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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-18
(54)【発明の名称】原子炉および燃料
(51)【国際特許分類】
G21C 1/02 20060101AFI20240311BHJP
G21C 3/62 20060101ALI20240311BHJP
G21C 3/28 20060101ALI20240311BHJP
G21C 3/20 20060101ALI20240311BHJP
G21C 7/08 20060101ALI20240311BHJP
G21C 21/02 20060101ALI20240311BHJP
G21D 5/02 20060101ALI20240311BHJP
【ＦＩ】
G21C1/02 100
G21C3/62 700
G21C3/28 600
G21C3/20
G21C7/08
G21C21/02 100
G21D5/02
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023555785
(86)(22)【出願日】2022-03-14
(85)【翻訳文提出日】2023-11-06
(86)【国際出願番号】 US2022020253
(87)【国際公開番号】W WO2022192799
(87)【国際公開日】2022-09-15
(31)【優先権主張番号】63/160,480
(32)【優先日】2021-03-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523059903
【氏名又は名称】オクロ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】デウィット， ジェイコブ
(57)【要約】
商業用核燃料システムは、内側容積を画定する容器と、内側容積内に位置付けられた炉心と、炉心内に配置された複数の燃料ピンであって、複数の燃料ピンの各々は、被覆材内に位置付けられた少なくとも１つの水素化物燃料要素を備えている、複数の燃料ピンとを含む。少なくとも１つの水素化物燃料要素は、核分裂性材料の２０パーセント以下に濃縮される。核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９のうちの１つ以上を含む。燃料ピンは、炉心内の格子内に位置付けられている。容器は、第１の容器を備え、第２の容器は、第１の容器内に位置付けられ、複数の燃料ピンを包囲する。少なくとも１つの反射体が、第１の容器内に位置付けられ、複数の燃料ピンを包囲する。遮蔽アセンブリが、反射体と第１の容器との間に位置付けられる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
商業用核燃料システムであって、前記商業用核燃料システムは、内側容積を画定する容器と、
前記内側容積内に位置付けられた炉心と、
前記炉心内に配置された複数の燃料ピンと
を備え、
前記複数の燃料ピンの各々は、被覆材内に位置付けられた少なくとも１つの水素化物燃料要素を備え、前記少なくとも１つの水素化物燃料要素は、核分裂性材料の２０パーセント以下に濃縮されている、商業用核燃料システム。
【請求項2】
前記少なくとも１つの水素化物燃料要素は、金属水素化物と混合された核分裂性材料、または
水素化物を備えている核分裂性材料
のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載の商業用核燃料システム。
【請求項3】
前記核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９のうちの１つ以上を備えている、請求項１－２のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項4】
前記複数の燃料ピンは、前記炉心内で格子内に位置付けられている、請求項１－３のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項5】
前記格子は、六角形の格子を備えている、請求項４に記載の商業用核燃料システム。
【請求項6】
前記容器は、前記炉心内の前記複数の燃料ピンを包囲している第１の容器を備えている、請求項１－５のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項7】
前記第１の容器内に位置付けられた第２の容器をさらに備え、前記第２の容器は、前記炉心内の前記複数の燃料ピンを包囲している、請求項６に記載の商業用核燃料システム。
【請求項8】
前記第１の容器内に位置付けられた少なくとも１つの反射体をさらに備え、前記少なくとも１つの反射体は、前記炉心内の前記複数の燃料ピンを包囲している、請求項６または７のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項9】
前記少なくとも１つの反射体は、前記第１の容器と前記炉心内の前記複数の燃料ピンとの間に位置付けられた第１の反射体と、
前記第１の反射体と前記炉心内の前記複数の燃料ピンとの間に位置付けられた第２の反射体と
を備えている、請求項８に記載の商業用核燃料システム。
【請求項10】
前記第１の反射体と前記第１の容器との間に位置付けられた遮蔽アセンブリをさらに備えている、請求項８に記載の商業用核燃料システム。
【請求項11】
少なくとも１つの水素化物燃料要素は、前記被覆材内で積み重ねられた列に配置された複数の水素化物燃料要素を備えている、請求項１－１０のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項12】
前記複数の燃料ピンの各々は、少なくとも１つの水素化物燃料要素と前記被覆材との間の接合層をさらに備えている、請求項１－１１のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項13】
前記複数の燃料ピンの各々は、前記被覆材内で少なくとも１つの水素化物燃料要素の上方に位置付けられた上側反射体をさらに備えている、請求項１－１２のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項14】
前記複数の燃料ピンの各々は、前記被覆材内で少なくとも１つの水素化物燃料要素の下方に位置付けられた下側反射体をさらに備えている、請求項１－１３のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項15】
前記複数の燃料ピンの各々は、前記被覆材内で少なくとも１つの水素化物燃料要素の上方に形成されたプレナムをさらに備えている、請求項１－１４のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項16】
前記プレナムは、前記被覆材内で前記上側反射体の上方に形成されている、請求項１５に記載の商業用核燃料システム。
【請求項17】
前記複数の燃料ピンの複数のプレナムは、流体結合され、冷却流体のための流路を形成している、請求項１５に記載の商業用核燃料システム。
【請求項18】
前記流路は、前記容器内に形成された冷却流体流入口および前記容器内に形成された冷却流体流出口に流体結合されている、請求項１７に記載の商業用核燃料システム。
【請求項19】
少なくとも１つの水素化物燃料要素は、核分裂性材料の１５パーセント、核分裂性材料の１０パーセント、または核分裂性材料の５パーセントのうちの１つ未満に濃縮されている、請求項１－１８のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項20】
少なくとも１つの水素化物燃料要素は、粉末金属が水素化および合金化されるプロセスによって製造されている、請求項１－１９のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項21】
