장기 운전을 위해 자동화된 원자로{AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION}

본 발명은 원자로와, 원자로에 관련된 시스템, 애플리케이션 및 장치에 관한 것이다.

이하의 본 발명의 실시예와 양태를, 대표적이고 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는 시스템 및 방법과 관련하여 기술하고 설명한다.

예시적인 실시예는 자동화된 핵분열로와 그 운전 방법을 제공한다. 예시적인 실시예와 양태로는, 핵분열 연료의 재사용, 대체 연료 및 연료의 기하구조, 모듈형 연료 노심, 고속 유체 냉각, 가변 연소율, 프로그램 가능한 원자핵 서모스탯, 고속 중성자속 조사(照射), 온도 기반 중성자 흡수, 저온 냉각재 노심, 연료 보급 등이 있으며, 이에 한정되지는 않는다.

도면을 참조로 하여 이하의 상세한 설명을 살펴보면, 전술한 예시적인 실시예와 양태 이외에도, 추가적인 실시예와 양태가 명백해질 것이다.

예시적인 실시예가 참조 도면에 예시되어 있다. 본원에 개시된 실시예와 도면은 제한적인 것이기 보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

도 1a는 예시적인 핵분열로를 개략적으로 보여주는 도면.

도 1b 및 도 1c는 단면적과 중성자 에너지의 관계를 나타내는 그래프.

도 1d 내지 도 1h는 핵분열로가 출력을 내며 운전되고 있는 기간 동안의 상대 농도를 예시하는 도면.

도 1i 및 도 1j는 예시적인 핵분열로 노심 집합체를 개략적으로 보여주는 도면.

도 2a 내지 도 2c는 예시적인 핵분열 연료 집합체를 개략적으로 보여주는 도면.

도 3a 내지 도 3d는 예시적인 핵분열 연료의 기하구조를 개략적으로 보여주는 도면.

도 4는 예시적인 불연속적 핵분열 연료재를 개략적으로 예시하는 도면.

도 5는 예시적인 모듈형 핵분열 연료 노심을 개략적으로 예시하는 도면.

도 6a 내지 도 6c는 예시적인 모듈형 핵분열 설비를 개략적으로 예시하는 도면.

도 7은 예시적인 고속 유체 냉각을 개략적으로 예시하는 도면.

도 8은 예시적인 핵분열 연료의 가변 연소율을 개략적으로 예시하는 도면.

도 9a는 예시적인 핵분열 연료의 프로그램 가능한 자동 온도 조절을 개략적으로 예시하는 도면.

도 9b는 운전 온도 프로파일을 나타내는 그래프.

도 10a 및 도 10b는 예시적인 물질의 원자핵 조사를 개략적으로 예시하는 도 면.

도 11a 내지 도 11c는 예시적인 원자핵 반응성의 온도 제어를 개략적으로 예시하는 도면.

도 12는 예시적인 저온 냉각재 핵분열로를 개략적으로 예시하는 도면.

도 13은 예시적인 핵분열 연료의 제거를 개략적으로 예시하는 도면.

도 14a 및 도 14b는 예시적인 핵분열 폭연 파동(deflagration wave)의 재전파를 개략적으로 예시하는 도면.

개략적으로, 실시예는 자동화된 핵분열로와 그 운전 방법을 제공한다. 우선, 모두 비제한적인 예로서 주어지는 예시적인 원자로, 예시적인 노심 핵공학적 기술 및 운전을 상세히 설명한다. 그 후에, 핵분열 연료의 재사용, 대체 연료 및 연료의 기하구조, 모듈형 연료 노심, 고속 유체 냉각, 가변 연소율, 프로그램 가능한 원자핵 서모스탯, 고속 중성자속 조사, 온도 기반 중성자 흡수, 저온 냉각재 노심, 연료 보급 등과 같은 비제한적이고 예시적인 여러 실시예 및 양태에 대하여 상세히 설명한다.

이제 도 1a를 참조해 보면, 비제한적이며 예로서 주어진 핵분열로(10)가, 본원에 기술된 실시예 및 양태에 있어서 예시적인 주환경의 역할을 한다. 다수의 핵분열로(10) 실시예를 고려할 수 있지만, 고려될 수 있는 다수의 핵분열로(10) 실시예들 간의 공통 특징은 핵분열 폭연 파동 또는 "화염면(burnfront)"의 발생과 전파이다.

과제

핵분열로(10)를 상세히 설명하기에 앞서, 핵분열로(10)의 실시예의 몇몇 배후 과제를 개략적으로 거론하지만, 이들 과제는 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 핵분열로(10)의 몇몇 실시예에서는 후술하는 과제 모두의 달성이 반영되어 있다. 한편, 핵분열로(10)의 다른 몇몇 실시예에서는 선택된 과제의 달성이 반영되어 있으며, 후술하는 과제 모두를 충족시킬 필요는 없다. 이하의 설명 중 일부는, Aspen Global Change Institute의 2003년 7월 워크샵에서 Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde 및 John Nuckolls이 발표한 "Completely Automated Nuclear Power Reactors For Long-Term Operation: Ⅲ. Enabling Technology For Large-Scale, Low-Risk, Affordable Nuclear Electricity"란 제목의 논문[캘리포니아 대학 로렌스 리버모어 국립연구소 발행 UCRL-JRNL-122708 (2003)]에서 발췌한 정보를 포함하며(상기 논문은 2003년 11월 30일에 Energy, The International Journal 에 제출하기 위해 준비되었다), 이 논문의 모든 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.

핵분열로(10)의 실시예에 사용하도록 되어 있는 핵분열 연료는 대개 널리 입수 가능한 것이고, 예컨대 (천연, 열화, 혹은 농축) 우라늄, 토륨, 플루토늄, 또는 심지어 사전 연소된 핵분열 연료 집합체 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 널리 입수 가능한 것은 아닌 그 밖의 핵분열 연료, 예컨대 악티늄족 원소 또는 그 동위원소(이에 한정되는 것은 아님)가 핵분열로(10)의 실시예에 사용될 수 있다. 핵분열로(10)의 실시예는 최대 출력에 있어서 약 1/3 세기(世紀) 내지 약 1/2 세기 정도의 혹은 그 이상의 장기 운전을 상정하지만, 핵분열로(10)의 몇몇 실시예의 양태는 핵연료 보급을 상정하지 않고(대신 수명이 다했을 때 그 자리에 매립하는 것을 상정함), 핵분열로(10)의 몇몇 실시예의 양태는 핵연료 보급을 상정하는데, 상기 핵연료 보급의 일부는 정지 중에 실시되며 상기 핵연료 보급의 일부는 출력 운전 중에 실시된다. 또한, 핵분열 연료의 재처리를 막아서, 군사적 용도로 유용(流用)할 가능성과 그 밖의 문제점을 경감시키는 것도 상정된다.

핵분열로(10)의 실시예의 다른 배후 과제로는, 운전 중에 발생되는 수명이 긴 방사능을 명백히 안전한 방식으로 처분하는 것이 있다. 핵분열로(10)는 운전자 실수나, 냉각재 상실 사고(LOCA) 등의 불의의 사고 등으로 인한 손상을 경감시킬 수 있는 것으로 상정된다. 일부 양태에서, 폐로(廢爐)는 실패할 가능성이 낮고 저렴한 방식으로 수행될 수 있다.

그 결과, 핵분열로(10)의 몇몇 실시예는, 방사능이 생물권에 갑작스럽게 많이 방출되는 것과 정상적인 상태로 조금 방출되는 문제를 처리하기 위해, 지하 부지를 필요로 할 수 있다. 핵분열로(10)의 몇몇 실시예는, 전술한 실시예를 최대한 실용적으로 자동화하기 위해, 운전자 제어의 최소화를 필요로 할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 전술한 핵분열로(10)의 실시예가 시동에서부터 수명이 다해 정지될 때까지 실행 가능한 완전 자동 방식으로 운전될 수 있는, 라이프 사이클 지향 설계가 상정된다. 핵분열로(10)의 몇몇 실시예는 모듈화된 구조에 적합하다. 끝으로, 핵분열로(10)의 몇몇 실시예는 고출력 밀도에 준하여 설계될 수 있다.

핵분열로(10)의 여러 실시예의 몇몇 특징은 전술한 과제 중 일부에 기인한 것이다. 예컨대, 핵연료를 보급하지 않고서 최대 출력으로 1/3 내지 1/2 세기(혹은 그 이상) 운전하는 것과, 고속 중성자 스펙트럼의 사용을 필요로 하는 핵분열 연료 재처리를 막는 것을, 함께 충족시키는 것이 요망된다. 다른 예로서, 몇몇 실시예에서는, 예컨대 고속 중성자의 강한 흡수체를 이용해 실시되는 국부적 반응성에 대한 부(負) 피드백을 통하여, 핵분열로(10)에 대한 반응성의 부(負) 온도 계수(α _T )가 공학적으로 정해진다. 또 다른 예로서, 핵분열로(10)의 몇몇 실시예에서는, 광범위한 서모스탯이 핵분열 연료 연소의 핵분열 폭연 파동 전파 모드를 가능하게 한다. 이러한 모드는, 천연 우라늄 또는 토륨 등과 같은 악티늄족 비농축 연료의 연소율의 평균을 높일 수 있게 할 뿐만 아니라, 노심의 연료 장전부에 있어서 핵분열성 물질의 동위원소 농축이 완만히 이루어지는 "핵분열 점화기" 영역을 비교적 적게 사용할 수 있게 한다. 다른 예로서, 핵분열로(10)의 몇몇 실시예에서는, 1차 노심 냉각과 2차 노심 냉각에 다중 중복성이 제공된다.

핵분열로의 예시적인 실시예

핵분열로(10)의 몇몇 실시예의 배후 과제 중 일부를 설명하였으므로, 핵분열로(10)의 예시적인 실시예에 관한 더 세부적인 사항을 설명한다. 핵분열로(10)의 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명은 제한적인 것으로서가 아니라 단지 비제한적인 예로서 주어진 것이라는 점을 강조한다. 전술한 핵분열로(10)의 몇몇 실시예 뿐만 아니라 핵분열로(10)의 추가적인 양태를 상정한다. 핵분열로(10)의 예시적인 실시예에 관한 세부적인 사항을 설명한 후에, 다른 실시예 및 양태도 설명한다.

도 1a를 다시 참조해 보면, 핵분열로(10)의 예시적인 실시예는, 원자로 압력 용기(12) 내에 배치된 핵분열로 노심 집합체(100)를 포함한다. 핵분열로 노심 집합체(100)의 몇몇 실시예 및 양태가 상정되며, 이를 이하에서 설명한다. 이하에서 상세히 설명하는 핵분열로 노심 집합체(100)에 관한 특징의 일부로는, 핵분열 연료재와 그 각각의 핵자(核子), 연료 집합체, 연료의 기하구조, 및 핵분열 폭연 파동의 발생과 전파 등이 있다.

원자로 압력 용기(12)는 적절하게는 당업계에 알려진 임의의 합격적인 압력 용기이며, 원자로 압력 용기에 사용하기에 만족스러운 임의의 재료, 예컨대 스테인레스강(이에 한정되지는 않음) 등으로 제조될 수 있다. 원자로 압력 용기(12) 내에서는, 중성자 반사체(도시 생략) 및 방사선 차폐물(도시 생략)이 핵분열로 노심 집합체(100)를 둘러싸고 있다. 몇몇 실시예에서, 원자로 압력 용기(12)는 지하에 위치한다. 이러한 경우에, 원자로 압력 용기(12)는 핵분열로 노심 집합체(100)용의 매립형 캐스크(burial cask)의 역할을 할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 원자로 압력 용기(12)는 적절하게는 장기간의 환경적 격리를 위해 격리 물질, 예컨대 건조 모래 등으로 이루어진 영역(도시 생략)에 의해 둘러싸인다. 격리 물질의 영역(도시 생략)은 직경 크기가 약 100 m 정도일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 원자로 압력 용기(12)는 지면 상에 혹은 지면에 가까이 위치한다.

원자로 냉각재 루프(14)는 핵분열로 노심 집합체(100)에서의 핵분열로부터의 열을 특정 용도의 열교환기(16)에 전달한다. 원자로 냉각재는 특정 용도에서 요구되는 바에 맞춰 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 원자로 냉각재는 적절하게는 헬륨(He) 가스이다. 다른 실시예에서, 원자로 냉각재는 적절하게는 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 등과 같은 다른 가압 불활성 가스, 물이나 가스 상태 혹은 초유동체 상태의 이산화탄소 등과 같은 다른 유체, 나트륨이나 납 등과 같은 액체 금속, Pb-Bi 등과 같은 금속 합금, 폴리페닐 등과 같은 유기 냉각재, 또는 불화탄소일 수 있다. 원자로 냉각재 루프는 적절하게는, 필요에 따라, 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄, 강철이나 그 밖의 철계 혹은 비철계 합금, 또는 티타늄 혹은 지르코늄계 합금으로 이루어지거나, 또는 그 밖의 금속이나 합금으로 이루어지거나, 또는 그 밖의 구조용 재료 혹은 복합 재료로 이루어질 수 있다.

몇몇 실시예에서, 특정 용도의 열교환기(16)는, 전기 발생 스테이션(20) 내의 전기 터빈 발전기(18) 등과 같은 기계류를 회전시키기 위한 원동력으로서 제공되는 증기를 발생시키는 증기 발생기일 수 있다. 이러한 경우에, 핵분열로 노심 집합체(100)는 적절하게는 높은 운전 압력과 온도(예컨대 1,000 K를 상회하는 정도의 온도)로 운전되며, 증기 발생기에서 발생되는 증기는 과열된 증기일 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 용도의 열교환기(16)는 낮은 압력과 온도의 증기(즉, 과열되지 않은 증기일 필요는 없음)를 발생시키는 임의의 증기 발생기일 수 있고, 핵분열로 노심 집합체(100)는 약 500 K 미만의 온도로 작동된다. 이러한 경우에, 특정 용도의 열교환기(16)는 공정 열을, 해수 담수화 등과 같은 용도에 혹은 바이오매스를 증류에 의해 에탄올 등으로 처리하는 데에 제공할 수 있다.

