KR102340575B1 - 핵분열 생성물 게터 - Google Patents

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KR102340575B1
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테라파워, 엘엘씨
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Abstract

게터 요소는 원자로의 연료 어셈블리를 빠져나오는 액체 및/또는 기체의 스트림 내에 함유된 핵분열 생성물(fission product)과 반응하는 게터 재료를 포함한다. 적어도 하나의 전송 경로는 선택된 흐름 레벨 위로 게터 재료를 통한 입력 스트림의 흐름을 유지하기에 충분한 크기를 갖는 게터 요소를 통과한다. 적어도 하나의 전송 경로는 미리 식별된 양의 핵분열 생성물을 흡수하기에 충분한 반응 표면적을 포함한다.

Description

핵분열 생성물 게터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 개시하거나 교시하는 모든 것에 대하여 본 명세서에 참조로서 구체적으로 편입되는, "Fission Product Getter"라는 제목 하에 2016년 3월 8일 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/305,272호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
기술분야
본 개시 내용은 개괄적으로 핵분열 생성물 게터 장치 및 핵분열 생성물 게터 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 개시 내용의 하나 이상의 예시적인 실시예에 따라, 핵분열 생성물(fission product) 게터(getter) 장치가 개시된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 핵분열 생성물 게터 장치는, 소정 부피의 게터 재료를 포함하고 보이드 구조를 갖는 게터 몸체를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 게터 재료는 핵분열 원자로(nuclear fission reactor)로부터의 유체 흐름 내에 함유된 핵분열 생성물과 반응한다. 다른 예시적인 실시예에서, 게터 몸체는 선택된 기간 동안 게터 몸체의 보이드 구조를 통한 유체의 흐름을 유지하기에 충분한 결정된 부피 파라미터를 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 게터 몸체의 결정된 부피 파라미터는 결정된 부피 파라미터를 가지며, 선택된 기간 동안 선택된 팽창 임계값 아래에 게터 몸체의 팽창을 유지하기에 충분한 게터 몸체 내의 보이드 부피를 제공한다.
전술한 것은 요약이며, 따라서 단순화, 일반화 및/또는 상세의 생략을 포함할 수 있다; 결과적으로, 당해 기술 분야에서의 통상의 기술자는 요약이 단지 예시적이며, 어떠한 방식으로도 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 설명되는 장치 및/또는 프로세스 및/또는 다른 내용의 다른 양태, 특징 및 이점은 본 명세서에 설명된 교시 내용에서 명백하게 될 것이다.
도 1은 고속 원자로 코어를 갖는 예시적인 핵분열 원자로를 도시한다.
도 2는 게터 재료를 포함하는 소정의 부피에 의해 형성된 예시적인 게터 몸체를 도시한다.
도 3a은 캐핑(capping) 요소에 의해 지지되는 게터 몸체를 포함하는 예시적인 게터 요소를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 캐핑 요소 중 하나의 다른 도면을 도시한다.
도 4a는 캐핑 요소에 의해 지지되는 게터 몸체를 포함하는 다른 예시적인 게터 요소를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 캐핑 요소 중 하나의 다른 도면을 도시한다.
도 5a는 게터 요소에서의 사용에 적합한 예시적인 지지 구조를 도시한다.
도 5b는 게터 요소에서의 사용에 적합한 다른 예시적인 지지 구조의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 6은 게터 요소에서의 사용에 적합한 다른 예시적인 지지 구조를 도시한다.
도 7은 다른 예시적인 게터 몸체의 단부도(end-on view)를 도시한다.
도 8은 또 다른 예시적인 게터 몸체의 단부도를 도시한다.
도 9는 예시적인 게터 요소가 구비된 원자로의 연료 핀(fuel pin)의 단면도를 도시한다.
도 10은 핵연료와 핵분열 플레넘(plenum) 사이에 직렬로 배열된 2개의 예시적인 게터 요소가 구비된 원자로의 연료 핀의 단면도를 도시한다.
도 11은 게터 요소를 수용하는 한 세트의 연료 핀을 포함하는 예시적인 연료 어셈블리의 상면도이다.
도 12는 한 세트의 연료 어셈블리를 포함하는 원자로 코어의 사시도이다.
도 13은 원자로의 핵분열 기체 출력 스트림을 클리닝하는데 사용하기 위하여 게터 몸체를 형성하기 위한 예시적인 동작을 도시한다.
도 14는 게터 프로세스 혼합물(getter process mixture)을 준비하고 복수의 보이드를 갖는 게터 몸체를 형성하기 위한 일련의 예시적인 동작을 도시한다.
도 15a는 구형 형상을 갖는 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조를 도시한다.
도 15b는 타원체(ellipsoid) 형상을 갖는 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조를 도시한다.
도 15c는 편원 타원체(oblate spheroid) 형상을 갖는 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조를 도시한다.
도 15d는 장축 타원체(prolate spheroid) 형상을 갖는 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조를 도시한다.
도 16은 게터 프로세스 혼합물의 강화된 부피의 일부의 개념도를 도시한다.
도 17은 인가된 다이 압력의 함수로서 얻어진 게터 프로세스 혼합물의 이론적 밀도(theoretical density(TD))의 백분율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 18a는 희생 보이드 형성 구조 및 게터 재료를 포함하는 예시적인 게터 몸체를 도시한다.
도 18b는 희생 보이드 형성 구조를 분해하여 보이드를 남기는 열적 또는 화학적 처리를 겪은 후의 도 19a의 예시적인 게터 몸체를 도시한다.
도 19a는 제조된 게터 요소의 반경 방향 단면을 도시하며, 게터 요소의 전반적인 보이드 구조를 형성하는 다수의 세공(pore)을 나타낸다.
도 19b는 도 20의 제조된 게터 요소의 단일 세공의 확대도를 도시한다.
도 20은 게터 요소를 형성하기 위한 일련의 예시적인 부가적 제조 동작을 도시한다.
도 21은 부가적 제조 프로세스를 통하여 형성된 예시적인 게터 몸체를 도시한다.
도 22는 부가적 제조 프로세스를 통하여 형성된 다른 예시적인 게터 몸체를 도시한다.
도 23은 부가적 제조 프로세스를 통하여 형성된 또 다른 예시적인 게터 몸체를 도시한다.
도 24는 희생 템플레이팅 프로세스를 통하여 게터 요소를 형성하기 위한 예시적인 동작을 도시한다.
도 25는 직접 발포 동작을 통하여 게터 요소를 형성하기 위한 예시적인 동작을 도시한다.
다음의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면이 참조된다. 도면에서, 유사한 도면 부호는, 문맥이 달리 지시하지 않는다면, 일반적으로 유사한 컴포넌트를 식별한다. 상세한 설명, 도면 및 청구범위에서 설명된 예시적인 실시예들은 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에 제공된 내용의 기술적 사상이나 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 실시예들이 활용될 수 있으며, 다른 변경이 이루어질 수 있다.
본 개시 내용은, 원자로의 핵연료 내에서 반응 프로세스 동안 형성된 핵분열 생성물과 같은, 기체 및/또는 액체 흐름으로부터 하나 이상의 핵분열 생성물을 제거하기 위한 게터 요소의 다양한 실시예에 관한 것이다. 게터 요소는 유체(액체 및/또는 기체) 흐름의 연속 배출을 용이하게 하는 하나 이상의 내부 통로를 포함하며, 또한 흐름으로부터 핵분열 생성물을 제거하기 위하여 목표 핵분열 생성물과 화학적으로 반응하는 게터 재료를 포함한다. 개시된 기술은 고속 원자로(fast nuclear reactor), 증식로(breeder reactor), 증식 연소로(breed and burn reactor) 및/또는 일부 경우에서의 진행파로(traveling wave reactor)를 한정하지 않으면서 포함하는 다양한 원자로에서의 구현에 적합하다. 더하여, 본 개시 내용은 게터 요소를 형성하는 다양한 방법에 관한 것이다.
도 1은 고속 원자로 코어(132)를 갖는 예시적인 핵분열 원자로(130)를 도시한다. 고속 원자로 코어(132)는 가드 용기(guard vessel)(136)에 의해 둘러싸이는 원자로 용기(140) 내에 배치된다. 하나의 구현예에서, 고속 원자로 코어(132)는 핵분열성 핵연료(fissile nuclear fuel)의 핵분열 반응을 위한 중성자를 제공하는 핵분열 점화기(도시되지 않음)를 포함한다. 핵분열 원자로(130)는 다수의 연료 어셈블리(예를 들어, 도면 B에서의 연료 어셈블리(138))를 포함하고, 각각의 연료 어셈블리는, 본 명세서에서 연료 핀(fuel pin)이라고도 하는 다수의 연료 요소를 더 포함한다. 개시된 기술의 하나의 구현예에서, 개별 연료 핀 각각은, 도면 B, C 및 D를 아래에서 참조하여 설명되는 바와 같이, 입력 스트림으로부터 하나 이상의 핵분열 생성물을 수집하기 위한 메커니즘을 더 포함한다.
고속 원자로 코어(132)는 전형적으로 냉각제(예를 들어, 액체 나트륨)의 풀(pool)과 같은 냉각제 또는 냉각제가 핵분열 원자로(139) 전체에 걸쳐 통과하여 흐를 수 있는 루프를 포함한다. 일부 원자로에서, 고속 원자로 코어(132) 위의 헤드 공간(headspace)(148)에 냉각제 저장소가 있다. 열 교환기(도시되지 않음)가 고속 원자로 코어(132)로부터 열을 수송하는데 도움을 주기 위하여 냉각제 저장소 근처에 있거나 이와 접촉할 수 있다.
도면 A를 참조하면, 핵분열 원자로(130)는 도면 B에서 더욱 상세히 도시되는 다수의 연료 어셈블리를 포함한다(예를 들어, 연료 어셈블리(138)). 각각의 연료 어셈블리는 연료 핀(120)(도면 C에 도시됨)과 같은 다수의 연료 핀을 더 포함한다. 도면 B는 고속 원자로 코어(132) 내의 사용에 적합한 핵연료 어셈블리 장치의 어레이(142)를 도시한다. 각각의 어셈블리는 다수의 연료 핀(예컨대, 연료 핀(120))을 포함한다. 다른 장치 형상 및 어레이 구성이 고려되지만, 도 1의 예시적인 핵연료 어셈블리 장치는 각각 고체(solid) 육각형 튜브 둘레를 포함한다. 또한, 비-육각형(non-hexagonal) 튜브가 일부 구현예에서 사용될 수 있다. 어레이(142) 내의 개별 연료 어셈블리 장치(138)의 컴포넌트들이 도면 C 및 D에 더욱 상세히 도시된다.
도면 C에 도시된 바와 같이, 핵연료 어셈블리 장치(138)는 연료 핀(120)과 같은 복수의 기다란 연료 요소를 둘러싼다. 연료 핀 내에서 핵분열이 발생할 때, 핀 내의 압력 상승의 한 원인이 될 수 있는 핵분열 생성물이 생성된다. 일부 원자로에서, 연료 핀은 고연소(high burn-up)에서 이 압력을 수용하도록 대형 플레넘 영역을 포함하도록 설계된다. 다른 원자로는, 핵분열 생성물이 헤드 공간(148) 내의 냉각제 저장소와 접촉하도록 흐를 수 있게 하기 위하여 배기하는 것(venting)과 같이, 압력을 완화하기 위하여 기체를 배기하도록 설계된다. 일부 핵분열 생성물이 휘발성일 수 있기 때문에, 이 배기는 위험을 끼칠 수 있다.
배기 연료 핀 설계 및 비배기(non-venting) 연료 핀 설계 모두, 핵분열 원자로(130) 내에서의 유체 흐름으로부터의 하나 이상의 핵분열 생성물의 제거를 위한 도구 및 기술을 개괄적으로 제공하는, 본 명세서에 개시된 기술로부터 이익을 얻을 수 있다.
