KR102152188B1 - Thorium fuel based space reactor core and nuclear reactor having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체; 상기 핵연료체 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 상기 핵연료 집합체 사이 또는 상기 냉각재와 상기 핵연료 집합체 사이에 마련되어 상기 핵분열 연쇄반응에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 히트 파이프; 및 상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며, 상기 핵연료체는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속, 지르코늄(Zr) 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성될 수 있다.A thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention includes a nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for causing a fission chain reaction; A coolant disposed between the nuclear fuel bodies and absorbing energy released by the nuclear fission chain reaction; A heat pipe provided between the nuclear fuel assembly or between the coolant and the nuclear fuel assembly to discharge heat generated in the nuclear fission chain reaction to the outside; And a reflector disposed to surround the nuclear fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly, wherein the nuclear fuel body includes thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metal, zirconium (Zr) ) It may be formed of a hexagonal column containing alloys and neutron energy domain transition additives.

Description

토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로{Thorium fuel based space reactor core and nuclear reactor having the same}Thorium fuel based space reactor core and nuclear reactor having the same}

본 발명은 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장수명을 확보할 수 있고 고유 안전성이 향상된 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로에 관한 것이다.The present invention relates to a thorium fuel-based space reactor core and a nuclear reactor having the same, and more particularly, to a thorium fuel-based space reactor core with improved intrinsic safety and improved intrinsic safety, and a nuclear reactor having the same.

원자로(Nuclear Reactor)는 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열 반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄 생산 등 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 의미한다.Nuclear Reactor refers to a device made to generate heat by artificially controlling a chain fission reaction of a fissile material or to be used for various purposes such as producing radioactive isotopes and plutonium.

일반적으로 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위해서 농축 우라늄을 원통형 펠릿(pellet)으로 만드는 성형 가공을 한 후, 이 펠릿들을 다발 형태로 묶어 일련의 과정을 거쳐 연료봉을 제조한다. 상기 연료봉은 핵연료 집합체를 구성하며, 원자로 내에서 핵반응을 통해 연소하게 된다.In general, in order to process nuclear fuel used in nuclear reactors, the enriched uranium is molded into cylindrical pellets, and then the pellets are bundled into bundles and a fuel rod is manufactured through a series of processes. The fuel rod constitutes a nuclear fuel assembly, and is burned through a nuclear reaction in a nuclear reactor.

상기 핵연료 집합체는 상기 연료봉을 다양한 형태의 격자상으로 조립하여 제조할 수 있으며, 봉형 핵연료 외에 판형 핵연료 등 다양한 형상의 핵연료로 제조될 수 있다.The nuclear fuel assembly may be manufactured by assembling the fuel rods into various types of grids, and may be manufactured from nuclear fuels of various shapes such as plate type nuclear fuel in addition to rod type nuclear fuel.

최근 들어, 우라늄 원자로의 단점이 부각되면서 원자력 발전의 안정성에 대한 관심이 높아지고 있으며, 기존의 우라늄 원전의 대안으로서 토륨 원자로가 주목을 받고 있다.Recently, as the shortcomings of uranium reactors are highlighted, interest in the stability of nuclear power generation is increasing, and thorium reactors are attracting attention as an alternative to existing uranium nuclear power plants.

토륨 원자로는 핵연료로 우라늄 대신 토륨을 사용하는데, 토륨은 지구상에서 납 보다 흔한 금속이며 매장량이 풍부하고 우라늄처럼 복합한 가공처리 과정을 거칠 필요가 없어 차세대 원자력 시스템의 주요 연료 원천물질로 관심을 받고 있다.Thorium reactors use thorium instead of uranium as nuclear fuel.Thorium is a metal more common than lead on the planet, has abundant reserves, and does not need to undergo complex processing like uranium, thus attracting attention as a major fuel source material for the next-generation nuclear system. .

특히, 토륨은 분열 과정에서 발생하는 중성자 수가 부족하여 외부에서 중성자를 공급해 주어야 핵분열이 일어나며, 중성자 공급을 중단하면 핵분열도 멈추기 때문에 안전성이 보장되는 장점이 있다.In particular, thorium has an advantage of ensuring safety because nuclear fission occurs only when neutrons are supplied from the outside because the number of neutrons generated during the fission process is stopped, and nuclear fission stops when the supply of neutrons is stopped.

핵 연료성 물질(fertile)인 토륨(Th)-232는 중성자를 흡수하여 핵 분열성 물질(fissile)인 우라늄(U)-233으로 변환되고, 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 플루토늄의 생성유무 등 다양한 장점으로 인하여 차세대 원자력시스템의 주요 연료 원천물질로 관심을 받고 있다. Thorium (Th)-232, a fertile material, absorbs neutrons and is converted into uranium (U)-233, a fissile material, and has various advantages such as abundant reserves, low price, and the presence or absence of plutonium. Therefore, it is attracting attention as a major fuel source material for the next-generation nuclear system.