선택적인 원자로 냉각재 펌프(22)는 원자로 냉각재를 핵분열로 노심 집합체(100)와 특정 용도의 열교환기(16)에 순환시킨다. 상기 예시적인 실시예는 펌프 와 중력 기반 순환를 제시하지만, 다른 기법은 펌프 혹은 순환 구조를 이용하지 않을 수 있고, 혹은 그렇지 않으면 기하학적으로 유사한 것에 제한되지 않을 수 있다는 점을 유의하라. 핵분열로 노심 집합체(100)가 특정 용도의 열교환기(16)와 대략 수직 방향으로 동일 평면 상에 위치하는 경우에는, 열 유발 헤드(수두)가 발생되지 않도록, 원자로 냉각재 펌프(22)를 마련하는 것이 적절하다. 또한, 핵분열로 노심 집합체(100)가 지하에 위치하는 경우에도, 원자로 냉각재 펌프(22)가 마련될 수 있다. 그러나, 핵분열로 노심 집합체(100)가 지하에 위치하거나, 핵분열로 노심 집합체(100)가 특정 용도의 열교환기(16)의 아래에 수직 방향으로 간격을 두고 있는 임의의 방식으로 위치하는 경우에는, 원자로 압력 용기(12)에서 나가는 원자로 냉각재와, 이 원자로 압력 용기(12)에서 나가는 원자로 냉각재보다 온도가 낮은 특정 용도의 열교환기(16)에서 나가는 원자로 냉각재 사이에서, 열 유발 헤드가 발생될 수 있다. 충분한 열 유발 헤드가 존재하는 경우에는, 출력 운전 중에 원자로 냉각재를 핵분열로 노심 집합체(100)에 충분히 순환시켜 핵분열로부터의 열을 제거하기 위해, 원자로 냉각재 펌프(22)를 마련하지 않아도 된다.

몇몇 실시예에서는, 원자로 냉각재 루프(14)를 하나 이상 마련하여, 냉각재 상실 사고(LOCA), 유동 상실 사고(LOFA), 또는 1차 내지 2차 누설 등과 같은 불의의 사고를 대비해, 나머지 원자로 냉각재 루프(14) 중 어느 하나에 중복성을 부여할 수 있다. 각 원자로 냉각재 루프(14)는 대개 최대 출력 운전에 대해 그 규격이 정해지지만, 이러한 제한은 몇몇 용례에서 없을 수 있다.

몇몇 실시예에서는, 원자로 냉각재 차단 밸브 등과 같은 일순(一瞬) 폐쇄 부(24)가 원자로 냉각재 루프(14)에 마련된다. 마련된 각 냉각재 루프(14)에서는, 원자로 압력 용기(12)로부터의 유출 라인과, 특정 용도의 열교환기(16)의 유출구로부터 원자로 압력 용기(12)로의 회귀 라인에, 일순 폐쇄부(24)가 마련된다. 일순 폐쇄부(24)는 원자로 냉각재에 핵분열 생성물이 상당량 혼입되었음을 탐지한 것 등과 같은 비상 상황 하에서 빠르게 차단되는 급속 작동식 폐쇄부이다. 일순 폐쇄부(24)는 통상적인 자동 밸브(도시 생략)의 중복 시스템에 추가하여 마련된다.

원자로 정지 이후의 열(붕괴열)을 제거하기 위해 열 덤프 열교환기(26)가 마련되어 있다. 열 덤프 열교환기(26)는 붕괴열 제거 냉각재를 핵분열로 노심 집합체(100)에 순환시키도록 구성된 1차 루프를 포함한다. 열 덤프 열교환기(26)는 공학적으로 설계된 열 덤프 열관 망(도시 생략)에 결합된 2차 루프를 포함한다. 몇몇 상황에서는, 예컨대 예비용으로, 하나 이상의 열 덤프 열교환기(26)가 마련될 수 있다. 이렇게 마련된 열 덤프 열교환기(26) 각각은, 붕괴열 제거 냉각재 펌프를 필요로 하지 않는 붕괴열 제거 냉각재의 자연적인 유동을 허용하기에 충분한 열 유발 헤드가 제공되도록, 핵분열로 노심 집합체(100)의 위에 소정의 수직 방향 거리를 두고 위치할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서는 붕괴열 제거 펌프(도시 생략)가 마련될 수 있고, 혹은 마련된다면, 원자로 냉각재 펌프가 적당한 곳에서 붕괴열 제거용으로 사용될 수 있다.

핵분열로(10)의 예시적인 실시예를 개략적으로 설명하였으므로, 그 밖의 실시예와 양태를 살펴본다. 우선, 핵분열로 노심 집합체(100)의 실시예와 양태를 살펴본다. 먼저, 핵분열로 노심 집합체(100)와 그 핵공학적 기술, 그리고 핵분열 폭 연 파동의 전파를 개략적으로 설명한 후에, 핵분열로 노심 집합체(100)의 예시적인 실시예와 그 밖의 양태를 설명한다.

개략적이고 보편적인 관점에서, 핵분열로 노심 집합체(100)의 구조재는 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 또는 탄소 복합재, 세라믹 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 재료는 핵분열로 노심 집합체(100)의 운전 온도가 높기 때문에 적합하며, 최대 출력 운전시 상정되는 수명에 걸쳐서의 내크리프성과, 기계 가공성, 그리고 내식성 때문에 적합하다. 구조재는, 단일 재료로 이루어질 수 있고, 혹은 재료의 조합(예컨대, 코팅, 합금, 다층, 복합재 등)으로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 핵분열로 노심 집합체(100)는, 알루미늄(Al), 강철, 티타늄(Ti) 등과 같은 다른 재료가 단독으로 혹은 조합으로 구조재 용도로 사용될 수 있도록, 충분히 낮은 온도에서 운전된다.

핵분열로 노심 집합체(100)는 좁은 핵분열 점화기 영역과 넓은 핵분열 폭연 파동 전파 영역을 갖는다. 핵분열 폭연 파동 전파 영역은 적절하게는 토륨 또는 우라늄 연료를 수용하며, 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 증식의 일반적인 원리에 따라 기능한다. 몇몇 실시예에서는, 국부적인 중성자속을 규제하여 국부적인 출력 생산을 제어하는 이하에 상세히 설명하는 자동 온도 조절 모듈에 의하여, 핵분열로 노심 집합체(100)가 전체적으로 균일한 온도로 유지된다.

핵분열 연료의 효율적인 이용과 동위원소 농축 요건의 최소화라는 이유 때문에, 핵분열로 노심 집합체(100)는 적절하게는 증식로이다. 또한, 이제 도 1b와 도 1c를 참조해 보면, 열중성자에 대한 핵분열 생성물의 흡수 단면적이 커서, 우라늄 을 연료로 하는 실시예에서는 핵분열 생성물을 제거하지 않고서는 약 1% 초과의 토륨을, 또는 보다 많은 우라늄 동위체(U ²³⁸ )를 이용할 수 없게 되므로, 핵분열로 노심 집합체(100)는 적절하게는 고속 중성자 스펙트럼을 이용한다.

도 1b에서는, Th ²³² 를 연료로 하는 실시예의 경우에 관심 대상인 지배적인 중성자 기반의 원자핵 반응에 대하여, 단면적을 10 ^-3 내지 10 ⁷ eV의 중성자 에너지 범위에 걸쳐서 그래프로 나타내고 있다. 핵분열 생성물 핵자에서의 방사 포획에 대한 손실이, 접근 열에너지(∼0.1 eV)에서는 중성자 경제를 지배하지만, 공명 포획 영역(∼3-300 eV)보다 높은 영역에서는 비교적 무시해도 좋을 정도라는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 핵원료성 물질에서 핵분열성 물질로의 전환 이득이 높은 증식로를 구현하고자 하는 경우에 고속 중성자 스펙트럼을 이용하여 운전하면, 연료 재생 이용(핵분열 생성물의 주기적인 혹은 연속적인 제거)을 배제하는데 기여할 수 있다. 도시된 핵분열 생성물에 있어서의 방사 포획 단면적은, 무시해도 좋을 정도의 베타 붕괴를 이후에 겪게 되는 중성자 유도 핵분열에 기인한 원자번호(Z)가 중간인 핵자에 있어서의 방사 포획 단면적이다. 핵분열로 노심 집합체(100)의 실시예의 폭연 파동 중앙부에 있는 핵분열 생성물은 약간의 붕괴를 겪게 되어, 중성자 결합 활성이 다소 높아질 것이다. 그러나, 이러한 붕괴의 정확한 정도에 노심 연료 연소의 결과가 영향을 받지 않는 것으로, 파라미터 분석에 나타나 있다.

도 1c에서는, Th ²³² 를 연료로 하는 실시예의 경우에 주요 관심 대상인 지배적 인 중성자 기반의 원자핵 반응에 대하여, 도 1c의 상부에 단면적을 중성자 에너지 범위 중에서 가장 관심있는 부분인 10 ⁴ 내지 10 ^6.5 eV 사이에 걸쳐서 그래프로 나타내고 있다. 핵분열로(10)의 실시예의 중성자 스펙트럼은 ≥10 ⁵ eV의 중성자 에너지 영역에서 최대값에 도달한다. 도 1c의 하부에는, 핵원료성 물질에서 핵분열성 물질로의 증식 단계(그 결과, U ²³⁸ 에 의한 중성자 포획시의 U ²³⁹ -Np ²³⁹ -Pu ²³⁰ 베타 붕괴 연쇄 반응과 유사하게, Th ²³³ 은 Pa ²³³ 으로 빠르게 베타 붕괴되고, 그 후에 Pa ²³³ 은 U ²³³ 으로 비교적 느리게 베타 붕괴됨)에서, 상기 단면적 대 Th ²³² 에서의 중성자 방사 포획 단면적에 대한 중성자 에너지의 비가 포함되어 있다.

핵분열 생성물에서의 방사 포획에 대한 손실은 주요한 중성자 에너지의 영역에 걸쳐서 비교적 무시해도 좋을 정도이고, 게다가 Ta 등과 같은 고성능 구조재의 수십 퍼센트의 원자 분량은 핵분열로 노심 집합체(100)의 중성자 경제에 있어서 허용 가능한 부하라는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이러한 데이터는, 50%를 상회하는 노심의 평균 연료 연소율이 구현될 수 있으며, 반응성이 핵분열 생성물 축적에 의해 결국 음의 값이 되는 경우, 핵분열 폭연 파동 이후의 핵분열 생성물 대 핵분열성 원자의 비가 약 10:1일 것임을 시사한다.

핵분열 폭연 파동의 화염면의 발생과 전파

이제, 핵분열로 노심 집합체(100) 내에서의 핵분열 폭연 파동을 설명한다. 가연성 물질을 통한 폭연 파동의 전파는 예측 가능한 레벨의 출력을 방출할 수 있 다. 또한, 재료의 구성이 필요한 시불변 특징을 갖는다면, 뒤이은 출력 생산은 안정적인 수준으로 이루어질 수 있다. 끝으로, 폭연 파동의 전파 속도가 실질적으로 외부 변조될 수 있다면, 에너지 방출률과 그에 따른 출력 생산은 원하는 대로 제어될 수 있다.

여러 가지 이유로, 정상 상태의 핵분열 폭연 파동은 일반적으로 전력 발생 등과 같은 출력 생산에 적합하지 않다. 또한, 핵분열 연료의 초기 구성이 파동 전파의 최초 단계 동안에 에너지 방출의 유체학적 결과로서 흩어지는 것을 막아야 하기 때문에, 핵분열 폭연 파동은 사실상 드물다.

그러나, 핵분열로 노심 집합체(100)의 실시예에서는, 압력이 실질적으로 그 온도와 무관하여 그 유체학적 거동이 실질적으로 '클램프(clamp)'되는 핵분열성 연료에서, 핵분열 폭연 파동은 발생된 후 아음속으로 전파될 수 있다. 핵분열로 노심 집합체(100) 내에서 핵분열 폭연 파동의 전파 속도는, 예컨대 핵분열로(10)의 실시예와 유사한 전기 생산 반응기 시스템 등에서, 대규모 민간 발전에 도움이 되는 방식으로 제어될 수 있다.

핵분열 폭연 파동의 핵공학적 기술을 이하에서 설명한다. 악티늄족 원소의 선택된 동위원소(핵분열성 동위원소)의 핵분열을 임의의 에너지 중성자의 포획에 의해 일으키면, 원자핵 결합 에너지를 임의의 재료 온도(임의의 낮은 온도 포함)에서 방출할 수 있게 된다. 실질적인 임의의 악티늄족 동위원소의 핵분열 의해 포획된 중성자당 평균 하나 이상의 중성자가 방출되면, 그 재료에서 기본적으로 중성자에 의해 중개된 핵분열 연쇄 반응이 발산하는 형태로 이루어질 가능성이 있다. 몇 몇 악티늄족 동위원소의 핵분열에 의해 (평균적으로, 소정 중성자 에너지 범위에 걸쳐서) 포획된 중성자당 둘 이상의 중성자가 방출되면, 최초 중성자 포획에 의해 우선 핵분열성이 없는 동위원소의 원자를 (중성자 포획과 이후의 베타 붕괴를 통해) 핵분열성 동위원소의 원자로 전환한 후, 새롭게 생성된 핵분열성 동위원소의 핵자를 두 번째 중성자 포획시에 중성자 핵분열하는 것이 기본적으로 실현 가능해진다.

실제로 원자번호(Z)가 매우 높은(Z≥90) 핵종은, 소정의 핵분열 이벤트로부터 나온 하나의 중성자가 핵분열성은 없지만 핵원료성을 갖는 핵자에서 방사 포획될 수 있고, 이어서 이 핵자가 (예컨대 베타 붕괴를 거치면서) 핵분열성 핵자로 전환되며, 이 핵분열성 핵자에 동일한 핵분열 이벤트로부터 나온 또 하나의 중성자가 포획되어 분열을 유도할 수 있다면, 연소될 수 있다. 특히, 전술된 시스템 중 어느 것이든 정상 상태라면, 소정 재료에서 핵분열 폭연 파동을 전파시키기 위한 충분 조건이 충족될 수 있다.

핵원료성 핵자를 핵분열성 핵자로 전환하는 과정에서의 베타 붕괴로 인하여, 파동 진행의 특성 속도는 대략, 중성자가 핵분열 탄생에서부터 핵원료성 핵자에서의 방사 포획까지 이동하는 거리 대 핵원료성 핵자에서부터 핵분열성 핵자에 이르게 하는 베타 붕괴의 (연쇄 반응에서 가장 오래 남아있는 핵자의) 반감기의 비이다. 정규 밀도의 악티늄족 원소에 있어서 이러한 핵분열 중성자가 이동한 특성 이동 거리가 약 10 ㎝이고, 가장 중요한 경우에서의 베타 붕괴의 반감기가 10 ⁵ ∼10 ⁶ 초 이므로, 파동의 특성 속도는 10 ^-4 ∼10 ^-7 ㎝/sec이고, 핵폭발 파동의 속도는 10 ^-13 ∼10 ^-14 ㎝/sec이다. 이러한 "초저속의" 진행 속도를 통해, 상기 파동은 폭발 파동이 아니라 폭연 파동이라는 것이 명백해진다.