연료 핀(120)의 컴포넌트들은 아래에서 설명되는 도면 D에서 더 상세히 도시된다. 하나의 구현예에서, 핵연료 어셈블리 장치(138)와 같은 개별 연료 어셈블리 장치 각각의 튜브형 구조는 냉각제가 인접한 튜브 벽들 사이의 격자 간극(interstitial gap)을 통해 연료 핀을 지나 흐를 수 있게 한다. 또한, 각각의 튜브는 개별 어셈블리 오리피싱(orificing)을 허용하고, 연료 다발을 위한 구조적 지지를 제공하고, 핸들링 소켓으로부터 입구 노즐로 핸들링 부하를 전달한다. 연료 핀은 전형적으로 피복(cladding)(그리고, 때때로 추가 배리어 및/또는 라이너)으로 둘러싸인 다수의 핵연료 봉(rod)(예를 들어, 우라늄, 플루토늄 또는 토륨)으로 구성된다. 고속 원자로 코어(132) 내의 핵연료 어셈블리 장치(138)의 개별 핀은 핀에 삽입된 원래의 핵연료 봉 재료 및 핀 내의 증식 상태에 따라 핵분열성 핵연료 및/또는 핵분열 물질로 바뀔 수 있는(fertile) 핵연료를 포함할 수 있다.
예시적인 연료 핀(120)은 도면 D에 더욱 상세히 도시된다. 연료 핀(120)은, 연료(122), 게터 요소(100) 및 선택적인 플레넘 영역(124)을 포함한다. 게터 요소(100)는 연료(122)로부터 공급받은 입력 스트림(108) 내에 포함된 핵분열 생성물(110)과 화학적으로 반응하는 재료(도시되지 않음)를 저장한다. 예를 들어, 입력 스트림(110)은 연료(122)의 핵분열 동안 생성된 하나 이상의 핵분열 생성물을 포함한다. 게터 요소(100)는 게터 요소(100)를 통한 기체 및/또는 액체의 연속 전송을 용이하게 하는 적어도 하나의 내부 유체 흐름 경로를 포함한다. 유체 흐름 경로는, 예를 들어 하나 이상의 기다란 채널, 상호 연결된 세공(pore), 미세 유체 구조 등일 수 있다. 게터 요소(100)를 통한 유체 흐름 경로는 입력 스트림(108)으로부터 핵분열 생성물(110)을 제거하고, 이에 의해, 입력 스트림(108)보다 더 낮은 밀도의 핵분열 생성물(110)을 갖는 출력 스트림(112)을 형성하기 위하여, 핵분열 생성물(110)과 화학적으로 반응할 수 있는 게터 요소(100) 내부에 표면 영역을 제공한다. 다양한 구현예에서, 핵분열 생성물(110)은 휘발성 또는 비휘발성일 수 있다. 플레넘 영역(124)이 게터 요소(100) 위에 도시되고, 게터 요소(100)가 연료 위에 도시되지만, 이러한 컴포넌트들이 임의의 적합한 순서와 방식으로 서로에 대하여 배치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명된 연료 핀(예를 들어, 연료 핀(120))의 다양한 예는 배기 또는 비배기 연료 핀을 나타낼 수 있다. 배기 연료 핀에서, 플레넘 영역(124)은, 가끔은, 원자로 내의 헤드 공간(148) 또는 다른 적합한 기체 저장소와 유체 연통한다. 예를 들어, 연료 핀은 플레넘(124)과 헤드 공간(148) 사이의 유체 연통을 용이하게 하는 배기구(vent) 또는 개구(opening)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "게터 요소"라는 용어는(예시적인 게터 요소(100)에서와 같이) 핵분열 생성물과 화학적으로 반응하고, 이에 의해 입력 스트림으로부터 다량의 핵분열 생성물을 제거할 수 있는 "게터 재료(getter material)"를 포함하는 임의의 구조를 나타내도록 의도된다. 게터 재료는 "게터 몸체(getter body)" 내에 포함되거나 그 내로 형성될 수 있다. 예를 들어, 게터 몸체는 독립형 구조, 입자(예를 들어, 분말)의 집합체, 작은 캡슐 또는 펠리트(pellet)일 수 있다. 게터 몸체는 게터 재료를 단독으로 포함할 수 있거나, 또는 핵분열 생성물(110)과 반응하지 않는 하나 이상의 다른 비게터(non-getter) 재료에 추가하여 게터 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 게터 요소는 게터 몸체를 포함하고, 또한 게터 몸체를 유지하기 위한 컨테이너를 포함한다.
게터 요소(100)는 게터 몸체와 유체 연통하는 입력 스트림(108)을 배치하기 위한 하나 이상의 채널을 포함한다. 하나의 구현예에서, 게터 몸체는 게터 몸체와 게터 요소(100)를 통과하는 입력 스트림(108) 사이의 접촉 표면적을 최대화하도록 설계된 특성을 가진다. 예를 들어, 게터 몸체는 세공 또는 이의 전체 표면적을 증가시키는 다른 채널을 포함할 수 있다. 추가적인 및/또는 대안적인 구현예에서, 게터 요소(100)는 입력 스트림(108)을 게터 몸체와 접촉하게 하는 하나 이상의 확산 요소를 갖는 컨테이너를 포함할 수 있다. 게터 요소(100)와 게터 몸체 내 또는 그 전체에 걸친 유체 공간은 입력 스트림(108)이 게터 재료와 접촉하여 입력 스트림으로부터 핵분열 생성물(110)을 제거하도록 화학적으로 반응할 수 있게 한다.
일부 구현예에서, 도시된 바와 같이, 게터 요소(100)는 연료 핀(예를 들어, 연료 핀(120))에 포함되지 않는다. 대신에, 게터 요소(100)는 목표로 하는 핵분열 생성물에 액세스할 수 있는 위치에 핵분열 원자로(130) 내의 다른 곳에 위치 설정된다. 예를 들어, 게터 요소(100)는 연료 서브어셈블리를 빠져나가는 핵분열 생성물(들) 유체를 공급받아 이와 반응하기 위하여 원자로 용기 내의 원자로 코어 위에 및/또는 핵분열 원자로(130)의 헤드 공간(148) 내에 위치 설정될 수 있다.
특히, 도면을 단순하게 하기 위하여, 냉각제 순환 루프, 냉각제 펌프, 열 교환기, 원자로 냉각제 시스템 등과 같은, 예시적인 핵분열 원자로(130)의 소정의 구조가 도 1로부터 생략되었다. 따라서, 예시적인 핵분열 원자로(130)가 도 1에 도시되지 않은 추가적인 구조를 포함할 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
도 2는 게터 재료(204)를 포함하는 소정의 부피에 의해 형성된 예시적인 게터 몸체(200)를 도시한다. 게터 몸체(200)는 게터 몸체(200)를 통해 입력 스트림(208)의 흐름을 전송하기 위한 적어도 하나의 관통 채널(through-channel)(예를 들어, 관통 채널(200))을 포함한다. 관통 채널(들)은 게터 몸체(200)의 세로 방향 길이를 따라 연장될 수 있고(예를 들어, 도시된 바와 같이 입력 스트림(208)의 방향으로) 및/또는 게터 몸체(200)의 일측으로부터 다른 반대 측으로 기체의 수송을 용이하게 하기 위하여 하나 이상의 다른 방향으로 연장될 수 있다.
게터 몸체(200)의 관통 채널(들)은 본 명세서에 개시된 다양한 구현예에서 다양한 상이한 형태를 취한다. 적합한 형태는, 한정하지 않으면서, 상호 연결된 보이드(void) 또는 세공, 설계 제작된(engineered) 경로 및/또는 개별 입자들 사이의 간격(예를 들어, 게터 몸체가 아래에서 도 3에 관하여 더 설명되는 바와 같은 루스 분말(loose powder)인 구현예에서)을 포함한다.
입력 스트림(208)은 기체, 액체 또는 이들의 조합일 수 있고, 기체, 액체, 고체, 용해된 것, 현탁된 것 또는 이들의 조합일 수 있는 핵분열 생성물(210)을 더 포함한다. 하나의 구현예에서, 게터 재료(204)는 핵분열 생성물(210)과 화학적으로 반응하는 하나 이상의 재료를 포함한다. 이 점에서, 핵분열 생성물(210)을 함유하는 입력 스트림(208)이 게터 몸체(200)에 접촉함에 따라, 게터 재료(204)는 핵분열 생성물(210)과 화학적으로 반응하여 게터 몸체(200) 내에 유지되는 부산물을 형성하고, 입력 스트림(208)의 나머지는 출력 스트림(212)으로서 게터 몸체(200)를 빠져나오거나 이를 지나가거나 통과하여 이동한다. 따라서, 출력 스트림(212)은 입력 스트림(208)보다 더 적은 핵분열 생성물(210)을 함유한다. 게터 재료와의 화학적 반응을 통해 입력 스트림(208)으로부터 핵분열 생성물(210)을 제거하는 프로세스는 본 명세서에서 "흡수(uptake)"라고도 한다(예를 들어, 게터 몸체(200)는 핵분열 생성물(210)을 "흡수한다"). 하나의 구현예에서, 게터 몸체는 연료 핀의 유효 수명 동안과 같은 기간 동안 연료 핀 내에 생성된 선택된 핵분열 생성물의 실질적인 전부의 흡수를 제공하기 위하여 구체적으로 설계 제작된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 선택된 핵분열 생성물의 "실질적인 전부(substantially all)"의 흡수는 선택된 핵분열 생성물의 적어도 95%의 흡수 그리고 일부 경우에서는 95%보다 더 많은 흡수를 말한다.
게터 몸체(200)의 관통 채널(들)은 여러 목적에 맞다. 첫째, 이러한 채널(들)의 존재는 소정의 내용물(예를 들어, 불활성 기체)가 빠져나가도록 함으로써 게터 몸체(200) 및/또는 대응하는 연료 핀의 영역에서의 압력을 완화하는데 도움을 준다. 둘째, 이러한 관통 채널(들)의 존재는, 예를 들어, 높은 연소율(burnup rate)에서, 게터 몸체(200)가 내부로 팽창하는 영역을 제공하여, 이에 의해 연관된 연료 핀 및 또는 연료 어셈블리의 연관된 영역에 대한 잠재적인 손상의 가능성을 감소시킨다. 하나의 구현예에서, 관통 채널(들)은 미리 결정된 범위의 열팽창 내에서 게터 재료의 팽창에도 불구하고 미리 선택된 흐름 레벨 위로 관통 흐름을 유지하기에 충분한 부피를 가진다.
셋째, 이러한 관통 채널(들)의 존재는 핵분열 생성물(208)과 반응할 수 있는 사용 가능한 표면적을 증가시킨다. 하나의 구현예에서, 이러한 관통 채널(들)의 표면적은 주어진 시간 간격 동안 연관된 연료 핀에 의해 생성되는 것으로 예측되는 핵분열 생성물(208)의 실질적으로 전부와 같이 특정의 계산된 양의 핵분열 생성물(208)의 흡수를 용이하게 하도록 구체적으로 설계된다.
입력 스트림(208)의 핵분열 생성물(210)은 휘발성 또는 비휘발성 핵분열 생성물일 수 있다. 예시적인 휘발성 핵분열 생성물은, 한정하지 않으면서, 세슘(Cs) 또는 Cs 기반의 화합물(예를 들어, Cs2, CsBr, Cs2I2, CsI 등), 루비듐(Rb) 또는 Rb 기반의 화합물(Rb, Rb2, RbI, RbBr 등), 스트론튬(Sr) 또는 Sr 기반의 화합물(Sr 등) 및 요오드(그리고 이의 화합물)을 포함한다. 예시적인 비휘발성 핵분열 생성물은, 한정하지 않으면서, 지르코늄, 몰리브덴, 네오디뮴 등을 포함한다.
