KR20210083333A - 이중 유체 반응기 - 액체 금속 핵분열 가능 물질을 갖는 변형 (DFR/m) - Google Patents

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고틀리브 스테판
바이스바흐 다니엘
루프레히트 괴츠
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Abstract

본 발명은 액체 연료 라인 내의 액체 연료로서 악티늄족의 높은 비율, 바람직하게는 69 % 이상을 갖는 특수 액체 금속 핵분열 가능 혼합물을 갖는 이중 유체 원리에 따라 작동하는 원자로에 관한 것이다.　금속은 바람직하게는 크롬 (Cr), 망간 (Mn) 및 철 (Fe)에서 선택된다.　바람직한 악티늄족은 토륨 (Th), 우라늄 (U) 및 플루토늄 (Pu)에서 선택된다.　혼합물과 얻어지는 다성분 합금이 반드시 공융 일 필요는 없다.

Description

이중 유체 반응기 - 액체 금속 핵분열 가능 물질을 갖는 변형 (DFR/m)
본 발명은 액체 연료 라인 내에 액체 연료로서 특수 액체 금속 핵분열 가능 물질 혼합물을 갖는 이중 유체 원리로 작동하는 원자로에 관한 것이다.
EP 2 758 965 B1에서 알려진 이중 유체 원자로 (DFR)는 발전소의 다른 모든 원자로 개념과 달리 두 개의 개별 액체 루프에서 작동하는 고속 중성자 스펙트럼을 가진 새로운 유형의 핵 고온 원자로이다. 이 두 액체 루프는 핵분열 반응의 높은 파워 밀도를 매우 효과적으로 제거하기 위한 액체 금속으로 구성된 1 차 냉각제 회로와 핵분열 가능 물질의 최적 사용 및 처리를 위한 액체 핵분열 가능 물질 루프로 구성되며, 원자로 노심의 핵분열 구역 내에서 파이프 시스템을 통해 액체 핵분열 가능 물질로부터 냉각제로 열절단이 이루어진다. 이것은 이전 유형의 원자력 발전소보다 높은 투입 에너지 대비 에너지 리턴 인자 (energy return on energy invested factor)를 가진 매우 효율적이고 본질적으로 수동적으로 안전한 단열 발전소 원자로를 얻게 한다. 액체 핵분열 가능 물질의 조성은 특정되지 않는다. 액체 용융 염(liquid salt melt) 또는 액체 금속 혼합물의 두 가지 변형이 가능하다.
액체 용융 염의 경우 최적의 조성은 삼염화 악티나이드(actinide trichlorides) 로 구성된다. 액체 금속 냉각제의 높은 열 전달 능력으로 인해, 원자로 노심으로부터 핵 연쇄 반응의 높은 열 출력을 제거할 수 있다. 악티나이드 염을 희석할 필요는 없다. 이러한 점에서, DFR은 잘 알려진 용융 염 반응기 (MSR)는 구별되는데, 용융 염 반응기에서 용융 염은 핵분열 가능 물질과 열 수송을 모두 제공하므로 반드시 희석되어야 한다. 따라서, 악티나이드 농도가 낮은 염 공융물(salt eutectics) 만이 MSR에서 고려되고, 그 결과 파워 밀도가 낮아지고 부식 문제가 증가하게 된다.
그러나, 희석되지 않은 삼염화 악티노이드(actinoid trichloride) 역시 단점이 있다.　1 : 3의 화학 양론은 이미 악티노이드 농도의 희석을 나타내며, 이로 인해 중성자 경제(neutron economy)가 감소하고, 또한 이는 상대적으로 가벼운 염소의 조절 효과에 기인한다. 또 다른 중요한 단점은 염의 열전도율이 낮다는 것인데, 이는 클래딩 튜브로의 열 전달뿐 아니라 염내 열 분포에도 특정 효과를 미친다. 이것은　액체의 난류의 발생을　보장하는 속도로 원자로 노심을 통해 용융 염을 펌핑함으로써 대응해야　한다. 이것은 또한 파워 밀도를 제한한다. 더욱이, 핵분열 생성물을 제거하기 위해 핵분열 가능 물질을 연속적으로 처리하는 것이 훨씬 더 어려워진다.
