諸如次要減速劑208)相似。此外，反應器核心500可包括類似於第一配置530的第三配置550，其環繞或包圍第二配置540，如同第一列530，其包括沿其長度之交替的燃料通道502及熱管504。在一態樣中，減速劑通道508之第二配置540係經構形為設置於第一配置530與第三配置550之間，諸如使第一配置530與第三配置550完全分離。在其他態樣中，可於第二配置540之減速劑通道508之間界定間隙，使得第一配置530及第二配置550僅藉由第二配置540部分分離。反應器核心500可包括任何數目之介於反應器核心500之中心之間的配置，直至該等列到達反射器核心500的整體式核心外殼522為止。
前述反應器核心500由製造觀點來看係有利的，同時並提供前述的燃料效益(例如，較低的HALEU量、使用其他類型燃料之能力、提高反應器安全性)。此外，雖然未示於圖5，但反應器核心500可於其中包括主要減速劑、或類似於主要減速劑基體206的主要減速劑基體，其經構形來緊固地固持燃料通道502及熱管504並提供低的中子吸收，且較佳地具有小的減速作用。如以上所論述，主要減速劑可包含石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合中之任一者。
類似於前述反應器核心300、420，列530、540、550可容置於整體式核心外殼522內。整體式核心外殼522亦可經複數個控制滾筒510環繞，該等控制滾筒包括中子吸收劑區段(未圖示)及中子反射劑區段514，以及位於控制滾筒510之間的空間516。雖然未繪示，但反應器核心500可包括任何數目的反應器停機模組以提供用於停止反應器核心500的第二被動停機系統以及由次要減速劑508所提供的被動停機。
現參照圖6，繪示根據本揭示之至少一態樣之反應器核心600的另一具體例。反應器核心600包含離散的核心區段640，其各包括燃料通道602及熱管604之列，該等列經減速劑通道608、609分隔。減速劑通道608、609可類似於高溫金屬氫化物減速劑，諸如以上論述的次要減速劑208。
一個反應器區段640之燃料通道602、熱管604、及減速劑608之列可相對於相鄰反應器區段640之燃料通道602、熱管604、及減速劑608之列成角度。在一個實例中，參照圖6，一個反應器區段640之燃料通道602、熱管604、及減速劑通道608之列係經構形成與減速劑通道609之列接合630以界定其間的第一角度Θ1 。此外，另一反應器區段640之燃料通道602、熱管604、及減速劑通道608之列係經構形成與減速劑通道609之列接合632以界定其間的第二角度Θ2 。換言之，燃料通道602、熱管604、及減速劑608之列的角度係經構形成於減速劑通道609之列處自第一角度Θ1 過渡至第二角度Θ2 。換言之，一個反應器區段640之燃料通道602、熱管604、及減速劑通道608之列係相對於另一反應器區段640之燃料通道602、熱管604、及減速劑通道608之列成角度。在一具體例中，Θ1 及Θ2 可係相等的。在一具體例中，Θ1 及Θ2 可係不同的。在一具體例中，Θ1 及Θ2 之總和可界定90°。在其他具體例中，Θ1 及Θ2 之總和可大於或小於90°。前述配置由製造觀點來看係有利的，同時並提供前述的燃料效益(例如，較低的HALEU量、或使用其他類型燃料之能力、提高的安全性)。此外，雖然未示於圖6，但反應器核心600可於其中包括主要減速劑、或類似於主要減速劑基體206的主要減速劑基體，其經構形來緊固地固持燃料通道602及熱管604並提供低的中子吸收，且較佳地具有小的減速作用。如以上所論述，主要減速劑基體可包含石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合中之任一者。
類似於前述反應器核心300、420、500，反應器核心600可包括環繞燃料通道602、熱管604、次要減速劑608、及反應器核心600之其他組件的整體式核心外殼622。整體式核心外殼622亦可經複數個控制滾筒610環繞，該等控制滾筒包括中子吸收劑區段612及中子反射劑區段614，以及位於控制滾筒610之間的空間616。此外，反應器核心600可包括反應器停機模組650以提供用於停止反應器核心600的第二被動停機系統以及由次要減速劑608所提供的被動停機。雖然僅繪示一個反應器停機模組650，但設想反應器核心600可包括複數個反應器停機模組650。