게터 재료(204)는 핵분열 생성물(210)과 화학적으로 반응하는 것으로 당해 기술 분야에 알려진 임의의 재료를 포함한다. 다양한 재료가 적합한 게터 재료일 수 있지만, 개시된 기술의 일부 구현예는 게터 재료 내에 지르코늄 산화물(예를 들어, ZrO2), 티타늄 산화물(예를 들어, TiO2), 몰리브덴 산화물(예를 들어, MoO2, MoO3), 니오븀 산화물(NbO2, Nb2O5), 탄탈룸 산화물(예를 들어, Tg2O5), 바나듐 산화물 및 크롬 산화물 등의 하나 이상과 같은 금속 산화물을 포함한다. 고려되는 게터 재료가 모든 관심 핵분열 생성물과 균등한 반응도를 보이지 않기 때문에, 게터 재료는 또한 성분들의 혼합물로 구성될 수 있고, 혼합물 조성은 게터 재료와 하나 이상의 목표 핵분열 생성물 사이의 반응을 최대화하도록 맞추어진다(예를 들어, 75%-Ta2O3/25%-Nb2O3 혼합물). 일부 실시예에서 이러한 상이한 성분들이 상호 혼합되게 하는 것이 유익할 수 있지만, 다른 실시예에서는 게터 재료의 연속하는 층들과의 잠재적인 유해한 상호 작용을 방지하기 위하여 우선적인 단계에서 유체로부터 목표 핵분열 생성물을 선택적으로 제거하기 위한 개별 층을 갖는 것이 유익할 수 있다. 또한, 게터 재료는, 바인더, 구조적 안정제(structural stabilizer) 등과 같은 하나 이상의 비반응성 성분을 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 게터 재료(204)는 세슘(Cs) 또는 Cs 기반의 화합물과 반응하는 하나 이상의 재료를 포함한다. 동일하거나 다른 실시예에서, 게터 재료(204)는 루비듐(Rb) 또는 Rb 기반의 화합물과 반응하는 적어도 하나의 재료를 포함한다. 동일하거나 다른 실시예에서, 게터 재료(204)는 요오드 또는 요오드 기반의 화합물과 반응하는 적어도 하나의 재료를 포함한다.
도 2에서, 게터 몸체(200)는 보이드 구조(206)(예를 들어, 세공)을 포함하는 원통 형상의 고체 구조인 것으로 도시된다. 하나의 구현예에서, 보이드 구조(206)는 개방된 세공 구조를 형성하는 무작위로 또는 규칙적으로 분포된 세공을 포함한다. 분포된 세공은 크기, 형상, 상호 연결성(inter-connectivity), 구조적 안정성, 분포 스키마(distribution schema) 등에서 선택적으로 설계 제작될 수 있다. 한정하지 않으면서 희생 템플레이팅(sacrificial templating), 부가적 제조(additive manufacturing), 템플릿 복제(template replication) 및 직접 발포(direct foaming)를 포함하는 보이드 구조(206) 및/또는 게터 몸체 내의 다른 채널을 형성하기 위한 다양한 적합한 프로세스가 존재한다. 이러한 방법들은 아래에서 더욱 상세히 논의된다.
하나의 실시예에서, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 희생 템플레이팅 프로세스를 통해 형성된다. 예컨대, 보이드 구조(206)는 게터 재료(204)를 보이드 형성 재료와 혼합함으로써 형성될 수 있다. 보이드는 보이드 형성 재료를 제거함으로써(예를 들어, 연소시키거나 분해시킴으로써) 형성된다. 보이드 형성 재료의 제거의 결과로서, 보이드(예를 들어, 세공 또는 셀)가 게터 몸체(200)의 게터 재료(204)의 부피 전체에 걸쳐 형성된다. 희생 템플레이팅 절차의 구현예의 일례는 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 Andre R. Studart 등의 Processing Routes to Macroporous Ceramics: Review, J. Am. Ceram. Soc. 89 [6] 1771-1789 (2006)에 설명된다. 용해, 열 처리(예컨대, 소결 동안 또는 전용 연소 사이클 동안) 등 중의 임의의 하나 이상을 포함하는 다양한 처리가 게터 재료로부터의 보이드 재료 제거와 보이드 구조의 형성을 처리하는데 적합할 수 있다. 예시적인 희생 템플레이팅 프로세스의 추가 상세는 도 14 내지 20에 관하여 더욱 상세히 논의된다.
다른 실시예에서, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 부가적 제조 프로세스를 통해 형성된다. 예를 들어, 게터 몸체(200)는 3차원 인쇄 프로세스를 통해 제조될 수 있다. 이 점에서, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 직접 설계 제조되고, 이의 형성은 제조 프로세스를 통해 직접 제어될 수 있다. 재료를 3차원 인쇄하는데 사용되는 선택성 레이저 소결(selective laser sintering)은 추가로 또는 대안으로 적합할 수 있고, 본 명세서에 전문이 참조로서 편입되는 1986년 10월 17일 출원된 미국 특허 제4,863,538호에 개괄적으로 설명된다. 예시적인 부가적 제조 프로세스의 추가 상세는 도 20 내지 23에 관하여 아래에서 설명된다.
다른 실시예에서, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 템플릿 복제 프로세스를 통해 형성된다. 예를 들어, 세공은 게터 재료 현탁액(또는 전구체 용액)에의 보이드 구조(예를 들어, 다공질(cellular) 또는 다공성(porous) 구조)의 함침(impregnation)을 통해 형성될 수 있어, 원래 다공성 재료와 동일한(또는 거의 동일한) 형태(morphology)를 나타내는 다수의 다공성 게터 재료를 제공한다. 복제 절차의 일례는 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 Andre R. Studart 등의 Processing Routes to Macroporous Ceramics: Review, J. Am. Ceram. Soc. 89 [6] 1771-1789 (2006)에 설명된다. 템플릿 복제에서의 기본적인 절차적 단계는 도 24에 관하여 설명된다.
다른 실시예에서, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 직접 발포 프로세스를 통해 형성된다. 예를 들어, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 현탁액 또는 액체 형태의 게터 재료(또는 게터 재료의 전구체) 내로의 기체(예를 들어, 공기)의 혼입(incorporation)을 통해 형성될 수 있고, 이는 현탁액 또는 액체 내에 포말(foam) 구조를 형성하는 역할을 한다. 그 다음, 재료는 경화(setting) 또는 응고 단계를 겪고, 이는 포말 내에 형성된 보이드 구조(206)를 고정하는 역할을 한다. 직접 발포 절차의 하나의 적합한 예는 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 Andre R. Studart 등의 Processing Routes to Macroporous Ceramics: Review, J. Am. Ceram. Soc. 89 [6] 1771-1789 (2006)에 설명된다. 직접 발포에서의 기본적인 절차적 단계는 도 25에 관하여 설명된다.
또 다른 실시예에서, 게터 몸체(200)의 보이드 구조(206)는 다른 물리적 방법(예를 들어, 기계적 연마, 에칭, 레이저 애블레이션(ablation) 등) 또는 화학적 에칭과 같은 화학적 방법에 의해 형성된다. 특히, 임의의 2 이상의 전술한 기술(예를 들어, 희생 템플레이팅, 부가적 제조, 템플릿 복제, 직접 발포, 화학적/물리적 에칭, 연마, 애블레이션 등)이 또한 보이드 구조(206)를 형성하는데 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 희생 템플레이팅 프로세스가 초기에 게터 몸체(200)에서 작은 보이드를 형성하는데 사용되고, 기계 가공 프로세스가 그 후에, 예를 들어 게터 몸체(200)의 핵분열 기체 입구 근처에서, 더 큰 보이드를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 3a 및 3b는 양 단부에서의 캐핑 요소(314a, 314b) 사이에 유지하도록 및/또는 그에 부착되도록 구성된 게터 몸체(302)를 포함하는 예시적인 게터 요소(300)의 단순화된 개략도를 도시한다. 다른 구조가 또한 고려될 수 있지만(예를 들어, 도 4 내지 5에 관하여), 도 3의 게터 몸체(302)는 보이드 구조(306)를 포함하는 독립형 고체 요소이다. 동작시, 캐핑 요소(314a, 314b)는 게터 몸체(302)에 기계적 지지를 제공하고 추가로 게터 요소(300)를 통한 입력 스트림(308)의 배기를 용이하게 하는 역할을 한다.
일부 구현예에서, 주(main) 게터 몸체(302)는 고체인 독립형 구조가 아니다. 예를 들어, 주 게터 몸체(302)는 입자 형태(예를 들어, 분말)로 있거나 요소의 집합(예를 들어, 고체 펠리트 또는 입자를 더 저장하는 작은 캡슐)일 수 있다. 이러한 구현예에서, 캐핑 요소(314a, 314b)는 주 게터 몸체(302)를 수용하고 추가로 이를 지지하기 위한 컨테이너 또는 지지 쉘(shell)과 조합하여 사용될 수 있다.
캐핑 요소(314a, 314b)는 높은 온도 및 원자로 코어의 중성자 플럭스에 노출될 때 변형에 저항하는 열 안정 재료로부터 이루어진다. 또한, 이상적인 후보 재료는 입력 스트림(308)에 포함된 핵분열 생성물(예를 들어, 핵분열 생성물(310))과 반응하지 않을 수 있다. 캐핑 요소(314a, 314b)에 예시적인 적합한 재료는, 예를 들어 강철, 내화 금속/합금 또는 구조적 세라믹을 포함한다.
도 3a 및 도 3b에서, 하나 이상의 캐핑 요소(314a, 314b)는 다공성 재료로부터 형성된다. 예컨대, 하나 이상의 캐핑 요소(314a, 314b)는 다공성 금속 플레이트(313)(예컨대, 도 2b에 도시된 바와 같은 다공성 금속 디스크)를 포함할 수 있다. 또한, 배기구, 메쉬형(mesh-like) 재료 등과 같은 다른 다공성 구조가 고려된다. 하나의 구현예에서, 캐핑 요소(314a, 314b)는 드릴링된 홀(hole)과 같은 복수의 관통 홀을 포함하는 고체 구조이다. 홀은 원하는 흐름 속도, 특정 게터 재료, 목표 핵분열 생성물(들) 등과 같은 특정 구현 상세에 따라 다양한 크기와 분포를 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 캐핑 요소(414a, 414b) 사이에 유지되도록 및/또는 그에 부착되도록 구성된 게터 몸체(402)를 포함하는 다른 예시적인 게터 요소(400)의 단순화된 개략도를 도시한다. 게터 몸체(402)는 보이드 구조(406)를 가지며, 입력 스트림(408) 내에 포함된 핵분열 생성물(410)과 반응하기 위한 게터 재료(404)를 포함하여, 이에 의해 입력 스트림(408)에 비교하여 출력 스트림(412)에서 핵분열 생성물(410)의 농도를 감소시킨다. 도 3a 및 도 3b에서의 캐핑 요소의 다공성 구조와는 다르게, 캐핑 요소(414a, 414b)는 배기구가 형성된 금속 플레이트(415)(예를 들어, 배기구가 형성된 금속 디스크)이다. 캐핑 요소(414a, 414b)의 적합한 구성 재료 및 다른 상세는 도 3a 및 도 3b에 관하여 위에서 설명된 것과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 5a는 게터 요소에서의 사용에 적합한 예시적인 지지 구조(500)의 단순화된 개략도를 도시한다. 지지 구조(500)는 단부 캡(514a, 514b)에 부착된 컨테이너 부분(521)을 포함한다. 동작시, 지지 구조(500)는 게터 몸체에 기계적 지지를 제공하고, 게터 요소 및/또는 게터 몸체를 통한 입력 스트림(508)의 배기를 용이하게 한다. 지지 구조(500)는 고체인 독립형 게터 몸체를 지지할 수 있다(예를 들어, 도 4a의 주 게터 몸체 부분(402)에서와 같이); 이 대신에, 지지 구조(500)는 입자 형태(예를 들어, 분말)로 있거나 아니면 독립형 요소의 집합으로 나타낸(예를 들어, 고체 펠리트 또는 입자를 더 저장하는 캡슐) 게터 몸체를 지지할 수 있다.