액체 금속 혼합물이 핵분열 가능 물질로 사용되면 이미 EP 2758 965 B1에 기술된 바와 같이 열전도도 문제가 직접적으로 해결된다. 핵분열 가능 물질을 더 이상 펌핑 할 필요가 없으며 작동 온도와 마찬가지로 파워 밀도를 높일 수 있다. 그러나 적합한 액체 금속 혼합물의 설계는 어렵다.
우라늄은 물론이고 토륨은 더더욱, 발전소 운영을 위하여 너무 높은 융점을 가지고 있다. 따라서 충분히 양호한 중성자 특성을 가진 다른 금속을 추가하여 적어도 고상선 온도를 낮추는 것이 필요하다. 생성된 다 성분 합금이 반드시 공융물일 필요는 없다. 액상선 온도가 작동 온도보다 높더라도 혼합물은 이 머시 상(mushy phase)에서 충분히 펌핑 할 수 있다.
액체 금속 혼합물을 핵분열 가능 물질로 사용하는 것은 이미 과거에 연구 대상이었다. 납, 특히 융점이 낮은 비스무트에 의존하였다. 악티늄족은 용해되어야 하며, 그 결과 매우 낮은 악티노이드 농도가 야기되며, 이에 따른 단점을 가지게 된다. 이것은 중성자 경제와 그와 함께 그러한 원자로의 변환 파워(transmutation power)를 감소시킬 수 있다.
특수 고체 핵분열 원자로에 대한 안전성 연구는 다른 방식을 시사하였다. 예를 들어, 이전 원자로 유형에서, 고체 금속 핵분열 물질의 사용이 초기 (1 세대)에 이미 고려되었으며 해당 테스트가 수행되었다. 금속 핵분열 가능 물질로 연료 집합체를 작동하는 동안 연소 중에 휘어져 공동과 균열이 형성되는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 이는 열 전달을 감소시키고 클래딩 튜브의 변형을 야기한다. 따라서 낮은 열전도율에도 불구하고 세라믹 산화물 핵분열 가능 물질 팔레트를 사용하는 것으로 바뀌었다. 그런 다음 미국의 IFR (Integral Fast Reactor)에서 금속 핵분열 가능 물질이 다시 사용된다. 여기서는, 상기 문제점들이, 클래딩 튜브 내에 존재하는 것보다 더 작은 부피의 핵분열 가능 물질을 사용하여 해결되었다. 따라서, 기존의 공동은 액체 나트륨으로 채워졌다.
특정 핵분열 가능 물질 혼합물과는 별도로, 핵분열 가능 물질이 과열되는 사고 시나리오에 대한 조사가 수행되었고, 클래딩 튜브 물질에 미치는 영향이 명백해졌다. 금속 핵분열 가능 물질의 경우 녹을 수 있다. 따라서 용융된 핵분열 가능 물질이 클래딩 튜브 물질을 어떻게 공격하는지도 조사 대상이었다. 액화 우라늄은 주로 고속 원자로에서 스테인리스 강 합금으로 만들어진 클래딩 튜브를 용해하기 시작하며, 여기서 강철 합금　원소의 용해 정도는 서로 다르다. 이러한 용액 특성과 그에 따라 야기되는 금속 혼합물에 대한 보다 자세한 조사는 스테인리스 강으로 만들어진 화학 원소와 함께 우라늄과 토륨의 공융 혼합물의 특성화로 이어졌다.　 DFR과 같은 반응기에 대한 액체 금속 핵분열 혼합물의 기본으로서 다음과 같은 이원 공융물이 있다: 1. 우라늄 / 크롬 (80 원자-% U, 20 원자-% Cr) 2. 우라늄 / 망간 (80 원자-% U, 20 원자-% Mn) 3. 토륨 / 철 (70 원자-% Th, 30 원자-% Fe).