원자로는 이용하는 중성자의 에너지 영역에 따라 약 100 KeV 이상의 고속중성자를 이용하는 고속로(fast reactor)형 원자로와 약 1 eV 이하의 열중성자를 주로 이용하는 열중성자로(thermal reactor)형 원자로로 분류될 수 있다. 대부분의 토륨 핵연료를 사용하는 원자로의 경우, 대단위 규모의 나트륨 냉각재를 사용한 고속 원자로 개념을 활용하여 설계되어 왔다. Nuclear reactors can be classified into fast reactor type reactors that use high-speed neutrons of about 100 KeV or more and thermal reactor type reactors that mainly use thermal neutrons of about 1 eV or less, depending on the energy range of the neutrons used. . Most nuclear reactors using thorium fuel have been designed using the concept of high-speed reactors using large-scale sodium coolants.

한편, 우주 탐사를 위해 장기간 이동을 요구하는 우주선의 경우에는, 태양이 없는 경우에도 지속적인 고출력의 장기 에너지원을 필요로 하며 소형화에 유리하여야 한다. 특히, 우주선이 요구하는 우주원자로는, 태양 광 밀도가 감소하는 우주공간에서 긴 암흑기 동안 신뢰성 있고 고출력 및 장기간의 에너지 원을 필요로 한다. 원자력 원자로는 우주선의 모든 요구를 충족시키며 발사 및 이륙과 같은 우주선 운용에 매우 중요한 저 중량의 고 에너지를 이용할 수 있다. On the other hand, in the case of a spacecraft that requires long-term movement for space exploration, it needs a long-term energy source of continuous high power even in the absence of the sun, and should be advantageous for miniaturization. In particular, space reactors required by spacecraft require reliable, high-power, and long-term energy sources during long dark periods in outer space where solar light density decreases. Nuclear reactors meet all the needs of spacecraft and have access to low-weight, high-energy, critical to spacecraft operations such as launch and take-off.

그러나, 기존의 우주선에 적용되는 원자로는, 방사성 동위원소 열전 발전기를 전력으로 개발하여 활용하고 있지만 방사성 동위원소를 차폐할 무거운 차폐장치를 구축해야 한다는 단점과 우라늄 핵연료를 이용하기 때문에 안전성이 완벽하지 않다는 단점이 있다.However, conventional nuclear reactors applied to spacecraft have developed and utilized radioactive isotope thermoelectric generators as electric power, but have the disadvantage of having to construct a heavy shielding device to shield radioactive isotopes and that safety is not perfect because uranium nuclear fuel is used. There are drawbacks.

본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명을 제안하게 되었다.The present applicant has proposed the present invention in order to solve the above problems.

한국등록특허공보 제10-1482018호(2015.01.07.)Korean Registered Patent Publication No. 10-1482018 (2015.01.07.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 토륨을 이용한 열외중성자로 개념을 도입하여 수명이 길고 안전성이 개선된 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로를 제공한다.The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and provides a thorium fuel-based space reactor core and a nuclear reactor having the same, which has a long life and improved safety by introducing the concept of an extrathermal neutron reactor using thorium.

상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체; 상기 핵연료체 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 상기 핵연료 집합체 사이 또는 상기 냉각재와 상기 핵연료 집합체 사이에 마련되어 상기 핵분열 연쇄반응에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 히트 파이프; 및 상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며, 상기 핵연료체는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속, 지르코늄(Zr) 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성될 수 있다.The thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention for achieving the above-described problems includes a nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for causing a fission chain reaction; A coolant disposed between the nuclear fuel bodies and absorbing energy released by the nuclear fission chain reaction; A heat pipe provided between the nuclear fuel assembly or between the coolant and the nuclear fuel assembly to discharge heat generated in the nuclear fission chain reaction to the outside; And a reflector disposed to surround the nuclear fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly, wherein the nuclear fuel body includes thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metal, zirconium (Zr) ) It may be formed of a hexagonal column containing alloys and neutron energy domain transition additives.

상기 핵연료체는, 90 중량%의 상기 토륨 및 우라늄 금속과, 10 중량%의 상기 지르코늄 합금을 포함할 수 있다.The nuclear fuel body may include 90% by weight of the thorium and uranium metal and 10% by weight of the zirconium alloy.

상기 토륨 및 우라늄 금속은 90 중량%이고 상기 지르코늄 합금은 10 중량%로 마련될 수 있다.The thorium and uranium metal may be 90% by weight, and the zirconium alloy may be provided at 10% by weight.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는, 중성자의 에너지 영역이 고속 중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동되게 할 수 있다.The neutron energy region transition additive may cause the energy region of the neutron to move from the high speed neutron energy region to the extra-heat neutron energy region.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 0.01중량%의 수소로 마련될 수 있다.The neutron energy domain transition additive may be provided with 0.01% by weight of hydrogen.

상기 냉각재는 헬륨이고, 상기 반사체는 산화 베릴륨이며, 상기 히트 파이프 내부에는 암모니아가 마련될 수 있다.The coolant is helium, the reflector is beryllium oxide, and ammonia may be provided inside the heat pipe.

또한, 본 발명은 상술한 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 구비한 원자로를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a nuclear reactor having a core of the thorium fuel-based space reactor.

본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 종래의 우라늄 핵연료 대신 토륨 연료를 이용하기 때문에 노심의 온도 상승 등으로 인한 노심 용융 또는 폭발 등의 위험성을 줄일 수 있다.The thorium fuel-based space reactor according to the present invention can reduce the risk of melting or explosion of the core due to an increase in the temperature of the core, since the core and the nuclear reactor having the same use thorium fuel instead of the conventional uranium nuclear fuel.