컨테이너 부분(521)은 선택된 원자로 환경의 유체 흐름, 중성자 방사 및 핵분열 생성물이 있을 때, 열적, 화학적, 구조적 안정성을 제공하는 임의의 재료로부터 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 컨테이너 부분(521)은 강철로부터 형성된다. 다른 적합한 컨테이너 재료는 내화 금속 또는 합금 및 구조적 세라믹을 포함할 수 있다. 도 5에 도시되지 않지만, 컨테이너 부분(521)은 유체 및/또는 기체가 단부 캡(514a, 514b)에서의 다공성 개구 또는 배기구(515)를 통해서 뿐만 아니라 컨테이너 부분(521)의 측부를 통해 흐를 수 있게 하도록 그 둘레 주위로 복수의 개구를 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 배기구(515)의 임의의 적합한 개수, 크기, 위치 및/또는 분포가 설계 및/또는 안전 고려에 적합한 것으로 사용될 수 있다.
도 5b는 연료 핀(510) 내에 게터 몸체를 위치 설정하기 위한(예를 들어, 도 2의 게터 몸체(200) 또는 도 3a 및 도 3b의 게터 몸체(300)에서와 같이) 다른 예시적인 지지 구조(502)의 단순화된 개략도를 도시한다. 지지 구조(502)는 지지 구조(502)의 중심 내로의 그리고 게터 몸체(도시되지 않음) 내에서의 유체 흐름의 흡수를 허용하기 위하여 원통형 측벽(520) 내에서 다수의 주변 개구(예를 들어, 개구(518))를 갖는 중앙 몸체(516)와 다공성 단부 캡(514a, 514B)을 포함한다. 하나의 구현예에서, 유체 흐름이 단부 캡(514a)을 바이패스하여 원통형 측벽(520)에서의 하나 이상의 개구(예를 들어, 개구(518))를 통해 지지 구조(502)에 들어가게 하도록, 지지 구조(502)의 폭(W1)은 연료 핀(510)의 폭(W2)보다 약간 더 작다.
도 6은 게터 요소에서의 사용에 적합한 다른 예시적인 지지 구조(600)의 일부의 개략도를 도시한다. 지지 구조(600)는 컨테이너 부분(617)과 확산기 어셈블리(609)를 포함한다. 확산기 어셈블리(609)는 확산 캐핑 부분(614)과 확산 채널 부분(622)(예를 들어, 기다란 중심 채널)을 포함한다. 동작시, 게터 몸체(도시되지 않음)는 컨테이너 부분(617) 내에 저장된다. 예를 들어, 게터 몸체는 확산 채널 부분(622)을 둘러쌀 수 있거나 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 확산기 어셈블리(609)는 입력 스트림(608)의 기체 또는 액체를 게터 몸체의 게터 재료와 유체 연통하게 하는데 도움을 준다. 예를 들어, 확산 캐핑 부분(614)과 확산 채널 부분(622)은 게터 몸체 내로의 및/또는 이를 통한 유체 흐름 경로를 제공하는 개구(예를 들어, 세공, 배기구 등)를 포함한다.
확산 채널 부분(622)은 확산 채널 부분(622) 내부의 영역과 확산 채널 부분(622) 외부의 영역 사이에 기체가 자유롭게 흐를 수 있게 하는 다수의 홀을 갖는 단일 중앙 채널로서 도 6에 도시된다. 그러나, 지지 구조(600)가 확산 채널 부분(622) 대신에 또는 그에 추가하여 복수의 채널을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 확산기 어셈블리(609)는 컨테이너 부분(617)의 다른 영역 전체에 걸쳐 분포된 다른 채널을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 확산기 어셈블리(609)는, 게터 몸체를 둘러싸는 다공성 고리형 채널과 같은, 게터 몸체를 둘러싸는 기체 전송 채널을 포함한다.
게터 몸체로의 핵분열 생성물(610)의 흡수 때문에, 시간의 경과에 따라, 게터 몸체는 핵분열 생성물(610)을 축적한다. 게터 몸체 내의 핵분열 생성물(610)의 축적은 컨테이너 부분(617)을 통한 및/또는 컨테이너 부분(617) 내의 게터 몸체 전체에 걸친 핵분열 기체 흐름의 감소를 초래할 수 있다. 일부 경우에, 축적이 심각한 경우에, 게터 몸체의 하나 이상의 다공성 구조는 차단되게 될 수 있다. 이러한 경우에, 확산기 어셈블리(609)는 이러한 차단에 관계없이, 게터 재료(도시되지 않음)를 통한 입력 스트림(608)의 흐름을 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 확산기 어셈블리(609)는 게터 몸체의 게터 재료의 부피 팽창의 경우에 게터 몸체 내에서의 유체 흐름 경로를 통한 유체 흐름을 보장하는 역할을 할 수 있다.
확산 캐핑 부분(614)은 다공성 금속 또는 세라믹 플레이트, 또는 한 세트의 배기구 홀을 갖는 배기구가 형성된 플레이트와 같은 다양한 형태를 취할 수 있다. 또한, 확산기 채널 부분(622)은 다공성이며, 예를 들어 다공성 금속 봉 또는 한 세트의 배기구 홀을 갖는 금속 봉일 수 있다. 또한, 일부 비금속 재료(예를 들어, 세라믹)가 확산기 어셈블리(609)의 모든 컴포넌트 또는 다양한 컴포넌트를 형성하는데 적합할 수 있다.
도 7은 보이드 구조(706)를 갖는 다른 예시적인 게터 몸체(702)의 일부의 단부도(end-on view)를 도시한다. 하나의 구현예에서, 게터 몸체(702)는 도 5 및 도 6의 대응하는 지지 구조(각각 500 또는 600) 중 하나 내에 유지되는 크기와 형상을 가진다. 동작시, 게터 몸체(702)의 도시된 단부는 핵분열 생성물을 포함하는 입력 스트림을 공급받을 수 있다. 입력 스트림이 게터 몸체(702)에 접촉할 때, 게터 몸체(702) 내의 게터 재료(704)는 입력 스트림에서의 하나 이상의 핵분열 생성물과 화학적으로 반응하여, 스트림으로부터 이러한 핵분열 생성물(들)을 제거한다.
도 7에서 게터 몸체(702)는 독립형 고체 구조이다. 예컨대, 게터 몸체(702)는 다공성 소결 금속 또는 세라믹 구조일 수 있다. 다른 배열이 고려되지만, 게터 몸체(702)의 보이드 구조(706)는 크기가 게터 몸체(702) 내의 위치의 함수로서 변동하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 보이드 구조(706)의 크기는 게터 몸체(702)의 중심으로부터의 반경 방향 거리의 함수로서 대체로 감소할 수 있다. 예를 들어, 보이드 구조(706)의 분포는 게터 몸체(702)의 제조 동안 활용되는 보이드 형성 구조의 크기 및/또는 무게에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 점에서, 보이드 형성 구조(예를 들어, 도 13 내지 도 20에 관하여 아래에서 설명되는 것과 같은)는, 게터 재료(704)와 혼합될 때, 안정화(settling) 및/또는 교반(agitation) 프로세스를 통해 자기 정렬(self-sort)하여 분포(예를 들어, 경사(gradient) 분포)를 형성하는 작용을 할 수 있다.
게터 몸체(702)의 보이드 구조(706)는 임의의 패턴 또는 분포로 게터 몸체(702) 전체에 걸쳐 분포될 수 있다. 일부 구현예에서, 보이드 구조(706)는 핵분열 기체 입구 근처에서의 더 큰 크기의 세공을 포함하고 핵분열 기체 출구 근처에서의 더 작은 크기의 세공을 포함할 수 있다.
도 8은 원통 형상이고 전송 경로(예를 들어, 고리 형상의 보이드(806))에 의해 서로 분리된 게터 재료의 다수의 동심 영역(804a, 804b)을 포함하는 다른 예시적인 게터 몸체(802)의 일부의 단부도를 도시한다. 도시된 배열은 게터 몸체(802)의 게터 재료와 게터 몸체(800)를 통해 지향되는 입력 스트림(도시되지 않음) 사이의 접촉 표면적을 최대화하는데 도움을 줄 수 있다. 하나의 구현예에서, 게터 재료의 동심 영역(804a, 804b)은 소결된 금속 또는 세라믹 구조와 같은 고체 구조이다. 다른 구현예에서, 게터 몸체(802)는 게터 컨테이너의 다수의 다공성 동심 쉘의 각각을 채우는 분말을 통해 형성된다. 또한, 다양한 다른 구조가 고려된다(그 일부는 이어지는 도면들에 관하여 설명된다).
도 9는 예시적인 게터 요소(900)가 구비된 원자로의 연료 핀(920)의 단면도를 도시한다. 연료 핀(920) 내에 배치되어 연료 핀(920)의 핵연료(922)로부터 입력 스트림(908)을 공급받도록 위치 설정되는 게터 요소(900)가 도시된다. 예를 들어, 게터 요소(900)는 핵연료(922)의 상류의 위치와 입력 스트림(908)의 개시점에 배치되지만 핵분열 기체 플레넘(924)의 하류에 배치된다(단독으로 또는 다른 게터 요소와 조합하여). 다른 구현예에서, 게터 요소(900)는 핵분열 기체 플레넘(924) 내에 위치 설정된다(예를 들어, 게터 요소(900)의 어느 하나의 단부 또는 양 단부 상에서 플레넘의 공간을 가지거나 가지지 않으면서).
캐핑 요소(914a, 914b)는 게터 요소(900)와 바로 인접한 구조 사이에 배리어를 제공한다. 하나의 구현예에서, 분리 캡(914a, 914b)은 다공성 단부 캡(예를 들어, 세공 또는 배기구를 갖는 플레이트)이다. 다른 구현예에서, 분리 캡(914a, 914b)은 입력 스트림(908)에 의해 생성되는 압력 하에서 개방되는 밸브이다.
게터 요소(900)는 하나 이상의 휘발성 또는 비휘발성 핵분열 생성물(910)과 반응하여 출력 스트림(912)을 제공하는 게터 재료를 포함하는 게터 몸체(도시되지 않음)를 포함한다. 게터 요소(900)를 빠져나오는 출력 스트림(912)은 게터 요소(900)에 들어가는 입력 스트림(908)보다 더 낮은 휘발성 핵분열 생성물 함량 레벨을 가진다. 하나의 실시예에서, 출력 스트림(212)은, 핵분열 플레넘(924)의 하나 이상의 핀 배기구를 통하는 것과 같이, 연료 핀(920)로부터 배기된다.
일부 구현예에서, 게터 재료는, 세슘, 루비듐, 스트론튬 등과 같은 입력 스트림(908)에서의 하나 이상의 휘발성 핵분열 생성물(910)과 반응한다. 추가의 또는 대안적인 구현예에서, 게터 몸체의 게터 재료는 하나 이상의 비휘발성 핵분열 생성물과 반응한다.
도 10은 핵연료(1022)와 핵분열 플레넘(1024) 사이에 직렬로 배열된 2개의 예시적인 게터 요소(1000a, 1000b)가 구비된 원자로의 연료 핀(1020)의 단면도를 도시한다. 동작시, 연료(1022)로부터의 핵분열 기체는 직렬로 게터 요소(1000a, 1000b)를 관통하여 입력 스트림(1008)을 통해 통과된다. 게터 요소(1000a, 1000b)의 각각 내에서, 입력 스트림(1008) 내의 하나 이상의 핵분열 생성물(1010)은 게터 재료와의 화학적 반응을 겪고, 이에 의해 입력 스트림(1008)을 클리닝하거나 부분적으로 클리닝하여 출력 스트림(1012)에서 핵분열 생성물(1010)의 농도를 감소시킨다. 분리 캡(1014a, 1014b, 1014c)은 다공성이거나, 또는 예를 들어, 입력 스트림(1008)의 압력 하에서, 선택적으로 개방될 수 있는 배리어이다.