폭연 파동은 매우 느리게 전파될 뿐만 아니라 매우 안정적으로 전파된다. 이러한 파동이 빨라지려고 한다면, 파동 중앙의 훨씬 앞에서 핵분열성 핵자의 농도가 급격히 낮아지므로, 상기 파동의 전연(前緣)이 항상 순수한 (핵공학적 관점에서 손실이 매운 큰) 핵원료성 물질과 만나고, 이에 따라 파동의 전연(본원에서는 "화염면"이라 함)이 속도를 잃는다. 이와는 반대로 파동이 느리지만, 연속적인 베타 붕괴에서 발생하는 핵분열성 핵자의 국부적인 집중이 증가한다면, 핵분열 및 중성자 생성의 국부적인 속도가 상승하고, 파동의 전연, 즉 화염면이 빨라진다.

결국, 파동이 전파되고 있는 초기 핵원료성 물질의 구성의 모든 부분으로부터 핵분열과 관련된 열을 신속하게 충분히 제거한다면, 중성자와 핵분열 핵자 모두의 온도가 약 1 MeV이더라도, 임의의 낮은 재료 온도에서 전파가 일어날 수 있다.

이와 같은 핵분열 폭연 파동의 발생 및 전파를 위한 조건은 쉽게 입수할 수 있는 재료에 의해 구현될 수 있다. 악티늄족 원소의 핵분열성 동위원소는 악티늄족 원소의 핵원료성 동위원소에 비해 절대적 및 상대적으로 지각(地殼)에서 희귀하지만, 핵분열성 동위원소는 농축, 농후화 및 합성될 수 있다. 핵분열 폭발 파동의 발생 및 전파에 있어서, 예컨대 U ²³⁵ 및 Pu ²³⁹ 등과 같은 자연 발생적 동위원소 및 인공 동위원소 각각을 사용하는 것은 잘 알려져 있다.

(도 1b 및 도 1c에 도시된) 적절한 중성자 단면적에 대한 고찰에서는, 파동에서의 중성자 스펙트럼이 '강력'하거나 '빠른' 것이면, 핵분열 폭연 파동이, 예컨대 Th ²³² 또는 U ²³⁸ 등과 같은 자연 발생적 악티늄족 원소로 이루어진 노심의 많은 부분을 연소시킬 수 있음을 시사한다. 즉, 파동에 있어서 연쇄 반응을 유지시키는 중성자가 갖는 에너지가, 중성자가 초기 핵분열 조각으로부터 나올 때 갖는 에너지인 약 1 MeV에 비해 너무 작지 않다면, (1몰의 핵분열성 물질이 2몰의 핵분열 생성물 핵자로 핵분열 전환된다는 것을 상기해 보면) 핵분열 생성물의 국부적인 질량 분율이 핵원료성 물질의 국부적인 질량 분율과 비슷하여질 때, 시공간적으로 국부적인 중성자 경제에 대한 비교적 큰 손실을 막을 수 있다. 바람직한 고온 특성을 갖는, 예컨대 Ta 등과 같은, 통상의 중성자 원자로의 구조재에 대한 중성자 손실조차도, 중성자 에너지가 ≤ 0.1 MeV 일 경우에 실제화될 수 있다.

다른 고려 사항은, 입사 중성자 에너지에 따른 핵분열의 중성자 다중성의 편차(ν)와, 전체 중성자 포획 중에서 [감마(γ)선 만을 방출하는 것이 아니라] 핵분열을 초래하는 중성자 포획의 비율이다. 핵분열로 노심 집합체(100)의 핵분열성 동위원소 각각에 대해, 노심으로부터의 중성자 누출이나, 또는 노심 본체 내에서의 (예컨대 핵분열 생성물에서의) 기생 흡수가 없는 경우, 함수 α(ν-2)의 대수 부호는, 전체 핵분열성 동위원소의 질량 공급량과 비교한, 핵원료성 물질에서의 핵분열 폭연 파동 전파의 실행 가능성에 관한 필요 조건을 구성한다. 대수 부호는, 핵분열 중성자 에너지가 위로는 약 1 MeV에서부터 아래로는 공명 포획 영역에 이르는, 중요한 핵분열성 동위원소 모두에 대하여 대개 양의 부호이다.

물리량[α(ν-2)/ν]은, 핵분열에 의해 생성된 전체 중성자 중에서, 폭연 파동 전파 동안의 기하학적 발산성, 기생 흡수, 또는 누출로 인하여 상실될 수 있는 중성자의 비율의 상한을 정한다. 실제 중요한 실질적으로 감속되지 않은 모든 악티늄족 동위원소의 구성에서 보편적으로 나타나는 중성자 에너지의 범위(약 0.1∼1.5 MeV)에 걸쳐서, 주요 핵분열성 동위원소에 대한 상기 비율이 0.15∼0.30임을 유의하라. (고온) 열에너지를 갖는 중성자에서 보편적으로 나타나는 상황인, 핵분열 생성물로 인한 기생 손실이 핵원료성에서 핵분열성으로의 전환의 기생 손실을 10 ^1∼1.5 배 만큼 능가하는 상황과는 달리(도 1c 참조), 0.1∼1.5 MeV의 중성자 에너지 범위에 걸쳐서, 핵원료성 동위원소에서의 포획에 의한 핵분열성 원소 발생은 핵분열 생성물 포획에 비해 10 ^0.7∼1.5 배 만큼 선호된다. 전자(前者)는, 핵원료성에서 핵분열성으로의 전환이 열중성자 에너지에서 혹은 그 근방에서 1.5∼5%의 정도까지만 가능함을 시사하고 있는 반면에, 후자(後者)는, 핵분열 에너지의 중성자 스펙트럼에 근접한 경우에 50%를 상회하는 전환이 예상될 수 있음을 시사하고 있다.

핵분열 폭연 파동의 전파를 위한 조건을 고려하였을 때, "자기 반사형" 악티늄족 원소가 매우 많이 형성되는 경우, 중성자 누출을 실질적으로 무시할 수 있다. 도 1c와, 악티늄족 원소의 핵자에 완전히 확산시키는 것에 의한 중성자 감속의 분석 평가를 참조해 보면, 비교적 지각에 풍부한 두 가지 타입의 악티늄족 원소, 즉 각각 자연 발생적 토륨 및 우라늄의 독보적이고 중요한(즉, 가장 오래 남아있는) 동위원소 성분인 Th ²³² 및 U ²³⁸ 이 충분히 많이 형성되어 있을 때, 폭연 파동 전파가 이루어질 수 있음을 알게 될 것이다.

구체적으로, 이러한 악티늄족 동위원소에 있어서 중성자 이동은, 중성자 에너지가 0.1 MeV에 훨씬 못미치게 줄어들기 전에 (그리고, 그 결과 핵분열 생성물 핵자에서의 포획에 대한 가능성을 무시할 수 없는 상태가 될 수 있기 전에), 핵원료성 동위원소 핵자에서의 포획 또는 핵분열성 동위원소의 핵분열 중 어느 하나를 초래할 것이다. 도 1b를 참조해 보면, 핵분열 생성물 핵자의 농도는 핵원료성 물질의 농도를 훨씬 상회하여야 하고, 핵분열성 원자핵은 그 양이 문제시되기 이전에, 그 농도가 핵분열 생성물 또는 핵원료성 물질 중에서 더 적은 것보다 더 적은 크기일 수 있음을 알게 될 것이다. 적절한 중성자 확산 단면적의 고찰에서는, 중성자 분열을 일으키기 위해 악티늄족 원소가 실질적으로 매우 농밀하게 충분히 넓은 범위에 걸쳐 있는, 즉 자기 반사되는, 악티늄족 원소로 이루어진 직원기둥형 구조는, 반경방향 치수로서의 밀도-반경의 곱이 》200 gm/㎠일 것이고, 즉 고체 밀도의 U ²³⁸ -Th ²³² 의 반경이 》10∼20 ㎝일 것이라는 것을 시사한다.

한 예로서, 15 ㎝의 C ¹² (예컨대 흑연)의 환형 쉘이 위에 덮여 있는 반경이 25 ㎝인 고체 밀도의 Th ²³² 의 원기둥은, 초기에 존재하는 Th ²³² 의 연소율을 ≥70%로 하면서, 핵분열 폭연 파동을 전파할 수 있다는 것이, 연구 결과에 나타나 있다. 또한, 상기 Th ²³² 를 반밀도의 U ²³⁸ 로 대체하면, (도 1c를 면밀히 살펴보면 예상되는 바와 같이) ≥80%의 핵원료성 동위원소 연소율이 구현됨에도 불구하고, 유사한 결과를 낼 수 있다는 것이, 연구 결과에 나타나 있다.

증식 및 연소 파동의 '국부적인' 기하구조에 있어서 기본적인 조건은, 연소파에 의한 노심에서의 국부적인 분열 과정에 이르기까지의 과잉 중성자의 중성자속 이력이, 평균 자유 경로가 1∼2인 밀도의 핵분열성 원자를 아직 연소되지 않은 연료로 일관성 있게 적어도 재생시키기에 양적으로 충분해야 한다는 것이다. 연소파에 뒤이어 나타나는 '재'는, 그 핵분열 조각의 중성자 반응성이 누출량 이외에도 구조물의 기생 흡수와 핵분열 생성물의 재고량에 의하여 정확히 평형을 이루게 되므로, 전술한 계산 개요에서 실질적으로 '중성자공학적으로 중성'이다. 파동이 전파될 때 파동의 중앙과 그 바로 앞에서의 핵분열성 원자 재고량이 시간과 더불어 변화하지 않는다면, 이 파동은 매우 안정적으로 거동하고 있는 것이며, 만약 상기 핵분열성 원자 재고량이 줄어든다면, 이 파동은 '사라져가고 있는' 것인 반면에, 만약 상기 핵분열성 원자 재고량이 늘어난다면, 이 파동은 '빨라지고 있는' 것이라고 할 수 있다.

따라서, 핵분열 폭연 파동은, 자연 발생적 악티늄족 동위원소가 형성되어 있을 때, 실질적인 정상 상태 조건으로 오랜 시구간 동안 전파 및 유지될 수 있다.

이상의 설명에서는, 비제한적인 예로서, 직경이 1 미터 미만 가량인 천연 우라늄 또는 토륨 금속의 원기둥을 고려하였는데, 만약 효과적인 중성자 반사체가 이용된다면 상기 원기둥은 그 직경이 실질적으로 더 작을 수 있으며, 임의의 큰 축방향 거리에 걸쳐서 안정적으로 핵분열 폭연 파동을 전파할 수 있다. 그러나, 핵분 열 폭연 파동의 전파는 원기둥, 대칭의 기하구조, 또는 단독 연결형 기하구조에 국한되는 것으로 이해되어서는 안된다. 이 때문에, 이하에서 핵분열로 노심 집합체(100)의 다른 기하구조의 추가적인 실시예를 설명한다.

핵분열 폭연 파동의 전파는 핵분열로(10)의 실시예와 밀접한 관계를 갖고 있다. 첫 번째 예로서, 폭연 파동의 중성자 경제에서 용납될 수 있는 비용으로, 국부적 재료 온도의 피드백을 국부적 원자핵 반응율에 부가할 수 있다. 이러한 중성자 반응성의 큰 부(負)의 온도 계수는, 폭연 파동의 진행 속도를 제어하는 능력을 제공한다. 연소 연료로부터 끌어내어지는 화력이 매우 적다면, 연소 연료의 온도가 상승하여 온도 의존적 반응성이 떨어지고, 이에 대응하여 파동 중앙에서의 핵분열율이 줄어들며, 시간 의존적 파동 방정식은 매우 적은 축방향 진행율만을 반영한다. 이와 마찬가지로, 화력 제거율이 크면, 재료 온도가 내려가고 중성자 반응성이 커지며, 파동 내부의 중성자 경제가 비교적 쇠퇴하지 않게 되고, 파동은 축방향으로 비교적 빠르게 진행한다. 핵분열로 노심 집합체(100)의 실시예 내에서 온도 피드백의 예시적인 실행에 관한 세부 사항을 이하에서 설명한다.

핵분열 폭연 파동의 전파와 핵분열로(10)의 실시예의 밀접한 관계의 두 번째 예로서, 핵분열로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중의 일부가 이용될 수 있다. 예를 들어, 국부적 재료 온도의 자동 온도 조절 모듈은, 핵분열로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중에서 약 5∼10%를 사용할 수 있다. 핵분열로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중에서 다른 ≤10%는, 핵분열로(10)의 구조용 부품에 이용되는 고성능, 고온의 구조재(예컨대, Ta, W, 또는 Re 등)에 의해 비교적 다량으로 기생 흡수됨에 따라 상실될 수 있다. 이러한 상실은, 전기로의 전환에 있어서 ≥60%의 열역학적 효율을 구현하고 높은 시스템 안전 성능 지수를 얻기 위하여 발생한다. Ta, W 및 Re 등과 같은 상기 구조재의 원자번호(Z)는 악티늄족 원소의 원자번호의 약 80%이고, 따라서 상기 구조재의 고에너지 중성자에 대한 방사 포획 단면적은, 도 1b 및 도 1c에 Ta와 관련하여 나타나 있는 바와 같이, 악티늄족 원소의 방사 포획 단면적에 비해 그다지 작지 않다. 핵분열로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중에서 마지막 5∼10%는 핵분열 생성물에서 기생 흡수됨에 따라 상실될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 전체 핵분열 중성자 생산량 중의 약 7/10이 누출 및 급격한 기하학적 발산이 없을 시에 폭연 파동의 전파를 유지시키기에 충분하다는 것은, 중성자 경제가 충분히 부유하다는 특징을 잘 보여준다. 이는, 설계 및 운전에 있어서 중성자 경제의 규율이 엄격해야만 하는, 저농축 연료를 이용하는 (고온) 열중성자 동력로와 뚜렷한 대조를 이루고 있다.

핵분열 폭연 파동의 전파와 핵분열로(10)의 실시예의 밀접한 관계의 세 번째 예로서, 핵분열 폭연 파동의 특징인 초기 악티늄족 원소 연료 재고량의 (약 50% 내지 약 80% 정도의) 높은 연소율로 인해, 채굴된 연료를 (게다가 재처리를 필요로 하지 않으면서) 고효율로 사용할 수 있게 된다. 이제 도 1d 내지 도 1h를 참조해 보면, 최대 원자로 출력이 1/3 세기의 시구간에 걸쳐서 요구되는 시나리오에서, 핵분열 폭연 파동의 발생(본원에서 "핵분열 점화"라고도 함)에 뒤이은, 원자로의 운전 수명 동안의 등간격 시기에 있어서, 핵분열로 노심 집합체(100)의 실시예의 연료 장전부의 특징이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는, 2개의 핵분열 폭연 파 동면이 [핵분열로 노심 집합체(100)의 중앙 부근의] 발원점(28)으로부터 핵분열로 노심 집합체(100)의 단부를 향해 전파된다. 핵분열로 노심 집합체(100)의 연료 장전부의 완전 점화에 뒤이은 여러 시점에 있어서, 핵분열 폭연 파동의 쌍의 전연의 대응 위치가 도 1d에 나타내어져 있다. 도 1e, 도 1f, 도 1g 및 도 1h는, 세로 좌표의 값으로서, 여러 동위원소 성분의 질량[축방향 노심 길이(㎝)당 총 질량(kg)]을 대표적인 근접축 영역과 표시된 축방향 위치에서의 연료 비출력(W/g)의 세트로 보여주고, 이와 대비하여, 가로 좌표의 값으로서, 핵분열 점화 이후의 대략적인 시기, 즉 약 7.5년, 15년, 22.5년 및 30년에 있어서, 예시적이고 비제한적인 10 미터 길이의 연료 장전부를 따라서의 축방향 위치를 보여준다. 발원점(28)(도 1d 참조)으로 나타내어진 핵분열 점화기 모듈이 존재하기 때문에, 중앙에서 섭동(攝動)이 일어난다.

