KR20210121123A

KR20210121123A - 용융염 원자로를 위한 구조재

Info

Publication number: KR20210121123A
Application number: KR1020217027002A
Authority: KR
Inventors: 트로엘스 쇤펠트; 안드레아스 비간드 페데르센; 에이리크 에이데 페테르센; 지미 쇨브스틴 닐슨; 다니엘 존 쿠퍼; 아스크 에밀 뢰브숄-젠센
Original assignee: 시보그 에이피에스
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-10-07
Also published as: EP3918614C0; SG11202107390XA; CA3126748A1; EP3918614B1; US11545272B2; CN113424271B; WO2020157247A1; EP3918614A1; CN113424271A; US20220028569A1; PL3918614T3

Abstract

본 발명은 핵분열에 의한 에너지 생산에 적응된 장치와 관련되는데, 장치는 코어 컨테이너 재료로 이루어진 코어 컨테이너를 포함하되, 코어 컨테이너는 내부 튜빙 재료로 이루어진 내부 튜빙을 에워싸고, 내부 튜빙 및/또는 코어 컨테이너는 인입구 및 유출구를 포함하며, 장치는 코어 컨테이너 또는 내부 튜빙에 위치한 용융된 할로겐염을 추가로 포함하고, 내부 튜빙이 단결정 커런덤으로 구성된 하나 이상의 섹션을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 나아가 장치를 사용하여 핵분열 프로세스를 제어하는 방법들 및 커런덤 튜브를 핵분열 장치의 구조재로 사용하는 용도와 관련된다. 본 발명은 용융염 핵분열 프로세스에서 발전된 효율성을 제공한다.

Description

용융염 원자로를 위한 구조재

본 발명은 핵분열 반응을 위한 용융염 원자로(MSR)에 관한 것이다. 특히, 감속재를 사용하지 않는 고속 원자로와, 감속재를 사용하는 열 또는 열외 원자로 모두에서 유용한 구조재에 관한 것이다.

핵분열은 일반적으로 100keV에서 2MeV 사이의 에너지 범위에서 에너지 중성자를 생성한다. 핵분열 이벤트가 일어날 확률은 중성자 에너지에 의존한다. 이른바 고속 원자로에서, 핵분열에서 생성된 조절되지 않은 중성자는 다른 핵과 직접 상호작용한다. 열 및 열외 핵분열 원자로는, 핵분열 확률을 높이기 위해, 에너지를 줄이고자 감속재에 의존한다. 따라서, 핵분열 원자로는 두 가지 다른 원리, 즉 고속 원자로와 열 및 열외 원자로에 의해 작동할 수 있다.

고속 원자로에서, 에너지 중성자는 핵분열 물질과 직접 상호작용하여, 에너지, 핵분열 생성물 및 에너지 중성자를 생성한다.

열 및 열외 원자로에서, 핵분열에 의해 생성된 에너지 중성자는 감속재와 에너지를 교환하고, 결국 핵분열 물질과 상호작용하여, 에너지, 핵분열 생성물 및 더 에너지 있는 중성자를 생성한다.

열 또는 열외 원자로의 연료와 관련된 설계 선택과 관계없이, 적절한 감속재 물질은 일반적으로 중성자와 핵분열성 원자 사이의 상호작용을 위한 많은 특성을 제공하여야 한다. 감속재는, 상호작용들 사이의 중성자의 짧은 평균 자유 경로와 동일하고, 감속재와 원자로 노심의 크기에 영향을 미치는 산란을 통해 높은 상호작용 확률을 제시하여야 한다. 감속재는 더 나아가, 경량 감속재 원자로 구성되어야 한다. 산란 시, 중성자는 에너지를 조절 물질에 전달하고 감속된다. 원자가 가벼울수록, 상호작용당 전달되는 에너지가 많아진다. 감속재는 낮은 중성자 흡수 확률을 나타내야 한다. 감속재 내 흡수는 핵분열에 사용할 수 있는 중성자 속도를 감소시키고, 물질의 활성화 강도를 증가시킨다. 따라서, 일반적으로, 감속재에서의 흡수가 낮은 것이 바람직하다.

하기 표 1은 다양한 감속재 재료의 중간 특성을 요약한 것이다. ζ는 에너지 중성자를 열에너지 수준으로 감소시키는 데에 필요한 평균 산란 이벤트 수이고, MFP는 cm단위로 측정한 탄성 산란의 평균 자유 경로이며, Σ_abs는 미터당 흡수되는 중성자 수를 측정한 것이다.

표 1. 종래 기술에 따른 감속재 재료들의 감속 효과

Material	ζ [#]	MFP _ela [cm]	Σ _abs [1/m]	Comment
H₂O (liq)	24.8	0.66	2.226	아주 컴팩트
D₂O (liq)	33.4	2.77	0.001	아주 좋은 감속재이나, 컴팩트하지 않음
C (graphite)	110.9	2.50	0.030	아주 좋은 감속재이나, 컴팩트하지 않음
CH₂ (polyethylene)	24.3	0.56	2.589	아주 컴팩트(고온 환경에는 적합하지 않음)
⁷Li	67.2	22.15	0.207	감속재 크기 때문에 적합하지 않음
2 ⁷LiF : 1 BeF₂	25.9	2.97	0.201	아주 좋으나 비싸고⁷Li를 농축시키기 어려움
²³Na	207.1	11.86	1.346	감속시키지 않음
Be	84.7	1.29	0.094	아주 좋은 감속재이지만 비쌈
MgO ceramic	174.7	2.53	0.339	감속시키지 않음

따라서, 물(H₂O)은 매우 컴팩트한 감속재이며, 중성자 흡수율이 낮다는 점에서 중수소수(D₂O), 베릴륨(Be) 및 흑연(C)은 공식적으로 우수한 감속재이다. 어떤 감속재도 MSR에서는 바로 적절하지는 않으며, MSR을 위한 보다 적절한 감속은 WO 2018/229265에 개시되어 있다. 흑연을 사용한 MSR에서의 감속은 WO 2013/116942에 개시되어 있다. WO 2013/116942의 목적은, 밀봉된 장치의 장점을 유지하면서, 더 높고, 더 경제력 밀도가 높은 단일 교체 가능 장치에 흑연 감속재 및 원자로 용기 및/또는 제어봉의 일차 기능 요소를 통합하는 것이다.

MSR은 용융염에 용융된 핵분열성 물질의 임계 농도에 기반한다. 용융된 염은 핵분열성 물질 및 기타 구성요소, 예를 들어 감속된 원자로의 불소 염의 함량을 가진 ⁷LiF 염기를 가질 수 있다. 이를 일반적으로 연료염이라 한다. MSR은 1950년대와 1960년대에 Oak Ridge 국립 연구소에서 연구되었지만, 성공적으로 상용화된 바는 없다. MSR은, 현재 상업적으로 사용되고 있는 원자로를 포함하여, 다른 원자로 유형에 비해 몇 가지 장점이 있다. MSR은 우라늄/플루토늄 원자로보다 훨씬 낮은 수준의 트랜스우라늄 액티나이드 폐기물을 생산하고, 고온에서 작동하며, 고체 연료봉에 휘발성 방사성 핵분열 생성물이 축적되는 것을 방지하며, 기존 원자로에서 가능한 것보다 더 많은 양의 핵분열 물질을 연소시킬 수 있는 장점이 있다.