그러나 액체 핵분열로에서 이러한 공융물의 사용은 구상되지 않았으며 지금까지 고려되지 않았다. 현재까지 액체 핵분열로의 유일한 변형이 위에서 언급 한 MSR 이었기 때문에 이러한 문제 제기가 되지 않았기 때문이다. DFR의 발명으로 금속성 액체 핵분열 가능 물질이 여기에 사용될 수 있기 때문에 상황이 근본적으로 바뀌었다.
이미 언급했듯이, 적합한 액체 금속 핵분열 가능 물질 혼합물의 조성은 찾기가 어렵다. 따라서, 본 발명의 목적은 높은 열전도율, 높은 악티나이드 핵종 밀도, 높은 파워 밀도 및 높은 작동 온도를 특징으로 하고, 이중 유체 반응기에서 연속적인 방출이 허용되고, 따라서 이중 유체 반응기의 연료 라인에서 연료로 사용될 수 있는, 이중 유체 반응기용 액체 금속 핵분열 가능 물질을 제공하는 것이다.
상기한 문제점은, 아래에 설명 된 바와 같이 DFR에서 다양한 작동 모드 및 증식 사이클에 대해 악티늄족, 특히 악티노이드 공융물의 우세한 비율을 기반으로 하는 용융 금속 혼합물을 사용하여 해결된다.
다 성분 합금 또는 결과적인 다 성분 합금이 반드시 공융물일 필요는 없다는 것을 알아냈다.
본 발명은 핵분열 가능 물질이 과열되고 클래딩 튜브 물질에 미치는 영향이 명백해진 사고 시나리오에 대해 수행된 조사를 기반으로 한다. 금속 핵분열성 물질의 경우 녹을 수 있다. 단점은, 액화 우라늄은 클래딩 튜브 (고속 원자로의 경우 대부분 스테인리스 강 합금으로 만들어 짐)를 용해하기 시작하는 것이고, 여기서 강철 합금 원소들은 다른 정도로 용해된다.
본 발명에 따르면, 이러한 용액 특성에 기초하여, 철과 같은 강철, 크롬 또는 망간의 화학 원소와 함께 바람직하게는 토륨, 우라늄 및 플루토늄의 적절하고 유리하며 부분적으로 공융 혼합물인 금속 혼합물을 알아낼 수 있었다.
지금까지 액체 핵분열 원자로의 유일한 변형은 위에서 언급한 MSR이기 때문에 액체 핵분열 원자로에서 공융물의 사용은 아직 고려되지 않았다. 그러나, 본 발명은 이중 유체 반응기 (DFR)에서 액체 금속 핵분열 가능 혼합물로서 높은 악티노이드 함량을 갖는 악티노이드 공융물 및 다 성분 합금의 사용을 허용한다.
이중 유체 반응기가 알려져 있으며 (참조 : EP 2 758 965 B1), 이는 원자로 노심 용기의 노심 용적에 액체 연료의 연속 공급 및 배출을 위한 제 1 라인을 특징으로 하며, 상기 제 1 라인은 입구를 통해 원자로 노심 용기에 들어가고, 노심 용적을 통하여 안내되고 출구를 통해 원자로 노심 용기를 떠나고, 연쇄 반응이 임계적(critically)으로 또는 미임계적(subcritically)으로 진행될 수 있고, 또한, 액체 냉각제를 위한 두 번째 라인을 특징으로 하며, 이는 제2 라인으로부터의 냉각제가 입구를 통하여 원자로 노심 용기로 들어가고 제1 라인의 주위를 진행하고 출구를 통해 다시 원자로 노심 용기를 떠나도록 배치된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 액체 연료 라인에서 액체 연료로서 악티나이드 함량이 높은 금속의 액체 혼합물을 포함하는 이중 유체 반응기 (DFR)를 제공하는데 있다.　 바람직하게는, 혼합물에서 비-악티노이드 금속의 비율은 최대 31 원자-%이고 악티노이드의 비율은 적어도 69 원자-%이다.　 최대 1 %의 편차가 가능하다.
본 발명의 한 실시예에서, 금속은 크롬 (Cr), 망간 (Mn) 및/또는 철 (Fe)로부터 선택된다.　바람직한 악티늄족은 토륨 (Th), 우라늄 (U) 및/또는 플루토늄 (Pu)으로부터 선택된다.