少なくとも１つの水素化物燃料要素は、金属が合金化、粉末化、および水素化されるプロセスによって製造されている、請求項１－１９のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項22】
少なくとも１つの水素化物燃料要素は、燃料を含む固体金属合金が水素化されるプロセスによって製造されている、請求項１－１９のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項23】
水素化は、水素雰囲気内または水素気流内で生じる、請求項２０－２２のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項24】
少なくとも１つの反射体が、前記炉心の周辺において移動可能である、請求項８－２３のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項25】
少なくとも１つの制御ロッドをさらに備えている、請求項１－２４のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項26】
少なくとも１つの制御ロッドは、前記炉心の周辺において移動可能である、請求項２５に記載の商業用核燃料システム。
【請求項27】
少なくとも１つの制御ロッドの吸収材料が、Ｂ４Ｃ、ハフニウム、または銀インジウムカドミウムのうちの少なくとも１つを備えている、請求項２６に記載の商業用核燃料システム。
【請求項28】
前記複数の燃料ピンのうちの少なくとも１つの燃料ピンは、少なくとも１つの水素化物燃料要素を前記被覆材の中に装填することと、
前記被覆材内で前記少なくとも１つの水素化物燃料要素の下方、またはその上部に、固体形態においける金属接合材料を位置付けることと、
前記少なくとも１つの燃料ピンをシールすることと
を含むプロセスによって製造されている、請求項１－２７のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項29】
前記シールすることは、溶接することを含む、請求項２８に記載の商業用核燃料システム。
【請求項30】
前記金属接合材料は、前記少なくとも１つの水素化物燃料要素の下方に、または前記少なくとも１つの水素化物燃料要素の上部に、またはその両方において、前記被覆材の中に事前に装填されている、請求項２８または２９のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項31】
前記プロセスは、前記少なくとも１つの燃料ピンを加熱し、前記少なくとも１つの水素化物燃料要素を包囲するように前記金属接合材料を融解することと、
前記加熱された少なくとも１つの燃料ピンを移動させ、前記少なくとも１つの水素化物燃料要素を完全に包囲するように前記融解された金属接合材料を流動させることと
をさらに含む、請求項２８－３０のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項32】
移動させることは、揺すぶること、軽くたたくこと、または振動させることのうちの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の商業用核燃料システム。
【請求項33】
前記金属接合材料は、圧縮性熱接合材料を備えている、請求項２８－３２のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項34】
前記圧縮性熱接合材料は、多孔質黒鉛を備えている、請求項３３に記載の商業用核燃料システム。
【請求項35】
前記被覆材は、低中性子吸収材料を備えている、請求項１－３４のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項36】
前記低中性子吸収材料は、ニオブ１％ジルコニウム（Ｎｂ１Ｚｒ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ジルコニウム、ステンレス鋼、ニッケル基超合金、または同位体濃縮金属化合物のうちの少なくとも１つを備えている、請求項３５に記載の商業用核燃料システム。
【請求項37】
少なくとも１つの水素化物燃料元素は、中性子吸収を減らすための同位体濃縮金属を備えている、請求項１－３６のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項38】
少なくとも１つの反射体は、ベリリウム合金、ベリリウムセラミック、または黒鉛のうちの少なくとも１つを備えている、請求項８－３７のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項39】
少なくとも１つの燃料供給ダクトまたはチャネルをさらに備えている、請求項１－３８のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項40】
前記システムは、トラック、鉄道、荷船、または飛行機のうちの少なくとも１つによって、コンテナ化されたパッケージにおいて輸送するように構成されている、請求項１－３９のいずれか１項に記載の商業用核燃料システム。
【請求項41】
方法であって、前記方法は、請求項１－４０のいずれか１項に記載の商業用核燃料システムを通して、熱流体を循環させることと、
請求項１－４０のいずれか１項に記載の商業用核燃料システムの動作を通して、前記熱流体を加熱することと、
前記商業用核燃料システムから発電システムに前記加熱された熱流体を循環させることと、
前記発電システムによって、前記加熱された熱流体からの熱を用いて電力を発生させることと
を含む、方法。
【請求項42】
燃料供給ダクトまたはチャネルを通して使用済み燃料ピンを除去することと、前記燃料供給ダクトまたはチャネルを通して新しい燃料ピンを挿入することと
をさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項43】
トラック、鉄道、荷船、または飛行機のうちの少なくとも１つによって、コンテナ化されたパッケージにおいて、請求項１－４０のいずれか１項に記載の商業用核燃料システムを輸送することをさらに含む、請求項４１または４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項44】
発電システムであって、前記発電システムは、請求項１－４０のいずれか１項に記載の商業用核燃料システムの熱流体から熱を受け取るように熱結合された一次熱サブシステムと、
前記加熱された流体から、前記一次熱サブシステムを介して熱を受け取るために前記一次熱サブシステムに熱結合された二次熱サブシステムと、
前記二次熱サブシステムに流体結合された動力機器サブシステムと
を備え、
前記動力機器サブシステムは、前記二次熱サブシステムから受け取られた前記熱を用いて電力を発生させるように構成されている、発電システム。
【請求項45】
前記一次熱サブシステムは、前記商業用核燃料システムを通して前記熱流体を循環させるように構成された少なくとも１つの一次ポンプと、
前記少なくとも１つのポンプに流体結合され、前記熱流体を一次流体に熱結合するように構成された少なくとも１つの一次熱交換器と
を備えている、請求項４４に記載の発電システム。
【請求項46】
前記二次熱サブシステムは、前記少なくとも１つの一次熱交換器を通して前記一次流体を循環させるように構成された少なくとも１つの二次ポンプと、
前記少なくとも１つのポンプに流体結合され、前記一次流体を作動流体に熱結合するように構成された少なくとも１つの二次熱交換器と
を備えている、請求項４５に記載の発電システム。
【請求項47】
前記動力機器サブシステムは、前記少なくとも１つの二次熱交換器を通して前記作動流体を循環させるように構成された少なくとも１つの動力変換ポンプと、