화염면의 뒤에 있는 가장 강렬한 연소 영역에서의 중성자속은, 화염면의 전연에 있는 핵분열성 동위원소 풍부 영역을 증식시켜, 핵분열 폭연 파동을 진행시키는 역할을 한다는 점을 주목하게 될 것이다. 핵분열 폭연 파동의 화염면이 소정 질량의 연료를 휩쓸고 간 후에는, 중성자의 방사 포획이 핵분열 생성물 핵자에서보다는 가용 핵원료성 핵자에서 일어날 가능성이 훨씬 더 높고, 진행 핵분열이 점점 더 큰 질량의 핵분열 생성물을 발생시키는 한, 핵분열성 원자 농도가 계속 상승한다. 임의의 소정 시기에서도, 원자력 생산 비중은 연료 장전부의 상기 영역에서 가장 크다. 또한, 예시된 실시예에서, 점화기 모듈의 좌우측에 있는 자동 온도 조절 유닛의 작동을 서로 약간 다른 두 가지 타입으로 달리하면, 그 결과 그에 대응 하게 출력 생산 레벨이 약간 달라진다는 점을 주목하게 될 것이다.

다시 도 1d 내지 도 1h를 참조해 보면, 핵분열 폭연 파동의 진행 화염면의 훨씬 뒤에서는, 핵분열 생성물 핵자(그 질량은 평균적으로 핵분열성 핵자의 질량의 절반에 근접함)와 핵분열성 물질의 농도비가, 핵분열성 물질과 핵분열 생성물의 방사 포획 단면적의 비에 필적하는 값까지 오르며(도 1b 참조), 그 결과 "국부적인 중성자 반응성"이 약간 음성을 띠게 되고, 도 1e, 도 1f, 도 1g 및 도 1f를 서로 비교해 보면 인지하게 되듯이, 핵분열 폭연 파동의 화염면으로부터 멀리 뒤떨어진 곳에서 연소와 증식 모두가 실질적으로 중지된다는 것을 확인할 수 있다.

핵분열로(10)의 몇몇 실시예에서는, 핵분열로에서 줄곧 사용되는 모든 핵분열 연료가 핵분열로 노심 집합체(100)를 제조하는 동안에 설치되고, 핵분열 점화 이후에 결코 접근이 허용되지 않는 핵분열로 노심 집합체(100)로부터, 사용후 연료는 결코 제거되지 않는다. 그러나, 핵분열로(10)의 몇몇 다른 실시예에서는, 핵분열 점화 이후에, 추가적인 핵분열 연료를 핵분열로 노심 집합체(100)에 추가한다. 그러나, 핵분열로(10)의 몇몇 다른 실시예에서는, 사용후 연료가 핵분열로 노심 집합체로부터 제거된다[그리고, 몇몇 실시예에서는, 핵분열로(10)의 출력 운전 중에, 사용후 연료를 핵분열로 노심 집합체(100)로부터 제거할 수 있다]. 사용후 연료의 제거 여부와는 무관하게, 장전된 연료를 사전에 팽창시키면, 핵분열 폭연 파동이 악티늄족 '연료'의 임의의 소정 축방향 요소를 휩쓸고 가서 이 요소를 핵분열 생성물 '재'로 전환시킬 때, 연료 요소에서의 전체적인 체적 변화 없이, 고밀도 악티늄족 원소는 저밀도 핵분열 생성물로 대체될 수 있게 된다.

핵분열 폭연 파동의 Th ²³² 또는 U ²³⁸ 연료 장전부로의 발진은, 핵분열성 동위원소가 농축되어 있는 '핵분열 점화기 모듈'을 이용하면 쉽게 이루어진다. 농축도가 높을수록 모듈이 더 컴팩트해지며, 최소 질량의 모듈은 감속재 농도 구배를 이용할 수 있다. 또한, 핵분열 점화기 모듈의 설계는, 부분적으로는 비기술적 과제, 예컨대 재료가 다양한 시나리오로 군사적 용도로 유용되는 것을 억제하는 것 등에 의해 결정될 수 있다. 이러한 모듈로는, U ²³⁸ 내에 U ²³⁵ 를 임의의 양 또는 구성에서 실질적으로 폭발이 일어날 수 없도록 충분히 낮은 농도로, 예컨대 ≤20%로 포함시킨 모듈을 사용할 수 있으며, 이에 비해, 예컨대 기술적으로는 Th ²³² 내에 Pu ²³⁹ 를 포함시킨 모듈이 더 최적의 것이다. 군대 비축량을 이미 초과한 다량의 U ²³⁵ 는 ≥10 ⁴ 개의 상기 핵분열 점화기 모듈의 필요를 충족시키며, 이는 100억의 사람들에게 1인당 킬로와트의 전력을 공급하기에 충분한 핵분열 동력로의 총 재고량에 대응한다.

전술한 실시예의 예시적인 핵분열 점화기는 연소 파동면의 전파를 일으키도록 구성된 핵분열성 물질을 구비하였지만, 다른 기법에서는, 핵분열 점화기가 전술한 반응성 공급원에 추가하여 혹은 그 대신에 다른 타입의 반응성 공급원을 구비할 수 있다. 예컨대, 핵분열 점화기는 "연소 잔화(burning ember)", 예컨대 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로 내에서 중성자에 노출됨으로써 핵분열성 동위원소가 농축되는 핵분열 연료를 구비할 수 있다. 이러한 "연소 잔화"는 다량의 핵분열 생성물 "재"가 존재함에도 불구하고 핵분열 점화기의 역할을 할 수 있다. 예컨대, 핵 분열 점화기는 다음에 중성자를 생기게 할 수 있는 고에너지 이온(예컨대, 양자, 중양자, 알파 입자 등) 또는 전자의 전기 구동형 공급원을 사용하는 중성자 공급원을 포함할 수 있다. 한 가지 예시적인 기법에서는, 이후에 [예컨대, 파쇄(破碎)를 통해] 상기 중성자를 제공할 수 있는 중간 물질에 고에너지 양자를 제공하도록, 선형 가속기 등과 같은 입자 가속기가 배치될 수 있다. 다른 예시적인 기법에서는, 이후에 [예컨대, 원자번호(Z)가 높은 원소의 전기핵분열 및/또는 광핵분열에 의해] 상기 중성자를 제공할 수 있는 중간 물질에 고에너지 전자를 제공하도록, 선형 가속기 등과 같은 입자 가속기가 배치될 수 있다. 별법으로서, 그 밖의 공지의 중성자 방출 과정 및 구조, 예컨대 전기 유도 융합 기법 등이, 중성자(예컨대, DT 융합으로부터의 14 MeV의 중성자)를 제공할 수 있고, 이로써 이 중성자가 상기 핵분열 파동의 전파를 일으킬 수 있다.

연료 장전부와 핵분열 폭연 파동의 핵공학적 기술을 설명하였으므로, 핵분열 폭연 파동의 "핵분열 점화"와 유지에 관련된 더 자세한 사항을 설명한다. U ²³⁵ 등과 같은 핵분열성 물질이 적당히 농축되어 있는 중앙에 위치한 핵분열 점화기는, (예컨대, 운전자가 명령한 전기 가열 등에 의해) 그로부터 중성자 흡수 물질(예컨대, 보로하이드라이드 등)이 분리되어, 핵분열 점화기가 중성자공학적으로 임계 상태가 된다. 국부적인 연료 온도는 설계 설정점까지 상승하고, 그 후에 이 온도는 국부적인 자동 온도 조절 모듈(이하에서 상세히 설명함)에 의해 조절된다. U ²³⁵ 의 고속 핵분열에서 나온 중성자는 처음에는 대부분 소정 구역의 U ²³⁸ 또는 Th ²³² 에 포획 된다.

용해 처리하기 어려운 감속재, 예컨대 흑연 등의 반경방향 밀도 구배를 핵분열 점화기와 이를 인접하여 둘러싸는 연료 영역에 도입함으로써, 핵분열 점화기의 우라늄 농축을 경수로(LWR) 연료의 우라늄 농축에 비해 그다지 크지 않은 수준까지 줄일 수 있음을 인지하게 될 것이다. 감속재 밀도를 높이면 저농축 연료를 충분히 연소시킬 수 있게 되는 반면에, 감속재 밀도를 줄이면 핵분열 증식이 효과적으로 일어날 수 있게 된다. 따라서, 최적의 핵분열 점화기 설계는, 최초 임계 상태로부터 노심의 완전 점화된 연료 장전부에서 최대 규격의 출력을 이용할 수 있게 될 때까지의 기간에 있어서, 핵확산 안정성과 최소 지연 시간 간의 절충을 이루어 내는 것을 수반할 수 있다. 핵분열 점화기의 농축이 줄어들수록 증식 세대가 더 많아지며, 그에 따라 지연 시간이 길어진다.

핵분열로 노심 집합체(100)의 최대(규제되지 않은) 반응성은 핵분열 점화 과정의 첫 번째 단계에서 천천히 줄어드는데, 이는 핵분열성 동위원소의 총 재고량이 단조롭게 증가하지만, 이러한 총 재고량의 공간으로의 분산이 점차 늘어나기 때문이다. 초기 연료의 기하구조, 연료 농축 대 위치, 및 연료 밀도를 선택함으로써, 반응성이 최소값에 이르는 시점에도 약간 양성을 띠도록 최대 반응성을 조정할 수 있다. 증식 영역의 핵분열성 동위원소 재고량이 핵분열 점화기에 남아 있는 동위원소 재고량을 실질적으로 넘어섬에 따라, 바로 그 후에 최대 반응성이 그 최대값을 향해 빠르게 증가되기 시작한다. 이때, 근사 둥근고리형 쉘이 최대 비출력 생산량을 제공한다. 이 시점에서, 핵분열로 노심 집합체(100)의 연료 장전부는 "점 화"되었다라고 한다.

핵분열로 노심 집합체(100)의 연료 장전부가 "점화"되었으므로, 이제 본원에서 "핵분열 연소"라고도 하는 핵분열 폭연 파동의 전파를 설명한다. 최대 비출력 생산량의 구형(球形) 발산 쉘은 핵분열 점화기로부터 연료 장전부의 외면을 향해 방사형으로 계속 진행한다. 상기 구형 발산 쉘이 상기 연료 장전부의 외면에 도달하였을 때, 상기 구형 발산 쉘은 2개의 구면띠 모양의 면으로 자연스럽게 파괴되어, 이들 면은 각각 원기둥의 축을 따라 반대 방향으로 전파된다. 이 시점에, 노심의 화력 생산 잠재력이 최대가 된다. 이러한 획기적 사건은, 축방향으로 전파되는 2개의 핵분열 폭연 파동 화염면의 발진을 특징으로 한다. 몇몇 실시예에서, 노심의 연료 장전부의 중앙이 점화되고, 그에 따라 정반대로 전파되는 2개의 파동이 발생된다. 이러한 구성은, 임의의 소정 시간에 출력 생산이 일어나는 노심의 질량과 체적을 배가시키고, 그에 따라 노심의 최대 비출력 발생을 이중으로 감소시켜, 열 이송 도전을 양적으로 최소화한다. 그러나, 다른 실시예에서, 노심의 연료 장전부는 특정 용례에서의 필요에 따라 일단부에서 점화된다. 다른 실시예에서, 노심의 연료 장전부는 복수의 장소에서 점화될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 노심의 연료 장전부는 특정 용례에서의 필요에 따라 노심 내의 임의의 3차원 위치에서 점화된다. 몇몇 실시예에서는, 2개의 전파(傳播)형 핵분열 폭연 파동이 발생되어 핵분열 점화 장소로부터 멀어지게 전파될 것이지만, 기하구조, 핵분열 연료 조성, 중성자 변형 구조의 제어 작용, 또는 그 밖의 고려 사항에 따라, 다른 수(예컨대, 1, 3, 또는 그 이상)의 핵분열 폭연 파동이 발생 및 전파될 수 있다. 그러나, 이 해를 목적으로, 본원에서는 두 핵분열 폭연 파동 화염면의 전파(이에 한정되는 것은 아님)에 관해 설명한다.

두 폭연 파동이 양단부에 도달하는 두 폭연 파동의 돌파를 거친 이후로는, 원자력 발생의 물리적 특성은 도 1e 내지 도 1h에 예시된 바와 같이 실질적으로 시불변적이다. 파동이 연료를 통해 진행하는 속도는, 국부적인 중성자속에 비례하며, 나아가 핵분열 폭연 파동의 중성자 공급량에 대한 자동 온도 조절 모듈(도시 생략)의 집합 작용에 의하여 핵분열로 노심 집합체(100)에서 요구되는 화력에 일차 종속한다.

노심에 유입되는 저온 냉각재를 통하여 핵분열로에서부터 보다 많은 출력이 요구될 경우, 노심의 양단부(몇몇 실시예에서는 냉각재 입구에 가장 가까운 곳)의 온도는 자동 온도 조절 모듈의 설계 설정점에 약간 못미치게 낮아지고, 이에 의해 중성자 흡수체는 노심의 자동 온도 조절 모듈의 대응하는 아집단으로부터 인출되며, 이에 의해 국부적인 화력 생산량을, 국부적인 재료 온도를 국부적인 자동 온도 조절 모듈의 설정점까지 올리는 수준에 이르게 하도록, 국부적인 중성자속은 증가될 수 있게 된다.

그러나, 상기 두 화염면을 갖는 실시예에서, 이러한 과정은 둘로 나뉘어진 냉각재의 유동이 상기 두 화염면을 향해 이동할 때까지는 냉각재의 가열에 크게 효과적이지 않다. 이때, 이러한 노심의 연료 장전부의 두 부분, 즉 자동 온도 조절 모듈의 중성자 흡수체에 의해 억제되지 않을 경우 상당 수준의 원자력을 생산할 수 있는 두 부분은, 핵분열 연료의 온도가 지나치게 높아지지 않는다면 (노심에 도달 한 냉각재의 온도와는 무관하게) 상기 자동 온도 조절 모듈의 설계 설정점에 의해 특정된 온도까지 냉각재를 가열하는 역할을 한다. 그 후에, 두 냉각재 유동은 이미 연소된 연료의 두 섹션을 지나 두 화염면의 중앙을 향해 이동하여, 잔여 핵분열과 이 잔여 핵분열에서 나오는 여열 화력을 없애는데, 상기 잔여 핵분열과 상기 여열 화력은 모두 연료 장전부의 중앙에서 나가는 것이다. 이러한 구성은, 도 1e 내지 도 1h에 예시된 바와 같이, 주로 각 화염면의 후미로부터 과잉 중성자를 "트리밍(trimming)"함으로써, 두 화염면이 연료 장전부의 양단부를 향해 전파되는 것을 조장한다.