토륨은 바람직하게는 Th-232 및 사용 후 연료가 사용되는 경우 선택적으로 다른 동위 원소의 일부로서 사용되고, 우라늄은 바람직하게는 U-233, U-235, U-238 및 사용 후 연료가 사용되는 경우 선택적으로 U-236과 같은 다른 동위 원소의 일부로서 사용되고, 플루토늄은 바람직하게는 Pu-239, Pu-240, Pu-241, Pu-242 및 사용 후 연료가 사용되는 경우 다른 동위 원소의 일부로서 노심의 초기 충전에 사용된다. 또한, 사용 후 연료를 사용할 때, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물이 초기 충전물에 포함될 수 있으며 핵분열성 및 핵분열 가능 물질의 일부가 초우라늄 원소의 핵종으로 대체 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 다음의 이원 공융물은 이러한 이중 유체 반응기를 위한 액체 금속 핵분열 혼합물의 기초로 작용한다 :
1. 우라늄 / 크롬
(바람직하게는 4 : 1, 즉 바람직하게는 약 80 원자-% U, 약 20 원자-% Cr),
2. 우라늄 / 망간
(바람직하게는 4 : 1의 비율, 즉 바람직하게는 약 80 원자-% U, 약 20 원자-% Mn) 및 / 또는
3. 토륨 / 철
(바람직하게는 7 : 3의 비율, 즉 바람직하게는 약 70 원자-% Th, 약 30 원자-% Fe).
비록 위에서 언급한 이원 공융물은 아직 원자력 발전소를 위한 액체 금속 핵분열 가능 혼합물로 간주되지 않았지만, 특히 DFR에 사용하기에 적합하다. 이들은 매우 높은 악티나이드 농도를 특징으로 하여 중성자 경제를 최적화하고 원자로의 변형 능력(transmutation capability)을 최적화한다. 녹는 점은 800 ℃로 작동에 적합하다. 끓는점은 2000 ℃를 훨씬 초과하므로 증기 기포 형성이 멀기 때문에 작동 온도도 증가 시킬 수 있다. 높은 열전도율은 핵분열 유체의 지속적인 펌핑을 쓸모 없게 만든다. 전반적으로 이것은 파워 밀도의 증가로 이어지고 따라서 발전소의 효율성도 높아진다.
순수한 이원 합금 형태에서는, 이들은 고속 핵분열 반응기에서 사용될 수 없으며, 작동 중 계속되는 변환으로 인해 이 형태로 남아 있지 않는다. 어떠한 임계 원자로는 충분히 높은 농도의 핵분열성 물질, 즉 열 및 열외 중성자 에너지에서도 또한 핵분열 될 수 있는 핵종(즉 U-233, U-235, Pu-239, Pu-241, 즉 주로 홀수 중성자 수를 갖는 핵종)을 필요로 하는데, 이는 고 중성자 에너지에서의 핵분열 가능 물질 (Th-232, U-238, 또한 중성자 수가 짝수인 초우라늄 핵종)과는 다르다. 토륨은 어떠한 원자로에서 임계적으로 핵분열성이 없으며, 천연 우라늄은 중성자 스펙트럼이 빠른 원자로에서 임계적으로 핵분열성이 없다. 고속 핵분열 원자로의 경우 핵분열성 물질의 농도를 크게 증가시켜야 한다. 이러한 두 인자들 모두는, 이원 합금은 유지되지 않고 아마도 공융 조건, 즉 고상선 및 액상선 온도의 일치가 충족되지 않을 것이라는 것을 의미한다. 야기되는 핵분열 생성물은 초기에는 핵분열의 낮은 질량 턴오버로 인해 합금에 완전히 용해 될 수 있다. 그러나 이러한 DFR의 우수한 중성자 경제성은 핵분열 가능 혼합물을 재처리하지 않고도 이러한 긴 작동 시간을 허용하므로, 여기서도 응집 효과가 발생할 정도로 농도가 상승할 수 있다.　