1950년대와 1960년대에 직면했던 몇 가지 단점 때문에, MSR은 상업화되지 않았다. MSR이 상용화되지 않은 데에 기여한 한 가지 단점은, 불용성 핵분열 생성물이 MSR의 펌프와 열교환기를 오염시킬 수 있다는 것이다. 따라서, 가장 많이 사용되는 용융염 원자로 설계에서는, 연료염에서 핵분열 생성물을 지속적으로 제거하기 위해 붙여진 재처리 공장이 필요하다. 이로 인해, MSR은 복잡하고, 비용이 많이 들며, 광범위한 개발 작업이 필요하다.

적어도 상기 언급된 이유들로 인해, 용융염 원자로에 대한 연구는 일반적으로 1960년대 후반에 나트륨 고속 원자로나 오늘날까지 일반적으로 사용되고 있는 유형의 전통적인 핵분열 원자로에 대한 선호 때문에 포기되었다. 액체 코어가 정체된 열관 냉각식 용융염 고속 원자로가 US 2018/075931에 개시된다.

중요한 단점은, 용융염은 일반적으로 부식성이 높다는 것이다. 이로 인해, 내식성 금속 합금의 개발에 대한 광범위한 연구가 이루어졌다. 니켈 기반 초합금과 같은, 일부 적합한 금속 합금은 실제로 개발되었지만, 이러한 합금은 매우 고가이며, 일반적으로 오랜 시간이 지난 후에는 여전히 부식이 발생한다.

탄소 및/또는 탄화물에 기초한 새로운 복합 재료, 예를 들어 실리콘 카바이드는 원칙적으로 용융염을 견딜 수 있는 내화학성을 갖지만, 이러한 재료로 복잡한 구조를 구축하는 것은 매우 까다롭고 비용이 많이 든다.

구조재(피복 포함)는 서로 다른 원자로 노심 부품이 접촉하거나 혼합되지 않도록 하는 데 필수적인 역할을 한다. 한 예로, 연료 펠릿 또는 연료 로드가 들어 있는 지르코늄 합금 튜브가 있다. 그러한 물질은 원자로 노심 내부의 적대적인 조건을 견딜 수 있어야 한다. 피복 재료는 부식 저항성, 높은 용융 온도, 고온에서의 화학적 불활성성, 다양한 기계적 응력 시나리오에 대한 저항성, 방사선 손상(단위 DPA - Displacement Per Atom - 를 사용하여 표현됨) 및 다양한 시나리오에서 열 응력을 포함한 여러 가지 재료 특성을 가져야 하는데, 이는 모두 원자로 중성자 효율성을 해치지 않으면서 이루어져야 한다.

내식성이 우수한 금속은, 중성자 효율성 측면에서 성능이 떨어지는 경우가 많다(중성자가 구조재에 흡수되어 중성자 손실 및 구조물 변화가 발생한다). 니켈 기반 하스텔로이 유형의 금속 튜빙은 적절한 건축재로 제안되었으나, 특히 다른 것보다도 입자 간 균열 및 부식과 관련된 문제는 여전히 이슈가 되고 있다.

핵분열성 물질과 감속재/냉각재 단계 모두에 용융 상태를 사용하는 것은 비교적 새로운 기법이고, 이는 WO 2018/229265를 확인하면 알 수 있다. WO 2018/229265는 MSR의 부식 문제를 해결하기 위한 솔루션을 제안하지만, 해당 솔루션은 감속재를 사용하는 MSR에 관한 것이다. 용융염에 의한 부식 관련 문제에 대한 추가적인 해결책에 대한 충족되지 않은 요구가 있다. 본 발명은 이러한 요구를 해결하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 핵분열에 의한 에너지 생산에 적응된 장치에 관련되는데, 장치는 코어 컨테이너 재료로 이루어진 코어 컨테이너를 포함하되, 코어 컨테이너는 내부 튜빙 재료로 이루어진 내부 튜빙을 에워싸고, 내부 튜빙 및/또는 코어 컨테이너는 인입구 및 유출구를 포함하며, 장치는 코어 컨테이너 또는 내부 튜빙에 위치한 용융된 할로겐염을 추가로 포함하고, 내부 튜빙은 단결정 커런덤으로 구성된 하나 이상의 섹션을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 내부 튜빙 재료는 단결정 커런덤을 포함할 수 있으나, 다른 재료들도 포함할 수 있다.

본 발명과 관련하여, '구조물'은 장치에서 핵분열 반응이 일어날 때 용융염과 직접 접촉하게 되는 물질이다. 본 발명의 장치는 또한 "용융염 원자로"(MSR)로도 불릴 수 있다. 용융된 할로겐염은 용융된 연료염일 수 있다. 용융된 할로겐염은 코어 컨테이너 또는 내부 튜빙에 위치하여, 용융 할로겐염이 내부 튜빙 재료와 직접 접촉할 수 있는데, 즉, 용융 할로겐염이 코어 컨테이너에 위치할 때 내부 튜빙 재료의 "외부 표면", 또는 용융 할로겐염이 내부 튜빙에 위치할 때 내부 튜빙의 "내부 표면"에서 접촉할 수 있다. 용융된 할로겐염과 접촉하는, 표면 이외의 내부 튜빙의 다른 표면은 다른 용융염, 예를 들어 냉각재염, 용융된 감속재염 또는 증식성 물질과 직접 접촉할 수 있다. 일 실시예에서, 내부 튜빙은 용융된 연료염을 포함할 수 있으나, 내부 튜빙의 외부 표면에는 용융염이 존재하지 않을 수 있다.

내부 튜빙 재료는, 예를 들어 구조재로서 커런덤을 포함한다. 커런덤은 산화알루미늄(Al₂O₃)의 결정 형태이지만, 본 발명과 관련하여, 커런덤은 극미량의 다른 원소를 포함할 수 있으나, 여전히 커런덤으로 간주될 것이다. 본 발명과 관련하여, 비록 명시적으로 언급되지 않았더라도, 커런덤은 단결정 커런덤으로 이해되어야 할 것이다. 따라서, "커런덤"과 "단결정 커런덤"은 서로 교환되어 사용될 수 있다. 또한, 커런덤은 도핑될 수 있다(예를 들어, 크롬, 철, 바나듐, 베릴륨 또는 티타늄과 같은 전이 금속 또는 이들의 조합으로 도핑될 수 있다). 도핑하지 않은 커런덤은 일반적으로 사파이어로 알려져 있다. 크롬이 첨가된 커런덤은 일반적으로 루비로 알려져 있다. 다른 첨가물 또는 불순물을 포함하는 커런덤은 노란색 사파이어로 알려질 수 있다. 커런덤은 단결정일 수 있다. 크리스탈 루비는 일반적으로 도핑되지 않은 커런덤보다 단단하여, MSR의 구조재로서 유리하다.