前記少なくとも１つの二次熱交換器から前記作動流体を受け取るために、前記少なくとも１つの動力変換ポンプに流体結合された少なくとも１つの発電機と、
前記少なくとも１つの発電機から前記作動流体を受け取るために、前記少なくとも１つの発電機に流体結合されたラジエータシステムと
を備えている、請求項４６に記載の発電システム。
【請求項48】
前記少なくとも１つの発電機は、タービン発電機を備えている、請求項４７に記載の発電システム。
【請求項49】
前記商業用核燃料システムの容器に熱結合された少なくとも１つの冷却装置をさらに備えている、請求項４４－４８のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項50】
前記少なくとも１つの冷却装置は、ラジエータ、熱サイフォン、または自然対流冷却ループのうちの少なくとも１つを備えている、請求項４９に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、商業用動力原子炉に関し、より具体的に、商業用動力原子炉のための核燃料形態に関する。
【背景技術】
【0002】
地球規模のエネルギー増大および汚染および排出物を減らすための意欲は、新しい炉技術の商業化および設計の周りの活動を刺激している。これらの技術のうちのいくつかは、小型の炉を含む。これらの炉のうちのいくつかは、特に、小型の炉心設計を達成するためのそれらの能力に対する水素化物燃料の好都合な中性子特性に起因して、水素化物燃料をそれらの設計の中に組み込む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
金属水素化物燃料を使用する核分裂炉の製造および使用のための技法が、開示される。開示される技法は、小型の炉心をもたらすことができ、例えば、５パーセントを下回るウラン２３５に濃縮された燃料を使用して動作する炉心を含む。
例示的燃料要素は、ウランおよび水素化ジルコニウムから作製される円筒形の燃料ピンを含み、燃料ピンは、シールされた鋼鉄管内に含まれ、シールされた鋼鉄管は、被覆材とも称される燃料と管との間で液体金属によって熱接合される。これは、燃料ピンシステムを形成し、その多くが、原子炉の炉心を形成するために配置されることができる。
例示的燃料要素は、ウランおよび水素化ジルコニウムから作製される円筒形の燃料ピンを含み、燃料ピンは、シールされた鋼鉄管内に含まれ、シールされた鋼鉄管は、被覆材とも称される燃料と管との間で液体金属によって熱接合される。これは、燃料ピンシステムを形成し、その多くが、原子炉の炉心を形成するために配置されることができる。
【0004】
いくつかの実装によると、商業用核燃料システムは、内側容積を画定する容器と、内側容積内に位置付けられた炉心と、炉心内に配置される複数の燃料ピンであって、複数の燃料ピンの各々は、被覆材内に位置付けられた少なくとも１つの水素化物燃料要素を含む、複数の燃料ピンとを含む。少なくとも１つの水素化物燃料要素は、核分裂性材料の２０パーセント以下に濃縮される。
【0005】
いくつかの実装によると、原子炉は、水素化物燃料の形態におけるウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９等の核分裂性材料を含む燃料、燃料と被覆材との間の熱接合剤、被覆材、燃料から離れるように熱を輸送するための液体金属、水、ガス、または超臨界流体を使用するクーラント、クーラントまたは冷却デバイスから動力変換システムに熱を伝達するための熱交換器、および計測設備、支持構造、および遮蔽材を含むことができる。
【0006】
いくつかの実装によると、核分裂性材料は、金属形態にあり、水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化チタン、水素化スカンジウム、または水素化トリウム等の金属水素化物と混合される。
【0007】
いくつかの実装によると、ウラン金属は、８．５パーセント未満～４５パーセント超の範囲にある重量装填分率に混合される。
【0008】
いくつかの例では、核分裂性材料は、２０パーセント以下（例えば、１５パーセント以下、１０パーセント以下、５パーセント以下）に濃縮されたウランである。いくつかの例では、ウラン金属は、２５パーセント～４５パーセントの範囲にある重量装填分率に混合される。
【0009】
いくつかの実装によると、エルビウム等の可燃性吸収材が、燃料に追加される。
【0010】
いくつかの実装によると、燃料ピンは、ガスプレナムと、水素障壁と、ウラン、トリウム、黒鉛、またはベリリウムから作製され得る軸方向反射体とを含むことができる。
【0011】
いくつかの実装によると、燃料ピンは、炉心を形成するために、六角形の格子パターンにおいて配置され、スペーサグリッド、フィン、またはワイヤラップが、燃料ピン間の間隔を保存するために使用されることができる。
【0012】
いくつかの実装によると、燃料ピンは、炉心を形成するために、正方形の格子パターンにおいて配置され、スペーサグリッドまたはフィンが、燃料ピン間の間隔を保存するために使用されることができる。
【0013】
いくつかの実装によると、燃料ピンは、一緒に束ねられ、燃料ピンのアセンブリまたは束を形成することができる。アセンブリは、とりわけ、三角形、四角形、六角形、または正方形の形態にあり得る。燃料束は、ダクトによって包囲されることもでき、それらは、直交流を可能にするために、閉鎖または穿孔されることができる。
【0014】
いくつかの実装によると、燃料ピンは、下側グリッドプレートによって定位置に保持され、それは、流動分配器としても機能を果たすことができる。
【0015】
いくつかの実装によると、炉心は、種々の順序の配置において、中性子反射体、流動バッフルまたはガイド、遮蔽材、および容器によって包囲されることができる。
【0016】
いくつかの実装によると、反射体は、とりわけ、黒鉛またはベリリウムから成ることができる。
【0017】
いくつかの例では、炉心は、六角形のパターンにおいて、４．９５パーセントのウラン２３５に濃縮された燃料ピンから作製され、下側グリッドプレートによって定位置に保持され、ワイヤラップによって分離され、丸みを帯びた六角形の容器によって包囲され、黒鉛反射体によって包囲され、遮蔽材によって包囲され、外側容器内に含まれる。
【0018】
いくつかの実装によると、ヘリウム、窒素、または二酸化炭素等のガスは、燃料からの熱を伝達し、熱交換器（熱交換器において、熱が、中間クーラントまたは動力変換作動流体に伝達される）に熱を運ぶか、または、直接、タービン発電機システムに熱を運ぶ。
【0019】
いくつかの実装によると、ナトリウム、鉛、またはナトリウムカリウム合金等の液体金属は、燃料からの熱を伝達し、熱交換器（熱交換器において、熱が、中間クーラントまたは動力変換作動流体に伝達される）に熱を運ぶ。
【0020】
いくつかの実装によると、フッ化リチウムフッ化ベリリウム共晶混合物等の液体塩は、燃料からの熱を伝達し、熱交換器（熱交換器において、熱が、中間クーラントまたは動力変換作動流体に伝達される）に熱を運ぶ。
【0021】
いくつかの実装によると、水は、燃料からの熱を伝達し、熱交換器（熱交換器において、熱が、中間クーラントまたは動力変換作動流体に伝達される）に熱を運ぶか、または、直接、タービン発電機システムに熱を運ぶ。
【0022】
いくつかの実装によると、水または二酸化炭素等の超臨界流体は、燃料からの熱を伝達し、直接、タービン発電機システムに熱を運ぶ。
【0023】
いくつかの例では、クーラントは、循環し、燃料内で生産される熱を対流によって除去し、熱を中間熱交換器に運び、中間クーラントに熱を伝達し、中間クーラントは、次に、動力変換熱交換器に熱を運び、動力変換熱交換器で、熱が、動力変換作動流体に伝達される。いくつかの例では、中間クーラントループは、そのクーラントとして、塩、ガス、水、または液体金属を使用することができる。いくつかの例では、動力変換システムは、ガス、または蒸気または二酸化炭素等の超臨界作動流体を使用することができる。