現參照圖7，繪示根據本揭示之至少一態樣之反應器核心700的另一具體例。反應器核心700包含環形燃料通道702之陣列及減速劑通道708之陣列。次要減速劑通道可類似於高溫金屬氫化物減速劑，諸如以上論述的次要減速劑208。此外，反應器核心包含複數個熱管704、710。熱管704可設置於燃料通道702之間的間隙中，同時熱管710可設置於燃料通道702的中心中。圖7中所繪示之網狀型構形容許增加每個反應器之熱管704、710的數目，結果，導致由反應器核心700所提供之功率輸出量的增加。此外，雖然未顯示於圖7，但反應器核心700可於其中包括主要減速劑、或類似於以上論述之主要減速劑基體206的主要減速劑基體，其經構形來緊固地固持燃料單元702及熱管704、710並提供低的中子吸收，且較佳地具有小的減速作用。如以上所論述，主要減速劑可包含石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合中之任一者。
類似於前述反應器核心300、420、500、600，反應器核心700可包括環繞燃料通道702、熱管704、710、次要減速劑708、及反應器核心700之其他組件的整體式核心外殼722。雖然未繪示，但整體式核心外殼722亦可經複數個控制滾筒環繞，該等控制滾筒包括中子吸收劑區段及中子反射劑區段，以及位於控制滾筒之間的空間。此外，反應器核心700可包括任何數目的反應器停機模組以提供用於停止反應器核心700的第二被動停機系統以及由次要減速劑708所提供的被動停機。
除了以上論述的燃料及安全性效益外，於反應器核心內之配置使得能夠將相當小的核心封裝至可於標準可用運輸系統(例如，標準的ISO裝運容器)內運輸之具低質量的容器中，結果，其可經由符合質量及尺寸的嚴格限制而藉由飛機、卡車及習用道路來運輸。
下列實例中闡述本文所述標的之各種態樣。
實例1- 一種反應器核心塊，其包括燃料通道、熱管、經構形以包圍燃料通道及熱管的主要減速劑基體、及經構形以至少部分環繞燃料通道、熱管、及主要減速劑基體的次要減速劑通道，其中該次要減速劑通道包含金屬氫化物。
實例2- 如實例1之反應器核心塊，其中該主要減速劑基體係選自由石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合所組成之群。
實例3- 如實例1或2之反應器核心塊，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
實例4- 如實例1至3中任一項之反應器核心塊，其中該次要減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
實例5- 如實例1至4中任一項之反應器核心塊，其中該次要減速劑通道係經構形以完全環繞燃料通道、熱管、及主要減速劑基體。
實例6- 一種反應器核心，其包括複數個反應器核心塊，其中各反應器核心塊包含燃料通道、熱管、包圍燃料通道及熱管之主要減速劑基體、及經構形以至少部分環繞燃料通道、熱管、及主要減速劑基體的次要減速劑通道，其中該次要減速劑通道包含金屬氫化物。
實例7- 如實例6之反應器核心，其進一步包括包含中子反射劑及中子吸收劑的控制滾筒。
實例8- 如實例7之反應器核心，其中該控制滾筒可於第一位置與第二位置之間旋轉，其中在第一位置中，該中子吸收劑係面向該複數個反應器核心塊，及其中在第二位置中，該中子反射劑係面向該複數個反應器核心塊。
實例9- 如實例6至8中任一項之反應器核心，其中該主要減速劑基體係選自由石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合所組成之群。
實例10- 如實例6至9中任一項之反應器核心，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