커런덤은 튜브 또는 시트 형태, 예를 들어 일본 Kyoto의 Kyocera Corporation에서 제공되는 것("Single Crystal Sapphire", KYOCERA CORPORATION, 2019를 참조할 것) 또는 프랑스 Courbevoie의 Saint-Gobain Ceramic Materials에서 제공되는 것("EFG^TM Sapphire Tubes", Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., 2006-2016을 참조할 것)과 같이 제공될 수 있다.

커런덤은 일반적으로 용융된 알루미늄 산화물로부터 제조되는데, 단결정 크리스탈은, 초기 작은 단결정을 사용하여 더 큰 결정을 끌어내기 위해, 용융물로부터 "당겨질" 수 있다. 커런덤은 가능한 모든 방법을 사용하여 생산될 수 있고, 커런덤 재료의 모양은 자유롭게 선택될 수 있다.

본 발명의 장치는 용융된 할로겐염을 포함한다. 용융된 할로겐염은, 예를 들어 핵분열성 액티나이드의 할로겐화염과 같은 연료염일 수 있으나, 장치는 용융된 감속재염을 포함할 수 있고, 나아가 다양한 기능을 가진 추가적인 용융염을 포함할 수 있다. 예를 들어, 장치는, 용융된 냉각재염을 포함할 수 있다. 용융염은 다른 적절한 성분을 가질 수 있으나, 일반적으로 불소 이온 또는 염소 이온과 같은 할로겐 이온을 포함한다. 연료염은 일반적으로 불소나 염화 이온을 포함하지만, 연료염 내의 불소 이온과 염소 이온의 조합도 고려될 수 있다. 브롬화물과 요오드화물과 같은 추가 할로겐화염도 연료염에서 사용될 수 있는데, 일반적으로 핵분열로 인한 분해 생성물로서 발생할 수 있다. 따라서, 장치에 사용되는 연료염은 핵분열성 액티나이드의 불소염을 포함할 수 있다. 또는, 장치에 사용되는 연료염은, 핵분열성 액티나이드의 염화염으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 연료염, 즉 장치에 포함된 연료염의 음이온 성분은 불소(F-)일 수 있는데, 즉 불가피한 불순물을 제외하고는, 불소 이온 외에 다른 음이온은 존재하지 않을 수 있다. 음이온 성분으로 F-를 포함하는 연료염은 일반적으로 MSR에 용융된 감속재염 또는 고체 흑연과 같은 감속재가 포함되었을 때 사용된다. 마찬가지로, 연료염, 즉 장치에 포함된 연료염의 음이온 성분은 염소(Cl-)일 수 있는데, 즉 불가피한 불순물을 제외하고는 염소 이온 외에 다른 음이온은 존재하지 않을 수 있다. 일반적으로 Cl-을 음이온 성분으로 포함한 연료염은 MSR이 감속재를 포함하지 않을 때, 예를 들어 MSR이 고속 MSR일 때 사용된다.

어떠한 적절한 연료염 조성물이라도 본 발명에 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료염은 핵분열 가능한 액티나이드의 불소염 또는 염화염으로 구성될 수 있다. 용융된 연료염은 핵분열성 원소, 예를 들어 핵분열성 액티나이드 또는 핵분열성 원소로 변환될 수 있는 원소, 예를 들어 토륨을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 연료염은 알칼리 금속, 예를 들어 리튬 및 토륨의 불소화 염기 및 핵분열성 원소, 예를 들어 핵분열성 원소와 토륨의 불소염을 포함하는 ⁷LiF를 포함할 수 있고, 선택적으로 기타 성분을 포함할 수 있다. 연료염은 바람직하게는 공융제 성분, 예를 들어, 78몰%의 ⁷LiF 및 LiFAnF_n 조성물의 액티나이드염이 첨가된 22몰% ThF₄ 용액을 포함하되, 여기서 An은 핵분열성 액티나이드이고, n은 3 또는 4이다. 다른 공융 불소염 조성물도 본 발명과 관련될 수 있다. 예를 들어, FLiNaK, 즉 LiF-NaF-KF를 각각 46.5-11.5-42 mol%를 포함하는 것으로 알려진 염을 냉각재염으로 사용할 수 있다.

용융된 할로겐화염은 일반적으로 부식성이 매우 높은 것으로 간주되며, 따라서 용융된 할로겐화염은 부식성을 이용하는 다양한 산업 공정에 사용된다. 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al₂O₃)은 금속 알루미늄 제조 시 시작 재료로 사용되며, Al₂O₃는 용융된 빙정석(Na₃AlF₆)에 용해되고, 금속 알루미늄은 알루미늄 이온을 전기 분해함으로써 얻어진다. 빙정석은, 없을 때, 높은 온도에서 NaF₂ 및 NaAlF₄로 분리되는 것으로 간주되는데, 특히 형성된 불소 이온이 Al₂O₃의 분해를 돕는다고 간주된다. 유사한 관찰 결과는 염화 이온과 같은 다른 할로겐화물과 관련이 있는 것으로 간주된다. 본 발명의 발명자들은, 놀랍게도 불소가 유일한 음이온임에도 불구하고 불소 이온이 함유된 용융된 연료염에서 단결정 커런덤이 안정적이라는 것을 발견했다. 용융된 할로겐화염, 특히 용융된 불소염에서 단일결정 커런덤의 안정성은 MSR에서 단일결정 커런덤의 중성자 투명성이 핵분열 반응에 활용될 수 있도록 한다. 이를 통해 핵분열에 의한 에너지 생산을 위한 보다 콤팩트한 MSR을 얻을 수 있고, 공정의 효율성도 크게 개선될 수 있다. 따라서, 커런덤, 즉 Al₂O₃의 형태는 핵분열에 의한 에너지 생산에 적합한 장치의 구조재로 사용될 수 있다. 구체적으로, 단결정 커런덤 샘플을 600°C에서 용융된 FLiNaK 염에 첨가하고 25시간 동안 용융염에 넣어졌다. 샘플을 제거하고 세척할 때, 0.001 g의 질량 증가가 관찰되었다. 따라서 단결정 커런덤 샘플의 분해는 관찰되지 않았으며, 이는 장기간, 예를 들어 핵분열 반응을 위한 MSR의 작동과 관련된 기간 동안 커런덤이 불소 이온과 함께 용융된 연료염에 노출될 수 있음을 보여준다. 또한, 시료의 측면에 새겨진 일련번호는, 용융된 FLiNaK (도 1 참조)에서 25시간이 지난 후에도 선명하게 확인할 수 있었으며, 부식이나 용해된 물질의 징후는 보이지 않았다. 특히 새겨진 일련번호는, 일련번호가 흐려지는 것으로 보임으로써 분해가 표시될 수 있는 상대적으로 넓은 면적의 복잡한 구조를 나타냈다.