【0024】
いくつかの実装によると、一次クーラントは、自然循環によって流動し、自然対流によって熱を伝達する。
【0025】
いくつかの実装によると、中間クーラントは、自然循環によって流動し、自然対流によって熱を伝達する。
【0026】
いくつかの例では、炉クーラント流動ループは、炉クーラントシステム内で燃料と熱交換器との間の高さが自然循環を駆動するための適正な浮力を達成するために十分であるように構成される。いくつかの例では、中間クーラント流動ループは、炉クーラントシステム内で熱交換器間の高さが自然循環を駆動するための適正な浮力を達成するために十分であるように構成される。
【0027】
いくつかの実装によると、クーラントは、複数のポンプによって駆動される強制循環によって流動する。
【0028】
いくつかの実装によると、フライホイール等の運動量ベースの循環装置は、ポンプ流出口の後に設置され、クーラントのための回転慣性を提供する。
【0029】
いくつかの実装によると、ポンプは、クーラント、および周囲の環境への放射、伝導、および対流によって冷却される。
【0030】
いくつかの例では、電磁ポンプが、液体金属を圧送するために使用される。
【0031】
いくつかの実装によると、十分なクーラントの化学的性質および純度の制御を維持することは、クーラントおよび構成要素の寿命を確保するために重要であり、フィルタ、コールドトラップ、またはコールドフィンガによって達成される。
【0032】
いくつかの実装によると、余熱または崩壊熱は、補助的な冷却システムを介して除去される。
【0033】
いくつかの実装によると、余熱は、周囲の環境への伝導、放射、および対流によって、炉容器およびクーラントループから直接除去される。
【0034】
いくつかの実装によると、余熱は、周囲の環境への伝導、放射、および対流によって、専用または多目的熱交換器を介して除去される。
【0035】
いくつかの実装によると、空気ダクトは、炉システムを対流によって冷却するために、周囲の環境から冷気を運ぶ。
【0036】
いくつかの実装によると、空気は、送風機等の循環装置によって駆動される。
【0037】
いくつかの実装によると、空気は、自然循環によって流動する。
【0038】
いくつかの例では、空気は、流入口、およびダクト（ダクトにおいて、空気が、容器、配管、および熱交換器に沿って流動するように誘導され、それらを冷却する）を介して炉区画の中に流入し、次いで、流出口を介して区画から外へ流動する。
【0039】
いくつかの実装によると、冷却パネルおよび冷却ジャケットが、炉システムを包囲し、炉システムからの熱は、伝導、放射、および対流を介して、それらに伝達される。冷却パネルおよびジャケットは、次いで、周囲環境に熱を伝達する。
【0040】
いくつかの実装によると、冷却パネルおよびジャケットは、水；窒素または二酸化炭素のようなガス；ナトリウムカリウム合金のような液体金属；または、通常の動作状態において固体であるナトリウムのような可溶性金属等のクーラントを使用し、循環を開始する前、それらの融合の潜熱を介して熱を吸収することができる。
【0041】
いくつかの実装によると、クーラントシステムの流路は、クーラントが融解されたままの状態にあることを確実にするために、能動的に加熱されることができる。
【0042】
いくつかの実装によると、炉システムの遮蔽材および構造は、放射を減衰させるための役割を果たし、熱ヒートシンクとしての機能を果たす。
【0043】
いくつかの実装によると、回転制御ドラムは、炉心の周辺上で使用され、反応度を制御することができる。移動可能反射体も、使用されることができる。
【0044】
いくつかの実装によると、炉心内または炉心の周辺において設置され得る移動可能制御ロッドが、反応度を制御するために使用されることができる。
【0045】
いくつかの実装によると、炭化ホウ素、カドミウム、銀、タングステン、またはハフニウム等の中性子吸収材料が、制御要素内で使用されることができる。ベリリウムまたは黒鉛等の中性子反射材料も、制御要素に関連する場合に使用されることができる。
【0046】
いくつかの実装によると、制御システムのモータおよびハードウェアは、炉容器の上方に位置付けられることができる。
【0047】
いくつかの実装によると、炉計測設備は、炉心内に、炉心の周辺において、反射体内に、クーラントループ内に、かつ容器の外側に設置されることができる。
【0048】
いくつかの実装によると、計測設備および関連付けられたケーブル類は、炉容器の上の専用ポートを通してルーティングされることができる。
【0049】
いくつかの実装によると、炉システム、中間クーラントシステム、および動力変換システムは、区画化およびコンテナ化され、大量生産および容易な輸送を可能にすることができる。
【0050】
いくつかの実装によると、システムは、輸送する能力を可能にする様式において、コンテナ化されることができる。
【0051】
いくつかの実装によると、水素化物燃料要素が、核分裂性材料の１５パーセント、核分裂性材料の１０パーセント、または核分裂性材料の５パーセントのうちの１つ未満に濃縮される。
【0052】
いくつかの実装によると、水素化物燃料要素は、粉末金属が水素化および合金化されるプロセスによって製造される。
【0053】
いくつかの実装によると、水素化物燃料要素は、金属が合金化、粉末化、および水素化されるプロセスによって製造される。
【0054】
いくつかの実装によると、水素化物燃料要素は、燃料を含む固体金属合金が水素化されるプロセスによって製造される。
【0055】
いくつかの実装によると、水素化は、水素雰囲気内または水素気流内で生じる。
【0056】
いくつかの実装によると、反射体は、炉心の周辺において移動可能である。
【0057】
いくつかの実装によると、制御ロッドは、炉心の周辺において移動可能である。
【0058】
いくつかの実装によると、制御ロッドの吸収材料は、Ｂ４Ｃ、ハフニウム、または銀インジウムカドミウムのうちの少なくとも１つを含む。
【0059】
いくつかの実装によると、燃料ピンは、少なくとも１つの水素化物燃料要素を被覆材の中に装填することと、被覆材内で少なくとも１つの水素化物燃料要素の下方、またはその上部に、固体形態においける金属接合材料を位置付けることと、少なくとも１つの燃料ピンをシールすることとを含むプロセスによって製造される。
【0060】
いくつかの実装によると、シールすることは、溶接することを含む。
【0061】
いくつかの実装によると、金属接合材料は、少なくとも１つの水素化物燃料要素の下方に、または少なくとも１つの水素化物燃料要素の上部に、またはその両方において、被覆材の中に事前に装填される。
【0062】
いくつかの実装によると、燃料ピンを製造するためのプロセスは、少なくとも１つの燃料ピンを加熱し、少なくとも１つの水素化物燃料要素を包囲するように金属接合材料を融解することと、加熱された少なくとも１つの燃料ピンを移動させ、少なくとも１つの水素化物燃料要素を完全に包囲するように融解された金属接合材料を流動させることとを含む。
【0063】
いくつかの実装によると、移動させることは、揺すぶること、軽くたたくこと、または振動させることのうちの少なくとも１つを含む。
【0064】
いくつかの実装によると、金属接合材料は、圧縮性熱接合材料を含む。
【0065】
いくつかの実装によると、圧縮性熱接合材料は、多孔質黒鉛を含む。
【0066】
いくつかの実装によると、被覆材は、低中性子吸収材料を含む。
【0067】
いくつかの実装によると、低中性子吸収材料は、ニオブ１％ジルコニウム（Ｎｂ１Ｚｒ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ジルコニウム、ステンレス鋼、ニッケル基超合金、または同位体濃縮金属化合物のうちの少なくとも１つを含む。
【0068】