본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 냉각재로 헬륨 가스를 사용하기 때문에 원자로의 중량을 줄일 수 있고 노심의 임계를 조절할 수 있다.The thorium fuel-based space reactor core according to the present invention and the nuclear reactor having the same use helium gas as a coolant, so that the weight of the reactor can be reduced and the criticality of the core can be adjusted.

본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 토륨 및 우라늄 핵연료 집합체를 적절히 배치함으로써 토륨의 우라늄(U)-233으로의 변환 및 증식을 촉진할 수 있다.The thorium fuel-based space reactor core according to the present invention and a nuclear reactor having the same can promote the conversion and proliferation of thorium into uranium (U)-233 by properly disposing the thorium and uranium nuclear fuel assemblies.

본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 우주 공간으로 나아가서는 고 에너지의 우주 방사선을 활용하여 중성자 생성을 통한 임계 유지 및 핵분열성 물질(우라늄(U)-233)의 증식으로 장수명 원자로로 활용할 수 있다.The thorium fuel-based cosmic reactor core according to the present invention and a nuclear reactor equipped with the same are used to maintain criticality through neutron generation and proliferate fissile materials (Uranium (U)-233) by using high-energy cosmic radiation that goes to outer space. It can be used as a long-life reactor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 우주원자로 노심에 마련된 핵연료 집합체를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 연소 주기를 나타내는 실험 그래프이다.1 is a view showing a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a nuclear fuel assembly provided in the core of the space reactor shown in FIG. 1.
3 is a view showing a thorium fuel-based space reactor core according to another embodiment of the present invention.
4 is an experimental graph showing a neutron energy spectrum according to a neutron energy domain transition additive in a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention.
5 is an experimental graph showing a combustion cycle according to a neutron energy domain transition additive in a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 나타내는 도면, 도 2는 도 1에 도시한 우주원자로 노심에 마련된 핵연료 집합체를 나타내는 도면, 도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 나타내는 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 연소 주기를 나타내는 실험 그래프이다.1 is a diagram showing a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a nuclear fuel assembly provided in the space reactor core shown in FIG. 1, and FIG. 3 is another embodiment of the present invention 4 is an experimental graph showing a neutron energy spectrum according to a neutron energy domain transition additive in a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention. An experimental graph showing a combustion cycle according to a neutron energy domain transition additive in a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100)은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체(120)를 포함하는 핵연료 집합체(110), 핵연료체(120) 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재(140), 핵연료 집합체(110) 사이 또는 냉각재(140)와 핵연료 집합체(110) 사이에 마련되어 상기 핵분열 연쇄반응에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 히트 파이프(190) 및 핵연료 집합체(110)를 둘러싸도록 배치되며 핵연료 집합체(110)로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체(170)를 포함할 수 있다.1 and 2, the thorium fuel-based space reactor core 100 according to an embodiment of the present invention includes a nuclear fuel assembly 110 including a plurality of nuclear fuel bodies 120 for causing a fission chain reaction. ), a coolant 140 disposed between the nuclear fuel body 120 to absorb the energy released by the nuclear fission chain reaction, the nuclear fuel assembly 110, or between the coolant 140 and the nuclear fuel assembly 110, the nuclear fission It may include a heat pipe 190 for discharging heat generated in the chain reaction to the outside and a reflector 170 arranged to surround the nuclear fuel assembly 110 and to reduce external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly 110 have.

본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100)은 우주선에 마련되는 우주원자로에 적용될 수 있으며, 임계 원자로에 적용되는 것이 바람직하다. 미임계 원자로의 경우에는 중성자 가속기 등 별도의 장비가 필요하므로 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100)은 미임계 원자로에 적용되기에는 적합하지 않다.The thorium fuel-based space reactor core 100 according to an embodiment of the present invention may be applied to a space reactor provided in a spacecraft, and is preferably applied to a critical reactor. In the case of a subcritical reactor, since separate equipment such as a neutron accelerator is required, the thorium fuel-based space reactor core 100 according to an embodiment of the present invention is not suitable to be applied to a subcritical reactor.

도 2를 참조하면, 핵연료체(120)는 원기둥 형태로 형성되고, 7개의 핵연료체(120)를 포함하는 핵연료 집합체(110)는 육각형 기둥 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 7개의 핵연료체(120)를 육각형 형태로 배치함으로써 핵연료 집합체(110)를 얻을 수 있다. Referring to FIG. 2, it is preferable that the nuclear fuel body 120 is formed in a cylindrical shape, and the nuclear fuel assembly 110 including the seven nuclear fuel bodies 120 is formed in a hexagonal column shape. That is, the nuclear fuel assembly 110 can be obtained by arranging the seven nuclear fuel bodies 120 in a hexagonal shape.

여기서, 핵연료체(120)는 ThUZrH와 같은 금속 핵연료이다. 즉, 핵연료체(120)는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속, 그리고 지르코늄(Zr) 합금을 포함하는 금속핵연료(ThUZrH)이다. 도 2를 참조하면, 핵연료체(120)는 원기둥 형상으로 마련되고, 핵연료체(120)를 둘러싸는 피복재(130)가 마련될 수 있다. 피복재(130)는 스테인리스 스틸 피복재(Stainless steel cladding)로 마련되는 것이 바람직하다. 피복재(130)의 외측에는 냉각재(140)가 마련될 수 있다.Here, the nuclear fuel body 120 is a metallic nuclear fuel such as ThUZrH. That is, the nuclear fuel body 120 is a metal nuclear fuel (ThUZrH) including thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metals, and a zirconium (Zr) alloy. Referring to FIG. 2, the nuclear fuel body 120 is provided in a cylindrical shape, and a covering material 130 surrounding the nuclear fuel body 120 may be provided. It is preferable that the cladding 130 is formed of a stainless steel cladding. A coolant 140 may be provided outside the covering material 130.