일반적인 니켈 기반 초합금과 비교했을 때의 커런덤의 중성자 투명도 차이로 인해, 커런덤을 구조 재료로 사용하면, 본 발명의 장치에서, 이전 기술, 예를 들어 하스텔로이를 구조재로 채택한 장치에 비해, 훨씬 개선된 경제성이 달성된다. 표 2는 Hastelloy N에 기반한 MSR의 농축 결과(E%) 및 변환비(CR)에 대한 결과를 발명 장치와 비교한 결과를 보여준다. 두 경우 모두 내부 튜빙의 두께가 2mm인 경우에 대한 결과이다.

표 2. ²³⁵U의 농축에 대한 코스트 모델

		Enrichment (E%)	Conversion ratio (CR)	Estimated fuel cost (Mio Euro)
FNaK	Hastelloy N	6.0%	0.46	47.0
	Al₂O₃	3.5%	0.58	28.6
	Δ	-2.5%	0.12	-18.4
FLiBe	Hastelloy N	6%	0.43	34.6
	Al₂O₃	2.4%	0.58	16.9
	Δ	-3.6%	0.15	-17.7

표 2에서 ΔE%는 Hastelloy N에서 Al₂O₃로의 농축 변화이고, ΔCR은 Hastelloy N에서 Al₂O₃로의 변환비 변화이다. CR의 증가는 원자로의 수명 동안 핵분열 가능 물질의 핵분열성 물질로의 전환이 증가한다는 것을 의미한다. 분명히, 추정 연료비는 필요한 농축률과 전환비 둘 다의 함수로서, 세 가지 파라미터 모두 하스텔로이 n에 비해 커런덤을 사용하는 것이 나음을 보여준다. 내부 튜빙 두께의 함수로서의 E%에 대한 데이터와 양 원자로 타입에 대한 CR은 도 2 및 도 3에 각각 묘사된다. 커런덤을 사용하는 것은, 나아가 두께로 인한 명백한 해로운 효과(예를 들어 양 곡선이 모두 플랫한 경우)를 관찰하지 않고도 내부 튜빙 재료를 두껍게 만들 수 있는데, 이는 내부 튜빙 두께를 증가시킬 때 강력한 부정적 영향이 있는 하스텔로이 N을 채택한 이전 기술에 따른 장치와 대조적이다. 내부 튜빙의 두께를 늘리면 MSR의 수명이 늘어나고, 이는 효율성에 직접 반영되는 요소이다. 따라서, 이 커런덤은 효율성 면에서 개선된 MSR을 제공한다.

다른 태양에 따르면, 본 발명은 핵분열에 의한 에너지 생산을 위해 적응된 장치에서 단결정 커런덤을 구조재로서 사용하는 용도와 관련이 있는데, 여기서 용융된 할로겐화염, 예를 들어 불소염이 단결정 커런덤 튜브와 접촉한다. 예를 들어, 용융된 할로겐화염은 핵분열성 액티나이드의 할로겐화염을 포함하는 용융된 연료염일 수 있다. 장치 태양에 설명된 모든 연료염은 용도 태양에 적합하다. 특히 연료염은 유일한 음이온 성분으로 F^- 또는 Cl^-를 포함할 수 있다. 장치 태양에 대해 설명된 모든 장점은 용도 측면과 동등하게 연관된다. 특정 실시예에서, 용융된 연료염은 커런덤 튜브에 포함된다. 다른 실시예에서는, 용융된 연료염이 커런덤 튜브의 외부 표면과 접촉한다.

연료염은 연료 함량 측면에서 설명될 수 있다. 본 발명과 관련하여, "연료 함량"은 핵분열성 액티나이드 분율의 단위 "cmol%"로 표현되는 양이온 몰 분율, 즉, 핵분열성 액티나이드, 예를 들어 ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²⁴¹Pu의 합을 연료염의 모든 액티나이드 합으로 나눈 값이다. 따라서 연료염은 다음과 같은 방정식으로 나타낼 수 있다:

Fuel salt = a NaF + b AnF₄

여기서 Na는 모든 알칼리 금속을 나타내고 An은 하나 이상의 액티나이드를 나타낸다; a=22%, b=78%일 경우 혼합물은 공융제이다. 구체적으로, AnF₄의 An은 토륨과 핵분열성 원소를 포함할 수 있는데, 특히 ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²⁴¹Pu의 핵분열성 원소의 몰 함량이 연료 함량이고 가급적 액티나이드의 2cmol%~10cmol% 범위에 있는 것으로 구성될 수 있고, 즉 지구상의 알칼리 금속도 연료염에 포함될 수 있다. 특정 연료 염 조성물의 예로는 LiF-BeF₂-UF₄ (FLiBe-U)가 있다.

연료염은 토륨을 포함할 수 있고, 예를 들어 ²³³U, ²³⁵U 및 ²³⁹Pu 와 같은 핵분열성 액티나이드의 핵분열 중에 생성된 중성자가 비 핵분열성 ²³²Th를 핵분열성 ²³³U로 변환한다. "연료 함량"이라는 용어를 사용할 때, 이는 일반적으로 핵분열 반응이 시작될 때의 성분을 나타낸다. 커런덤이 제공하는 개선된 내식성으로 인해 장치의 수명이 길어져서 본 발명으로 실현 가능한 토륨 기반 원자로가 제공될 수 있게 되었다. 내식성이 없으면 장치의 생성된 ²³³U에 의한 작동이 가능해지기 전에 융해염이 장치를 분해할 것으로 예상된다.

장치의 연료염은 핵분열성 물질을 포함한다. 본 발명과 관련되어, "핵분열 가능 물질"은 중성자로부터 핵분열을 겪을 수 있는 물질이다. 이와 같이 핵분열성 물질에는 열 에너지 중성자, 즉, 핵분열성 물질에서 핵분열이 가능한 동위원소와 더불어 고속 에너지 중성자에서만 핵분열이 가능한 동위원소가 포함된다. 본 발명과 관련되어, 핵분열성 물질은 중성자 흡수에 의해 핵분열성 물질, 즉 "비옥한 물질"로 변환될 수 있는 동위원소도 포함한다. 따라서 ²³⁵U와 ²³⁹Pu는 핵분열성 물질이고 ²³²Th와 ²³⁸U는 비옥한 물질이며 ²³²Th, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²³⁸U는 핵분열 가능 물질이다.