いくつかの実装によると、水素化物燃料元素は、中性子吸収を減らすための同位体濃縮金属を含む。
【0069】
いくつかの実装によると、反射体は、ベリリウム合金、ベリリウムセラミック、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む。
【0070】
いくつかの実装によると、商業用核燃料システムは、システムに燃料供給する容易性のために、少なくとも１つの燃料供給ダクトまたはチャネルを含む。
【0071】
燃料ピンは、本開示による水素化物燃料を含むことができ、以下の利点のうちの１つ以上を結果としてもたらすことができる。例えば、水素化物燃料の使用は、縮小された炉心サイズを可能にしながら、５パーセントを下回るウラン２３５（例えば、４．９５パーセントのウラン２３５）に濃縮された燃料の使用を可能にすることができる。燃料の低濃縮は、燃料の調達および製造を簡素化し、核分裂炉の費用を減らす。いくつかの例では、５パーセント未満のウラン２３５に濃縮された水素化物燃料を使用する非常に小型の炉が、輸送可能であり得る。
【0072】
本開示において説明される主題の１つ以上の実装の詳細が、付随の図面および下記の説明において記述される。主題の他の特徴、側面、および利点も、説明、図面、および請求項から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【0074】
【0075】
【0076】
【0077】
【0078】
【0079】
【0080】
【0081】
【0082】
【0083】
【0084】
【0085】
【発明を実施するための形態】
【0086】
本開示の実装が、ここで、図面を参照して詳細に説明され、これらは、当業者が、例示的実装を実践することを有効にするように、本発明の実装の例証的例として提供される。とりわけ、図および例は、本開示の範囲を単一の実装に限定することを意味せず、他の実装も、説明または例証される要素のいくつかまたは全ての交換によって、可能である。さらに、本開示のある要素が、既知の構成要素を使用して、部分的または完全に実装され得る場合、本開示の理解のために必要とされる、そのような既知の構成要素のそれらの部分のみが、説明され、そのような既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、例示的実装を曖昧にしないように省略されるであろう。
【0087】
地球規模のエネルギー増大および汚染および排出物を減らすための意欲は、新しい炉技術の商業化および設計を取り囲む新しい活動を刺激している。これらの技術のうちのいくつかは、超小型の商業用動力炉を含み、これらのうちのいくつかは、特に、小型の炉心設計を達成するためのそれらの能力および５パーセントを下回るウラン２３５に濃縮された低濃縮ウランを使用するためのそれらの能力に対する水素化物燃料の好都合な中性子特性に起因して、水素化物燃料をそれらの設計の中に組み込む。商業用動力炉は、電力生産、熱発生、または推進力のために使用される、原子炉である。
【0088】
図１および３－６の各々は、本開示による商業用核燃料システムの例示的実装の半径方向断面の概略的例証を示す。概して、例示的実装の各々は、商業用核燃料システムの炉心を取り囲む（または、形成する）外側容器（例えば、鋼鉄容器）を含む。例示的実装の各々は、燃料格子を形成する複数の燃料ピンを含む。いくつかの側面において、複数の燃料ピンが、燃料格子（図１、３、および６に示されるような六角形に成形された燃料格子等）を形成するように位置付けられることができる。いくつかの側面において、複数の六角形に成形された燃料格子はまた、六角形の燃料格子の形状において、外側容器内に配置されることもできる（図５）。いくつかの側面において、燃料ピンを含まず、制御ロッドを受け取ることができる制御場所（燃料格子（または、複数の格子）内の空隙等）が、燃料格子の縁において（図１、３、および４）、燃料格子の半径方向中心において（図１、３、４、および６）、および／または燃料格子自体内に（図５）等に形成される。いくつかの側面において、反射体が、燃料格子と外側容器との間に位置付けられる（図１、３、４、および６）。反射体は、比較的薄く（例えば、約１０センチメートル～約２５センチメートルの半径方向の厚さを有する）（図１、３、および４）、または比較的厚く（例えば、約２５センチメートル～約５０センチメートルの半径方向の厚さを有する）（図６）あることができる。いくつかの側面において、２つの反射体（内側反射体および外側反射体）が、燃料格子と外側容器との間に位置付けられることができる（図５）。いくつかの側面において、六角形の容器等の内側容器（例えば、鋼鉄容器）が、外側容器を伴うことなく、燃料格子に隣接して位置付けられる（図１）。いくつかの側面において、遮蔽アセンブリが、燃料格子と外側容器との間に位置付けられることができる（図５）。いくつかの側面において、（例えば、冷却流体で満たされた）クーラントプールが、外側容器内に形成されることができる（図５）。
【0089】
図１は、本開示による炉心１００の例示的実装の半径方向断面の概略的例証である。炉心１００は、外側炉容器１１０と、内側炉容器１２０とを含む。炉心１００は、外側炉容器１１０と内側炉容器１２０との間に位置付けられた反射体１３０も含む。炉心１００は、燃料格子１５０を含む。燃料格子１５０は、燃料ピン１５５を含む。燃料ピン１５５は、水素化物燃料を含むことができる。燃料格子１５０内に、制御位置、例えば、制御位置１４０が存在する。炉の制御は、回転制御ドラム、移動可能反射体、移動可能制御ロッド、および制御位置において位置する可燃性毒物を介して達成されることができる。炭化ホウ素、カドミウム、銀、タングステン、またはハフニウム等の中性子吸収材料が、制御要素内で使用されることができる。ベリリウムまたは黒鉛等の中性子反射材料も、制御要素に関連する場合に使用されることができる。
【0090】
図２は、図１の炉心の例示的実装の軸方向断面の概略的例証を示す。図２を参照すると、炉心１００は、外側炉容器１１０と、内側炉容器１２０とを含む。炉心１００はまた、外側炉容器１１０と内側炉容器１２０との間に位置付けられた反射体１３０も含む。炉心１００は、燃料格子１５０を含む。燃料格子１５０は、燃料ピン１５５を含む。燃料ピン１５５は、水素化物燃料を含むことができる。示されるように、いくつかの側面において、燃料ピン１５５は、１つ以上の燃料要素２１０（または「燃料スラグ」）の形態において、核燃料を含むことができる。制御位置、例えば、制御位置１４０が燃料格子１５０内に存在する。
【0091】
図３は、本開示による炉心３００の別の例示的実装の半径方向断面の概略的例証である。炉心３００は、外側炉容器３１０と、反射体３３０とを含む。炉心３００は、燃料格子３５０と、制御位置３４０を含む制御位置とを含む。反射体３３０は、燃料格子３５０に隣接し、燃料格子３５０を包囲し、外側炉容器３１０と燃料格子３５０との間に位置付けられる。
【0092】
図４は、本開示による炉心４００の別の例示的実装の半径方向断面の概略的例証である。炉心４００は、外側炉容器４１０と、反射体４３０とを含む。炉心４００は、燃料格子４５０と制御位置とを含み、制御位置は、制御位置４４０と中心制御位置４４４とを含む。反射体４３０は、燃料格子４５０に隣接し、燃料格子４５０を包囲し、外側炉容器４１０と燃料格子４５０との間に位置付けられる。
【0093】
図５は、本開示による炉心５００の別の例示的実装の半径方向断面の概略的例証である。炉心５００は、外側炉容器５１０と、クーラントプール５１５とを含む。炉心５００は、遮蔽アセンブリ５１８を含む。クーラントプール５１５は、遮蔽アセンブリ５１８と外側炉容器５１０との間に位置付けられる。炉心５００は、燃料格子５５０内に、燃料格子５５０と、制御位置、例えば、制御位置５４０とを含む。炉心５００は、内側反射体５３０と、外側反射体５３２とを含む。内側反射体５３０および外側反射体５３２の両方は、外側炉容器５１０と燃料格子５５０との間に位置付けられる。遮蔽アセンブリ５１８は、外側反射体５３２と外側炉容器５１０との間に位置付けられる。