핵연료체(120)를 둘러싸는 냉각재(140) 뿐만 아니라 핵연료 집합체(110)의 사이에 배치되거나 핵연료 집합체(110)와 반사체(170) 사이에도 냉각재(150)가 마련될 수 있다.A coolant 150 may be provided not only between the coolant 140 surrounding the nuclear fuel body 120 but also between the nuclear fuel assembly 110 or between the nuclear fuel assembly 110 and the reflector 170.

본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100)은, 냉각재(140,150)로 헬륨(He) 기체를 사용하기 때문에 노심(100) 및 이를 구비하는 원자로의 중량을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100) 및 이를 구비한 원자로는 저 중량이기 때문에 우주선에 탑재되기에 용이하고, 중량 제한 때문에 우주선에 탑재되지 못할 가능성을 줄일 수 있다.Since the thorium fuel-based space reactor core 100 according to an embodiment of the present invention uses helium gas as the coolants 140 and 150, the weight of the core 100 and a nuclear reactor having the same can be reduced. Therefore, the thorium fuel-based space reactor core 100 and the reactor having the same according to an embodiment of the present invention are easy to be mounted on a spacecraft because of their low weight, and it is possible to reduce the possibility that they cannot be mounted on the spacecraft due to weight limitation. .

핵연료 집합체(110)를 둘러싸도록 배치되며 핵연료 집합체(110)로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체(170)는 산화 베릴륨(BeO) 반사체가 사용될 수 있다.The reflector 170 that is disposed to surround the nuclear fuel assembly 110 and reduces external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly 110 may be a beryllium oxide (BeO) reflector.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100)은, 49개의 핵연료 집합체(110)를 포함하며, 핵연료 집합체(110)의 사이에 배치된 6개의 히트 파이프(190)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 6개의 히트 파이프(190)는 노심(100)의 가운데 부분에 배치된 7개의 핵연료 집합체(110)를 둘러싸도록 육각형 형태로 배치될 수 있다. 즉, 노심(100)의 가운데 부분에 배치된 7개의 핵연료 집합체(110)가 육각형 모양으로 배치될 때 육각형의 꼭지점 위치에 각각 6개의 히트 파이프(190)가 배치될 수 있다.The thorium fuel-based space reactor core 100 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes 49 nuclear fuel assemblies 110, and 6 heat pipes disposed between the nuclear fuel assemblies 110 ( 190) may be included. Referring to FIG. 1, six heat pipes 190 may be arranged in a hexagonal shape so as to surround seven nuclear fuel assemblies 110 disposed in a central portion of the core 100. That is, when the seven nuclear fuel assemblies 110 disposed in the center portion of the core 100 are arranged in a hexagonal shape, each of the six heat pipes 190 may be disposed at the vertices of the hexagonal shape.

6개의 히트 파이프(190)는 49개의 핵연료 집합체(110) 사이에 배치되기 때문에 대략 노심(100)의 반경의 1/2되는 지점에 배치된다고 할 수 있다.Since the six heat pipes 190 are disposed between the 49 nuclear fuel assemblies 110, it can be said that they are disposed at a point approximately 1/2 of the radius of the core 100.

히트 파이프(190, Heat Pipe)는 노심(100)에서 발생하는 열과 히트 파이프(190)의 내부를 유동하는 매체가 서로 열교환 하여 노심(100)의 열을 외부로 배출하는 역할을 한다. 이를 위해, 히트 파이프(190)의 내부에는 열교환 매체로서 암모니아(Ammonia)가 마련될 수 있다.The heat pipe 190 serves to discharge heat from the core 100 to the outside by exchanging heat between the heat generated from the core 100 and the medium flowing inside the heat pipe 190. To this end, ammonia may be provided as a heat exchange medium inside the heat pipe 190.

이와 같이 형성된 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100)을 구비한 원자로는 100 MWt/h의 출력을 낼 수 있다.A nuclear reactor equipped with the thorium fuel-based space reactor core 100 formed as described above can produce an output of 100 MWt/h.

도 1에 도시된 우주원자로 노심(100)의 직경(D)은 24.2 센티미터(cm)로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 구비한 원자로는 우주선 탑재에 유리하도록 소형 원자로 형태로 마련될 수 있다. 다만, 원자로 노심(100)의 직경은 원자로의 출력 또는 핵연료 집합체의 크기 등에 따라서 달라질 수 있다.The diameter (D) of the space reactor core 100 shown in FIG. 1 is 24.2 centimeters (cm), and the nuclear reactor equipped with a thorium fuel-based space reactor core according to an embodiment of the present invention is a small reactor to be advantageous for spacecraft mounting. It can be provided in a form. However, the diameter of the reactor core 100 may vary depending on the output of the reactor or the size of the nuclear fuel assembly.