내부 튜빙은 원하는 어떤 형태라도 가질 수 있다. 일반적으로 내부 튜빙은 단면이 원형으로 제한되지 않으며 다른 단면 형태가 사용될 수 있다. 예를 들어, 단면은 다각형, 직사각형, 타원형 또는 다른 모양일 수 있다. 내부 튜빙의 단면적 치수, 예를 들어 지름은 1mm에서 20mm 사이일 수 있다. 내부 튜빙 재료의 재료 두께는 자유롭게 선택될 수 있지만, 예를 들어 약 2mm와 같이 1mm에서 10mm 사이일 수 있다. 내부 튜빙 재료의 재료 두께가 1mm에서 10mm, 특히 1mm에서 3mm 범위일 때 장치를 소형화할 수 있다.

일반적으로 내부 튜빙은 핵분열 반응이 일어나는 내부 튜빙의 단면에 해당하는 "활성 길이"를 갖는다. 따라서 코어에 포함되지 않는 내부 튜빙의 모든 부분은 일반적으로 활성 길이에서 제외되지 않는다. 내부 튜빙은 커런덤 튜브의 섹션을 포함할 수 있으며, 또는 내부 튜빙은 함께 결합된 커런덤 시트에서 생산된 섹션을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 내부 튜빙은 커런덤을 포함하는 섹션을 포함한다. 본 발명과 관련되어, "섹션"은 내부 튜빙 재료의 길이로서, 특히 커런덤을 포함하는 내부 튜빙의 섹션은 커런덤의 단일 조각인데, 특히 단일 조각은 커런덤의 튜브일 수 있다. 내부 튜빙에 섹션, 특히 단일 튜브가 있는 경우, 커런덤 이외의 구조재의 표면적을 최소화할 수 있다. 일 실시예에서 커런덤의 단일 튜브는 가능한 가장 긴 길이, 최대 3미터, 예를 들어 2미터의, 예를 들어 활성 길이를 가질 수 있고, 단일 튜브의 직경은 예를 들어 1mm에서 20mm 사이일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 커런덤의 단일 튜브는 길이, 특히 최대 1m의 활성 길이를 가지며, 단일 튜브의 직경은 예를 들어 1mm에서 20mm의 범위에 있을 수 있다. 단일 튜브의 재료 두께는 1mm에서 10mm 사이일 수 있다.

단일 튜브와 같은 각 섹션은 원하는 모든 접근방식을 사용하여 함께 결합될 수 있다. 접합된 튜브는 동일한 소재일 수 있고, 또는 다른 소재의 튜브가 결합될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 커런덤 튜브가 서로 결합되거나 커런덤 튜브가 다른 물질의 튜브, 예를 들어 하스텔로이와 결합될 수 있다. 예를 들어, 개별 튜브는, 예를 들어, 소위 "맞댐이음"을 형성하기 위해 끝에 함께 결합될 수 있고, 또는 예를 들어 "겹이음"을 형성하기 위해, "외부 튜브"와 같이 외경이 두 번째 튜브의 내경보다 작은 첫 번째 튜브, 예를 들어 "내부 튜빙"를 두 번째 튜브에 삽입할 수 있다. 일 실시예에서, 맞댐이음과 겹이음이 결합된다. 작은 외경을 가지는, 예를 들어 커런덤의 짧은 섹션, 즉 내부 튜빙은, 내부 튜빙의 외경보다 큰 내경을 가지는 서로 다른 두 튜브, 즉 외부 튜브, 예를 들어 커런덤 튜브의 끝단에 삽입될 수 있다. 겹이음에서, 내부 튜빙의 외경은 외부 튜브의 내경과 실질적으로 동일하여, 양 튜브를 이어줌으로써 완전히 꽉, 예를 들어 액체가 새지 않도록 꽉 조여질 수 있다.

일 실시예에서는, 양 튜브가 겹이음되거나 또는 맞댐이음되며, 양 튜브 사이의 유체가 단단히 연결되도록 금속이 접합부에 위치한다. 접합부의 금속은, 겹이음 또는 맞댐이음에 관계없이 페룰 또는 피팅의 형태를 취할 수 있다. 페룰 또는 피팅은 예를 들어 연성을 가지고 바람직하게는 내식성을 가지는 금속으로 구성될 수 있다. 페룰 또는 피팅을 위한 관련 금속은 니켈, 니켈 합금, 예를 들어 Hastelloy 및 금이다. 예를 들어, 페룰 또는 피팅은 니켈, 니켈 합금 및/또는 금으로 만들어지거나 이러한 금속 중 어느 하나라도 페룰 또는 피팅에 포함될 수 있다. 페룰 또는 피팅의 첫 번째 끝은 내부 튜빙의 외경보다 큰 내경을 갖고, 두 번째 끝은 외부 튜브의 내경보다 작은 외경을 갖는다. 페룰 또는 피팅의 첫 번째 끝과 두 번째 끝은 같을 수 있는데, 이 경우 예를 들어 페룰 또는 피팅이 원통형일 수 있거나, 또는 페룰 또는 피팅의 첫 번째 끝과 두 번째 끝이 다를 수 있는데, 이 경우 예를 들어 페룰 또는 피팅이 원뿔형일 수 있다. 접합부의 금속은 두 튜브를 접합하기 전에 용융 상태로 도포되거나 도포 후 용융될 수도 있다. 용융된 금속을 사용하여 두 개의 튜브를 접합하는 것을 "브레이징"이라고도 한다. 브레이징에 적합한 금속은 Pt-Cu-Ti, Pd-Ni-Ti 및 Co-Ti를 포함한다.

본 발명의 장치의 내부 튜빙은 니켈 기반 초합금, 예를 들어 Hastelloy N 또는 니켈 등으로 구성된 목록에서 선택된 금속으로 구성된 금속 섹션을 포함할 수도 있다. 금속 섹션은 위에서 설명한 바와 같이 겹이음 또는 맞댐이음을 사용하여 서로 결합하거나 커런덤 섹션과 결합될 수 있고, 접합부에는 금속 페룰 또는 피팅이 사용되거나, 튜브가 브레이징으로 결합될 수 있다. 금속 섹션을 사용하면 내부 튜빙의 레이아웃이 보다 유연해진다. 예를 들어, 내부 튜빙은 코너, 턴, 환원기 또는 금속 섹션의 다른 유사한 것들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서 내부 튜빙의 직선 섹션, 특히 코어 컨테이너에 위치한 내부 튜빙은 커런덤 튜브를 포함하며 내부 튜빙의 코너 및/또는 턴은 금속 섹션을 포함한다. 예를 들어, 커런덤 튜브, 즉 상기 섹션 또는 단결정 커런덤으로 구성된 내부 튜빙의 섹션은 내부 튜빙의 전체 길이의 70%~90%를 구성할 수 있다. 특정 실시예에서, 커런덤 튜브는 내부 튜빙의 활성 길이의 100%를 구성한다. 따라서, 고속 원자로와 열/열외 원자로의 설계와 운전을 최적으로 하기 위해 커런덤의 중성자 투명도가 사용된다.