【0094】
図６は、本開示による炉心６００の別の例示的実装の半径方向断面の概略的例証である。炉心６００は、外側炉容器６１０と、反射体６３０とを含む。炉心６００は、燃料格子６５０を含む。反射体６３０は、燃料格子６５０に隣接し、燃料格子６５０を包囲し、燃料格子６５０と外側炉容器６１０外側との間に存在する。
【0095】
図１－６において示されるように、燃料格子の燃料ピンは、炉心を形成するために、六角形の格子パターンにおいて配置されることができ、スペーサグリッド、フィン、またはワイヤラップが、燃料ピン間の間隔を保存するために使用されることができる。代替として、燃料ピンは、炉心を形成するために、正方形の格子パターンにおいて配置されることができ、スペーサグリッドまたはフィンが、燃料ピン間の間隔を保存するために使用されることができる。いくつかの例では、燃料ピンは、一緒に束ねられ、燃料ピンのアセンブリまたは束を形成することができる。アセンブリまたは束は、とりわけ、三角形、四角形、六角形、または正方形の形態にあり得る。燃料束は、ダクトによって包囲されることもでき、ダクトは、閉鎖されることも、直交流を可能にするために穿孔されることもできる。燃料ピンは、下側グリッドプレートによって定位置に保持され、下側グリッドプレートは、流動分配器としての機能を果たすこともできる。
【0096】
炉心は、種々の配置の順序において、中性子反射体、流動バッフルまたはガイド、遮蔽材、および容器によって包囲されることができる。反射体は、他の好適な反射材料の中でもとりわけ、黒鉛またはベリリウムから成ることができる。いくつかの例では、炉心は、六角形のパターンにおいて、４．９５パーセントのウラン２３５に濃縮された燃料ピンから作製され、下側グリッドプレートによって定位置に保持され、ワイヤラップによって分離され、丸みを帯びた六角形の容器によって包囲され、黒鉛反射体によって包囲され、遮蔽材によって包囲され、外側容器内に含まれる。
【0097】
いくつかの実装では、外側炉容器（１１０、３１０、４１０、５１０、６１０）は、３０センチメートル（ｃｍ）以上（例えば、５０センチメートル以上、６０センチメートル以上、８０センチメートル以上）の半径を有する。いくつかの実装では、外側容器は、１４０センチメートル以下（例えば、１２０センチメートル以下、１００センチメートル以下、９０センチメートル以下）の半径を有する。
【0098】
いくつかの実装では、炉心（１００、３００、４００、５００、６００）は、２５センチメートル以上（例えば、３０センチメートル以上、４０センチメートル以上、４５センチメートル以上）の半径を有する。いくつかの実装では、炉心は、５０センチメートル以下（例えば、４５センチメートル以下、４０センチメートル以下、３０センチメートル以下）の半径を有する。
【0099】
いくつかの実装では、反射体（１３０、３３０、４３０、５３０、５３２）は、１０センチメートル以上（例えば、１５センチメートル以上、２０センチメートル以上、３０センチメートル以上）の半径方向の厚さを有する。いくつかの実装では、反射体は、５０センチメートル以下（例えば、４５センチメートル以下、４０センチメートル以下、３５センチメートル以下）の半径方向の厚さを有する。
【0100】
図７Ａ－７Ｂは、本開示による燃料ピン１５５の追加の概略的例証を示す。いくつかの例では、金属水素化物燃料が、小型の炉心を生産するために使用されることができ、小型の炉心は、２０パーセントを下回る核分裂性材料（例えば、２０パーセント以下、１０パーセント以下、５パーセント以下）に濃縮された燃料を使用して動作するものを含む。いくつかの例では、核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９である。
【0101】
図７Ａ－７Ｂの例では、円筒形の燃料ピン１５５は、燃料要素、例えば、燃料要素２１０を含む。燃料要素２１０は、水素化物燃料の形態において、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９を含むことができる。燃料要素２１０の核分裂性材料は、金属形態にあり、水素化ジルコニウム、水素化イットリウム、水素化チタン、水素化スカンジウム、または水素化トリウム等の金属水素化物と混合されている。ウラン金属は、８．５パーセント未満～４５パーセント超の範囲にある重量装填分率に混合されることができる。いくつかの例では、核分裂性材料は、１５パーセントのウラン２３５、１０パーセントのウラン２３５、５パーセントのウラン２３５のうちの１つ未満、すなわち、４．９５パーセントのウラン２３５に濃縮されたウランである。エルビウム等の可燃性吸収材がまた、燃料に追加されることができる。
【0102】
燃料要素２１０は、シールされた鋼鉄管（被覆材７１０）内に取り囲まれる（または、含まれる）。いくつかの例では、複数の燃料要素２１０が、一列に積み重ねられ、被覆材７１０によって包囲されることができる。いくつかの例では、接合層７２０が、核燃料要素２１０と被覆材７１０との間に形成される。接合層７２０は、被覆材７１０を燃料要素２１０に接合し、燃料要素２１０を被覆材７１０に熱結合する。接合層７２０は、燃料要素２１０が膨張すると、変位させられることができる。接合層７２０は、例えば、多孔質黒鉛材料、ヘリウムまたはアルゴン等のガス、または鉛またはナトリウム等の液体金属を含むことができる。
【0103】
いくつかの例では、被覆材７１０は、内部水素障壁を有する。水素障壁は、セラミック、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、金属、例えば、ニオブまたはタングステン、および／または炭化物、例えば、炭化ジルコニウを含む材料から形成されることができる。
【0104】
被覆材７１０は、クーラントによって冷却されることができ、クーラントは、液体金属、水、またはガスを使用することによって、被覆材から離れるように熱を輸送し得る。被覆材７１０によって包囲された積み重ねられた燃料要素２１０は、燃料ピン１５５を形成する。多くの燃料ピン１５５は、原子炉の炉心を形成するように配置されることができる。
【0105】
燃料ピン１５５は、ガスプレナムと、水素障壁と、ウラン、トリウム、黒鉛、またはベリリウムから作製され得る軸方向反射体とを含むことができる。図７Ｂに示されるように、燃料ピン１５５は、核燃料の上方に位置付けられる上側反射体７５０および核燃料領域７６０の下方に位置付けられる下側反射体７７０のうちの一方または両方を含むことができる。上側プレナム７４０は、上側反射体７５０の上方に形成されることができ、例えば、燃料格子（例えば、燃料格子１５０）内に位置付けられた他の燃料ピン１５５のプレナムとともに冷却流体流路の一部を形成する。
【0106】
図８は、例えば、図に示される例示的実装のうちの１つの商業用核燃料システムを含む、原子炉システムの例示的実装の概略的例証を示す。図８に示されるように、炉容器８００は、炉心８５０（例えば、核燃料システムを含む）が設置される内側容積を含むことができる。この例における炉容器８００（外側容器であり得る）は、（循環矢印８６０によって示される）クーラントが中へ循環させられ得るクーラント流入口８１０と、クーラントが外へ循環させられ得るクーラント流出口８２０とを含む。循環させられたクーラントは、動作（例えば、核分裂）中、核燃料システムによって発生させられる熱の少なくとも一部を除去し、電力の発生のために、発電システムまでそのような熱を伝達することができる。この例では、クーラントは、流入口８１０から炉心８５０の下方の下側プレナム８３０の中に、燃料ピン内に形成されるプレナムを通して炉心８５０の上方の上側プレナム８４０の中に、流出口８２０から外へ流動することができる。
【0107】