도 3에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(200)이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(200)은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체(120, 도 2 참조)를 포함하는 핵연료 집합체(210), 핵연료체(120) 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재(250), 핵연료 집합체(210) 사이 또는 냉각재(250)와 핵연료 집합체(210) 사이에 마련되어 상기 핵분열 연쇄반응에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 히트 파이프(290), 핵연료 집합체(210)를 둘러싸도록 배치되며 핵연료 집합체(210)로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체(270) 및 핵연료 집합체(210)의 중심부에 마련되는 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체(280)를 포함할 수 있다.3 illustrates a thorium fuel-based space reactor core 200 according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a thorium fuel-based space reactor core 200 according to another embodiment of the present invention includes a nuclear fuel assembly 210 including a plurality of nuclear fuel bodies 120 (see FIG. 2) for causing a fission chain reaction. ), a coolant 250 disposed between the nuclear fuel body 120 to absorb the energy released by the nuclear fission chain reaction, the nuclear fuel assembly 210 or between the coolant 250 and the nuclear fuel assembly 210 A heat pipe 290 that discharges heat generated in the chain reaction to the outside, a reflector 270 disposed to surround the nuclear fuel assembly 210 and reduce external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly 210, and a nuclear fuel assembly ( It may include a uranium (U)-233 hexagonal nuclear fuel assembly 280 provided in the center of 210).

도 3에 도시된 우주원자로 노심(200)이 도 1에 도시된 우주원자로 노심(100)과 다른 점은 노심(200)의 중심부에 마련되는 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체(280), 히트 파이프(290)의 배치 위치, 노심(200)의 직경이다.The difference between the space reactor core 200 shown in FIG. 3 and the space reactor core 100 shown in FIG. 1 is the uranium (U)-233 hexagonal fuel assembly 280 provided in the center of the core 200, and the heat It is the arrangement position of the pipe 290 and the diameter of the core 200.

우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체(280)는 토륨(Th)-232는 포함하지 않고 우라늄(U)-233으로만 형성되는 핵연료체(미도시) 7개를 육각형 모양으로 배치함으로써 형성될 수 있다. 이때, 우라늄(U)-233 외에 지르코늄(Zr)이 포함되거나 후술하는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 포함될 수도 있다.The uranium (U)-233 hexagonal fuel assembly 280 can be formed by arranging seven nuclear fuel bodies (not shown) formed only of uranium (U)-233 without thorium (Th)-232 in a hexagonal shape. have. In this case, in addition to uranium (U)-233, zirconium (Zr) may be included, or a neutron energy domain transition additive described later may be included.

우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체(280)는 7개가 노심(100)의 중심부에 육각형 모양으로 배치될 수 있다. 7개의 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체(280)를 둘러싸도록 그 바깥쪽에 복수개의 핵연료 집합체(210)가 마련될 수 있다. 핵연료 집합체(210)는 육각형 모양으로 배치될 수 있다.Seven of the uranium (U)-233 hexagonal fuel assemblies 280 may be arranged in a hexagonal shape in the center of the core 100. A plurality of nuclear fuel assemblies 210 may be provided outside the seven uranium (U)-233 hexagonal nuclear fuel assemblies 280. The nuclear fuel assembly 210 may be arranged in a hexagonal shape.

여기서, 핵연료 집합체(210)는 도 1에 도시된 노심(100)의 핵연료 집합체(110)와 동일하게 마련될 수 있다. 냉각재(250)는 헬륨 기체가 사용되고, 반사체(270)는 산화 베릴륨(BeO)으로 형성될 수 있다. Here, the nuclear fuel assembly 210 may be provided in the same manner as the nuclear fuel assembly 110 of the core 100 shown in FIG. 1. Helium gas is used as the coolant 250, and the reflector 270 may be formed of beryllium oxide (BeO).

노심(210)의 직경(D)은 26.2 센티미터(cm)인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The diameter D of the core 210 is preferably 26.2 centimeters (cm), but is not limited thereto.

도 3을 참조하면, 4개의 히트 파이프(290)가 마련될 수 있는데, 육각형 모양으로 배치된 핵연료 집합체(210)의 꼭지점 위치에 히트 파이프(290)가 배치되되 사각형 모양으로 배치되는 것이 바람직하다. 히트 파이프(290)의 내부에는 암모니아가 마련될 수 있다.Referring to FIG. 3, four heat pipes 290 may be provided. It is preferable that the heat pipes 290 are disposed at the vertices of the nuclear fuel assembly 210 arranged in a hexagonal shape, but arranged in a square shape. Ammonia may be provided inside the heat pipe 290.

한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100,200)의 핵연료체(120)는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속 그리고, 지르코늄(Zr) 합금 외에 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the nuclear fuel body 120 of the thorium fuel-based space reactor cores 100 and 200 shown in FIGS. 1 to 3 includes thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metals, and neutron energy in addition to the zirconium (Zr) alloy. It may further include a region transition additive.