내부 튜빙은 내부 표면과 외부 표면이 있다. 내부 튜빙의 표면 중 하나 또는 양쪽 표면은 니켈 또는 니켈 합금, 예를 들어 하스텔로이로 코팅될 수 있다. 니켈 합금 또는 니켈로 코팅하면 용융염에 의한 부식에 대한 추가적인 보호 수준을 얻을 수 있다. 니켈 또는 니켈 합금은, 내부 튜빙에 연료염이 포함되어 있고 용융된 감속재염, 예를 들어 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 중수소산화물 또는 이들의 조합으로 구성된 용융된 감속재염이 코어 컨테이너에 포함되어 있을 때, 특히 내부 튜빙의 외부 표면과 관련이 있다. 코팅의 두께는 1μm에서 100μm 사이일 수 있다. 1μm의 코팅 두께는 코팅이 부식으로부터의 보호를 제공하기에 충분한 것으로 간주된다. 그러나 100μm 이상의 두께는 중성자 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 두께가 100μm 이상이어서는 안 된다.

본 발명의 장치는 코어 컨테이너를 포함하는데, 코어 컨테이너의 부피, 크기, 모양 등은 자유롭게 선택될 수 있다. 일반적으로 코어 컨테이너는 소정 내부 부피를 가지는데, 이는 코어 컨테이너의 총 부피에서 내부 튜빙의 부피를 뺀 값에 해당한다. 코어 컨테이너는 일반적으로 뚜껑 또는 덮개를 포함하지만 위쪽으로 열려 있을 수 있다. 일반적으로 코어 컨테이너의 총 부피는 내부 튜빙을 포함하기에 충분하다. 그러나 내부 튜빙은 코어 컨테이너 내에 완전히 포함될 필요는 없으며 내부 튜빙의 섹션이 코어 컨테이너 외부로 확장될 수 있다. 일 실시예에서 내부 튜빙은 코어 컨테이너 전체 부피의 10%~90% 범위의 부피를 가진다. 내부 튜빙의 부피가 코어 컨테이너 전체 부피의 10%~90% 범위일 때 내부 튜빙은 전체 코어 부피 내에 완전히 포함될 수 있다.

코어 컨테이너는 내부 튜빙을 향하는 내부 표면을 포함한다. 따라서 코어 컨테이너가 연료염, 감속재염, 냉각재염 등과 같은 용융염을 포함할 때, 용융염은 코어 컨테이너의 내부 표면 및 내부 튜빙의 외부 표면과 접촉하게 된다. 코어 컨테이너는 코어 컨테이너 재료로 제작된다. 코어 컨테이너 재료에 적합한 어떠한 재료라도 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 코어 컨테이너 재료는 니켈 기반 합금, 예를 들어 하스텔로이이다. 본 발명과 관련하여, 니켈 기반 합금은 니켈이 50% 이상 함유된 합금이다. 또 다른 실시예에서, 코어 컨테이너 재료는 스테인리스강 또는 다른 금속 또는 합금으로 되어 있으며, 내부 표면은 니켈 또는 니켈 합금, 예를 들어 하스텔로이로 코팅되어 있다. 예를 들어, 내부 표면은 1μm ~ 100μm의 범위의 두께의 코팅을 가질 수 있다. 추가 실시예에서, 코어 컨테이너, 예를 들어 그 코어 컨테이너 재료가 니켈 또는 니켈 합금인 코어 컨테이너의 내부 표면은, 예를 들어 시트의 형태로, 커런덤으로 덮인다.

본 발명의 장치는, (i) 고속, 즉, 비감속, (ii) 열 또는 열외, 즉, 감속 MSR일 수 있다. 본 발명의 장치가 감속재를 포함하는 경우, 어떠한 감속재라도 사용될 수 있다. 일 실시예에서 내부 튜빙은 인입구와 유출구를 포함하고, 연료염을 포함하며, 감속재는 고체, 예를 들어 흑연이거나 감속재는 액체, 예를 들어 용융 감속재염일 수 있다.

다른 실시예에서 감속재는 용융 감속재염이며, 용융 감속재염 또는 연료염이 순환될 수 있다. 예를 들어, 용융 감속재염은 인입구 및 유출구가 있는 코어 컨테이너 안에 있을 수 있으며, 인입구 및 유출구는 열교환기가 있는 폐쇄 루프의 일부로서, 용융된 감속재염이 순환됨으로써, 임계 상태를 유지하기 위해, 열교환기에서 열을 전달하고 터빈을 구동하는 동시에 내부 튜빙에서 용융된 연료염을 냉각할 수 있다. 또는 내부 튜빙에는 인입구 및 유출구가 있으며, 인입구 및 유출구는 열교환기가 있는 폐쇄 루프의 일부이고, 용융된 감속재염은 열교환기에서 순환되기 위한 내부 튜빙에 있으며 코어 컨테이너 내 용융된 연료염의 임계 상태를 유지한다. 본 발명의 장치는 특정 설정에 적합한 어떠한 수의 열교환기라도 함께 사용될 수 있다.

추가적인 실시예에서는 내부 튜빙과 코어 컨테이너 모두 인입구와 유출구가 있으며, 둘 중 하나 또는 둘 다 열교환기로 폐쇄 루프를 형성할 수 있는데, 예를 들어 시스템은 두 개의 열교환기를 포함한다. 특정 실시예에서, 내부 튜빙과 코어 컨테이너에는 인입구 및 유출구가 있다. 연료염은 내부 튜빙에 포함될 수 있으며, 코어 컨테이너에는 적어도 핵분열 가능 물질, 예를 들어 ²³²Th, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu 및 ²³⁸U를 포함하는 염이 포함되어, 임계 연료염에서 생성된 중성자 방사선이 핵분열 가능 물질을 핵분열성 물질로 변환한다.

용융된 감속재염을 사용하는 본 발명의 모든 실시예는 WO 2018/229265에 개시된 모든 용융된 감속재염을 사용할 수 있다. 예를 들어, 감속재염은 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 금속 중수소산화물 또는 이들의 조합과 Sr, Ca, Li, Rb, K, Ba, Li₂C₂, Na, Mg, Th, U, Be, Al 또는 Zr 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 산화환원물을 포함할 수 있다. 금속 수산화물 또는 금속 중수소산화물은 무수이거나 최대 10%(w/w)의 물, 예를 들어 5%(w/w)의 물을 포함할 수 있다. 예를 들어 최대 5%(w/w)까지 물을 추가하면 산화환원물을 첨가하여 얻은 효과가 강화되며, 더구나 염에 물이 있으면 감속 효과가 더욱 증가할 수 있다.