하나의 구현예에서, 제1 게터 요소(1000a)는 제1 핵분열 생성물의 흡수를 목표로 하기 위한 제1 게터 재료를 포함하고, 제2 게터 요소(1000b)는 제2 핵분열 생성물의 흡수를 목표로 하기 위한 제2 게터 재료를 포함한다. 예를 들어, 제1 게터 요소(1000a)의 제1 재료는 제1 요소 또는 화합물을 흡수하는 것을 목표로 하는 게터 재료를 포함할 수 있고, 제2 게터 요소(1000b)의 제2 재료는 제1 요소를 포함하는 다른 화합물 및/또는 다른 상이한 요소를 흡수하는 것을 목표로 하는 게터 재료를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 구현예에서, 2개의 게터 요소(1000a, 1000b) 중 하나는 니오븀 또는 티타늄 산화물과 같은 세슘의 흡수를 위한 게터 재료를 포함하고, 2개의 게터 요소(1000a, 1000b) 중 다른 하나는 은, 구리 또는 바륨과 같은 요오드의 흡수를 위한 게터 재료를 포함한다.
본 명세서에서 도 10의 연료 핀(1020)이 단지 예시적인 목적으로만 제공된 위에서 열거된 2개의 게터 요소 또는 재료에 한정되지 않는다는 점이 주목된다. 다른 구현예들은 2개보다 더 적거나 더 많은 게터 요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 본 개시 내용의 하나 이상의 게터 요소(예를 들어, 1000a, 1000b)의 형상이 도 1 내지 10에 도시된 원통형 형성에 한정되지 않는다는 것이 주목된다. 본 개시 내용의 하나 이상의 게터 요소(1000)는 임의의 일반적인 기하학적 형상을 취할 수 있다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 게터 요소는, 한정하지 않으면서, 육각 프리즘 형상, 평행 육면체 형상, 삼각 프리즘 형상, 나선형 형상, 원뿔 형상 또는 이와 유사한 것을 포함하는 다양한 형상을 취할 수 있다. 하나의 실시예에서, 연료 핀(1020) 내에 수용된 하나 이상의 게터 요소(1000)는 연료 핀(1020)의 내부 형상에 실질적으로 일치하도록 구조화되다. 이 점에서, 하나 이상의 게터 요소(1000)는 연료 핀(1020)의 형상에 기초하여 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 형상을 취할 수 있다.
본 개시 내용의 게터 요소(들)(예를 들어, 1000a, 1000b)가 임의의 핵반응 환경에서 동작하도록 맞추어질 수 있다는 점이 주목된다. 연료 핀(1020) 내에 수용된 핵연료는, 한정하지 않으면서, 재활용되는 핵연료, 연소되지 않은 핵연료 및 농축 핵연료를 포함하는 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 핵분열성 및/또는 핵분열 물질로 바뀔 수 있는(fertile) 핵연료를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 연료(122)는 금속 핵연료를 포함하고, 복수의 다른 연료 핀과 함께 금속 연료 원자로의 코어를 형성하는데 사용된다. 하나의 실시예에서, 금속 연료 원자로는 고속 원자로이다. 예를 들어, 금속 연료 원자로는 진행파로와 같지만 이에 한정되지 않는 증식로를 포함할 수 있다.
도 11은 한 세트의 연료 어셈블리(예를 들어, 연료 어셈블리(1130))를 포함하는 원자로 코어(1100)의 사시도를 도시한다. 각각의 연료 어셈블리는 한 세트의 연료 핀을 포함하고, 각각의 연료 핀은, 본 명세서에서 이전에 논의된 바와 같이, 하나 이상의 게터 요소를 포함한다.
원자로 코어의 연료 어셈블리의 구조 및 배열은 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 형태를 취할 수 있다. 도 11의 예시적인 배열에서, 연료 어셈블리는 육각형어레이로 배열된다. 도 11에 도시된 배열이 본 개시 내용의 한정이 아니고, 단지 예시적인 목적을 위하여 제공된다는 점이 주목된다. 일부 구현예에서, 연료 어셈블리는, 원통형, 평행 육면체, 삼각 프리즘, 원뿔 구조, 나선형 구조 및 이와 유사한 것과 같지만 이에 한정되지 않는 다른 형상에 따라 배열된다.
도 12는 한 세트의 연료 핀(예를 들어, 연료 핀(1120))을 포함하는 예시적인 연료 어셈블리(1200)의 상면도를 도시한다. 각각의 연료 핀에는 하나 이상의 휘발성 또는 비휘발성 핵분열 생성물을 제거하기 위하여 핵분열 기체를 클리닝하기 위한 하나 이상의 게터 요소가 구비된다. 도 12에서, 연료 핀은 원통 형상이고 빽빽하게 패킹된 육각형 어레이로 배열된다; 그러나, 이 배열은 다른 구현예에서 다른 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(1200)의 연료 핀(1220)은 개별적으로 육각형, 평행 육면체, 삼각형, 나선형, 원뿔형 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 도시되지 않지만, 연료 어셈블리(1200)의 연료 핀(1220)은 직사각형 어레이, 정사각형 어레이, 동심 링 어레이 및 이와 유사한 것으로 배열될 수 있다.
도 13은 원자로의 핵분열 기체 출력 스트림을 클리닝하는데 사용하기 위하여 게터 몸체를 형성하기 위한 예시적인 동작(1300)을 도시한다. 결정 동작(1302)은 선택된 기간 동안 핵분열 원자로 코어로부터 출력되는 유체 흐름 내에 함유된 핵분열 생성물의 양을 결정한다. 선택된 기간은 단일 또는 다수의 연료 사이클일 수 있고, 원자로의 단일 연료 핀 또는 연료 어셈블리의 예측 수명일 수 있다. 상이한 연료 어셈블리 및/또는 연료 핀은 상이한 예측 수명을 가질 수 있거나, 또는 상이한 연료 요소에 대한 상이한 예측 핵분열 생성물 결정을 이용하여 조절될 수 있는 연료 사이클을 가질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 연료 흐름 내에 함유된 핵분열 생성물의 양은 현재의 연료 유형의 모델 및/또는 임의의 적합한 중성자(neutronic) 방법과 특정된 기간 동안 연료 요소의 예측되는 중성자 환경(예를 들어, 연료 연소)을 이용하여 결정될 수 있는 선택된 기간 동안 소비되는 핵분열 연료의 특정 양에 대응한다.
제공 동작(1304)은 핵분열 원자로 코어로부터 출력된 유체 흐름의 핵분열 생성물과 반응하는 게터 재료를 포함하는 게터 프로세스 혼합물(getter process mixture)을 제공한다. 게터 몸체를 형성하는데 사용하기 위한 게터 프로세스 혼합물의 양은 아래에서 설명되는 동작(1306, 1308)에 의해 결정된다.
다른 결정 동작(1306)은 선택된 기간 동안 핵분열 생성물과 게터 재료 사이의 화학 반응을 통해 형성되는 반응 생성물의 원하는 수율을 결정한다. 하나의 구현예에서, 반응 생성물의 원하는 수율은 게터 재료와 결정 동작(1302)에서 결정된 핵반응 생성물의 실질적인 전부 사이의 반응으로부터의 결과로서 계산된 양이다. 반응 생성물의 원하는 수율에 기초하여, 다른 결정 동작(1308)은 선택된 기간에 반응 생성물의 원하는 양을 산출하는데 필요한 게터 프로세스 혼합물의 양 또는 부피를 식별하는 게터 프로세스 혼합물의 부피 파라미터를 결정한다. 또한, 결정 동작(1308)은 게터 프로세스 혼합물의 양뿐만 아니라 원하는 수율의 부피 파라미터의 반응 생성물의 흡수에 적합한 게터 재료의 원하는 부피 기준(volumetric measure) 또는 밀도를 결정할 수 있다. 구체적으로는, 반응 생성물은, 흡수가 발생할 때, 보이드 구조를 감소시키거나 게터 재료의 밀도를 증가시킬 수 있는 부피를 가진다. 원하는 수율의 반응 생성물(또는 미리 결정된 양의 반응 생성물)의 이러한 부피를 결정함으로써, 게터 재료를 통한 유체 흐름이 유지되는 것을 보장하고(선택된 흐름 속도 또는 흐름 레벨 이상에서 유지될 수 있음) 및/또는 게터 재료의 부피 팽창(volumetric swelling)이 설계 경계 내에 있는 것을 보장하기 위하여 원하는 수율의 반응 생성물의 결정된 부피와 일치하거나 이를 초과하는 게터 재료의 부피 파라미터가 선택될 수 있다. 예를 들어, 게터 재료의 부피 파라미터는, 한정하지 않으면서, 세공 크기, 세공 농도, 게터 재료의 이론적 밀도, 희생 보이드 형성 구조에 대한 게터 재료의 질량비 등 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
형성 동작(1310)은 결정된 부피 파라미터에 의해 정의된 게터 몸체를 형성한다. 게터 몸체는 게터 프로세스에 의해 형성된다. 일부 구현예에서, 형성 동작(1310)은 컨테이너 내에 게터 몸체를 배치하는 것을 더 수반한다(예를 들어, 최종 "게터 요소"를 형성하는 것은 통과하는 기체 또는 액체의 전송을 위한 적어도 하나 이상의 채널 또는 통로를 포함한다).
일부 구현예에서, 게터 요소는 루스 분말, 복수의 펠리트, 입자 등의 형태로 다공성 컨테이너 내에 게터 몸체를 포함한다. 다른 구현예에서, 게터 몸체는, 다수의 상호 연결된 세공 또는 복수의 보이드 영역을 포함하는 고체 구조와 같은 고체(예를 들어, 독립형) 구조를 생성하는 다수의 화학적 및/또는 물리적 프로세스에 의해 형성된다. 따라서, 게터 요소는 항상 컨테이너를 포함하지는 않을 수 있다. 게터 몸체는, 기다란 채널과 같은, 다양한 다른 형상의 채널 또는 세공을 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 게터 몸체는 다수의 상이한 다공성 컴포넌트(예를 들어, 복수의 독립형 다공성 펠리트, 다공성 확산 컴포넌트 등)에 의해 형성된다.
도 14는 게터 프로세스 혼합물을 준비하고 복수의 보이드(예컨대, 세공)를 갖는 게터 몸체를 형성하기 위한 일련의 예시적인 동작(1400)을 도시한다. 예시적인 동작(1400)은 열적 및/또는 화학적 처리에 따라 분해되는(이에 의해, 게터 프로세스 혼합물 내에 '보이드'를 형성함) 구조인 희생 구조의 사용을 통한 보이드 형성을 개시한다. 다른 구현예(예컨대, 아래의 도 20 내지 도 25에 관하여 설명되는 것)에서, 게터 몸체의 보이드는 다른 방법 및/또는 다른 보이드 형성 구조에 의해 형성된다. 예를 들어, 부가적 제조, 템플릿 복제 및 직접 발포는 모두 희생 보이드 형성 구조를 활용하지 않는 보이드 형성 구조를 형성하는데 적합한 방법이다.