또한, 악티나이드 핵종은 비활성 중성자 포획(sterile neutron capture)과 베타 붕괴로 인해 변화한다; 새로운 우라늄과 플루토늄 외에도 프로트악티늄, 넵투늄, 아메리슘 등이 생성된다. 이로 인해 이원 공융물과 품질 및 양 측면에서 상당히 다른 혼합물이 야기된다. 2 개 이상의 성분과 특히 증가 된 핵분열 생성물 농도를 가진 혼합물은 파라미터 변수 범위에서 공융 값에서 벗어날 수 있지만, 고형선 온도와 총 점도가 펌핑하기에 충분히 낮은 한, 이는 운전성에 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 따르면, 금속 혼합물의 다음과 같은 바람직한 변형이 DFR 원자로 노심에 대한 프레쉬 인벤토리로 사용된다:
1. 이원 공융물로 강화된 U/Cr, U/Mn 및/또는 Th/Fe.　 특히 바람직한 것은 [79, 81] 원자-% U, [19, 21] 원자-% Cr로서의 우라늄/크롬, [79, 81] 원자-% U, [19, 21] 원자-% Mn로서의 우라늄/망간 및/또는 [69, 71] 원자-% Th, [29, 31] 원자-% Fe로서의 토륨/철.　 가장 바람직하게는, [7, 12] 원자-% U-235, [67, 74] 원자-% U-238, [19, 21] 원자-% {Cr 또는 Mn}로 구성된 이원 공융물이 초기에 사용된다. 작동 중 변환을 통해 U-235 부분은 플루토늄, 주로 Pu-239으로 연속적으로 대체되어 3 원 혼합물과 핵분열 생성물이 생성된다.
2. Pu/U/Cr의 삼원 혼합물.　[7, 12] 원자-% Pu-239, [67, 74] 원자-% U-238, [19, 21] 원자-% {Cr 또는 Mn}로 구성된 삼원 혼합물이 초기에 특히 바람직하다.　 Pu 함량은 U-238의 전환을 통해 거의 일정하게 유지된다. U-238은 소비되고 핵분열 생성물로 대체된다.
3. U/Th/Fe/Cr의 4원 혼합물.　 특히 바람직하게는, [7, 12] 원자-% U-233, [1, 4] 원자-% {Cr 또는 Mn}, [59, 64] 원자-% Th-232 및 [25, 29] 원자-% Fe로 구성되는 4원 혼합물이 사용된다. U-233은 유일한 핵분열성 물질(fissile material)으로서 여기에 필요하다. 토륨은 U-233으로 전환하기 위한 소비용 핵원료성 물질(fertile material)이다. Fe와 Cr의 혼합물은 4원 혼합물에 대한 공융 조건을 달성해야 한다.
4. Pu/Th/Fe/Cr의 4원 혼합물.　이 4원 혼합물은 U-233 연소를 위한 토륨 주기의 시작 인벤토리 역할을 한다. 플루토늄은 U-233보다 훨씬 쉽게 구할 수 있기 때문에 [7, 12] 원자-% Pu, [1, 4] 원자-% {Cr 또는 Mn}, [59, 64] 원자-% Th-232 및 [25, 29] 원자-% Fe로 구성되는 혼합물을 초기에 사용하는 것이 특히 바람직하다. 일시적으로 U/Th/Fe/Cr를 향한 5원 혼합물 U/Pu/Th/Fe/Cr이 형성된다.
5. U/Pu/Th/Fe/Cr의 5원 혼합물.　이 5원 혼합물은, U-238으로부터 플루토늄의 재생과 함께 토륨으로부터 U-233의 최대 번식을 위해 플루토늄의 매우 높은 중성자 수율을 활용하는 하이브리드 작업에 적합한다. 역으로 토륨/U-238 분율은 버너/소각로 작동에 대하여 전환율을 최소화하도록 설정할 수 있다. 이를 위해, 핵분열성 물질을 희석하기 위하여, 중성자 물리학 측면에서 대체로 불활성인 물질도 추가될 수 있다 예컨대, Zr, Al 또는 Mg. 구성 요소 비율도 연소 최적화의 결과이다.