핵연료체(120)에서, 토륨 및 우라늄 금속은 90 중량%이고 지르코늄 합금은 10 중량%의 조성으로 마련될 수 있다. 여기서, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 0.01중량%의 조성으로 마련될 수 있다.In the nuclear fuel body 120, thorium and uranium metals may be 90% by weight and zirconium alloys may be provided in a composition of 10% by weight. Here, the neutron energy domain transition additive may be provided in a composition of 0.01% by weight.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 불순물의 일종으로서 향상된 열외중성자 에너지 스펙트럼을 얻기 위해서 핵연료체(120)에 첨가될 수 있다. 핵연료체(120)에 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가됨으로써 중성자의 에너지 영역이 고속 중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동될 수 있다.The neutron energy domain transition additive may be added to the nuclear fuel body 120 to obtain an improved extrathermal neutron energy spectrum as an impurity. As the neutron energy region transition additive is added to the nuclear fuel body 120, the energy region of the neutron may be moved from the high-speed neutron energy region to the extraheat neutron energy region.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로는 수소 또는 수소 수화물이 이용될 수 있다. 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로 수소 또는 수소 수화물이 사용되는 경우 0.01중량%의 수소 또는 수소 수화물이 첨가될 수 있다.Hydrogen or hydrogen hydrate may be used as the neutron energy domain transition additive. When hydrogen or hydrogen hydrate is used as the neutron energy domain transition additive, 0.01% by weight of hydrogen or hydrogen hydrate may be added.

도 4에는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제 량에 따라 중성자 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 도 4의 경우 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 수소 내지 수소 수화물이고, H0.0은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가되지 않은 경우, H0.1는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 0.1중량% 추가된 경우, H0.2는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 0.2중량% 추가된 경우, H0.3는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 0.3중량% 추가된 경우를 의미한다. 또한, 도 4의 경우 수소의 농도 내지 함유량을 바꿔가면서 저온 구간에서의 공명(resonance)을 사용하였다.4 is a graph showing the neutron energy spectrum according to the amount of the neutron energy domain transition additive. In the case of FIG. 4, when the neutron energy domain transition additive is hydrogen to hydrogen hydrate, H0.0 is H0, when the neutron energy domain transition additive is not added, H0.1 is 0.1% by weight of the neutron energy domain transition additive added. 2 means a case where 0.2% by weight of the neutron energy domain transition additive is added, and H0.3 means a case where 0.3% by weight of the neutron energy domain transition additive is added. In addition, in the case of FIG. 4, resonance in a low-temperature section was used while changing the concentration or content of hydrogen.

도 4를 참조하면, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제인 수소의 첨가량이 많아짐에 따라 중성자 에너지 스펙트럼이 고속 중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동함을 보여 준다. 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 핵연료체(120)에 추가함으로써, 원자로 내부의 핵분열 반응에 의해 생성되는 고속 중성자의 에너지가 감속되며, 이와 같이 감속된 에너지를 이용하여 토륨(Th)-232의 우라늄(U)-233으로의 변환을 촉진시킬 수 있고 중성자 에너지 스펙트럼을 열외 중성자 영역으로 이동시킬 수 있다.Referring to FIG. 4, it is shown that the neutron energy spectrum shifts from the high-speed neutron energy region to the extraheat neutron energy region as the amount of hydrogen, which is a neutron energy region transition additive, increases. By adding a neutron energy domain transition additive such as hydrogen to the nuclear fuel body 120, the energy of the high-speed neutrons generated by the nuclear fission reaction inside the nuclear reactor is reduced, and the reduced energy is used to reduce the amount of thorium (Th)-232. It can accelerate the conversion to uranium (U)-233 and shift the neutron energy spectrum into the extrathermal neutron region.

또한, 본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심(100,200)은, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로서 적은 양의 수소를 핵연료체(120)에 추가함으로써 핵연료체(120)의 수명을 늘일 수 있다.In addition, the thorium fuel-based space reactor cores 100 and 200 according to the present invention can extend the life of the nuclear fuel body 120 by adding a small amount of hydrogen to the nuclear fuel body 120 as a neutron energy domain transition additive.

본 발명의 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 우주원자로 노심(100,200)에 대해서 MCNP6.1 코드를 사용하여 연소 실험을 하였다. MCNP6.1 코드의 KCODE 카드를 사용하고, 계산을 위해 50회의 비활성 주기(cycle)를 포함하여 총 250회의 활성 주기 동안 10,000개의 중성자를 사용했다. 또한, 연소 계산을 위해서 MCNP6.1 코드의 BURN 카드를 사용한다. 연소 실험 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 사용 주기가 약 5 년 정도임을 알 수 있으며, 핵연료체의 우라늄(U)-233의 조성과 노심(100,200)의 구성을 변경하면 30 년까지 사용 주기를 늘일 수 있다.The inventors of the present invention conducted combustion experiments using the MCNP6.1 code for the thorium-based space reactor cores 100 and 200 according to an embodiment of the present invention. A KCODE card with MCNP6.1 code was used, and 10,000 neutrons were used for a total of 250 active cycles, including 50 inactive cycles for calculation. Also, use the BURN card of MCNP6.1 code for combustion calculation. As a result of the combustion experiment, it can be seen that the use cycle is about 5 years, as shown in FIG. 5, and if the composition of the uranium (U)-233 of the nuclear fuel body and the composition of the core (100, 200) are changed, the use cycle is reduced to 30 years. Can be extended.

도 5에는 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가한 핵연료체(ThUZrH)와 추가하지 않은 핵연료체(ThUZr)에 대한 유효증배계수(Keff)도 나타나 있다. FIG. 5 also shows an effective multiplication factor (K eff ) for a nuclear fuel body (ThUZrH) to which a neutron energy domain transition additive such as hydrogen is added and a nuclear fuel body (ThUZr) not added.