선택 동작(1402)은 게터 프로세스 혼합물에 포함될 게터 재료의 부피를 선택한다. 게터 재료는 원자로에서 하나 이상의 휘발성 또는 비휘발성 핵분열 생성물과 화학적으로 반응하기에 적합한 당해 기술 분야에 알려진 임의의 단일 재료 또는 재료의 조합을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 게터 재료는 분말 형태로 제공된다. 예컨대, 단계 1402에서 제공된 게터 재료는 금속 산화물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 단계 1402에서 제공된 금속 산화물 분말은, ZrO2, TiO2, MoO2, MoO3, NbO2, Nb2O5, Ta2O5, VO2, V2O5, 및 Cr2O3를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이러한 재료 및 유사한 재료의 어떤 것도, Cs, CsBr, Rb, RbI, RbBr 또는 다른 Rb 기반의 화합물, Sr 또는 Sr 기반의 화합물 및 요오드(그리고 이의 화화물)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 휘발성 핵분열 생성물과 쉽게 반응하는 것으로 증명되었다. 위에서 설명된 것과 같은 하나 이상의 반응성 재료에 더하여, 게터 재료는 또한 바인더 및 구조적 안정제 등과 같은 하나 이상의 비반응성 성분을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 게터 재료는, 대략 100 내지 500 nm의 평균 입자 크기와 같은, 선택된 입자 크기를 갖는 금속 산화물 분말을 포함한다. 다른 실시예에서, 게터 재료는 대략 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 금속 산화물 분말을 포함한다. 예를 들어, 게터 재료는 1000 nm 아래의 평균 입자 크기를 갖는 소정 부피의 나노 파우더를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
제공 단계(1404)는 게터 프로세스 혼합물 내의 게터 재료와의 조합을 위하여 소정 부피의 보이드 형성 구조(예컨대, 희생 보이드 형성 구조)를 제공한다. 일 실시예에서, 보이드 형성 구조는 산소가 없는 상승된 온도(들)에서 열분해(예컨대, 화학적 분해)를 겪는 것으로 알려진 하나 이상의 유기 재료를 포함한다. 예컨대, 유기 재료는 인가된 소결 온도(예컨대, 아래에서 설명되는 치밀화 동작(1408)에서 적용된 가열 동안 도달됨) 이하의 온도에서 분해되도록 선택될 수 있다. 보이드 형성 구조를 형성하는데 사용되는 유기 재료는 200 내지 600℃의 온도에서 분해되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는 대략 500℃ 아래의 온도(예컨대, 330 내지 410℃)에서 분해되는 유기 재료로부터 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 희생 보이드 형성 구조는 합성 유기 재료로부터 형성된다. 예컨대, 보이드 형성 구조는, PE(폴리에틸렌), PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PVC(폴리염화 비닐), PS(폴리스티렌), 나일론, 나프탈렌 및 이와 유사한 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 것과 같은 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 합성 재료로부터 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 보이드 형성 구조는 천연 유기 재료로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는, 젤라틴, 셀룰로오스, 녹말, 밀납 및 이와 유사한 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 것과 같은 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 천연 재료로부터 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 보이드 형성 구조는 화학적 처리에 따라 분해된다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는 하나 이상의 수용성 이온 화합물로부터 형성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 보이드 형성 재료는 하나 이상의 염(salt)을 포함한다. 예를 들어, 염 기반 보이드 형성 재료는, NaCl, KCl, LiCl 및 이와 유사한 것을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
다른 실시예에서, 보이드 형성 구조는 하나 이상의 산성 침출제와 반응하는 하나 이상의 금속 또는 세라믹 화합물을 포함한다. 화학적 처리를 이용하는 희생 템플레이팅은 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 H. Wang, I. Y. Sung, X. D. Li, 및 D. Kim의 "Fabrication of Porous SiC Ceramics with Special Morphologies by Sacrificing Template Method," J. Porous Mater., 11 [4] 265-71 (2004)에서 대체로 논의된다. 또한, 화학적 처리를 이용하는 희생 템플레이팅은 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 H. Kim, C. da Rosa, M. Boaro, J. M. Vohs, 및 R. J. Gorte의 "Fabrication of Highly Porous Yttria-Stabilized Zirconia by Acid Leaching nickel from a Nickel-Yttria-Stabilized Zirconia Cermet," J. Am. Ceram. Soc, 85 [6] 1473-6 (2002)에서 대체로 논의된다. 또한, 화학적 처리를 이용하는 희생 템플레이팅은 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 N. Miyagawa 및 N. Shinohara의 "Fabrication of Porous Alumina Ceramics with Uni-Directionally-Arranged Continuous Pores Using a Magnetic Field," J. Ceram. Soc. Jpn., 107 [7] 673-7 (1999)에서 대체로 논의된다.
하나의 예시적인 희생 템플레이팅 방법에서, 고체 템플릿은 게터 재료를 포함하는 현탁액에 함침된다. 구조는 당해 기술 분야에서 알려진 하나 이상의 기술을 통해 응고되고(예를 들어, 위에서 참조된 문헌들에서 설명된 바와 같이), 템플릿 구조는, 예를 들어 산성 침출에 의해 제거된다. 예를 들어, 산호(coral)가 고온 밀납에 함침될 수 있고, 밀납은 냉각될 수 있고, 산호는 강산성 용액을 이용하여 침출될 수 있다.
다른 실시예에서, 보이드 형성 구조는 승화를 겪는 하나 이상의 고체를 포함한다. 예를 들어, 희생 보이드 형성 구조는 나프탈렌과 같지만 이에 한정되지 않는 쉽게 승화하는 임의의 고체를 포함할 수 있다. 이 점에서, 하나 이상의 고체 희생 보이드 형성 구조는 게터 프로세스 혼합물로부터 승화되어 다공성 구조를 생성할 수 있다.
보이드 형성 구조는 게터 몸체를 통한 선택된 핵분열 기체 흐름을 유지하기에 충분한 부피를 갖는 보이드 구조를 생성할 수 있다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는 10 내지 300 ㎛의 크기 분포를 갖는 세공을 형성할 수 있다. 보이드 형성 구조는 결정된 보이드 크기에 적합한 바에 따라 대략 100 ㎛, 150 ㎛, 50 ㎛, 30 ㎛ 등의 평균 크기를 가질 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에서, 위에서 열거된 크기 범위가 본 개시 내용에 대한 제한이 아니고 단지 예시적인 목적을 위하여 제공된다는 점이 주목된다. 보이드 형성 구조의 선택된 크기 및/또는 농도는 보이드 구조의 보이드의 원하는 크기와 결과에 따른 게터 몸체의 원하는 밀도에 의존할 수 있다. 더욱이, 보이드 형성 구조의 크기는 보이드 구조에서 반응성 재료의 예측되는 부피 성장을 고려하도록 선택될 수 있다.
제공 동작(1404)에서 제공된 보이드 형성 구조는, 한정하지 않으면서, 본 개시 내용의 도 15a 내지 도 15d에 도시된 예시적인 형상을 포함하는 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 형상을 취할 수 있다.
본 개시 내용의 대부분이 고체 보이드 형성 구조에 초점을 맞추지만, 이는 본 개시 내용에 대한 한정이 아니다. 대신에, 본 명세서에서, 보이드 구조가 또한 액체 또는 기체 형태일 수 있다는 점이 주목된다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는 보이드 영역을 형성하기 위하여 게터 몸체로부터 기화 또는 승화하는 물과 기름을 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 보이드 형성 구조는, 게터 재료를 포함하는 액체 구조 내로 주입된 기체와 같은 기체 형태를 가질 수 있다(예를 들어, 아래에서 설명되는 기술인 직접 발포에서와 같이)
형성 동작(1406)은 소정 부피의 게터 재료와 소정 부피의 보이드 형성 구조를 모두 포함하는 게터 프로세스 혼합물을 형성한다. 예컨대, 게터 재료 및 보이드 형성 구조는 결과에 따른 게터 몸체에서 원하는 보이드 구조를 성취하기 위하여 임의의 선택된 비율로 혼합될 수 있다. 하나의 구현예에서, 보이드 형성 구조에 대한 게터 재료의 질량비는, 1:1 내지 3:1 사이의 비를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 게터 재료는 나노 분말일 수 있고, 구형(spherical) PE 보이드 형성 구조에 대한 나노 분말의 질량비는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다: 1:1, 1:25:1; 1.5:1; 1.75:1; 2:1; 2.25:1; 2.50:1; 2.75:1 또는 3.0:1.
일 실시예에서, 형성 동작(1406)은 습식 혼합 프로세스를 통해 게터 재료와 보이드 형성 구조를 혼합한다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는 용액과 혼합되어 일부 경우에 현탁액 혼합물(예를 들어, 안정화하기 충분히 큰 입자를 포함)일 수 있는 컴포넌트 혼합물 용액을 형성할 수 있다. 다른 컴포넌트 중에서도, 용액은 예를 들어 물 또는 알코올(예를 들어, 에탄올)을 포함할 수 있다.
형성 동작(1406)은, 일부 구현예에서, 게터 재료의 응집(cohesion) 및/또는 보이드 형성 구조로부터의 보이드의 형성에 도움을 주기 위하여 보이드 형성 구조 및 게터 재료를 포함하는 혼합물로의 바인더 물질(binder agent)의 추가를 수반한다. 바인더 물질은 분말 처리 분야에서 알려진 임의의 바인더 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바인더 물질은 PEG(polyethylene glycol)를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 단계 1406의 혼합물은 1 내지 10 질량%의 바인더 물질(예를 들어, 5 질량% PEG)을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 바인더 물질은 습식 혼합 프로세스 및 건식 혼합 프로세스 모두에 유용할 수 있다.
하나의 습식 혼합 프로세스에서, 계면 활성제가 게터 재료, 보이드 형성 구조 및 용액을 포함하는 현탁액에 첨가된다. 계면 활성제는 게터 재료(예컨대, 분말 형태로 있는 경우)의 분산에 도움을 주는 역할을 한다. 일 실시예에서, 계면 활성제는 게터 재료 및/또는 희생 보이드 형성 구조의 첨가 전에 용액에 첨가된다. 현탁액에 첨가되는 계면 활성제의 양은 0.05 내지 2 질량%(예컨대, 0.1 질량%)를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 계면 활성제는 폴리옥시 에틸렌 (20) 소르비탄 모노올레에이트(polyoxethlyene (20) sorbitan monooleate)와 같은 당해 기술 분야에 알려진 임의의 계면 활성제를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
다른 예시적인 습식 혼합 프로세스에서, 게터 프로세스 혼합물은 현탁액(예컨대, 게터 재료, 희생 보이드 형성 구조 및 용액)이고, 초음파조(ultrasonic bath)로 처리된다. 예컨대, 초음파조는 바인더 물질 및/또는 계면 활성제의 첨가(예컨대, 위에서 설명된 바와 같이) 후에 적용될 수 있다. 초음파조는 게터 재료 분말의 덩어리를 분해하고 용액 내의 게터 재료와 희생 보이드 형성 구조의 균일한 혼합을 용이하게 하는데 도움을 줄 수 있다. 교반, 메쉬 필터 등을 포함하는 입자 물질(particulate matter)의 추가적인 또는 대안적인 필터링이 사용될 수 있다.
현탁액을 포함하는 위에서 설명된 임의의 실시예에서, 형성 동작(1406)은 현탁액을 건조하기 위한 하나 이상의 동작을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 노(furnace) 또는 오븐이 현탁액을 건조하는데 사용될 수 있다.
위에서 설명된 습식 혼합 및 건식 혼합 기술에 대조적으로, 형성 동작(1406)은 또한 건식 혼합 프로세스일 수 있다. 예를 들어, 게터 재료와 보이드 형성 구조를 포함하는 건조 혼합물은 믹서, 텀블러 또는 이와 유사한 것과 같지만 이에 한정되지 않는 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 혼합 장치를 이용하여 혼합될 수 있다. 본 명세서에서, 바인더 물질이 또한 건식 혼합 프로세스에 채용될 수 있다는 점이 주목된다. 하나의 이러한 구현예에서, 바인딩 물질(예를 들어, PEG)이 선택된 비율로(예를 들어, 1 내지 10 질량% 바인더 물질) 건조 게터 재료 분말과 보이드 형성 구조에 첨가될 수 있다.
치밀화 동작(1408)은 게터 프로세스 혼합물을 치밀화한다. 하나의 실시예에서, 치밀화 동작(1408)은 선택된 압력에서 게터 프로세스 혼합물을 가압하여 강화된(consolidated) 펠리트를 형성하는 것을 포함한다. 인가되는 압력은 구현예마다 서로 다를 수 있지만, 인가되는 압력은 - 일반적으로 - 자체 지지하는 강화된 부피를 형성하기에 충분하다. 하나의 구현예에서, 치밀화 동작(1408)은 200 내지 1300 MPa (예를 들어, 750 MPa) 범위의 압력을 게터 프로세스 혼합물에 인가한다.