사용되는 혼합물 내의 물질의 비율은 항상 100 %까지 합산된다.
본 발명은 예를 들어 아래에서 더 자세히 설명 될 것이다:
액체 금속 연료로 작동하는 DFR의 중성자 물리적 시뮬레이션은　임계 조건을　충족하기 위한　핵분열성 물질의 농도가　원자로 노심의 공칭 파워에 따라 ~ 10 원자-% 여야 함을　보여주었다.　 600 MWth SMR의 코어에 대하여 이는 ~ 11 원자-%이고, 3000 MWth의 일반적인 발전소 크기에 대하여 이는 ~ 9 원자-%이고, 30,000 MWth의 정제 공정 히트 플랜트에 대하여 이는 ~ 8 원자-%이다. 다양한 핵분열성 핵종의 농도 차이는 퍼밀 범위(per mil range)에 있으며 고속 스펙트럼에서 중성자 수율이 가장 높기 때문에 플루토늄이 하한 값이다. 합금 성분으로서 크롬은 우라늄과의 조합에서 망간보다 더 적은 수의 중성자를 흡수한다는 장점이 있지만, 그 차이는 배제 기준이 아닙니다.　Cr 에 더하여 Mn도 사용할 수 있다. Mn의 사용은, 보상을 위해 핵분열성 물질의 농도를 증가시킬 것을 요구한다. 또한 시뮬레이션에 따르면, 중성자 스펙트럼이 매우 어렵고; 결과적으로 중성자가 짝수인 여러 개의 핵종이 가연성이 되고, 즉 kinf > 1이 된다. 이들은 실제적 운전에 중요한 핵종 U-234, Pu-240 및 Pu-242이다. 그 결과, 핵종의 형성이 더 이상 비활성 중성자 포획을 나타내지 않기 때문에 원자로의 전환율이 비약적으로 증가한다. U/Pu 사이클에 대하여, 이는 예를 들어 1.3으로부터 2.1로 증가함을 의미한다. 그 결과 지질학적으로 처리되어야 하는 폐기물 문제를 구성하는 기존 원자력 발전소의 사용 후 연료 원소로부터 초우라늄 원소를 소각하는 것도 최고의 효율로 가능해진다. 　　　　
이는, 핵분열성 물질의 농도에 대해 [7, 12] 원자-%의 간격을 야기한다. 한편, 공융 조건을 달성하기 위한 합금 성분 {Cr 또는 Mn} 20 원자-% 및 Fe 30 원자-%의 비율은 명확하게 정해지며 1 %에서 변화한다. 100 %에 대한 보완은 핵분열 가능 물질 또는 핵원료성 물질 (천연 우라늄 또는 고갈된 우라늄의 우라늄 -238 또는 U-236와 함께 재처리된 우라늄, 토륨 -232)으로 채워진다.
핵분열성 핵종과 다양한 핵원료성 핵종을 추가한 전술한 단순 공융물을 기반으로, 혼합 및 전환 모드를 포함하여 다양한 핵분열 가능 물질 조합들로 DFR의 여러 운전 가능성들이 존재한다. 가장 간단한 전환 모드는 경농축 우라늄 (LEU)으로 시작한다. 합금 첨가는 일정한 비율의 {Cr 또는 Mn}이다. 공정이 진행됨에 따라 원료 U-238의 소비로 인해 플루토늄의 비율이 증가하고 결국 핵분열성 물질로 U-235를 대체하고 위와 같은 핵분열 생성물을 추가한다.