염에의 물의 존재는 용융염의 "옥소산성"에 기여할 것이다. 수산화물을 함유한 용융염에서, 수산화이온은 양성자를 수용하여 H₂O 가 될 수 있을 뿐만 아니라, 양성자를 기증하여 초산화이온 O^2-가 될 수 있는 양전자 종이다. 용융염에 존재하는 물은 다음 방정식에 의해 반응한다.

옥소산도는 pH₂O = -log₁₀[H₂O] 으로 정의되며, 옥소염기도는 pO^2- = -log₁₀[O^2-]로 정의되는데, 이는 수소이온농도지수의 잘 알려진 정의 pH = -log₁₀[H⁺]와 매우 유사하다.

옥소산성은 B.L. Tremillon의 Chemistry in Non-Aqueous Solvents, Springer Netherlands, Dordrecht, 1974. doi:10.1007/978-94-010-2123-4 및 Acid-Base Effects in Molten Electrolytes, in: Molten Salt Chemistry, 1987: pp. 279-303에서 묘사된 대로(이는 레퍼런스로서 첨부되어 있다), 용융염에서의 특정 종의 안전성을 예측하는 데에 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 알루미나는 산성 및 중성 용해에서 약간 용해되며, 염기 용해에서 매우 잘 용해된다. 산성 용해에서는 AlO⁺로 용해되고, 염기 용해에서는 AlO₂ ^-로 용해된다. 그러나 Tremillon은 산화종과 염기가 결합하면 시스템이 안정되고, 이는 쉽게 산화되는 종이 기본 매질에서 더 안정되는 이유를 설명할 수 있다고 지적한다. 반대로, 산화종은 염기가 산성종과 쉽게 결합되는 산성계통에서 일반적으로 훨씬 덜 안정적이며, 그 결과 감소된 종이 선호된다. 단, Al₂O₃의 경우, Al₂O₃가 옥소산성/옥소염기성 조건에서 AlO⁺ 또는 AlO₂ ^-의 용액과 안정된 평형을 이룰 수 있는 다양한 범위의 옥소산도가 존재한다. 예를 들어, pH₂O의 함수로 이온 AlO⁺와 AlO₂ ^-의 양을 나타내는 다이어그램에서, Al₂O₃에 대한 평형 곡선은, pH₂O = 2.6에서 평형 농도 [AlO⁺] = [AlO₂ ^-] = 10^-6.7　M, 즉 0.2*10^-6　M 를 보일 것이다. 따라서 이는, AlO⁺ 및 AlO₂ ^-알루미늄 종의 최소 농도가 Al₂O₃와 평형 상태에 있음을 나타낸다. 일반적으로 10^-6　M 이하의 용질 농도는 부식에 대하여 안정적인 것으로 간주되며, 따라서 Al₂O₃가 구조재로 사용되기에 충분히 안정된 수산화용액의 수분농도 범위가 존재한다. 특정 실시예에서, 본 발명의 장치는 금속 수산화물 및/또는 금속 중수소산화물을 포함하는 용융된 감속재염과 함께 사용되는데, 예를 들어, 금속은 나트륨 또는 칼륨 또는 나트륨과 칼륨의 조합일 수 있으며, 물은 2.2~3.0 범위의 pH₂O를 제공하기 위한 농도의 물일 수 있다. 물이 이 범위에 포함될 경우 위에서 정의한 산화환원물로 용융된 감속재염을 보충할 필요가 없다. 일 실시예에서 장치는 산화환원물, 특히 Sr, Ca, Li, Rb, K, Ba, Li₂C₂, Na, Mg, Th, U, Be, Al 또는 Zr 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된 산화환원물과 함께 사용된다.

특정 실시예에서는, 서로 다른 유형의 감속재가 함께 사용되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 감속재는 금속 수산화물 및/또는 금속 중수소산화물을 감속재로 포함하는 용융염이다. 이 실시예에서는 흑연을 감속재로 사용하지 않는 것이 권장된다. 또 다른 실시예에서는, 흑연을 감속재로 사용하고, 용융 금속 수산화물/금속 중수소산화물 염은 감속재로 사용되지 않는다.

일 실시예에서 내부 튜빙에는 인입구 및 유출구가 있다. 특히, 내부 튜빙은 코어 컨테이너 내에 맞도록 원하는 길이의 내부 튜빙에 적절한 각도 또는 곡선 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 튜빙은 구불구불한 구조, 예로 단일 인입구 및 단일 유출구를 갖는 구불구불한 구조를 포함할 수 있다. 구불구불한 구조는 평면일 수도 있고 3차원으로 확장될 수도 있다. 또 다른 실시예에서 내부 튜빙의 입구는 인입구에서 나오는 흐름을 다수의 튜브, 예를 들어 2개에서 1000개 이상의 튜브로 나누는 매니폴드를 포함하며, 이는 코어 컨테이너에, 예를 들어 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 일 실시예에서 코어 컨테이너는 코어 컨테이너가 단일 내부 튜빙의 2개에서 1000개 이상의 섹션을 포함하도록 구불구불한 구조를 가지는 단일 내부 튜빙을 포함한다. 코어 컨테이너는 또한 코어 컨테이너에 2개에서 1000개 이상의 두 구불구불 구조의 섹션이 포함되도록 중간 구조의 두 개 이상의 내부 튜빙으로 구성될 수 있다. 마찬가지로 내부 튜빙에는 다수의 튜브, 예를 들어 2개에서 1000개의 튜브에서 단일 출구 튜브로 유입되는 흐름을 모으는 매니폴드가 있는 유출구가 있을 수 있다. 일 실시예에서 내부 튜빙은 단일 인입구 및 단일 유출구를 가지며, 내부 튜빙은 3차원에 확장되는 구불구불한 구조를 형성하여 내부 튜빙의 섹션 사이의 거리가 일정하도록 된다. 따라서 코어 컨테이너는 내부 튜빙의 복수 개의 섹션을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 튜빙의 구조, 예를 들어 내부 튜빙이 매니폴드를 포함하는지 또는 내부 튜빙이 구불구불한 구조를 포함하는지 여부 또는 내부 튜빙이 매니폴드를 포함하면서 동시에 구불구불한 구조를 포함하는지 여부에 관계없이, 튜브 또는 내부 튜빙의 단면 사이의 거리는 0.5cm에서 10cm 사이이다. 예를 들어, 용융된 연료염의 연료가 2cmol%인 경우 거리는 1cm에서 3cm 사이이다. 용융된 연료염의 연료가 4cmol%인 경우 거리는 0.5~6cm가 된다. 따라서 내부 튜빙 사이의 거리는 0.5cm에서 10cm 사이일 수 있다. 일반적으로 용융된 연료염이 내부 튜빙에 포함되어 있을 때 내부 튜빙의 직경은 내부 튜빙 사이의 거리와 상관관계가 있으며, 이는 감속재의 특정 선택에 의해서도 영향을 받는다. 내부 튜빙의 지름과 튜브 사이의 거리는 통상의 기술자가 계산할 수 있다.