いくつかの実装では、炉心（１００、３００、４００、５００、６００、８５０）は、５０センチメートル以上（例えば、６０センチメートル以上、７０センチメートル以上、８０センチメートル以上）高さを有する。いくつかの実装では、炉心は、１００センチメートル以下（例えば、９０センチメートル以下、８０センチメートル以下、７５センチメートル以下）の高さを有する。
【0108】
いくつかの実装では、炉心（１００、３００、４００、５００、６００、８５０）は、４００キログラム以上（例えば、４００キログラム以上、４５０キログラム以上、５００キログラム以上）の燃料質量を有する。いくつかの実装では、炉心は、１，０００キログラム以下（例えば、８００キログラム以下、７５０キログラム以下、６００キログラム以下）の燃料質量を有する。
【0109】
図９Ａ－９Ｃは、それぞれ、（例えば、図８の）原子炉システムを伴う発電システムの上面図、側面図、および３次元斜視図の概略的例証を示す。示されるように、発電システムは、以下を含む：（１）一次熱サブシステム９００（炉容器９０１と、少なくとも１つの一次ポンプ９０２と、少なくとも１つの中間熱交換器９０４とを含む）；（２）二次熱サブシステム９１０（少なくとも１つの中間ポンプ９０６と、少なくとも１つの動力変換システム熱交換器９０８とを含む）；（３）動力機器サブシステム９２０（少なくとも１つの発電機または動力変換システム９２２と、少なくとも１つの動力変換システムポンプ９２４と、少なくとも１つの熱放出ラジエータ９２６とを含む）。
【0110】
いくつかの実装では、炉システム、中間クーラントシステム、および動力変換システムは、区画化およびコンテナ化され、大量生産、および容易な輸送（輸送する能力を含む）を可能にすることができる。例えば、サブシステム９００、９１０、および９２０は、モジュール式であることができ、したがって、サブシステム９００は、サブシステム９１０およびサブシステム９２０とは別個に組み立てられることができる。サブシステム９００、９１０、および９２０の各々は、それぞれの筐体９３０、９４０、９５０を有することができる。サブシステム９００、９１０、および９２０は、互いから別個に輸送され、据え付けられることができる。定位置にあるとき、サブシステム９００、９１０、および９２０は、発電システムを形成するように接続されることができる。
【0111】
一次熱サブシステム９００は、クーラントを通して、原子炉システムに流体結合され、クーラントは、炉容器９０１の内側の炉心と中間熱交換器９０４との間の一次ポンプ９０２によって循環させられ、クーラントを介して、核燃料システムから中間熱交換器９０４に熱を伝達する。いくつかの例では、クーラントは、複数のポンプ９０２によって駆動される強制循環によって流動する。フライホイール等の運動量ベースの循環装置は、ポンプ流出口の後に設置され、クーラントのための回転慣性を提供する。ポンプ９０２は、クーラント、および周囲の環境への放射、伝導、および対流によって冷却されることができる。いくつかの例では、電磁ポンプが、液体金属を圧送するために使用される。
【0112】
いくつかの例では、炉容器９０１は、追加の機器および構成要素を収容するための上側機器エンクロージャ９０５を含む。例えば、制御システムのモータおよびハードウェアは、上側機器エンクロージャ９０５内の炉容器の上方に位置付けられることができる。炉計測設備は、炉心内に、炉心の周辺において、反射体内に、クーラントループ内に、および／または容器の外側に設置されることができる。計測設備および関連付けられるケーブル類は、炉容器の上の専用ポートを通してルーティングされることができる。計測設備および関連付けられるケーブル類は、炉容器の上の専用ポートを通してルーティングされることができる。
【0113】
ヘリウム、窒素、または二酸化炭素等のガスが、燃料からの熱を伝達するために、一次クーラントとして使用されることができる。代替として、ナトリウム、鉛、またはナトリウムカリウム合金等の液体金属が、燃料からの熱を伝達するために、クーラントとして使用されることができる。フッ化リチウムフッ化ベリリウム共晶混合物等の液体塩も、使用されることができる。水も、超臨界流体と同様、使用されることができる。一次クーラントは、例えば、ナトリウム、ナトリウムカリウム共晶合金、鉛、鉛ビスマス共晶合金、二酸化炭素、超臨界二酸化炭素、水、ヘリウム、および窒素を含むことができる。
【0114】
いくつかの例では、一次クーラントは、自然循環によって流動し、自然対流によって熱を伝達する。炉クーラント流動ループは、炉クーラントシステムにおける燃料と熱交換器９０４との間の高さが、自然循環を駆動するための適正な浮力を達成するために十分であるように構成されることができる。
【0115】
いくつかの実装では、クーラントシステムの流路は、クーラントが融解されたままの状態であることを確実にするために、能動的に加熱される必要があり得る。炉システムの遮蔽材および構造は、放射を減衰させるための役割を果たし、熱ヒートシンクとしての機能を果たすことができる。十分なクーラントの化学的性質および純度の制御を維持することは、クーラントおよび構成要素の寿命を確保するために重要であり、それは、フィルタ、コールドトラップ、またはコールドフィンガによって達成される。追加の化学的性質の制御が、酸化鉛交換床等の交換床を使用することによって達成され、液体鉛内の酸素の化学的性質を制御することに役立つことができる。
【0116】
クーラントは、熱交換器、例えば中間熱交換器９０４に熱を運ぶこと（熱は、中間クーラントに伝達される）、または、動力変換システム熱交換器９０８に熱を運ぶこと（熱は、動力変換作動流体に伝達される）ができる。いくつかの実装では、クーラントは、燃料から直接、タービン発電機システム等の動力変換システム９２２に熱を伝達することができる。
【0117】
二次熱サブシステム９１０は、熱流体を通して、一次熱サブシステム９００に流体結合され、熱流体は、中間熱交換器９０４と動力変換システム熱交換器９０８との間の中間ポンプ９０６によって循環させられ、クーラントから熱流体に熱を伝達する。いくつかの例では、クーラントは、循環し、燃料内で生産される熱を対流によって除去し、中間熱交換器９０４に熱を運び、中間クーラントに熱を伝達し、次に、中間クーラントは、動力変換システム熱交換器９０８に熱を運び、動力変換システム熱交換器９０８において、熱は、動力変換作動流体に伝達される。
【0118】
いくつかの例では、熱サブシステム９１０の中間クーラントループは、クーラントとして、塩、ガス、水、または液体金属を使用することができる。中間クーラントは、自然循環によって流動し、自然対流によって熱を伝達することができる。いくつかの例では、中間クーラント流動ループは、中間熱交換器９０４と動力変換システム熱交換器９０８との間の高さが、自然循環を駆動するための適正な浮力を達成するために十分であるように構成される。
【0119】
動力機器サブシステム９２０は、作動流体を通して、二次熱サブシステム９１０に流体結合され、これは、動力変換システム熱交換器９０８と動力変換システム９２２との間の動力変換システムポンプ９２４によって循環させられ、動力変換システム９２２は、熱流体から作動流体の中に熱を伝達する。いくつかの例では、動力変換システムは、ガス、または蒸気または二酸化炭素等の超臨界作動流体を使用することができる。加熱された作動流体（例えば、高圧蒸気）は、動力変換システム９２２を駆動し、電力を生産することができる。動力変換システム９２２によって使用される作動流体（例えば、低圧蒸気）は、熱放出ラジエータ９２６によって冷却（例えば、凝縮）されることができる。
【0120】
図１０Ａ－１０Ｃは、図９Ａ－９Ｂの発電システムにおいて使用されるもの等、原子炉容器のための冷却装置の例示的実装の概略的例証を示す。冷却装置の例示的実装は、ラジエータパネルシステム（図１０Ａ）、熱サイフォンシステム（図１０Ｂ）、および／または自然循環閉冷却ループ（図１０Ｃ）を含むことができる。
【0121】