토륨을 번식 재료로 사용한다는 것은 처음부터 혼합된 작업을 의미한다. 공융 조건에서 토륨은 합금 성분으로 30 원자-% 철(1 % 편차)을 필요로 하며 (Fe/Th = 3/7), 번식 과정에서 생성된 핵분열성 U-233은 합금 성분으로 20 원자-% 크롬이 필요하다 (Cr/U = 1/4). 모든 구성 요소의 합이 100 %까지 합산되어야 한다는 조건과 함께　, 이는 토륨과 합금 구성 요소의 3 가지 미지수를 갖는 화학양론적 계산을 위한 선형 방정식 시스템으로 이어지며, 핵분열성 물질의 비율은 원자로 성능에 의해 주어지며 (변수는 간격일 수 있음), 각각의 비율이 해(solution)가 된다. 실제로, U-233은 토륨 번식 사이클의 결과로 거의 구할 수 없기 때문에, 토륨을 핵원료성 물질로 사용하는 반응기를 시작하기 위하여, 상업용 PUREX 재처리 공장에서 나온 핵분열성 물질로 플루토늄을 사용하는 것을 고려하고 있다. 관련 화학적 특성에서 플루토늄은 우라늄과 매우 유사하여, {Cr 또는 Mn}도 공융 조건을 달성하기 위한 합금 성분으로 사용된다.
따라서 우라늄과 플루토늄은 화학양론적 계산에서 더해진다 (Cr/(U + Pu) = 1/4).　 이것은 또한, 토륨이 소비되면서, 플루토늄이 U-233으로 연속적으로 대체되는 천이 모드를 나타낸다. 토륨 사이클로의 매우 장기의 또 다른 천이 모드는 LEU로 반응기 시작의 변화로 나타난다. Pu-239를 번식하는 동안 소비되는 핵원료성 물질 U-238은 DFR의 PPU (Pyrochemical Process Unit)에서 연료 처리 사이클 동안 U-238보다는 Th-232로 대체된다.
유일한 핵분열성 물질로서 이동식 열 반응기에서와 같이 다른 용도로 U-233의 최대 증식을 위하여 또는 확산 대책으로서 HEU (고농축 우라늄)의 오염을 위하여, 하이브리드 운전도 또한 PPU와 함께 수행될 수 있고, 여기서 높은 중성자 수율을 갖는 플루토늄은 토륨 포획을 위하여 증식 잉여 중성자를 제공한다. 이는 사용된 플루토늄이 재생될 수 있도록 충분한 U-238을 추가하는 것을 포함한다. PPU에서 연료 액체의 빈번한 처리는 중간 핵종 Pa-233가 격리되는 것을 허용하고, 따라서 U-233은 반응기 내에서 핵분열되기 보다는 주로 원자로 노심 외부에서 생성된다. 조성은 중성자 물리학 최적화 문제이다. {Cr, Mn}의 비율은 Pu와 U의 추가 비율의 1/4로 나타납니다. 필요한 비율 Fe는 Th의 3/7입니다.
원자력 발전소의 조사된 연료 요소로부터 초우라늄 원소의 소각을 위하여, 그들은 일반적으로 핵분열 가능 물질로서 핵원료성 물질에 추가 될 수 있다. 비율의 크기와 화학적 특성에 따라 {Cr, Mn} 및 Fe 비율이 조정된다. 버너/소각로서 운전이 필요한 경우, 즉 잉여 증식을 방지하기 위하여, 핵원료성 물질이 예컨대, Zr, Mg 또는 Al을 갖는, 중성자-물리적으로 불활성인 핵종에 의하여 희석될 수 있다. 할 수 있습니다 (즉, 낮은 중성자 흡수 단면적 및 수명이 긴 방사성 핵종의 형성이 없음).

Claims (10)

  1. 액체 연료 라인 내에, 액체 금속 핵분열 가능 혼합물(liquid metal fissionable mixture)로서 우세한 악티나이드 함량을 갖는 금속의 액체 혼합물을 포함하는 액체 연료를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 유체 반응기(Dual fluid reactor).