도 5를 참조하면, 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가한 핵연료체(ThUZrH)는 수소의 사용으로 인해서, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가하지 않은 핵연료체(ThUZr) 보다 긴 수명과 높은 유효증배계수를 가진다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, a nuclear fuel body (ThUZrH) to which a neutron energy domain transition additive such as hydrogen is added has a longer life and higher effective multiplication than a nuclear fuel body (ThUZr) without adding a neutron energy domain transition additive due to the use of hydrogen. You can see that it has a coefficient.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로는, 노심(200)의 중심부에는 우라늄 육각 핵연료 집합체(280)를 위치시키고 그 주변에 토륨 육각 핵연료 집합체(210)를 위치시켜 노심(200)의 임계도를 1 이상으로 유지시킬 수 있다. 그리고, 수소 수화물을 첨가함으로써 더 높은 중성자 플럭스(flux)와 긴 수명을 유지할 수 있어 노심의 주기길이를 연장시킬 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 기존의 우주원자로 보다 우수한 주기길이 및 임계도를 가진다. As described above, a thorium fuel-based space reactor core and a nuclear reactor equipped with the same according to the present invention, a uranium hexagonal nuclear fuel assembly 280 is positioned in the center of the core 200, and a thorium hexagonal nuclear fuel assembly 210 is positioned around the core 200 Thus, the criticality of the core 200 can be maintained at 1 or more. In addition, by adding hydrogen hydrate, it is possible to maintain a higher neutron flux and a longer service life, thereby extending the cycle length of the core. As described above, the thorium fuel-based space reactor core and the reactor having the same according to the present invention have a cycle length and criticality that are superior to those of conventional space reactors.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, in one embodiment of the present invention, specific matters such as specific components, etc., and limited embodiments and drawings have been described, but this is only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is based on the above embodiments. It is not limited, and various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs. Accordingly, the spirit of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and all things equivalent or equivalent to the claims as well as the claims to be described later belong to the scope of the inventive concept.

100,200: 토륨 연료 기반 우주원자로 노심
110,210: 핵연료 집합체
120: 핵연료체
130: 피복재
140,150,250: 냉각재
170,270: 반사체
190,290: 히트 파이프
280: 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체100,200: Thorium fuel-based space reactor core
110,210: nuclear fuel assembly
120: nuclear fuel body
130: cladding material
140,150,250: coolant
170,270: reflector
190,290: heat pipe
280: uranium (U)-233 hexagonal nuclear fuel assembly

Claims (7)