따라서, 노심의 중성자공학적 기술은 실질적으로 자기 규제되는 것으로 고려될 수 있다. 예컨대, 원기둥형 노심 실시예의 경우, 노심의 핵공학적 기술은, 원기둥형 노심의 연료 밀도-반경의 곱이 ≥200 gm/㎠일 때(즉, 상당히 빠른 중성자 스펙트럼의 경우에, 통상적인 구성의 노심에 있어서 중성자 유도 핵분열의 평균 자유 경로가 1∼2일 때), 실질적으로 자기 규제되는 것으로 고려될 수 있다. 이러한 노심 설계에 있어서 중성자 반사체의 주 기능은, 원자로의 외측 부분, 예컨대 원자로의 방사선 차폐물, 구조용 지지체, 자동 온도 조절 모듈, 및 최외측 쉘 등에서 나타나는 고속 중성자의 조사량을 급격히 감소시키는 것이다. 비록 중성자 반사체의 가치는 주로 원자로의 경제적 효율성을 높이는 것에 있지만, 상기 중성자 반사체가 노심의 성능에 미치는 부수적인 영향은, 연료의 최외측 부분에서의 증식 효율 및 비출력을 향상시키는 것이다. 연료 장전부의 바깥 부분은, 전반적인 에너지 효율이 낮아서 사용되지 않지만, 동위원소 연소율의 수준은 연료 장전부의 중앙에 필 적한다.

끝으로, 노심의 중성자 반응성의 비가역적 음성화는, 특정 용도의 열교환기(16)에 이르는 1차 루프(도 1a 참조) 또는 핵분열로(10)(도 1a 참조)를 열 덤프 열교환기(26)(도 1a 참조)에 연결하는 여열 덤프 루프를 통하여, 냉각재 흐름에 중성자 독(毒)을 주입하는 것에 의해 언제라도 수행될 수 있다. 예컨대, 냉각재 흐름에 BF ₃ 등과 같은 물질을, 필요에 따라서는 H ₂ 등과 같은 휘발성 환원제와 함께, 약간 넣으면, 다른 경우에는 느린 화학 반응인 2BF ₃ + 3H ₂ -> 2B + 6HF가 이 반응에서 나타나는 고온에 의해 기하급수적으로 가속됨으로써, 원자로의 노심을 헤지며 나가는 냉각재관의 내벽 상에 실질적으로 균일하게 금속 붕소가 침적될 수 있다. 게다가, 붕소는 용해하기 매우 어려운 반금속이며, 침적 장소로부터 이동하지 않을 것이다. 붕소가 노심에 ＜100 ㎏의 양으로 실질적으로 균일하게 존재하면, 원자로 부근에 동력 기구를 사용하지 않고도, 매우 오랜 기간동안 노심의 중성자 반응성을 음성화할 수 있다.

핵분열로 노심 집합체의 예시적인 실시예 및 양태

이제, 핵분열로 노심 집합체(100)의 예시적인 실시예 및 양태와, 그 안에 배치되는 예시적인 핵분열 연료 장전부를 설명한다.

이제 도 1i를 참조해 보면, 핵분열로 노심 집합체(100)는 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열로에 사용하기에 적합하다. 핵분열로 노심 집합체(100)가 도 1i에 개략적으로 도시된 것으로 인지될 것이다. 이러한 이유로, 핵분열로 노심 집합 체(100)의 형상에 관해서는, 기하학적으로 한정하려는 의도는 없다. 앞서 언급한 바와 같이, 임의의 큰 축방향 거리에 걸쳐서 안정적으로 핵분열 폭연 파동을 전파할 수 있는 천연 우라늄 또는 토륨 금속의 원기둥에 대해 상세히 설명하였다. 그러나, 핵분열 폭연 파동의 전파는 원기둥에, 또는 금속 핵분열 연료에, 또는 순수 우라늄이나 토륨 핵분열 연료 물질에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 다시 강조한다. 이 때문에, 핵분열로 노심 집합체(100)와 그 내부에 배치되는 연료 장전부의 다른 기하구조에 대한 추가적인 실시예를 이하에서 설명한다.

중성자 반사체/방사선 차폐물(120)이 핵분열 연료(130)를 둘러싼다. 핵분열 연료(130)는 핵분열로에서 핵분열을 경험하기에 적절한 물질인 핵분열성 물질이며, 그 예로는 악티늄족 원소 또는 초우라늄 원소가 있다. 전술한 바와 같이, 핵분열 연료(130)용의 핵분열성 물질은 Th ²³² 또는 U ²³⁸ (이에 한정되는 것은 아님)을 포함할 수 있다. 그러나, 후술하는 다른 실시예에서는, 핵분열 연료(130)에 다른 핵분열성 물질이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 핵분열 연료(130)는 연속적인 것이다. 다른 실시예에서, 핵분열 연료(130)는 불연속적인 것이다.

핵분열 점화기(110)는 핵분열 연료(130) 내에서 핵분열 폭연 파동 화염면(도시 생략)을 일으키는 작용을 한다. 핵분열 점화기(110)는 전술한 원리와 세부적인 사항에 따라 구성되고 작동된다. 따라서, 간결을 위해, 핵분열 점화기(110)의 구성과 작동의 세부적인 사항은 그 중복 설명을 생략한다.

이제 도 1J를 참조해 보면, 핵분열 연료(130)(도 1i 참조)가 핵분열 점화 기(110)에 의해 (전술한 방식으로) 점화된 후, 전파 화염면(140)(즉, 전술한 바와 같이 전파되고 있는 핵분열 폭염 파동의 화염면)이 발생되고, 핵분열 연료(130)(도 1i 참조)의 도처에 화살표(144)로 나타내어진 방향으로 전파된다. 전술한 바와 같이, 반응성이 최대화된 영역(150)이 전파 화염면(140) 주변에 형성된다. 전파 화염면(140)은 연소되지 않은 핵분열 연료(154)에서 화살표(144)로 표시된 방향으로 전파되고, 전파 화염면(140)의 뒤에는 핵분열 생성물(164), 예컨대 요오드, 세슘, 스트론튬, 크세논, 및/또는 바륨의 동위원소 등(앞의 설명에서는 "핵분열 생성물 재"라 함)을 포함하는 연소된 핵분열 연료(160)가 남겨진다. 연소된 핵분열 연료와 연소되지 않은 핵분열 연료의 문맥에서, (핵분열 연료에 적용된) 용어 "연소"는, 핵분열 연료의 적어도 일부 성분이 중성자에 의해 중개된 핵분열을 경험한 것을 의미한다. 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면의 문맥에서, 용어 "연소" 및 "연소된"도, 역시 핵분열 연료의 적어도 일부 성분이 "증식"을 경험한 것을 의미하며, 이로써 중성자 흡수에 뒤이어 반감기가 복수 초인 베타 붕괴가 일어나 하나 이상의 핵분열성 동위원소로 전환되고, 이 핵분열성 동위원소는 이후에 중성자에 의해 중개되는 핵분열을 경험할 수도 있고 혹은 경험하지 않을 수도 있다.

따라서, 연소되지 않은 핵분열 연료(154)는, 제1 세트의 중성자 환경 파라미터를 갖는 제1 중성자 환경으로 고려될 수 있다. 이와 마찬가지로, 연소된 핵분열 연료(160)는, 제1 세트의 중성자 환경 파라미터와 다른 제2 세트의 중성자 환경 파라미터를 갖는 제2 중성자 환경으로 고려될 수 있다. 용어 "중성자 환경"은 시간, 공간, 방향 및 에너지에 관한 편차를 포함하는 상세한 중성자 분포에 관한 것이다. 중성자 환경은 복수의 개별 중성자의 집합을 포함하고, 각 개별 중성자는 다른 시간에 다른 위치를 차지할 수 있으며, 각 개별 중성자는 다른 운동 방향과 다른 에너지를 가질 수 있다. 몇몇 상황에서, 원자핵 환경은 이러한 세부적인 특성의 작은 부분 집합에 의해 특징지어질 수 있다. 한 예에서, 작은 부집합은 특정 시간, 공간, 방향 및 에너지 값의 소정 시간, 공간, 방향 및 에너지 범위 내에 있는 모든 중성자의 집합을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 시간, 공간, 방향, 또는 에너지 중 일부의 혹은 전체의 집합은 값 의존성 가중 함수를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 작은 부집합은 방향 및 에너지 값의 전체 범위에 걸쳐서 가중 집합을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 에너지에 대한 집합은 특정 에너지 함수에 의한 에너지 의존성 가중을 포함할 수 있다. 이러한 가중 함수의 예는 재료 및 에너지 의존성 단면적, 예컨대 중성자 흡수 또는 분열을 위한 단면적을 포함한다.

몇몇 실시예에서는, 전파 화염면(140)만이 생겨서 연소되지 않은 핵분열 연료(154)에 전파된다. 이러한 실시예에서, 핵분열 점화기(110)는 원하는 대로 배치될 수 있다. 예를 들어, 핵분열 점화기(110)는 핵분열 연료(130)(도 1i 참조)의 중앙 쪽에 배치될 수 있다. 다른 실시예(도시 생략)에서, 핵분열 점화기(110)는 핵분열 연료(130)의 단부 쪽에 배치될 수 있다.

다른 실시예에서는, 전파 화염면(140)에 추가하여, 전파 화염면(141)이 생겨서 화살표(145)로 표시된 방향을 따라 다른 연료(154)에 전파된다. 반응성이 최대화된 영역(151)이 전파 화염면(141)의 주변에 형성된다. 전파 화염면(141)의 뒤에는 연소된 핵분열 연료(160)와 핵분열 생성물(164)이 남겨진다. 전파 화염면(141) 의 발생 및 전파의 원리와 세부사항은, 전파 화염면(140)에 관하여 전술한 바와 동일하다. 따라서, 간결을 위해, 전파 화염면(141)의 발생 및 전파의 세부적인 사항은 기재하지 않는다.

이제 도 2a를 참조해 보면, 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열로 등과 같은 핵분열로(200)는 그 내부에 핵분열 연료 집합체(210)가 배치된다. 이하에서는, 핵분열로(200)에 사용될 수 있는 예시적인 핵분열 연료 집합체(210)의 세부적인 사항을 상세히 설명한다. 핵분열 폭연 파동 화염면의 발생 및 전파(즉, 핵분열 연료의 "연소")를 비롯한, 핵분열로(200)에 관련된 다른 세부적인 사항은, 핵분열로(10)(도 1a 참조)와 유사하며, 간결을 위해 그 중복 설명을 생략한다.

이제 비제한적인 예로서 주어진 도 2b를 참조해 보면, 일 실시예에서 핵분열 연료 집합체(210)는 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)를 적절히 포함한다. 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는 클래딩(224)으로 덮여 있다. 클래딩(224)은 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)를 덮고 있던 "초기" 클래딩이다. 용어 "사전 연소된"은, 핵분열 연료 집합체의 적어도 일부 성분이 중성자에 의해 중개된 핵분열을 경험하였음을 의미하고, 핵분열 연료의 동위원소 조성이 변경되었음을 의미한다. 즉, 핵분열 연료 집합체를 (빠르거나 혹은 느린) 중성자 스펙트럼 또는 중성자속에 넣었고, 적어도 일부 성분이 중성자에 의해 중개된 핵분열을 경험하였으며, 그 결과 핵분열 연료의 동위원소 조성이 변경되었다. 따라서, 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는, 경수로(이에 한정되는 것은 아님) 등과 같은 임의의 원자로에서 사전에 연소될 수 있다. 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는, 예컨대 천연 토륨, 천연 우라늄, 농축 우라늄과 같은 악티늄족 원소 혹은 초우라늄 원소 등과 같이, 핵분열로에서 핵분열을 경험하기에 적절한 물질이면 어떠한 타입의 핵분열성 물질이라도 제한 없이 포함할 수 있도록 되어 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는 "초기" 클래딩(224)으로 덮이지 않으며, 이러한 실시예에서 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는 핵분열로(200)에서의 사전 연소 이후에 화학적으로 처리되지 않는다.

이제 도 2c를 참조해 보면, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)와 그 "초기" 클래딩(224)은 클래딩(230)으로 덮여 있다. 따라서, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는 초기 클래딩(224) 내에 유지되고, 클래딩(230)은 초기 클래딩(224)의 외부 둘레에 배치된다. 클래딩(230)은 팽창을 용납할 수 있다. 예컨대, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)가 경수로에서 연소된 경우, 초기 클래딩(224)은 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)의 연소율이 약 3%일 때의 팽창을 수용하기에 충분하였다. 한 가지 비제한적인 예에서, 클래딩(230)은 초기 클래딩(224) 둘레의 방위각면, 대칭면, 원기둥면에서 초기 클래딩(224)에 접촉한다. 이러한 구성에 의하면, 초기 클래딩(224)의 적어도 1/2이 초기 클래딩(224)과 클래딩(23) 사이의 빈 공간으로 팽창할 수 있게 되며, 이와 아울러 접촉면을 통해 열을 제거할 수 있게 된다.

몇몇 실시예에서, 클래딩(230)은 전술한 바와 같이 빈 공간으로의 팽창을 용납하는 것을 돕도록 구성된 클래딩 섹션(도시 생략)으로 이루어져 있다. 다른 실시예에서, 클래딩(230)은 초기 클래딩(224)의 외부와 원자로 냉각재(도시 생략) 사 이에, 관 등과 같은 장벽으로서 마련될 수 있다.

몇몇 다른 실시예에서, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는 핵분열 연료 집합체(210)와 같이 핵분열로(200)에서 연소된다. 즉, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)는 클래딩(230)으로 덮이지 않을 수 있다. 이러한 실시예는, 예컨대 경수로에서, 또는 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열로에서, 또는 임의의 다른 형태의 핵분열로에서 연소된 것과 같은, 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)를 연소시키고, 그리고 (a) 팽창으로 인해 초기 클래딩(224)에서 발생 가능한 손상을 견디게 하거나 혹은 이 손상을 용납하도록 계획하며, 또는 (b) 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(220)를 동위원소 고갈에 현저히 못미치는 수준(이 경우 팽창은 용납 가능한 크기일 수 있음)까지 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열로(220)에서 연소시키는 것을 꾀한다.