實例11- 如實例6至10中任一項之反應器核心，其中該次要減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
實例12- 如實例6至11中任一項之反應器核心，其中該次要減速劑通道係經構形以完全環繞燃料通道、熱管、及主要減速劑基體。
實例13- 一種反應器核心，其包括第一配置、第二配置、設置於第一配置與第二配置之間的第三配置，及減速劑基體。第一配置包括第一複數個燃料通道及第一複數個熱管，其中該第一配置係經構形以於來自第一複數個燃料通道之燃料通道與來自第一複數個熱管之熱管之間交替。第二配置包括第二複數個燃料通道及第二複數個熱管，其中該第二配置係經構形以於來自第二複數個燃料通道之燃料通道與來自第二複數個熱管之熱管之間交替。第三配置包括第一複數個減速劑通道，其中來自第一複數個減速劑通道之各減速劑通道包含金屬氫化物。第一配置、第二配置、及第三配置係嵌於減速劑基體內。
實例14- 如實例13之反應器核心，其進一步包括包含第二複數個減速劑通道的第四配置。
實例15- 如實例13或14之反應器核心，其進一步包括包含中子反射劑及中子吸收劑的控制滾筒。
實例16- 如實例15之反應器核心，其中該控制滾筒可於第一位置與第二位置之間旋轉，其中在第一位置中，該中子吸收劑係面向該第一、第二、及第三配置，及其中在第二位置中，該中子反射劑係面向該第一、第二、及第三配置。
實例17- 如實例13至16中任一項之反應器核心，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
實例18- 如實例13至17中任一項之反應器核心，其中該第一複數個減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
實例19- 如實例13至18中任一項之反應器核心，其中該減速劑基體係選自由石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合所組成之群。
實例20- 一種反應器核心，其包括第一反應器區段、第二反應器區段、及設置於第一反應器區段與第二反應器區段之間的一列減速劑通道。第一反應器區段包括第一列燃料通道及平行於第一列燃料通道之第一列熱管。第二反應器區段包括第二列燃料通道及平行於第二列燃料通道之第二列熱管。第一列燃料通道與該列減速劑通道接合以於其間界定第一角度，第二列燃料通道與該列減速劑通道接合以於其間界定第二角度，第一列燃料通道相對於第二列燃料通道形成角度，且該等減速劑通道包含金屬氫化物。
實例21- 如實例20之反應器核心，其進一步包括包含中子反射劑及中子吸收劑的控制滾筒。
實例22- 如實例21之反應器核心，其中該控制滾筒可於第一位置與第二位置之間旋轉，其中在第一位置中，該中子吸收劑係面向該第一反應器區段，及其中在第二位置中，該中子反射劑係面向該第一反應器區段。
實例23- 如實例20至22中任一項之反應器核心，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
實例24- 如實例20至23中任一項之反應器核心，其中該減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
實例25- 一種反應器核心，其包括燃料通道、設置於燃料通道間之間隙內的第一熱管、設置於燃料通道之中心內的第二熱管、及包含金屬氫化物的減速劑通道。
實例26- 如實例25之反應器核心，其進一步包括包含中子反射劑及中子吸收劑的控制滾筒。
實例27- 如實例26之反應器核心，其中該控制滾筒可於第一位置與第二位置之間旋轉，其中在第一位置中，該中子吸收劑係面向該等燃料通道，及其中在第二位置中，該中子反射劑係面向該等燃料通道。
實例28- 如實例25至27中任一項之反應器核心，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
實例29- 如實例25至28中任一項之反應器核心，其中該等減速劑通道之各減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