余熱は、周囲の環境への伝導、放射、および対流によって、炉容器およびクーラントループから直接除去されることができる。専用または多目的熱交換器も、使用されることができる。いくつかの例では、空気ダクトは、周囲の環境から冷気を運び、自然循環によって、炉システムを対流によって冷却する。空気は、容器、配管、および熱交換器に沿って流動するように誘導され、構成要素を冷却し、空気は、流出口を介して、区画から外へ流動する。
【0122】
いくつかの例では、冷却パネルおよび／または冷却ジャケットが、炉システムを包囲し、炉システムからの熱は、伝導、放射、および対流を介して、冷却パネルおよびジャケットに伝達される。冷却パネルおよびジャケットは、次いで、周囲環境に熱を伝達する。冷却パネルおよびジャケットは、水、窒素または二酸化炭素と同様のガス、ナトリウムカリウム合金と同様の液体金属、または通常の動作状態において固体である、ナトリウムと同様の可溶性金属等のクーラントを使用することができ、融合の潜熱を介して、熱を吸収することができる。
【0123】
図１０Ａの実施形態は、炉容器１００１と、冷却パネル１００２とを含む。冷却パネル１００２は、炉容器１００１の外部にある。図１０Ｂの実施形態は、炉容器１００４と、冷却熱サイフォン１００６とを含む。冷却熱サイフォン１００６は、機械式ポンプの必要性を伴わずに流体を循環させる自然対流に基づいた受動的な熱交換のために使用されることができる。冷却熱サイフォン１００６は、炉容器１００４の外部にある。図１０Ｃの実施形態は、炉容器１０１０と、冷却ループ１０１２とを含む。冷却ループ１０１２は、炉容器１０１０の外部にあり、閉自然対流冷却ループである。
【0124】
図１０Ｄ－１０Ｆは、原子炉システムを伴う発電システムの少なくとも一部の例示的実装の側面図の概略的例証を示す。例えば、図９Ａ－９Ｂに示される発電システムの「水平に配置された」構成とは対照的に、図１０Ｄ－１０Ｆは、発電システムの垂直に配置された構成を示す。例えば、示されるように、１つ以上のポンプおよび熱交換器が、原子炉システムの炉容器に関して垂直に配置されることができる。
【0125】
図１０Ｄは、炉容器１０２０に関して垂直にオフセットされて配置された一重ループ（例えば、発電システムを原子炉システムと熱結合する１つの熱交換ループ）が存在する例示的実装を示す。熱交換ループ１０１４は、ポンプ１０１６と、熱交換器１０１８とを含む。
【0126】
図１０Ｅは、炉容器１０３０に関して水平かつ垂直にオフセットされて配置された二重ループ（例えば、発電システムを原子炉システムと熱結合する２つの熱交換ループ）が存在する例示的実装を示す。第１の熱交換ループ１０３１は、ポンプ１０３４と、熱交換器１０３２とを含む。第２の熱交換ループ１０３３は、ポンプ１０３６と、熱交換器１０３８とを含む。図１０Ｅの実装は、熱サイフォン１０３５も含む。
【0127】
図１０Ｆは、炉容器１０４０に関して上方に垂直に配置された（または、「積み重ねられた」）二重ループ（例えば、この図に示されるように、発電システムを原子炉システムと熱結合する２つの熱交換ループ）が存在する例示的実装を示す。図１０Ｇ－１０Ｈは、それぞれ、図１０Ｆの原子炉システムの３次元側面図および３次元斜視図を示す。
【0128】
図１０Ｆ－１０Ｈの実施形態では、第１の熱交換ループ１０４１は、クーラントポンプ１０４４と、熱交換器１０４２とを含む。第２の熱交換ループ１０４３は、クーラントポンプ１０４６と、熱交換器１０４８とを含む。図１０Ｆ－１０Ｈの実施形態はまた、熱サイフォン１０４５も含む。熱サイフォン１０４５は、受動的余熱除去システムとして機能する。図１０Ｆ－１０Ｈの実装は、動力変換ターボ機械類を含む動力変換システム１０５０も含む。動力変換システム１０５０は、炉容器１０４０に関して上方に垂直に配置される。
【0129】
図１１は、本開示の例示的実装に関する耐用期間にわたる炉心設計性能のグラフ１１００を示す。グラフ１１００は、黒鉛から成る反射体（１３０、３３０、４３０、５３０、５３２）を有する第１の実施形態に関する炉心耐用期間にわたる反応度減少のプロット１１０１を示す。グラフ１１００はまた、ベリリウムから成る反射体（１３０、３３０、４３０、５３０、５３２）を有する第２の実施形態に関する炉心耐用期間にわたる反応度減少のプロット１１０２を示す。グラフ１００に示されるように、炉心耐用期間の開始時において、第１の実施形態は、５，０００～７，０００パーセントミル（ｐｃｍ）の過剰な反応度を有し、第２の実施形態は、８，０００～９，０００ｐｃｍの過剰な反応度を有する。第１の実施形態および第２の実施形態の各々は、炉心耐用期間の開始の後、６～８年の持続時間にわたって、約－３，０００（ｐｃｍ）まで減少する過剰な反応度を有する。
【0130】
本開示において、単体の構成要素を示す実装が、限定するものと見なされるべきではなく、むしろ、本開示は、本明細書内で別様に明示的に記述されない限り、複数の同一の構成要素を含む、他の実装も包含することが意図され、その逆も同様である。さらに、本出願人らは、本明細書または請求項内のいかなる用語も、そのようなものとして明示的に記述されない限り、一般的ではない、または特別な意味に属すると見なされることを意図しない。さらに、本開示は、例証として、本明細書内で参照される既知の構成要素に対する現在および将来の公知の均等物を包含する。
【0131】
本明細書は、多くの具体的な実装詳細を含むが、これらは、任意の発明または請求され得る内容の範囲への限定として解釈されるべきではなく、むしろ、特定の発明の特定の実装に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実装の文脈において、本明細書に説明される、ある特徴は、単一の実装において、組み合わせて実装されることもできる。逆に言えば、単一の実装の文脈において説明される種々の特徴は、別個に、または任意の好適な副次的組み合わせにおいて、複数の実装において実装されることもできる。さらに、特徴が、ある組み合わせにおいて作動するとして上で説明され、最初にそのようなものとして請求され得るが、請求される組み合わせからの１つ以上の特徴は、ある場合に、その組み合わせから削除されることができ、請求される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例を対象とし得る。
【0132】
同様に、動作が、図面において、特定の順序で描写されるが、これは、そのような動作が、望ましい結果を達成するために、示される特定の順序で、または順次順序で実施されること、または全ての図示される動作が、実施されることを要求するものとして理解されるべきではない。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。さらに、上で説明される実装における種々のシステム構成要素の分離は、全ての実装において、そのような分離を要求するとして理解されるべきではなく、説明されるプログラム構成要素およびシステムが、概して、単一のソフトウェア製品内に一緒に統合され得ること、または複数のソフトウェア製品の中にパッケージ化され得ることを理解されたい。
【0133】
いくつかの実装が、説明されている。それにもかかわらず、種々の修正が、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、行われ得ることが理解されるであろう。例えば、本明細書に説明される例示的動作、方法、またはプロセスは、説明されるものより多くのステップまたはそれより少ないステップを含み得る。さらに、そのような例示的動作、方法、またはプロセスにおけるステップは、図において説明または図示されるものとは異なる並びにおいて実施され得る。故に、他の実装も、以下の請求項の範囲内にある。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図10G】
【図10H】
【図11】
【国際調査報告】