이제 도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d를 참조하여, 핵분열 연료 구조(310, 320, 330 및 340)의 다른 핵분열 연료 기하구조를 각각 설명한다. 각 핵분열 연료 구조(310, 320, 330 및 340)는 핵분열 점화기(300)를 포함하며, 핵분열 폭연의 전파 파동(302)이 화살표(304)로 나타내어진 방향으로 전파된다.

구형 핵분열 연료 구조(310)(도 3a 참조)에서, 핵분열 점화기(300)는 구형 핵분열 연료 구조(310)의 중앙 쪽에 배치된다. 전파 화염면(302)은, 화살표(304)로 나타내어진 바와 같이 핵분열 점화기(300)로부터 방사방향 외측으로 전파된다.

평행육면체형 핵분열 연료 구조(320)에서, 핵분열 점화기(300)는 원하는 대로 배치된다. 전술한 바와 같이, 두 전파 화염면(302)이 발생되어, 화살표(304)로 나타내어진 방향을 따라 평행육면체형 핵분열 연료 구조(320)의 단부를 향해 전파될 수 있다. 별법으로서, 핵분열 점화기(300)는 평행육면체형 핵분열 연료 구조(320)의 일단부 쪽에 배치될 수 있으며, 이 경우에 하나의 전파 화염면(302)이 발생되어, 화살표(304)로 나타내어진 방향을 따라 평행육면체형 핵분열 연료 구조(320)의 타단부를 향해 전파된다.

토로이드형 핵분열 연료 구조(330)(도 3c 참조)에서, 핵분열 점화기(300)는 원하는 대로 배치된다. 두 전파 화염면(302)이 발생되어, 화살표(304)로 나타내어진 방향을 따라 핵분열 점화기(300)로부터 멀어지게 그리고 서로를 향해 전파될 수 있다. 이러한 경우에, 토로이드형 핵분열 연료 구조(330)는, 전파 화염면(302)이 만나서 전파 화염면(302)의 전파가 멈춰질 수 있을 때, "연소된" 것으로 고려될 수 있다. 별법으로서, 단 하나의 전파 화염면(302)이 발생되어, 화살표(304)로 나타내어진 방향을 따라 토로이드형 핵분열 연료 구조(330) 둘레로 전파된다. 이러한 경우에, 토로이드형 핵분열 연료 구조(330)는, 전파 화염면(302)이 핵분열 점화기(300)의 위치로 되돌아와서 전파 화염면(302)의 전파가 멈춰지거나 혹은 재시작될 수 있을 때, "연소된" 것으로 고려될 수 있다.

다른 실시예에서, 전파 화염면(302)은, 전파 화염면이 토로이드형 핵분열 연료 구조 둘레로 전파되는 동안에, 핵분열 생성물의 제거 또는 붕괴로 인하여 "재시작"된다. 다른 실시예에서, 전파 화염면(302)은 후술하는 바와 같이 중성자 변형 구조의 제어로 인하여 "재시작"된다. 다른 실시예에서, 토로이드형 핵분열 연료 구조(330)는 "기하학적" 환상체가 아니라, 보다 일반적인 오목한 구조를 갖는 "논 리적" 환상체이다.

전술한 바와 같이, 핵분열 폭연 전파 파동의 화염면은 바람직한 임의의 형상을 갖는 핵분열 연료에서 발생되어 전파될 수 있다. 예컨대, 불규칙적인 형상의 핵분열 연료 구조(340)에서는, 핵분열 점화기(300)를 원하는 대로 배치할 수 있다. 전파 화염면(302)은 특정 용례에서 바람직한 대로 발생되어 화살표(304)로 나타내어진 방향을 따라 전파된다.

한 가지 기법에서는, 예컨대 재의 제거, 연료의 추가, 또는 그 밖의 재연소 파라미터에서 기인할 수 있는, 사전 연소된 혹은 변경된 핵분열 연료의 변경된 중성자 운동 등과 같은 운전 파라미터의 임의의 변화에 대해 적절한 열 제어를 제공하도록, 열 관리부를 조정할 수 있다.

이러한 예시적인 기하구조에서, 핵분열 점화기(300)는 앞서 설명한 여러 핵분열 점화기 중의 임의의 것일 수 있다. 핵분열 점화가 일어나는 장소에 핵분열 점화기(300)가 나타내어져 있지만, 몇몇 실시예의 경우에는 중성자 점화기의 추가적인 구성 요소(예컨대, 전기식 중성자 공급원)가 존재할 수 있고, 중성자 점화기가 다른 물리적 위치에 있을 수 있다.

이제 도 4를 참조해 보면, 핵분열 연료 구조(400)는 핵분열 점화기(410)와 핵분열 연료 물질의 불연속적 세그먼트(420)를 포함한다. 핵분열 연료 물질의 불연속적 세그먼트(420)에 대한 핵분열 폭연 파동의 거동은 연속적인 핵분열 연료 물질과 관련하여 전술한 바와 동일하고; 불연속적 세그먼트(420)들이 "중성자공학적으로" 접촉하지만 물리적으로는 접촉하지 않는다는 점만이 결정적이다.

이제 도 5를 참조해 보면, 모듈형 핵분열 연료 노심(500)은 중성자 반사체/방사선 차폐물(510)과 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)를 구비한다. 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)는 연료 집합체 리셉터클(530) 내에 원하는 대로 놓인다.

모듈형 핵분열 연료 노심(500)은 다양한 방식으로 운전될 수 있다. 예컨대, 최초 운전 이전[예컨대, 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)에서 핵분열 폭연 전파 화염면이 처음으로 발생되어 전파되기 이전]에, 모듈형 핵분열 연료 노심(500) 내의 모든 연료 집합체 리셉터클(530)에는 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)가 완전히 채워질 수 있다.

다른 예로서, 핵분열 폭연 파동의 화염면이 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)에 완전히 전파된 후, 이와 같이 "연소된" 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)는 원하는 대로 각각의 연료 집합체 리셉터클(530)로부터 분리되어, 사용하지 않은 모듈형 핵분열 연료 집합체(540)로 교체될 수 있고; 이러한 설치는 화살표(544)로 나타내어져 있다. 핵분열 폭연 파동의 화염면은 사용하지 않은 모듈형 핵분열 연료 집합체(540)에서 발생될 수 있고, 이로써 모듈형 핵분열 연료 노심(500)의 운전을 원하는 대로 지속 혹은 연장시킬 수 있다.

다른 예에서는, 최초 운전 이전에 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)를 모듈형 핵분열 연료 노심(500)에 완전히 채울 필요는 없다. 예를 들어, 연료 집합체 리셉터클(530) 중의 일부를 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)로 채울 수 있다. 이러한 경우에, 모듈형 핵분열 연료 노심(500) 내에 놓인 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)의 수는, 예컨대 모듈형 핵분열 연료 노심(500) 상에 걸리게 되는 전기 부하(와트) 등과 같은 출력 요구량에 기초하여 결정될 수 있다. 핵분열 폭연 파동의 화염면은 전술한 바와 같이 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)에서 발생되어 전파될 수 있다.

한 가지 기법에서, 열 관리부는, 연료 집합체가 삽입된 리셉터클(530)을 적절한 온도로 유지하기에 적합한 열 제어를 제공하도록 조정될 수 있다.

다른 예에서도, 최초 운전 이전에 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)를 모듈형 핵분열 연료 노심(500)에 완전히 채울 필요는 없다. 설치된 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)의 수는, 이용 가능한 핵분열 연료 집합체(520)의 수에 기초하여, 또는 다른 이유에 의해 결정될 수 있다. 핵분열 폭연 파동의 화염면은 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)에서 발생되어 전파될 수 있다. 핵분열 폭연 파동의 화염면이 비어있는 연료 집합체 리셉터클(530)에 접근할 때, 상기 비어있는 연료 집합체 리셉터클(530)에 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)를, 예컨대 "적시(just-in-time)" 기반으로 채울 수 있으며; 이러한 설치가 화살표(544)로 나타내어져 있다. 따라서, 초기에 전체 모듈형 핵분열 연료 노심(500)에 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)를 보급하지 않아도, 모듈형 핵분열 연료 노심의 운전은 지속 또는 연장될 수 있다.

모듈성의 개념은 확대 적용될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 다른 실시예에서는, 모듈형 핵분열 연료 노심(500)에 다수의 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)를 채우는 것과 동일한 방식으로, 모듈형 핵분열로에 다수의 핵분열로 노심을 채울 수 있다. 이 때문에, 모듈형 핵분열로는 모듈형 핵분열 연료 노심(500)과 유사해질 수 있고, 핵분열로 노심은 모듈형 핵분열 연료 집합체(520)와 유사해질 수 있다. 따라서, 모듈형 핵분열 연료 노심(500)에 관하여 전술한 상정되는 여러가지 운전 모드는 모듈형 핵분열로에 유사하게 적용된다.

모듈형 설계의 용례가 도 6a 내지 도 6c에 도시되어 있다. 도 6a를 참조해 보면, 핵분열 설비(600)는 운전 서브시스템(620)[예컨대, 전력 발생 설비(이에 한정되는 것은 아님)]에 노심-서브시스템 커플링(630)[예컨대, 1차 루프와, 필요에 따라 증기 발생기를 포함하는 2차 루프 등과 같은 원자로 냉각재 시스템(이에 한정되는 것은 아님) 등]을 통해 운전 가능하게 결합되는 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610)를 포함한다.

이제 도 6b를 참조해 보면, 다른 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610)가 핵분열 설비(600) 내에 설치될 수 있다. 추가적인 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610)가 다른 노심-서브시스템 커플링(630)에 의해 다른 운전 서브시스템(620)에 운전 가능하게 결합된다. 운전 서브시스템(620)은 서브시스템-서브시스템 커플링(640)을 통해 서로 결합된다. 서브시스템-서브시스템 커플링(640)은 운전 서브시스템(620)들 사이에 원동력 또는 그 밖의 에너지 전달 매체를 제공할 수 있다. 이 때문에, 핵분열 노심 집합체(610) 중 어느 하나에 의해 생산된 에너지는 임의의 운전 서브시스템(620)에 원하는 대로 전달될 수 있다.

이제 도 6c를 참조해 보면, 제3의 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610)와, 해당 운전 서브시스템(620), 그리고 노심-서브시스템 커플링(630)이 핵분열 설비(600)에 설치되어 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610) 중 어느 하나에 의해 생산되는 에너지가 임의의 운전 서브시스템(620)에 원하는 대로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 이러한 연결 과정은 전술한 것보다 더 일반적일 수 있으므로, 핵분열 설비(600)는 N개의 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610)와, 이와 동일한 수 혹은 다른 수(M)의 운전 서브시스템(620)으로 구성될 수 있다.

고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 노심 집합체(610) 각각은 서로 동일할 필요가 없으며, 운전 서브시스템(620)도 서로 동일할 필요가 없음은 물론이다. 이와 마찬가지로, 노심-서브시스템 커플링(630)은 서로 동일할 필요가 없으며, 서브시스템-서브시스템 커플링(640)도 서로 동일할 필요가 없다. 전술한 운전 서브시스템(620)의 실시예뿐만 아니라, 운전 서브시스템(620)의 다른 실시예는, 원자로 냉각재 시스템, 전기식 핵분열 점화기, 수명후 열 덤프, 원자로 부지내 설비(예컨대, 기반 설비 및 보안 설비 등) 등(이에 한정되는 것은 아님)을 포함한다.

이제 도 7을 참조해 보면, 열 에너지는 다른 실시예에 따른 핵분열로 노심으로부터 취출될 수 있다. 핵분열로(700)에서는, 핵분열 폭연 파동의 화염면이 전술한 방식으로 연소 파동면의 열 발생 영역(720)에서 발생되어 전파된다. 응축상 밀도 유체[예컨대, 물, 액체 금속, 테르페닐, 폴리페닐, 플루오로카본, FLIBE(2LiF-BeF2) 등]와 같은 열 흡수 물질(710)이 화살표(750)로 나타내어진 바와 같이 열 발생 영역(720)을 유동하고, 열은 전파 화염면의 핵분열로부터 열 흡수 물질(710)에 전달된다. 몇몇 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열로에서, 열 흡수 물질(710)은 중성자 스펙트럼의 섭동을 최소화하기 위한 원자핵이 불활성인 물질(예컨대, He4 등)이도록 선택된다. 핵분열로(700)의 몇몇 실시예에서, 중성자 함유량은 충분히 견실하므로, 원자핵이 불활성이 아닌 열 흡수 물질(710)을 알맞게 이용할 수 있다. 열 흡수 물질(710)은, 실질적으로 연소 화염면의 열 발생 영역(720)과 열 접촉하지 않는 열 취출 영역(730)으로 유동한다. 열 에너지(740)는 열 취출 영역(730)에서 열 흡수 물질(710)로부터 취출된다. 열 취출 영역(730)에서 열 에너지(740)를 취출할 때, 열 흡수 물질(710)은 액체 상태, 다상 상태, 또는 실질적인 기상 상태로 있을 수 있다.

이제 도 8을 참조해 보면, 몇몇 실시예에서는 핵분열 폭연 파동의 화염면을 원하는 대로 핵분열 연료의 영역에 이르게 할 수 있고, 이로써 핵분열 연료의 연소율의 가변화가 가능해진다. 화염면이 전파되는 핵분열로(800)에서, 핵분열 폭연 파동의 화염면(810)은 전술한 바와 같이 발생되어 전파된다. 능동 제어 가능한 중성자 변형 구조(830)는 화염면(810)을 화살표(820)로 나타내어진 방향으로 지향(指向) 혹은 이동시킬 수 있다. 일 실시예에서, 능동 제어 가능한 중성자 변형 구조(830)는 중성자 흡수체, 예컨대 Li6, B10, 또는 Gd 등(이에 한정되는 것은 아님)을 화염면(810) 후방의 핵분열 연료에 삽입하여, 지금 화염면(810)에 의해 연소되고 있는 연료의 중성자 반응성을 화염면(810)의 앞에 있는 연료의 중성자 반응성에 관련하여 하락시키거나 혹은 낮추고, 이에 의해 핵분열 폭연 파동의 전파 속도를 높인다. 다른 실시예에서, 능동 제어 가능한 중성자 변형 구조(830)는 중성자 흡수체를 화염면(810)의 앞에 있는 핵분열 연료에 삽입하여, 핵분열 폭연 파동의 전파 속도를 늦춘다. 다른 실시예에서, 능동 제어 가능한 중성자 변형 구조(830)는 중성자 흡수체를 화염면(810) 내의 핵분열 연료에 혹은 화염면(810)의 가장자리의 핵분열 연료에 삽입하여, 화염면(810)의 유효 크기를 변경한다.