게터 재료와 희생 보이드 형성 구조는 당해 기술 분야에서 알려진 임의의 치밀화 장치 및/또는 기술을 이용하여 강화될 수 있다. 예컨대, 게터 재료와 희생 보이드 형성 구조는 펠리트 처리의 분야에서 알려진 임의의 펠리트 다이(die)를 이용하여 펠리트로 가압될 수 있다. 강화된 부피(예컨대, 압축된 게터 프로세스 혼합물)의 밀도는 게터 프로세스 혼합물에 인가된 다이 압력에 의하여 및/또는 게터 프로세스 혼합물에 포함된 보이드 형성 구조의 양에 의해 제어될 수 있다.
일부 구현예에서, 치밀화 동작(1408)은 소결을 수반한다. 소결은, 예를 들어 선택된 시간 동안 선택된 온도까지 게터 프로세스 혼합물을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 게터 프로세스 혼합물은 대략 1000 내지 1500℃의 온도로 가열되고, 1 내지 14시간에 그 온도로 유지된다. 예를 들어, 게터 프로세스 혼합물은 1350℃의 온도로 가열되고, 4시간 동안 그 온도로 유지될 수 있다. 다른 예로서, 강화 부피는 1100 ℃의 온도로 가열되고, 8시간 동안 그 온도로 유지될 수 있다. 세라믹 재료의 소결은 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 Borg, R. J. 및 Dienes, G. J의 An Introduction to Solid State Diffusion. San Diego: Academic Press Inc. (1988)에서 대체로 논의된다.
일부 구현예에서, 게터 프로세스 혼합물의 소결은 보이드 형성 구조의 열적 파괴를 발생시킬 수 있다. 구체적으로는, 보이드 형성 구조는 파괴되어(예를 들어, 열 분해되어) 게터 재료를 빠져 나가, 고체 게터 몸체를 남길 수 있다. 일부 구현예에서, 소결은 보이드 형성 구조의 열 분해를 향상시키기 위하여 대기(atmosphere)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 소결 단계는 산소를 함유하는 대기(예를 들어, 공기)가 있을 때 수행될 수 있다.
소결을 이용하는 일부 구현예에서, 치밀화 동작(1408)은 보이드 형성 구조의 열적 파괴를 개시하고 및/또는 이를 완전히 용이하게 하는데 도움을 주기 위하여 소결 전에 게터 프로세스 혼합물로 예열 처리를 적용하는 것을 더 수반한다. 예를 들어, 예열 처리는 소결 전에 보이드 형성 구조를 완전히 연소시키기 위하여 선택된 기간 동안 소결 온도보다 낮은 중간 온도로 게터 프로세스 혼합물을 가열한다. 예를 들어, 게터 프로세스 혼합물은 400 내지 800℃의 중간 온도로 가열되고, 1 내지 10시간 동안 그 중간 온도로 유지될 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 강화된 부피는 4시간 동안 500℃의 중간 온도로 가열된다.
치밀화 동작(1408)에서 열처리를 활용하는 구현예에서, 강화된 부피의 온도는 선택된 램프 속도(ramp rate)로 제어될 수 있다. 예컨대, 램프 속도는 소결 이전에 강화된 부피가 분해되지 않는 것을 보장하도록 보이드 형성 구조 연소 프로세스 동안의 사용을 위하여 선택된다. 일 실시예에서, 강화된 부피의 온도는, 예컨대 1℃/m이지만 이에 한정되지 않는, 0.1 내지 5℃/m의 속도로 상승될 수 있다.
특히, 개시된 기술의 일부 구현예는 치밀화 동작(1408)(예컨대, 가압, 가열, 소결)을 포함하지 않는다. 예컨대, 일부 보이드 형성 구조는, 안정를 통하는 것과 같이, 자연적으로 보이드를 형성할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 치밀화 동작(1408)은 가열 또는 소결 없이 압밀(compaction)을 수반한다.
치밀화 동작(1408)의 다양한 파라미터는 결과에 따른 게터 요소의 밀도를 제어하기 위하여 선택 가능할 수 있다. 예컨대, 보이드 형성 구조에 대한 게터 재료의 양(질량 단위)의 비가 강화된 부피 및 이에 따른 치밀화된 게터 요소의 밀도를 제어하는데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 치밀화 동작(1408)을 통해 인가된 압력은 게터 프로세스 혼합물과 결과에 따른 게터 요소의 밀도를 제어하기 위하여 제어될 수 있다. 더욱이, 보이드 형성 구조의 무게와 크기는 특정 크기 또는 형상 경사에 의해 묘사할 수 있는 보이드의 분포를 형성하기 위하여 선택될 수 있다. 예컨대, 분포는 상이한 크기 또는 형상의 보이드 형성 구조의 안정화 또는 교반을 통해 자연적으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 크기 및/또는 형상을 갖는 보이드 형성 구조의 다수의 층들은 게터 프로세스 혼합물에서 체계적으로 형성된다.
도 15a 내지 도 15d는 열적 및/또는 화학적 처리를 받을 때 분해되는 희생 보이드 형성 구조의 예시적인 형상을 도시한다. 도 15a 내지 도 15d의 희생 보이드 형성 구조는 단지 게터 프로세스 혼합물로부터 형성된 게터 몸체에서 "보이드"를 형성하는데 사용될 수 있는 구조의 예시적이며 비한정적인 예이다. 구체적으로는, 도 15a는 구형 형상을 갖는 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조(예를 들어, 희생 보이드 형성 구조(1502))를 도시한다. 다른 구현예에서, 희생 보이드 형성 구조는, 타원체, 편원 타원체, 장축 타원체 등과 같이, 상이한 형상을 가진다. 예컨대, 도 15b는 다수의 타원체 형상의 희생 보이드 형성 구조(1502)를 도시한다. 도 15c는 편원 타원체 형상의 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조를 도시하고, 도 15d는 장축 타원체 형상의 예시적인 다수의 희생 보이드 형성 구조를 도시한다.
본 명세서에서, 50 및 200 ㎛ 범위의 크기 분포를 갖는 PE로부터 형성된 구조가 본 개시 내용의 보이드 형성 구조로서의 사용에 적합한 300 내지 410℃의 온도에서 적합한 열 분해를 나타낸다는 점이 주목된다.
도 16은 도 14에 관하여 설명된 치밀화 공정(1408) 동안 형성된 것과 같은 게터 프로세스 혼합물의 강화된 부피(1600)의 일부의 개념도를 도시한다. 강화된 부피는 부피(1600)를 통한 유체 흐름의 수송을 허용하는 적어도 하나의 관통 채널(1606)을 제공하는 게터 재료(1602)와 보이드 형성 구조(1604)를 포함하는 가압된 부피이다.
도 17은 인가된 다이 압력의 함수로서 얻어진 게터 프로세스 혼합물의 이론적 밀도(TD)의 백분율을 나타내는 그래프(1700)를 도시한다. 그래프(1700)에 도시된 바와 같이, TD의 백분율에 관하여 표현된 바와 같은 밀도는 증가하는 다이 압력에 따라 증가한다. 하나의 구현예에서, 게터 요소의 밀도는 게터 요소를 통한 충분한 흐름을 유지하는 능력을 이용하여 게터 요소에서의 핵분열 생성물 흡수의 균형을 맞추도록 선택된다. 일 실시예에서, 제조된 게터 요소의 밀도는 25 내지 45% TD이다. 예컨대, 제조된 게터 요소의 밀도는 35 내지 40% TD의 밀도를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 게터 요소의 밀도는 50 내지 70% TD의 밀도를 가진다. 또 다른 구현예에서, 게터 요소의 밀도는 60 내지 70% TD의 밀도를 가진다.
도 18a는 게터 재료(1804)와 상호 혼합된 희생 보이드 형성 구조(1806)를 포함하는 예시적인 게터 몸체(1800)를 도시한다. 도 18b는 희생 보이드 형성 구조를 분해하여 보이드(예를 들어, 보이드(1808))를 남기는 열적 또는 화학적 처리를 겪은 후의 예시적인 게터 몸체(1800)를 도시한다. 일부 구현예에서, 도 18b의 게터 몸체(1800)는 게터 몸체(1800)를 소결된 펠리트 또는 다른 구조로 변환하기 위하여 높은 압력과 열에 노출된다.
도 19a 및 도 19b는, 본 개시 내용의 하나 이상의 실시예에 따라, 구형 PE 보이드 형성 구조를 이용하여 형성된 게터 요소의 보이드 구조의 주사 전자 현미경(SME) 이미지를 도시한다. 더욱 구체적으로는, 도 19a는 제조된 게터 요소의 반경 방향 단면을 도시하고, 게터 요소의 전반적인 보이드 구조를 형성하는 다수의 세공을 나타낸다. 일 실시예에서, 도시된 보이드 구조의 평균 세공 크기는 50 및 200 ㎛ 사이이다. 예를 들어, 보이드 구조는 대략 100 내지 120 ㎛의 평균 세공 크기를 가질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 보이드 형성 구조가 적합할 수 있는 바에 따라 임의의 적합한 크기 및/또는 형상(또는 심지어 상이한 크기 및/또는 형상)을 가질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 보이드 형성 구조는 200 ㎛보다 더 큰 지름을 갖는 구조를 포함할 수 있다.
도 19b는 보이드 구조의 단일 세공의 확대도를 도시하며 소결된 게터 재료의 알갱이(grain) 구조를 나타낸다. 본 명세서에서, 도 19a 및 도 19b의 SEM 이미지와 연관된 게터 요소가 위에서 제공된 범위 내의 밀도를 가질 수 있다는 점이 주목된다.
도 20은 게터 요소를 형성하기 위한 일련의 예시적인 부가적 제조 동작(2000)을 도시한다. 위에서 설명된 게터 몸체 형성 동작(예를 들어, 도 14에 관하여 설명된 동작(1400))과는 다르게, 부가적 제조 공정 동작(2000)은 임의의 희생 보이드 형성 구조를 이용하지 않고 게터 몸체를 형성한다. 예를 들어, 부가적 제조 동작(2000)은, 예를 들어 선택성 레이저 소결 공정을 통해 보이드를 형성하기 위한 3D 인쇄를 수반할 수 있다.
제공 동작(2002)은 게터 재료를 제공한다. 일 실시예에서, 게터 재료는 입자 형태로 제공된다. 예컨대, 게터 재료는 금속 산화물 분말(예컨대, ZrO2, TiO2, MoO2, MoO3, NbO2, Nb2O5, Ta2O5, VO2, V2O5, 및 Cr2O3)일 수 있다. 일 실시예에서, 게터 재료의 평균 입자 크기는 100 및 500 nm 사이에 있다. 다른 실시예에서, 평균 입자는 100 nm 이하이다. 500 nm를 초과하는 것을 포함하는 넓은 범위의 입자 크기가 게터 재료와 채용된 제조 프로세스에 따라 상이한 구현예에서의 사용에 적합할 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
부가적 형성 동작(2004)은 게터 재료로부터 독립형 3차원 물체를 합성하기 위하여 부가적 제조 동작(예를 들어, 3D 인쇄)을 사용한다. 집합적으로, 독립형 구조는 게터 몸체를 형성한다(예를 들어, 아래의 도 22 내지 24에 관하여 도시되고 더 설명되는 바와 같이). 하나의 예시적인 적합한 부가적 제조 프로세스는 선택성 레이저 소결이다. 선택성 레이저 소결은 3D 모델에 의해 정의되는 공간에서의 점에 레이저를 조준하고 발사함으로써 분말 재료를 소결하기 위하여 레이저를 이용하고, 이에 의해 고체 구조를 형성하기 위하여 재료를 함께 바인딩한다. 선택성 레이저 소결은 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 1986년 10월 17일 출원된 미국 특허 제4,863,538호에 대체로 설명된다.
예시적인 부가적 제조 동작(2000)을 통해 제조된 요소는 주어진 애플리케이션을 위하여 핵분열 생성물 흡수를 유지할 수 있는 임의의 마이크로 및/또는 매크로 구조(들)를 포함할 수 있고, 이는 게터 요소를 통한 충분한 흐름을 유지할 수 있다. 몇 가지 예시적인 게터 몸체 구조가 도 21 내지 도 23에 제공된다.