除非另有特別說明，否則如從前述揭露明白，應瞭解，在整個前述揭露中，使用諸如「處理」、「演算」、「計算」、「確定」、「顯示」等術語的討論是指電腦系統或類似電子計算裝置的操作和處理，其操作電腦系統暫存器及記憶體內表示為物理(電子)量的資料及將其轉換成類似地表示為電腦系統記憶體或暫存器或其他此類資訊儲存、傳輸或顯示裝置內的物理量之其他資料。
一或多個組件在本說明書中可稱為「構形成」、「可構形成」、「可操作/可操作成」、「經調適/可調適」、「能夠」、「適用於/符合於」等。熟習該項技藝者將明白，除非另有特別需求，否則「構形成」通常可包括主動狀態組件及/或非主動狀態組件及/或待命狀態組件。
熟習該項技藝者應明白，通常，本說明書且特別是在文後申請專利範圍(例如，文後申請專利範圍的主體)中使用的用語通常是指「非限定開放性」用語(例如，用語「包含」應解釋為「包含但不限於」，用語「具有」應解釋為「至少具有」，用語「包括」應解釋為「包括但不限於」等)。熟習該項技藝者將更瞭解，如果意欲特定數量的所引用請求項陳述(Claim recitation)，則在申請專利範圍中明確陳述此意圖，而在沒有此陳述的情況下，則此意欲就不存在。例如，為了幫助瞭解，文後申請專利範圍可包含數量詞用語「至少一」和「一或多個」以引用請求項陳述。然而，這類用語的使用不應詮釋為表示請求項陳述中引用不定冠詞「一」將包含此所引用請求項陳述的任何特定請求項限制為僅含一此陳述的請求項，即使在相同請求項包括引用數量詞「一或多個」或「至少一」和諸如「一」(a)或「一」(an)的不定冠詞(例如，「一」(a)及/或「一」(an)通常應解釋為意指「至少一」或「一或多個」)；針對用於引入請求項陳述的定冠詞使用亦是如此。
此外，即使明確陳述一特定數量的所引用請求項陳述，熟習該項技藝者將明白，這類陳述通常應解釋成至少意指所陳述的數目(例如，沒有其他修飾語之「兩陳述」的真實陳述通常意指至少兩陳述，或兩或多個陳述)。此外，在使用類似於「A、B和C等之至少一者」 的習用語的這類情況下，通常此語法結構是熟習該項技藝者所能夠理解習用語的意義(例如，「一種具有A、B和C之至少一者的系統」將包括但不限於僅具A、僅具B、僅具C、結合A和B、結合A和C、結合B和C及/或結合A、B和C等的系統)。在使用類似於「A、B或C等之至少一者」 的習用語的這類情況下，通常此語法結構是熟習該項技藝者所能夠理解習用語的意義(例如，「一種具有A、B或C之至少一者的系統」將包括但不限於僅具A、僅具B、僅具C、結合A和B、結合A和C、結合B和C及/或結合A、B和C等的系統)。熟習該項技藝者將更瞭解到，無論是在實施方式、申請專利範圍或附圖中，通常代表兩或多個替代性用語的選擇性字及/或用語都應理解成，除非另有特別說明，否則考慮包括多個用語之一者、多個用語之任一者、兩用語的可能性。例如，用語「A或B」將通常瞭解為包括可能性「A」或「B」或「A和B。」
關於文後申請專利範圍，熟習該項技藝者應明白，其中所列舉的操作通常可採用任何順序執行。而且，雖然順序示出各種操作流程圖，但是應瞭解，可採用所示意說明以外的其他順序來執行各種操作；或者，可同時執行各種操作。除非另有特別說明，否則這些替代排序的範例可包括重疊、交錯、中斷、重新排序、遞增、準備、補充、同時、反向或其他變異排序。此外，除非另有特別說明，否則諸如「隨著」、「關於」或其他過去式形容詞之類的用語通常不意欲排除這類變異形式。
值得注意，「一種態樣」、「一態樣」、「一示例」、「一種示例」等的任何參考意味著一結合態樣描述的特定特徵、結構或特性包含在至少一態樣中。因此，在整個說明書中各處出現的用語「在一種態樣」、「在一態樣」、「在一示例性」和「在一種示例性」不必然都意指相同態樣。此外，在一或多個態樣中可採用任何適當方式組合多個特定特徵、結構或特性。
在本說明書中所參考及/或在任何申請資料表(Application Data Sheet)中所列出的任何專利申請案、專利案、非專利公開案或其他揭露文獻併入本說明書供參考，在併入的文獻與本說明書不相矛盾的程度上。因此，在必要的程度上，本說明書明確闡述的揭露內容係取代併入本說明書供參考的任何矛盾文獻。併入本說明書供參考但與本說明書闡述的現有定義、聲明或其他揭露文獻相矛盾的任何文獻或其部分，將僅以所併入文獻與現有揭露文獻之間不發生矛盾的程度併入。