우주선에 마련되고 임계 원자로에 적용되며 열외중성자로 방식의 우주원자로 노심으로서,
핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체;
상기 핵연료체 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재;
상기 핵연료 집합체 사이에 마련되어 상기 핵분열 연쇄반응에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 히트 파이프; 및
상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며,
상기 핵연료체는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속, 지르코늄(Zr) 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성되고,
상기 히트 파이프는 상기 노심의 가운데 부분에 배치된 7개의 상기 핵연료 집합체의 외측에 육각형 형태로 배치되되 상기 노심의 가운데 부분에 배치된 7개의 상기 핵연료 집합체가 육각형 모양으로 배치될 때 육각형 배치 모양의 꼭지점 위치에 각각 1개씩 배치되는 것을 특징으로 하는 토륨 연료 기반 우주원자로 노심.
It is provided in spacecraft and applied to critical reactors, and as a space reactor core of the extrathermal neutron reactor method,
A nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for causing a fission chain reaction;
A coolant disposed between the nuclear fuel bodies and absorbing energy released by the nuclear fission chain reaction;
A heat pipe provided between the nuclear fuel assemblies to discharge heat generated in the nuclear fission chain reaction to the outside; And
Includes; a reflector disposed so as to surround the nuclear fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly,
The nuclear fuel body is formed of a hexagonal column including a thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metal, a zirconium (Zr) alloy, and a neutron energy domain transition additive,
The heat pipe is arranged in a hexagonal shape on the outside of the seven nuclear fuel assemblies arranged in the central portion of the core, and when the seven nuclear fuel assemblies arranged in the central portion of the core are arranged in a hexagonal shape, the vertex of the hexagonal arrangement shape A thorium fuel-based space reactor core, characterized in that one is placed at each location.
우주선에 마련되고 임계 원자로에 적용되며 열외중성자로 방식의 우주원자로 노심으로서,
핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체;
상기 핵연료체 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재;
상기 냉각재와 상기 핵연료 집합체 사이에 마련되어 상기 핵분열 연쇄반응에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 히트 파이프;
상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체; 및
상기 노심의 중심부에 마련되는 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체;를 포함하며,
상기 핵연료체는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속, 지르코늄(Zr) 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성되고,
상기 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체는 토륨(Th)-232는 포함하지 않고 우라늄(U)-233으로만 형성되되 7개의 상기 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체가 상기 노심의 중심부에 육각형 모양으로 배치되며,
7개의 상기 우라늄(U)-233 육각 핵연료 집합체를 둘러싸도록 그 바깥쪽에 복수개의 상기 핵연료 집합체가 육각형 모양으로 배치되고,
상기 히트 파이프는 육각형 모양으로 배치된 상기 핵연료 집합체의 외측에 배치되되 사각형 모양으로 배치되도록 상기 핵연료 집합체의 육각형 배치 모양의 꼭지점 중 4개의 꼭지점 위치에 각각 1개씩 배치되는 것을 특징으로 하는 토륨 연료 기반 우주원자로 노심.
It is provided in spacecraft and applied to critical reactors, and as a space reactor core of the extrathermal neutron reactor method,
A nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for causing a fission chain reaction;
A coolant disposed between the nuclear fuel bodies and absorbing energy released by the nuclear fission chain reaction;
A heat pipe provided between the coolant and the nuclear fuel assembly to discharge heat generated in the nuclear fission chain reaction to the outside;
A reflector disposed to surround the nuclear fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly; And
Including; uranium (U)-233 hexagonal nuclear fuel assembly provided in the center of the core,
The nuclear fuel body is formed of a hexagonal column including a thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metal, a zirconium (Zr) alloy, and a neutron energy domain transition additive,
The uranium (U)-233 hexagonal fuel assembly does not contain thorium (Th)-232 and is formed only of uranium (U)-233, but the seven uranium (U)-233 hexagonal fuel assemblies are hexagonal in the center of the core. Are placed in a shape,
A plurality of the nuclear fuel assemblies are arranged in a hexagonal shape outside the uranium (U)-233 hexagonal nuclear fuel assemblies so as to surround them,
The heat pipe is disposed on the outside of the nuclear fuel assembly arranged in a hexagonal shape, but arranged in a hexagonal shape so as to be arranged in a square shape, one of the heat pipes disposed at each of the four vertices of the hexagonal arrangement shape of the nuclear fuel assembly. Reactor core.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 핵연료체는, 90 중량%의 상기 토륨 및 우라늄 금속과, 10 중량%의 상기 지르코늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 토륨 연료 기반 우주원자로 노심.
The method according to claim 1 or 2,
The nuclear fuel body, a thorium fuel-based space nuclear reactor core, characterized in that it comprises 90% by weight of the thorium and uranium metal and 10% by weight of the zirconium alloy.
제3항에 있어서,
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는, 중성자의 에너지 영역이 고속 중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동되게 하는 것을 특징으로 하는 토륨 연료 기반 우주원자로 노심.
The method of claim 3,
The neutron energy region transition additive is a thorium fuel-based space reactor core, characterized in that the energy region of the neutron is moved from the high-speed neutron energy region to the extra heat neutron energy region.
제4항에 있어서,
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 0.01중량%의 수소인 것을 특징으로 하는 토륨 연료 기반 우주원자로 노심.
The method of claim 4,
The neutron energy domain transition additive is a thorium fuel-based space reactor core, characterized in that 0.01% by weight of hydrogen.
제5항에 있어서,
상기 냉각재는 헬륨이고, 상기 반사체는 산화 베릴륨이며, 상기 히트 파이프 내부에는 암모니아가 마련되는 것을 특징으로 하는 토륨 연료 기반 우주원자로 노심.
The method of claim 5,
The coolant is helium, the reflector is beryllium oxide, and a thorium fuel-based space reactor core, characterized in that ammonia is provided inside the heat pipe.
제1항 또는 제2항에 따른 토륨 연료 기반 우주원자로 노심을 구비한 원자로.A nuclear reactor equipped with a thorium fuel-based space nuclear reactor core according to claim 1 or 2.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023200592A3 (en) * 2022-03-31 2024-02-01 Idealab Studio, LLC Portable nuclear power system

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111081391B (en) * 2019-12-31 2022-06-28 中国核动力研究设计院 Reactor core structure of heat pipe reactor fuel element adopting hexagonal prism cladding
CN112133455B (en) * 2020-08-24 2022-12-13 中国原子能科学研究院 Dual-mode reactor core
KR20220097827A (en) 2020-12-31 2022-07-08 서울대학교산학협력단 Micro reactor
CN113436758B (en) * 2021-07-19 2023-03-07 西安交通大学 Radial flow high-temperature gas cooled reactor fuel assembly for space propulsion and working method
CN116543933B (en) * 2023-05-29 2024-01-23 西安交通大学 Metal fuel matrix heat pipe cooling reactor core structure

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101694409B1 (en) * 2015-10-05 2017-01-09 세종대학교산학협력단 Nuclear reactor core for thorium breeding and method of using thereof
KR101717942B1 (en) * 2016-02-03 2017-04-04 세종대학교산학협력단 Small modular nuclear reactor core and nuclear reactor having the same
JP2017181445A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社東芝 Portable type nuclear reactor and reactor core thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110206174A1 (en) * 2010-02-22 2011-08-25 Westinghouse Electric Sweden Ab Nuclear fuel, a fuel element, a fuel assembly and a method of manufacturing a nuclear fuel
KR101482018B1 (en) 2013-11-15 2015-01-14 한국원자력연구원 Space Power Reactor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101694409B1 (en) * 2015-10-05 2017-01-09 세종대학교산학협력단 Nuclear reactor core for thorium breeding and method of using thereof
KR101717942B1 (en) * 2016-02-03 2017-04-04 세종대학교산학협력단 Small modular nuclear reactor core and nuclear reactor having the same
JP2017181445A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社東芝 Portable type nuclear reactor and reactor core thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023200592A3 (en) * 2022-03-31 2024-02-01 Idealab Studio, LLC Portable nuclear power system

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