도 21은 부가적 제조(예를 들어, 3D 인쇄) 프로세스를 통해 형성된 예시적인 게터 몸체(2102)를 도시한다. 게터 몸체(2102)의 다양한 요소(예를 들어, 요소(2104))는 상이한 구현예에서 상이한 형상과 크기를 취할 수 있다. 하나의 구현예에서, 게터 몸체(2102)의 요소는 서로 부착되지 않고, 컨테이너(예를 들어, 예시된 분포를 형성하기 위한 원통형 컨테이너) 내에서 자유롭게 유지된다. 다른 구현예에서, 상이한 요소들이 상호 연결된다. 게터 몸체(2102)의 상이한 요소들 사이의 공간은 입력 스트림(2108)의 유체가 통과하여 게터 몸체(2102) 내의 전송 채널의 활성 표면과 접촉할 수 있는 전송 채널(2106)을 형성한다.
도 22는 부가적 제조(예를 들어, 3D 인쇄) 프로세스를 통해 형성된 다른 예시적인 게터 몸체(2202)를 도시한다. 게터 몸체(2202)는 게터 몸체(2202)와 입력 스트림(2208) 사이의 접촉 표면적을 최대화하기 위하여 세공(2206)의 열과 행을 포함하는 단일의 독립형 구조이다.
도 23은 부가적 제조 프로세스를 통해 형성된 또 다른 예시적인 게터 몸체(2302)를 도시한다. 게터 몸체(2302)는 부가적 제조 프로세스를 통해 각각 상호 연결된 구조에 부가되는 다수의 개별 요소(예컨대, 요소(2304))를 포함한다. 게터 몸체(2302)의 상이한 요소들 사이의 공간은 입력 스트림(2208)의 기체 또는 액체가 통과하여 게터 몸체(2302)의 표면 영역과 접촉할 수 있는 전송 채널(2306)을 형성한다.
게터 몸체(2302)는 도 23에서 음영으로 표시된 바와 같이 상이한 게터 재료를 포함하는 상이한 요소를 포함한다. 예컨대, 게터 요소의 제1 부분에 인쇄된 제1 요소(2304)는 제1 게터 재료를 포함하고, 게터 요소의 제2 부분에 인쇄된 제2 요소(2305)는 제2 게터 재료를 포함한다. 이 점에서, 2 이상의 종류의 재료가 단일 게터 몸체(2302)에 제공될 수 있어, 입력 스트림(2308)으로부터 2 이상의 종류의 핵분열 생성물 또는 그 이상의 생성물의 목표 흡수를 용이하게 한다. 예컨대, 제1 요소(2304)는 세슘을 흡수하는데 목표를 둔 게터 재료를 포함할 수 있고, 제2 요소(2305)는 다른 요소 또는 세슘의 다른 화합물을 흡수하는데 목표를 둔 게터 재료를 포함할 수 있다. 유사한 프로세스에 의해 형성된 다른 게터 몸체는 2가지보다 더 많은 목표 핵분열 생성물의 흡수를 위하여 2가지보다 더 많은 게터 요소를 포함할 수 있다.
도 24는 희생 템플레이팅 프로세스를 통해 게터 요소를 형성하기 위한 예시적인 동작(2400)을 도시한다. 제공 동작(2402)은 핵반응의 목표 핵분열 생성물과 반응하는 게터 재료를 포함하는 현탁액을 제공한다. 함침 동작(2404)은 현탁액에 다공성 템플릿 구조를 함침시킨다. 응고 동작(2406)은 현탁액을 응고하고, 제거 동작(2408)은 템플릿 구조를 제거하여, 다공성 템플릿을 꼭 닮은 다공성 구조를 갖는 응고된 게터 요소를 남긴다. 예를 들어, 제거 동작(2408)은 다공성 템플릿 구조가 분해되게 하는 열적 또는 화학적 처리를 수반할 수 있다.
도 25는 직접 발포 동작을 통해 게터 재료를 형성하기 위한 예시적인 동작(2500)을 도시한다. 제공 동작(2502)은 목표 핵분열 생성물과 반응하는 게터 재료를 포함하는 현탁액을 포함한다. 유입 동작(2504)은 게터 재료를 포함하는 포말(foam)을 형성하기 위하여 현탁액 내로 기체를 유입한다. 제1 응고 동작(2506)은 현탁액을 응고하고, 제2 응고 동작(2508)은 포말을 응고하여 기체에 의해 형성된 보이드 구조를 포함하는 게터 몸체를 갖는 응고된 게터 요소를 형성한다.
본 명세서에서 설명된 컴포넌트, 동작, 장치, 객체 및 이들에 수반되는 논의는 개념적인 명확성을 위하여 예로서 사용되며, 다양한 구성 수정이 고려된다. 결과적으로, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 설명된 특정 예와 수반되는 논의는 더 많은 일반적인 종류를 대표하는 것으로 의도된다. 일반적으로, 임의의 특정 예의 사용은 이의 종류를 대표하는 것으로 의도되고, 특정 컴포넌트(예를 들어, 동작), 장치 및 객체를 포함하지 않는 것은 한정하는 것으로 취급되어서는 안 된다.
또한, 본 명세서에서 설명된 프로세스 동작들은, 명시적으로 달리 주장되지 않거나 특정 순서가 청구범위의 표현에 의해 본질적으로 필수적이지 않다면, 원하는 바에 따라 임의의 순서, 추가 및 생략으로 수행될 수 있다. 위에서의 사양, 예 및 데이터는 개시된 기술의 예시적인 실시예의 구조 및 사용의 완전한 설명을 제공한다. 개시된 기술의 많은 실시예들이 개시된 기술의 기술적 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있기 때문에, 개시된 기술은 이하에 첨부된 청구범위 내에 존재한다. 더하여, 상이한 실시예들의 구조적 특징들은 열거된 청구범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 실시예에서 조합될 수 있다.

Claims (24)

  1. 게터 요소(getter element)를 형성하는 방법으로서,
    핵분열 원자로의 동작의 선택된 기간 동안 핵분열 원자로 코어의 유체 흐름 내에 함유된 핵분열 생성물의 예상량을 결정하는 단계;
    핵분열 생성물의 예상량과 게터 재료 사이의 화학 반응에서 형성되는 반응 생성물의 예상량을 확인하는 단계로서, 상기 화학 반응은 상기 핵분열 원자로의 동작의 선택된 기간 동안 발생하는 것인 단계;
    상기 핵분열 생성물의 예상량과 상기 반응 생성물의 예상량에 기초하여 상기 게터 재료를 포함하는 게터 프로세스 혼합물(getter process mixture)의 부피 파라미터를 결정하는 단계;
    상기 게터 재료와 복수의 보이드 형성 재료를 혼합하여 상기 게터 프로세스 혼합물을 형성하는 단계; 및
    상기 게터 프로세스 혼합물로부터 상기 보이드 형성 재료를 제거하여 보이드 구조를 갖는 게터 몸체를 형성하는 단계로서, 상기 보이드 구조는 적어도 부분적으로 상기 부피 파라미터에 기초하고, 게터 몸체를 관통하는 적어도 하나의 관통 채널을 형성하는 것인 단계
    를 포함하는 게터 요소 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 결정된 상기 부피 파라미터에 기초하여, 상기 핵분열 생성물의 예상량과 상기 게터 재료 사이의 화학 반응이 상기 핵분열 원자로의 동작의 선택된 기간 동안 상기 반응 생성물의 예상량을 산출하는 것을 용이하게 하기에 충분한 상기 게터 재료의 표면적을 정의하는 단계를 더 포함하는 게터 요소 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 핵분열 생성물은, 세슘 및 세슘 화합물 중 하나 이상을 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 게터 프로세스 혼합물의 상기 게터 재료는 금속 산화물을 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 산화물은 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물, 몰리브덴 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈룸 산화물, 바나듐 산화물 및 크롬 산화물 중 하나 이상을 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 금속 산화물은 100 내지 500 nm의 평균 입자 크기를 갖는 것인 게터 요소 형성 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 금속 산화물은 100 nm 미만의 평균 입자 크기를 갖는 것인 게터 요소 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 게터 몸체를 형성하는 단계는,
    게터 몸체의 이론적 밀도의 25 내지 45%인 밀도를 갖는 게터 몸체를 형성하는 단계를 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 게터 몸체를 형성하는 단계는,
    게터 몸체의 이론적 밀도의 50 내지 70%인 밀도를 갖는 게터 몸체를 형성하는 단계를 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 다공성 컨테이너 내에 상기 게터 몸체를 위치 설정하는 단계와, 연료 핀(fuel pin) 내에 상기 다공성 컨테이너를 위치 설정하는 단계를 더 포함하는 게터 요소 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연료 핀 내에 상기 다공성 컨테이너를 위치 설정하는 단계는,
    상기 연료 핀 내의 핵분열 생성물 소스의 실질적으로 전부가 상기 연료 핀 내에 상기 게터 재료의 제1 측에 있도록 상기 연료 핀 내의 위치에 상기 다공성 컨테이너를 위치 설정하는 단계를 더 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 연료 핀은 상기 연료 핀 내에서 생성된 기체를 원자로의 헤드 공간(headspace)으로 배기하도록 구성되는 것인 게터 요소 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 게터 프로세스 혼합물은 상기 유체 흐름의 제1 핵분열 생성물과의 반응을 용이하게 하는 제1 게터 재료를 포함하고, 상기 유체 흐름의 제2 핵분열 생성물과 반응하는 제2 게터 재료를 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 보이드 형성 재료는 유기 재료로부터 형성되는 것인 게터 요소 형성 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 보이드 형성 재료는 50 내지 150 미크론의 평균 크기를 갖는 것인 게터 요소 형성 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 부피 파라미터를 결정하는 단계는, 보이드 형성 재료에 대한 상기 게터 재료의 질량비로서 1:1 내지 3:1를 결정하는 단계를 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 게터 몸체를 형성하는 단계는, 상기 게터 프로세스 혼합물을 치밀화하는 단계를 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 게터 프로세스 혼합물을 치밀화하는 단계는, 200 내지 1300 MPa의 선택된 압력으로 상기 게터 프로세스 혼합물을 가압하는 단계를 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  20. 제1항에 있어서, 게터 프로세스 혼합물로부터 상기 복수의 보이드 형성 재료를 제거하는 단계는,
    상기 복수의 보이드 형성 재료를 용해하도록 상기 게터 프로세스 혼합물에 용제(solvent)를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것인 게터 요소 형성 방법.
  21. 제1항의 방법에 의해 제조된 게터 요소로서,
    입력 스트림 내에 함유된 핵분열 생성물과 반응하는 게터 재료를 포함하는 게터 몸체를 포함하고, 상기 게터 몸체는 상기 게터 몸체를 통해 상기 입력 스트림의 흐름을 용이하게 하도록 적어도 하나의 관통 채널을 더 포함하고, 상기 게터 몸체는 미리 결정된 시간 간격 동안 상기 게터 요소를 통한 상기 입력 스트림의 흐름을 유지하기에 충분한 부피 파라미터를 갖고, 상기 적어도 하나의 관통 채널은 상기 미리 결정된 시간 간격 동안 미리 식별된 양의 핵분열 생성물을 흡수하기에 충분한 반응 표면적을 포함하는 것인 게터 요소.
  22. 제21항에 있어서, 상기 반응 표면적은 상기 미리 결정된 시간 간격 동안 상기 입력 스트림 내의 상기 핵분열 생성물의 실질적인 전부 사이의 화학 반응을 수용하기에 충분한 것인 게터 요소.
  23. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 관통 채널은 복수의 보이드를 포함하는 것인 게터 요소.
  24. 제23항에 있어서, 상기 복수의 보이드는 미리 결정된 범위의 팽창 내의 상기 게터 재료의 팽창에도 불구하고 선택된 흐름 레벨 위로 관통 흐름 전송을 유지하기에 충분한 부피를 갖는 것인 게터 요소.
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