多個用語「包含(comprise)」(及任何形式的包含，諸如「包含(comprises)」和「包含(comprising)」)、「具有」(及任何形式的具有，諸如「具有」和「擁有」)、「包括(include)」(及任何形式的包括，諸如「包括(includes)」和「含括(including)」)和「包含(contain)」(及任何形式的包含，諸如「包含(contains)」和「含有(containing)」)都是非限定開放式連接動詞。因此，一種「包容」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個元件的系統擁有這類一或多個元件，但不限於僅擁有這類一或多個元件。同樣地，一種「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個特徵的系統、裝置或設備的元件擁有這類一或多個特徵，但不限於僅擁有這類一或多個特徵。
總之，已描述由於採用本說明書描述的概念而產生的眾多好處。為了示意說明和描述之目的，已呈現一或多個形式的前面描述。其不旨在窮舉或限制所揭露的確實形式。鑑於前述的教示，可進行修改或變化。為了示意說明原理和實際應用，選擇及描述一或多個形式，從而使熟習該項技藝者能夠利用各種形式及適於所預期的特定用途的各種修改。意圖據此所提交的申請專利範圍定義整個範疇。
200:反應器核心塊 202:燃料通道 204:熱管 206:主要減速劑基體 208:次要減速劑通道 300:反應器核心 302:整體式核心外殼 310:控制滾筒 312:中子吸收劑區段 314:中子反射劑區段 316:空間 350:反應器停機模組 370:反應器核心 400:反應器核心塊 402:燃料通道 404:熱管 408:次要減速劑通道 410:控制滾筒 414:中子反射劑區段 416:空間 420:反應器核心 422:整體式核心外殼 450:反應器停機模組 500:反應器核心 502:燃料通道 504:熱管 508:減速劑通道 510:控制滾筒 514:中子反射劑區段 516:空間 522:整體式核心外殼 530:連續、圓形配置 540:連續、圓形配置 550:連續、圓形配置 600:反應器核心 602:燃料通道 604:熱管 608:減速劑通道 609:減速劑通道 610:控制滾筒 612:中子吸收劑區段 614:中子反射劑區段 616:空間 622:整體式核心外殼 630:接合 632:接合 640:核心區段 650:反應器停機模組 700:反應器核心 702:燃料通道 704:熱管 708:減速劑通道 710:熱管 722:整體式核心外殼 Θ1 :第一角度 Θ2 :第二角度
根據以下結合如下附圖的實施方式可瞭解文中描述之具體例的各種特徵、以及其優點：
圖1繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心塊。
圖2繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心。
圖3繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心。
圖4繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心。
圖5繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心。
圖6繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心。
圖7繪示根據本揭示之至少一態樣的反應器核心。
在數個圖式中，對應的參考編號指示對應的部件。本文闡述的示例以一形式說明本發明的各種具體例，且不應將這些示例詮釋為以任何方式限制本發明的範疇。
200:反應器核心塊
202:燃料通道
204:熱管
206:主要減速劑基體
208:次要減速劑通道

Claims (22)

  1. 一種反應器核心塊，其包括：燃料通道；熱管；經構形以包圍該燃料通道及該熱管的主要減速劑基體；及經構形以至少部分環繞該燃料通道、該熱管、及該主要減速劑基體的次要減速劑通道，其中該次要減速劑通道包含金屬氫化物。