다른 실시예에서, 능동 제어 가능한 중성자 변형 구조(830)는 중성자 감속재, 예컨대 탄화수소 또는 Li7 등(이에 한정되는 것은 아님)을 삽입하여, 중성자 에너지 스펙트럼을 변형시키고, 이로써 지금 화염면(810)에 의해 연소되고 있는 핵분열 연료의 중성자 반응성을 화염면(810)의 앞 또는 뒤에 있는 핵분열 연료의 중성자 반응성에 관련하여 변경시킨다. 몇몇 상황에서, 중성자 감속재의 효과는, 중성자 에너지 스펙트럼의 세부적인 변화(예컨대, 단면 공명의 적중 혹은 부적중)와 연관되어 있고, 다른 경우에 중성자 감속재의 효과는, 중성자 환경의 평균 중성자 에너지를 낮추는 것("고속" 중성자 에너지로부터 고온 열 중성자 에너지 혹은 열 중성자 에너지로 하향 이동시키는 것)과 연관되어 있다. 또 다른 상황에서, 중성자 감속재는, 중성자를 선택 위치를 향하게 혹은 선택 위치로부터 멀어지게 편향시키는 효과가 있다. 몇몇 실시예에서는, 전술한 중성자 감속재의 효과 중의 하나가 가장 중요하지만, 다른 실시예에서는, 여러 효과가 유사한 설계 중요도를 갖는다. 다른 실시예에서, 능동 제어 가능한 중성자 변형 구조(830)는 중성자 흡수체와 중성자 감속재를 모두 포함하며; 한 가지 비제한적인 예에서는, 중성자 감속 물질의 위치에 대한 중성자 흡수 물질의 위치를 변경하여 (예컨대, 흡수체에 의한 흡수를 증가시키거나 감소시키기 위해, 스펙트럼을 이동시킴으로써, 혹은 흡수체를 가리거나 드러냄으로써) 제어를 행하고, 다른 비제한적인 예에서는, 중성자 흡수 물질 및/또는 중성자 감속 물질의 양을 변경함으로써 제어를 행한다.

화염면(810)은 선택된 전파 파라미터에 따라 원하는 대로 지향될 수 있다. 예를 들어, 전파 파라미터로는, 화염면(810)의 전파 방향 혹은 방위, 화염면(810) 의 전파 속도, 열 발생 밀도와 같은 출력 요구량 파라미터, 화염면(810)이 전파되는 연소 영역의 단면 치수[예컨대, 화염면(810)의 전파축에 관한 연소 영역의 축방향 혹은 횡방향 치수 등] 등을 들 수 있다. 예컨대, 전파 파라미터는, 화염면(810)의 공간적 또는 시간적 위치를 제어하도록, 또는 제어 요소(예컨대, 중성자 변형 구조 또는 서모스탯) 등의 고장이나 기능 불량을 막도록 선택될 수 있다.

이제 도 9a 및 도 9b를 참조해 보면, 핵분열로는 프로그램 가능한 서모스탯에 의해 제어될 수 있으며, 이로써 핵분열로의 연료 장전부의 온도는 시간이 경과함에 따라 운전 파라미터의 변화에 대응하여 변화할 수 있게 된다.

온도 프로파일(940)은 핵분열로(900)의 연료 장전부에서 위치의 함수로서 결정된다. 핵분열로(900)의 전반에 걸쳐서의 운전 온도에 관한 운전 온도 프로파일(942)은, 예상 출력 인출, 구조재의 열 크리프 등과 같은 제1 세트의 운전 파라미터에 대응하여 정해진다. 다른 시간, 또는 다른 상황에서는 운전 파라미터가 바뀔 수 있다. 이 때문에, 핵분열로(900) 전반에 걸쳐서의 변경된 운전 온도에 관한 변경된 운전 온도 프로파일(944)이 정해진다.

핵분열로(900)는 프로그램 가능한 온도 응답형 중성자 변형 구조(930)를 포함한다. 프로그램 가능한 온도 응답형 중성자 변형 구조(930)(그 일례를 이하에서 상세히 설명함)는, 중성자 흡수 물질 또는 중성자 감속 물질을 핵분열로(900)의 연료 장전부에 도입하고 이 연료 장전부로부터 제거한다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(910)은 핵분열로(900)의 연료 장전부에서 발생되어 전파된다. 상기 변경된 운전 온도 프로파일(944)에 대응하여, 프로그램 가능한 온도 응답형 중성자 변형 구 조(930)는, 핵분열로(900)의 운전 온도를 낮추기 위해 중성자 흡수 물질 또는 중성자 감속 물질을 핵분열로(900)의 연료 장전부에 도입하거나, 또는 핵분열로(900)의 운전 온도를 높이기 위해 중성자 흡수 물질 또는 중성자 감속 물질을 핵분열로(900)의 연료 장전부로부터 제거한다.

운전 온도 프로파일은, 프로그램 가능한 온도 응답형 중성자 변형 구조(930)의 제어 설정을 결정하는데 사용될 수 있는 제어 파라미터의 한 가지 예일 뿐이고, 이러한 경우에 상기 제어 설정은 선택된 제어 파라미터(온도이어야 하는 것은 아님)에 대응하는 것임은 물론이다. 프로그램 가능한 온도 응답형 중성자 변형 구조(930)의 제어 설정을 결정하는데 사용될 수 있는 다른 제어 파라미터의 비제한적인 예로는, 출력 레벨, 중성자 준위, 중성자 스펙트럼, 중성자 흡수, 연료 연소율 레벨 등이 있다. 한 가지 예에서는, 다른 핵분열로에서 사용하기 위한 핵분열 연료의 고속 "증식"을 달성하기 위해, 또는 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로에서의 핵분열 폭연 파동을 차후에 재전파하는 것에 관한 상기 연소된 핵분열 연료의 적합성을 강화하기 위해, 연료 연소율 레벨을 비교적 낮은(예컨대, ＜50%) 레벨로 제어하는데 중성자 변형 구조(930)가 사용된다. 다른 시간에는, 또는 핵분열로의 다른 부분에서는 다른 제어 파라미터가 사용될 수 있다. 중성자 변형 구조에 관한 내용에서 앞서 설명한, 중성자 흡수체, 중성자 감속재, 중성자 흡수체 및/또는 중성자 감소재의 조합, 가변 기하구조의 중성자 변형체 등의 사용(이에 한정되는 것은 아님)을 비롯한 다양한 중성자 변형 방법이, 프로그램 가능한 온도 응답형 중성자 변형 구조(930)에도 이용될 수 있음은 물론이다.

다른 실시예에 따르면, 그리고 도 10a 및 도 10b를 이제 참조해 보면, 재료는 원자핵으로 처리될 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, (방사선을 조사하지 않은 군의 특성을 갖는) 원자핵으로 처리 가능한 재료(1020)를 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)에 넣는다. 전술한 바와 같이, 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면(1030)이 발생되어 화살표(1040)로 나타내어진 방향을 따라 전파된다. 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면(1030)이 상기 재료(1020)에 혹은 그 부근에 전파되어, 상기 재료(1020)에 방사선을 조사하고 상기 재료(1020)에 원하는 변경된 특성의 세트를 제공할 때, 상기 재료(1020)는 반응성이 최대화된 영역(1010)과 중성자에 의해 연결된 상태에 놓이며, 즉 상기 재료에 중성자가 조사된다.

일 실시예에서, 상기 재료(1020)에 대한 중성자 조사는, 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면(1030)의 존속 기간 및/또는 범위에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 재료(1020)에 대한 중성자 조사는, 중성자 변형 구조를 통한 중성자 환경(예컨대, Np237 처리를 위한 중성자 에너지 스펙트럼)의 조절에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시예에서, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)는, 핵분열로 발생된 중성자의 일부를 상기 재료(1020)의 원자핵 처리에 사용하면서, 외부 중성자 공급원에 의존하여 전파 화염면(1030)을 유지시키는, "안전한" 아임계 방식으로 운전될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 재료(1020)는 핵분열 점화가 일어나기 전에 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000) 내에 존재할 수 있는 반면에, 다른 실시예에서 상기 재료(1020)는 핵분열 점화 이후에 추가될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 재료(1020)는 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)에서 제거되는 반 면에, 다른 실시예에서 상기 재료는 그 자리에 남겨진다.

별법으로서 도 10b에 도시된 바와 같이, 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면(1030)이 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)에서 발생되어 화살표(1040)로 나타내어진 방향을 따라 전파된다. 방사선을 조사하지 않은 군의 특성을 갖는 재료(1050)를 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)에 장입한다. 도면 부호 1052로 개괄적으로 나타내어진 바와 같이, 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면(1030)이 상기 재료(1050)를 통과할 때, 상기 재료(1050)는 반응성이 최대화된 영역에 물리적으로 근접하게 이송되어 이 영역과 중성자에 의해 연결된다. 상기 재료(1050)를 원하는 변경된 특성의 세트를 갖는 재료(1056)로 전환시키기에 충분한 기간 동안, 상기 재료(1050)는 중성자에 의해 연결된 채로 남아 있는다. 이와 같이 상기 재료(1050)가 상기 재료(1056)로 전환되었을 때, 상기 재료(1056)는 도면 부호 1054로 개괄적으로 나타내어진 바와 같이 물리적으로 핵분열로(1000)의 밖으로 이송될 수 있다. 이러한 제거(1054)는 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)의 운전 중에, 또는 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1000)가 멈춰진 이후에 일어날 수 있고, 연속적인 공정, 순차적인 공정, 또는 배치(batch) 공정으로 수행될 수 있다. 한 가지 예에서, 원자핵으로 처리된 재료(1056)는 이후에 다른 핵분열로에서, 예컨대 경수로(LWRs) 또는 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로 등(이에 한정되는 것은 아님)에서 핵분열 연료로서 사용될 수 있다. 다른 비제한적인 예에서, 원자핵으로 처리된 재료(1056)는 이후에 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로의 핵분열 점화기 내에 사용될 수 있다. 한 가지 기법에서는, 변경된 재료 또는 구조에 알맞은 운전 파라미터의 임의의 변화에 대해 적절한 열 제어를 제공하도록, 열 관리부를 조정할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 온도 기반 중성자 흡수는 핵분열로를 제어하는데 사용될 수 있으며, 이에 의해 본래 안정적인 반응성의 부(負) 온도 계수(α _T )가 "공학적으로" 정해진다. 이제 도 11a를 참조해 보면, 핵분열로(1100)에는, 예컨대 열전쌍(이에 한정되는 것은 아님) 등의 온도 검출기(1110)가 설치된다. 본 실시예에서, 핵분열로(1100)는 적절하게는 어떠한 타입의 핵분열로이어도 무방하다. 이 때문에, 핵분열로(1100)는 특정 용례에서 요구되는 바에 따라 열 중성자 스펙트럼의 핵분열로, 또는 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열로일 수 있다.

온도 검출기는 핵분열로(1100)에서 국부적인 온도를 검출하고, 검출된 국부적인 온도를 나타내는 신호(1114)를 발생시킨다. 신호(1114)는 임의의 허용 가능한 방식으로, 예컨대 유체 커플링, 전기 커플링, 광학 커플링, 무선 송신, 음향 커플링, 자기 커플링 등(이에 한정되는 것은 아님)에 의해 제어 시스템(1120)에 전달된다.

핵분열로(1100)를 바람직한 운전 파라미터(예컨대, 최대 핵분열로 출력에 요망되는 국부적인 온도 등)로 회복시키기 위해, 제어 시스템(1120)은, 검출된 국부적인 온도를 나타내는 신호(1114)에 응답하여, 핵분열로(1100)에서의 국부적인 중성자 반응성에 대해 적절한(양의 혹은 음의) 수정을 결정한다. 이 때문에, 제어 시스템(1120)은 국부적인 중성자 반응성에 대한 바람직한 수정을 나타내는 제어 신 호(1124)를 발생시킨다.

제어 신호(1124)는 중성자 흡수 물질의 분배기(1130)에 전달된다. 제어 신호(1124)는 적절하게는 상기 신호(1114)와 동일한 방식으로 전달된다. 중성자 흡수 물질은 적절하게는 특정 용례에 바람직한 임의의 중성자 흡수 물질, 예컨대 Li6, B10, 또는 Gd 등(이에 한정되는 것은 아님)이다. 분배기(1130)는 적절하게는 필요 용도에 적합한 임의의 저장조 및 분배 기구이고, 예컨대 저장조가 분배 기구(1130)로부터 멀리 떨어져[예컨대, 핵분열로(1100)의 중성자 반사체의 외부에] 위치할 수 있다. 분배기(1130)는 제어 신호(1124)에 응답하여 중성자 흡수 물질을 핵분열로 노심 내에 분배하며, 이에 의해 국부적인 중성자 반응성이 바뀌게 된다.

이제 비제한적인 예로서 주어진 도 11b를 참조해 보면, 예시적인 열 제어가 중성자 흡수 유체에 의해 달성될 수 있다. 열적으로 결합된 유체 수용 구조(1140)는 핵분열로(1100)의 국부적인 영역과 열적으로 통하는 유체를 수용한다. 이 유체 수용 구조(1140) 내의 유체는 국부적인 온도의 오르내림에 응답하여 팽창하거나 수축한다. 상기 유체의 팽창 및/또는 수축은, 핵분열로(1100)의 외부에 위치하는 힘 결합 구조(1150), 예컨대 피스톤 등(이에 한정되는 것은 아님)에 작동적으로 전달된다. 힘 결합 구조(1150)에 의해 전달되는 합력이, 중성자 흡수 유체 수용 구조(1160) 내의 중성자 흡수 유체에 가해진다. 이에 따라, 중성자 흡수 유체는 중성자 흡수 유체 수용 구조(1160)로부터 분배되고, 이에 의해 국부적인 중성자 반응성이 바뀌게 된다. 다른 예에서는, 중성자 흡수 유체에 추가하여, 또는 중성자 흡수 유체 대신에, 중성자 감속 유체를 사용할 수 있다. 중성자 감속 유체는 중성자 에너지 스펙트럼을 변경하고 국부적인 중성자 환경의 평균 중성자 에너지를 감소시켜, 핵분열로(1100) 내의 핵분열 연료의 중성자 반응성을 하락시키거나 또는 낮춘다. 다른 예에서, 중성사 흡수 유체 및/또는 중성자 감속 유체는 다상 조성(예컨대, 액체 내의 고체 펠렛)을 가질 수 있다.

도 11c는 도 11b에 도시된 구성의 예시적인 실시를 상세히 보여준다. 이제 도 11c를 참조해 보면, 중성자속의 매우 큰 변동, 중성자 스펙트럼의 매우 큰 변동, 연료 조성의 큰 변화, 그리고 핵분열로에 있어서 출력 요구량의 대규모의 변화와 관련하여, 핵분열로(1100')의 연료 출력 밀도는, 독립적으로 작동하는 자동 온도 조절 모듈의 분포 집합의 집단적인 작동에 의해 연속적으로 조절된다. 이러한 작동은, 핵분열로(1100')의 설계 온도를 거의 넘어서는 시점에 반응성의 부 온도 계수를 크게 제공한다.