  2. 제 1 항에 있어서,
    악티늄족의 함량이 적어도 69 원자-%인 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제1항 또는 제 2 항에 있어서,
    추가적인 비-악티노이드 금속이 크롬 (Cr), 망간 (Mn) 및/또는 철 (Fe)로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응기 노심 내의 프레쉬 인벤토리(fresh inventory)로서 상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은 바람직하게는 4 : 1의 몰비로, 이원 공융 우라늄/크롬 또는 우라늄/망간 및/또는 바람직하게는 7:3의 비율로 토륨/철로 구성되는, 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은, [79, 81] 원자-% U, [19, 21] 원자-% Cr로서의 이원 공융 우라늄/크롬, [79, 81] 원자-% U, [19, 21] 원자-% Mn로서의 우라늄/망간 및/또는 [69, 71] 원자-% Th, [29, 31] 원자-% Fe, 바람직하게는 [7, 12] 원자-% U-235, [67, 74] 원자-% U- 238, [19, 21] 원자-% {Cr 또는 Mn}으로 초기에 구성되어,
    상기한 비율의 상응하는 비례 감소로, 그들의 조성비를 유지하면서, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물 요소가 함유될 수 있고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되는, 반응기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응기 노심 내의 프레쉬 인벤토리로서 상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은,
    플루토늄/우라늄/크롬 또는 플루토늄/우라늄/망간의 삼원 혼합물, 바람직하게는 [7, 12] 원자-% Pu-239, [67, 74] 원자-% U-238, [19, 21] 원자-% {Cr 또는 Mn}으로 구성되는 삼원 혼합물이고,
    상기한 비율의 상응하는 비례 감소로, 그들의 조성비를 유지하면서, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물 요소가 존재할 수 있고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되는, 반응기.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에있어서,
    반응기 노심의 프레쉬 인벤토리로서 상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은,
    우라늄/토륨/철/크롬 또는 우라늄/토륨/철/망간의 4원 혼합물(quaternary mixture), 바람직하게는 [7, 12] 원자-% U-233, [1, 4] 원자-% {Cr 또는 Mn}, [59, 64] 원자-% Th 및 [25, 29] 원자-% Fe로 구성되는 4원 혼합물이어서,
    상기한 비율의 상응하는 비례 감소로, 그들의 조성비를 유지하면서, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물 원소를 함유 할 수 있고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되는, 반응기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에있어서,
    반응기 노심의 프레쉬 인벤토리로서 상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은,
    플루토늄/토륨/철/크롬 또는 플루토늄/토륨/철/망간의 4원 혼합물, 바람직하게는 [7, 12] 원자-% Pu, [1, 4] 원자-% {Cr 또는 Mn}, [59, 64] 원자-% Th-232 및 [25, 29] 원자-% Fe로 구성되는 4원 혼합물이어서,
    상기한 비율의 상응하는 비례 감소로, 그들의 조성비를 유지하면서, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물 원소를 함유 할 수 있고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되는, 반응기.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에있어서,
    반응기 노심의 프레쉬 인벤토리로서 상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은,
    우라늄/플루토늄/토륨/철/크롬 또는 우라늄/플루토늄/토륨/철/망간의 5원 혼합물(pentary mixture), 바람직하게는 20 원자-% {Cr 또는 Mn} 및 30 원자-% Fe의 상한을 갖고, U 및 Pu 및 Th의 가변 비율을 갖고, 경계 조건 {Cr 또는 Mn} = 1/4 (U 및 Pu) 및 Fe = 3/7 Th을 갖는 U/Pu/Th/Fe/{Cr 또는 Mn}로 구성되는 5원 혼합물이어서,
    상기한 비율의 상응하는 비례 감소로, 그들의 조성비를 유지하면서, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물 원소를 함유 할 수 있고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되는, 반응기.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에있어서,
    상기 액체 금속 핵분열 가능 혼합물은, 반응기 노심의 프레쉬 인벤토리로서, [7, 12] 원자-% U-235, [67, 74] 원자-% U-238, [19, 21] 원자-% {Cr 또는 Mn}으로 구성되는 2원 공융물이고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되고,
    재생 인벤토리로서 U/Pu/Th/Fe/{Cr 또는 Mn}으로 구성되는 5원 혼합물로 종국적으로 전이되고, [7, 12] 원자-% U-233, [1, 4] 원자-% {Cr 또는 Mn}, [59, 64] 원자-% Th 및 [25, 29] 원자-% Fe로 구성되는 5원 혼합물로 장기 전이되고,
    상기한 비율의 상응하는 비례 감소로, 그들의 조성비를 유지하면서, 최대 3 원자-% 핵분열 생성물 원소를 함유 할 수 있고, 백분율은 항상 100 %까지 합산되는, 반응기.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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