  2. 如請求項1之反應器核心塊，其中該主要減速劑基體係選自由石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合所組成之群。
  3. 如請求項1之反應器核心塊，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
  4. 如請求項1之反應器核心塊，其中該次要減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
  5. 如請求項1之反應器核心塊，其中該次要減速劑通道係經構形以完全環繞該燃料通道、該熱管、及該主要減速劑基體。
  6. 一種反應器核心，其包括：複數個反應器核心塊，其中各反應器核心塊包含：燃料通道；熱管；包圍該燃料通道及該熱管之主要減速劑基體；及經構形以至少部分環繞該燃料通道、該熱管、及該主要減速劑基體的次要減速劑通道，其中該次要減速劑通道包含金屬氫化物。
  7. 如請求項6之反應器核心，其進一步包括包含中子反射劑及中子吸收劑的控制滾筒。
  8. 如請求項7之反應器核心，其中該控制滾筒可於第一位置與第二位置之間旋轉，其中在該第一位置中，該中子吸收劑係面向該複數個反應器核心塊，及其中在該第二位置中，該中子反射劑係面向該複數個反應器核心塊。
  9. 如請求項6之反應器核心，其中該主要減速劑基體係選自由石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合所組成之群。
  10. 如請求項6之反應器核心，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
  11. 如請求項6之反應器核心，其中該次要減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
  12. 如請求項6之反應器核心，其中該次要減速劑通道係經構形以完全環繞該燃料通道、該熱管、及該主要減速劑基體。
  13. 如請求項6之反應器核心，其進一步包括整體式核心外殼，其中該複數個反應器核心塊係容置於該整體式核心外殼內。
  14. 如請求項13之反應器核心，其中該複數個反應器核心塊自該整體式核心外殼之中心徑向地向外延伸。
  15. 一種反應器核心，其包括：第一配置，包括：第一複數個燃料通道；及第一複數個熱管，其中該第一配置係經構形以於來自該第一複數個燃料通道之燃料通道與來自該第一複數個熱管之熱管之間交替；第二配置，包括：第二複數個燃料通道；及第二複數個熱管，其中該第二配置係經構形以於來自該第二複數個 燃料通道之燃料通道與來自該第二複數個熱管之熱管之間交替；設置於該第一配置與該第二配置之間的第三配置，其中該第三配置包括第一複數個減速劑通道，其中來自該第一複數個減速劑通道之各減速劑通道包含金屬氫化物；及減速劑基體，其中該第一配置、該第二配置、及該第三配置係嵌於該減速劑基體內。
  16. 如請求項15之反應器核心，其進一步包括包含第二複數個減速劑通道的第四配置。
  17. 如請求項15之反應器核心，其進一步包括包含中子反射劑及中子吸收劑的控制滾筒。
  18. 如請求項17之反應器核心，其中該控制滾筒可於第一位置與第二位置之間旋轉，其中在該第一位置中，該中子吸收劑係面向該第一、該第二、及該第三配置，及其中在該第二位置中，該中子反射劑係面向該第一、該第二、及該第三配置。
  19. 如請求項15之反應器核心，其中該金屬氫化物係選自由氫化釔、氫化鈰、氫化鋯、及其組合所組成之群。
  20. 如請求項15之反應器核心，其中該第一複數個減速劑通道係選自由塊、顆粒、棒、或板、及其組合所組成之群。
  21. 如請求項15之反應器核心，其中該減速劑基體係選自由石墨、碳化矽、氮化鋁、不鏽鋼、及其組合所組成之群。
  22. 如請求項15之反應器核心，其中該第一配置圍繞該反應器核心之中心延伸。
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