상기 자동 온도 조절 모듈 각각은 한 쌍의 격실(1140' 및 1160')을 포함하고, 이들 격실 각각에는 모세관에 의해 공급이 이루어지는데, 상기 모듈은 핵분열로(1100')의 연료 장전부의 도처에 3차원 격자 형태로 배치되며(균일 배열체 혹은 비균일 배열체를 형성할 수 있음), 그 국부적인 간격은 대략 핵분열 중성자용 중간 에너지의 평균 자유 경로이다(또는 예비 용도의 경우 축소될 수 있다). 핵분열 연료 내에 위치하는 작은 서모스탯-벌브 격실(1160')은, 주요 중성자 에너지에 대하여 중성자 흡수 단면적이 작은, 열에 민감한 물질, 예컨대 Li7 등(이에 한정되는 것은 아님)을 수용하는 반면에, 다른 위치(예컨대, 냉각재 관의 벽에)에 배치되는 상대적으로 큰 격실(1140')은, 중성자 흡수 단면적이 비교적 큰 중성자 흡수 물질, 예컨대 Li6 등(이에 한정되는 것은 아님)을 가변량으로 수용할 수 있다. 리튬은 453 K에서 융해되고 1 bar 및 1615 K에서 기화되므로, 핵분열로(1100')의 통상적인 운전 온도 범위에 걸쳐서 액체이다. 연료의 온도가 상승함에 따라, 서모스탯-벌브 격실(1160')에 수용된 열에 민감한 물질이 팽창하고, 그 중의 소량(Li7의 온도 변화가 100 K인 경우 약 10 ^-3 )이, 잠재적으로는 킬로바의 압력을 받아, 모세관으로 배출되는데, 이 모세관의 끝은 멀리 떨어져 있는(예컨대, 방사선 차폐물의 외부에 있는) 실린더 및 피스톤 조립체(1150')의 바닥에 있고, (중력이 이용되는 경우에는) 노심 내부의 중성자 흡수 물질 격실(1140')보다 물리적으로 더 낮은 곳에 있다. 적당량의 열에 민감한 고압 물질이 실린더 및 피스톤 조립체(1150')의 행정 체적 배가 피스톤을 구동시키는데, 이 피스톤은 잠재적으로는 10 ³ 배 만큼 큰 양의 중성자 흡수 물질을, 노심을 누비며 나가는 모세관을 통해, 서모스탯-벌브에 인접한 노심 내부의 격실로 밀어 넣어, 유동을 구동한다. 그 최소 치수가 중성자 평균 자유 경로보다 작은 한에는 그 공간적 형상의 실체가 없는 중성자 흡수 물질은, 국부적인 중성자속을 흡수에 의해 저하시키는 작용을 하고, 이에 의해 국부적인 연료 출력 밀도가 저하된다. 국부적인 연료 온도가 하락할 때, 중성자 흡수 물질은 (예컨대, 중력의 압력 헤드의 작용하에) 실린더 및 피스톤 조립체(1150')로 복귀하고, 이에 의해 열에 민감한 물질이 서모스탯-벌브 격실(1160')로 되돌아가게 되며, 이 격실은 그 열기계학적 압력이 이제 더 낮아져서 상기 열에 민감한 물질을 수용할 수 있게 된다.

자동 온도 조절 모듈의 운전이 이상의 예시적인 실시에서 설명한 특정 유체(Li6 및 Li7)에 의존하지 않음은 물론이다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 상기 열에 민감한 물질은 중성자 흡수 물질과는, 동위원소적으로 뿐만 아니라 화학적으로도 다를 수 있다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 열에 민감한 물질은 중성자 흡수 물질과 동위원소적으로 동일하고, 중성자에 노출된 물질의 양의 차이로 인해 중성자 흡수 특성은 차이를 나타내지만, 물질 조성에는 차이가 없는 것일 수 있다.

이제 도 12를 참조해 보면, 다른 실시예에서, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1200)는 그 밖의 실시예의 핵분열로의 노심 온도에 비해 현저히 낮은 노심 온도로 운전된다. 그 밖의 실시예의 핵분열로는 (예컨대, 전력 전환 효율을 높이기 위해) 약 1,000 K 정도의 노심 온도로 운전될 수 있는 반면에, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1200)는 약 550 K에 못미치는 노심 온도로 운전되며, 몇몇 실시예는 약 400 K 내지 약 500 K의 노심 온도로 운전된다. 원자로 냉각재(1210)는 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1200)에서의 핵분열으로부터 열을 옮긴다. 이후에, 열 에너지(1220)는 원자로 냉각재(1210)로부터 열 구동 용례에 전달된다. 비제한적인 예로서 주어진 예시적인 열 구동 용례로는, 해수 담수화, 바이오매스의 에탄올화 처리, 난방 등이 있다. 다른 실시예에서, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1200)는 500 K를 상회하는 노심 온도로 운전될 수 있고, 원자로 냉각재(1210)로부터의 열 에너지(1220)를 전력 발생 용례에 추가하여, 혹은 그 대신에, 열 구동 용례에 이용할 수 있다. 비제한적인 예로서 주어진 예시적인 열 구동 용례로는, 물의 열분해, 열에 의한 탄화수소의 처리 등이 있다.

이제 도 13을 참조해 보면, 다른 실시예에서 핵분열 연료는 연소된 이후에 제거될 수 있다. 핵분열 폭연 파동의 전파 화염면(1310)이 모듈형 핵분열로 노심(1300)에서 발생되어, 화살표(1320)로 나타내어진 방향을 따라 핵분열 연료 물질의 모듈(1340)을 향해 전파되고, 이에 의해 전술한 바와 같이 반응성이 최대화된 영역(1330)이 형성된다. 전술한 바와 같이, 전파 화염면(1310)이 상기 반응성이 최대화된 영역(1330)을 핵분열 연료 물질의 모듈(1340)에 전파한 후에는, 핵분열 연료 물질의 모듈(1340)은 "연소된 것"으로 고려될 수 있다. 즉, 상기 반응성이 최대화된 영역(1330)의 "뒤에 있는" 핵분열 연료 물질의 모듈(1340)은 "연소된 것"으로 고려될 수 있다. [상기 반응성이 최대화된 영역(1330)의 뒤에 있는] 임의의 원하는 개수의 "연소된" 핵분열 연료 물질의 모듈(1340)은, 도면 부호 1350으로 개괄적으로 나타내어진 바와 같이 제거된다. 도면 부호 1350으로 개괄적으로 나타내어진 바와 같이, 핵분열 연료 물질은 핵분열로 노심(1300)으로부터 제거된다.

이제 도 14a 및 도 14b를 참조해 보면, 다른 실시예에 따르면 핵분열 연료가 재처리를 하지 않고도 그 자리에서 재연소될 수 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1400)는 영역(1410)과 영역(1420)을 포함한다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1430)이 발생되어, 영역(1410)을 지나 영역(1420)을 향해 전파된다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1430)은 영역(1420)에서 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440)으로서 전파된다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440)이 영역(1420)에 전파된 후에, 그리고 이 화염면이 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1400)의 단부에 도달하기 이전 혹은 이후에, 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440) 이 재지향 또는 재발생되고, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1400)의 단부로부터 떠나서 다시 영역(1410)을 향하는 전파의 경로를 되돌아간다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440)은 영역(1410)에서는, 영역(1420)으로부터 떠나서 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1400)의 단부를 향하는 핵분열 폭연 파동의 화염면(1450)으로서 전파된다. 이전에 핵분열 폭연 파동의 화염면(1430 및 1440)이 전파되던 동안과, 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440 및 1450)이 재전파되는 동안의, 영역(1410) 및 영역(1420)의 핵분열 연료는, 핵분열성 동위원소의 양과 핵분열 생성물 "재"의 양의 변화로 인하여 서로 다르다. 전술한 핵분열 연료에서의 차이뿐만 아니라 그 밖의 인자, 예컨대 중성자 변형 구조의 제어, 열 에너지 취출 레벨 등에서 일어날 수 있는 변화 등(이에 한정되는 것은 아님)으로 인하여, 전파 동안과 재전파 동안의 중성자 환경이 서로 다를 수 있다,

도 14b에 도시된 바와 같이 (그리고 도 3c를 참고로 하여 간략히 언급한 바와 같이), 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1400)의 실시예의 기하구조는, 폐루프, 예컨대 대략 환상체 형상 등을 형성한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열로(1400)는 영역(1410) 및 영역(1420)과, 이들 영역(1410 및 1420)과는 다른 제3 영역(1460)을 포함한다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1430)이 발생되어 영역(1410)을 지나 영역(1420)을 향해 전파된다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1430)은 영역(1420)에서 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440)으로서 전파된다. 핵분열 폭연 파동의 화염면(1440)은 제3 영역(1460)에서 핵분열 폭연 파동의 화염면(1470)으로서 전파된다.

핵분열 폭연 파동의 화염면(1430, 1440 및 1470)이 각각 영역(1410, 1420 및 1460)에서 완전히 전파되면, 영역(1410, 1420 및 1460)의 핵분열 연료 물질은 "연소된 것"으로 고려될 수 있다. 핵분열 연료 물질이 연소된 후, 핵분열 폭연 파동의 화염면(1430)이 재발생되어, 영역(1410)에서 핵분열 폭연 파동의 화염면(1450)으로서 전파된다. 영역(1410)에서의 재발생은, 앞서 설명한 바와 같이 핵분열 점화기의 작동을 통하여(이에 한정되는 것은 아님) 일어날 수 있고, 또는 영역(1410)에서 핵분열 생성물을 붕괴시키거나 및/또는 핵분열 연료 물질로부터 핵분열 생성물을 제거하는 것을 통해 일어날 수 있고, 또는 중성자나 핵분열성 물질의 다른 공급원을 통해 일어날 수 있고, 또는 앞서 설명한 바와 같이 중성자 변형 구조의 제어를 통해 일어날 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 핵분열 폭연 파동은 복수의 방향으로 전파될 가능성이 있다. 하나 이상의 전파 경로가 형성될 수 있고, 그 후에 하나 이상의 개별적인 전파 경로로 분할될 수 있다. 전파 경로의 분할은, 예컨대 전술한 바와 같은 핵분열 연료 물질의 구성, 중성자 변형 구조의 작용 등과 같은 방법에 의해(이에 한정되는 것은 아님) 달성될 수 있다. 전파 경로는 뚜렷할 수 있고, 또는 오목할 수 있다. 핵분열 연료 물질은 1회, 0회, 또는 복수회 연소될 수 있다. 핵분열 폭연 파동을 핵분열 연료 물질의 영역에 복수회 재전파하는 것은, 동일한 또는 상이한 전파 방향을 필요로 할 수 있다.

전술한 실시예 중의 일부는 실질적으로 일정한 화학 물질 및/또는 동위원소 물질로 이루어진 핵분열 연료 노심을 예시하지만, 몇몇 기법에서는 일정하지 않은 물질로 이루어진 핵분열 연료 노심이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 기법에서 핵분열 연료 노심은 우라늄 및 토륨의 비율이 서로 다른 영역을 포함할 수 있다. 다른 기법에서, 핵분열 연료 노심은, 예컨대 상이한 토륨의 동위원소 또는 상이한 우라늄의 동위원소 등(이에 한정되는 것은 아님)과 같은, 상이한 악티늄족 동위원소 또는 초우라늄 동위원소로 이루어진 영역을 포함할 수 있다. 또한, 매우 다양한 조합의 혼합물도 적절할 수 있다. 예를 들어, 다양한 비율의 우라늄 동위원소와 토륨으로 이루어진 혼합물은, 다양한 연소 속도, 온도, 전파 특성, 국소화, 또는 그 밖의 특징을 제공할 수 있다. 다른 기법에서, 핵분열 연료 노심은, "증식 가능한" 동위원소(예컨대, Th ²³² 또는 U ²³⁸ )와, 다른 핵분열성 악티늄족 원소 또는 초우라늄 원소, 예컨대 우라늄, 플루토늄, 아메리슘 등(이에 한정되는 것은 아님)으로 이루어진 혼합물을 포함할 수 있다. 추가적으로, 이와 같은 화학 물질, 동위원소, 단면적, 밀도, 또는 그 밖의 연료의 양태 등의 변경은, 반경방향, 축방향, 또는 그 밖의 다양한 공간 방식으로 다르게 할 수 있다. 예컨대, 이러한 변경은 에너지 요구량, 에이징(aging)에서 예상되는 변경, 또는 그 밖의 예상되는 변경에 따라 정해질 수 있다. 소정 영역에서의 에너지 요구량의 증가가 타당하게 예상되는 일 양태에서는, 이 영역에서 예상되는 요구랑 증대와 관련하여 연료 또는 물질을 정하는 것이 유용할 수 있다.

또 다른 양태에서, 이러한 변경은 본원에 기술된 다른 기법에 따라 실시될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 모듈형 기법이나 본원에 기술된 다경로 기법 을 이용하여 연소를 일으킨 후에, 변경을 정할 수 있다. 다른 기법에서는, 물질의 일부분을 이동시키면, 적절한 물질의 농도, 위치, 비율, 또는 그 밖의 특징이 얻어질 수 있다.

전술한 실시예는 고정 연료 노심 또는 가변 연료 노심에서 전파형 핵분열 폭연 파동면을 예시하였지만, 일 양태에서는 전파형 핵분열 폭연 파동면이 실질적으로는 공간적으로 고정된 채로 유지되고, 연료 노심 또는 연료 노심의 일부분이 파동면에 대해 이동한다. 이와 같은 한 가지 기법에서, 전파되는 핵분열 폭연 파동면이 계속해서 실질적으로 한 구역에 제한하여 위치 설정되도록 핵분열 연료를 이동시키면, 냉각 시스템 또는 열전달 시스템에 대한 열적 결합이 안정화, 최적화, 또는 그 밖의 방식으로 제어될 수 있다. 또는, 다른 양태에서, 전파되는 핵분열 폭연 파동면의 위치 설정이 핵분열 연료를 물리적으로 변위시키는 것에 의해 제어된다면, 냉각 시스템, 중성자 차폐 등과 같은 핵분열로의 다른 양태, 또는 중성자 밀도 제어의 다른 양태에 대한 제약이 단순화되거나 혹은 감소될 수 있다.

다수의 예시적인 실시예와 양태를 앞에서 예시하고 설명하였지만, 당업자라면 이들 실시예와 양태에 대한 어느 정도의 변경, 치환, 추가 및 그 서브 조합을 인지할 것이다. 따라서, 상기 변경, 치환, 추가 및 서브 조합 모두가 이하에 덧붙여진 청구범위와 이하에 소개된 청구범위의 진정한 정신 및 범위 내에 있다면, 상기 청구범위는 상기 변경, 치환, 추가 및 서브 조합 모두를 포함하는 것으로 해석되도록 되어 있다.