컨테이너, 예를 들어, 내부 튜빙과 코어 컨테이너와 같은 컨테이너는 의도된 어떠한 모양이라도 가질 수 있다. 예를 들어, 내부 튜빙이든 코어 컨테이너든 연료염을 위한 컨테이너에는 연료염이 인입구에서 유출구로 흐를 수 있는 인입구와 유출구가 있을 수 있다. 마찬가지로 코어 컨테이너에도 인입구와 유출구가 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서 감속재 재료가 있는 코어 컨테이너는 인입구 및 유출구 역할을 모두 수행하는 개구부가 있다.

본 발명의 실시예에서 내부 튜빙에는 연료염이 들어 있고 내부 튜빙에는 인입구나 유출구가 없다. 이 실시예에서 내부 튜빙은 커런덤으로 제작되는 것이 바람직한데, 예를 들어, 내부 튜빙은 하단에서 닫힌 커런덤 튜브로 구성되고, 연료 염, 예를 들어 72% ⁷LiF, 16% BeF₂, 12% AnF₄ 또는 60% NaCl, 40% AnCl₃로 구성된 연료염이 커런덤 튜브로 도입되되, An은 24%의 U 와 16%의 Pu에 대응하며, 커런덤 튜브는 "연료 핀"을 제공하기 위해 연료염을 저장하고자 위쪽이 닫힌다. 연료염은 "연료 핀"을 제공하기 위해 사용된다. 1~1000의 범위의 어떠한 수의 이러한 연료 핀이 코어 컨테이너에 도입될 수 있으며, 코어 컨테이너에는 용융염의 인입구 및 유출구가 있다. 코어 컨테이너 내 용융염은 감속재염일 수 있는데, 즉, 이 경우, 장치는 열 또는 열외 MSR이고, 용융염이 냉각재염일 경우, 장치는 고속 MSR이다. WO 2018/229265에 개시된 어떠한 용융된 감속재염이라도 사용될 수 있다. 고속 원자로에서는 어떠한 비감속 냉각재염이라도 사용될 수 있다.

일 실시예에서 장치는 고속 원자로이며 인입구 및 유출구가 있는 내부 튜빙에는 용융된 연료염이 들어 있다. 내부 튜빙은 코어 컨테이너 안에 포함되며, 이는 기체, 특히 헬륨, 이산화탄소 또는 헬륨과 이산화탄소의 혼합물인 불활성 기체일 수 있다. 코어 컨테이너에는 예를 들어 가스 순환용인 인입구 및 유출구를 포함할 수 있지만, 본 실시예의 코어 컨테이너에는 인입구 또는 유출구가 없는 것이 바람직하다. 코어 컨테이너는 불활성 기체로 코어 컨테이너를 채우는 데 필요한 개구부를 포함할 것으로 이해될 것이다. 이 실시예에서, 예를 들어 튜브와 같은 커런덤 구조는 고속 원자로 노심의 용융된 연료염이 흐를 수 있는 흐름 가이드의 역할을 한다. 따라서 대량의 연료염이, 예를 들어 정체된 재순환 구역 및 난류에 의한 고주파 전력 변동과 같이 복잡하고 해로운 흐름 패턴으로 이어지는 대체 용융염 고속 원자로 설계의 우려를 없앨 수 있다. 따라서, 본 발명은 용융염 고속 원자로의 구동을 위한 간단하고 안전한 설정을 제공한다.

추가 실시예에서, 장치는 감속형 원자로이고, 인입구 및 유출구가 있는 내부 튜빙에는 용융된 연료염이 들어 있다. 이 실시예에서 코어 컨테이너는 흑연과 같은 고체 감속재를 포함한다. 내부 튜빙이 열교환기와 연결되는데, 즉, 유체로 연결된다. 특히 내부 튜빙과 열교환기는 열을 전달하고 터빈을 구동하는 동시에 용융된 연료염을 냉각시켜 임계 상태를 유지하기 위해 용융된 연료염을 순환시키기 위한 폐쇄 루프를 제공한다. 내부 튜빙의 커런덤은 시스템의 부식을 최소화하고, 고체 감속재와 함께 협착을 사용함으로써 시스템의 수명이 증가한다.

더 나아가, 본 발명은 핵분열 프로세스를 제어하는 방법을 제공하는데, 본 방법은, 본 발명의 장비 양태에 대한 모든 실시예에 따른 장치를 제공하되, 장치의 코어 컨테이너는 인입구 및 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계; 내부 튜빙내로 용융된 연료염을 도입하되, 용융된 연료염은 알칼리 금속의 할로겐화물 및 핵분열성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계; 용융된 냉각재염을 코어 컨테이너 내에 도입하는 단계; 열교환 루프에서 순환하는 냉각재염으로부터 열을 제거하기 위한 열교환 루프를 정의하기 위해 열교환기를 코어 컨테이너의 인입구 및 유출구 간의 유체 연결부에 제공하는 단계; 및 내부 튜빙의 연료염의 온도를 제어하기 위해 열교환 루프의 냉각재염을 순환시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가적인 양태에 따른 핵분열 프로세스를 제어하는 방법에 있어서, 본 방법은, 본 발명의 장비 양태에 대한 모든 실시예에 따른 장치를 제공하되, 장치의 내부 튜빙은 인입구 및 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계; 내부 튜빙내로 용융된 연료염을 도입하되, 용융된 연료염은 알칼리 금속의 할로겐화물 및 핵분열성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계; 열교환 루프에서 순환하는 용융된 연료염으로부터 열을 제거하기 위한 열교환 루프를 정의하기 위해 열교환기를 내부 튜빙의 인입구 및 유출구 간의 유체 연결부에 제공하는 단계; 및 내부 튜빙의 연료염의 온도를 제어하기 위해 열교환 루프의 용융된 연료염을 순환시키는 단계를 포함한다.

각각의 방법 양태 모두에서, 할로겐은, 예를 들어 감속 원자로에서는 불소, 예를 들어 고속 원자로에서는 염소염일 수 있다. 냉각재염은 따라서 감속재를 포함할 수 있다.

특정 실시예에서, 코어 컨테이너는 증식성 물질의 블랭킷을 포함한다. 증식성 물질에는 핵연료로 변환될 수 있는 어떠한 조성물도 존재할 수 있다. 예를 들어, 증식성 물질에는 중성자 조사 시 ²³⁹Pu 또는 ²³²Th 로 변환될 수 있는 ²³⁸U를 포함할 수 있다. 특히 블랭킷은 코어 외부에 위치하거나 코어의 주변부에 위치할 수 있다. 두 경우 모두에서, 블랭킷이 중성자를 포획하여 추가적인 핵분열성 물질을 생성한다. 핵분열성 물질은 이후 임계 코어로 전달된다.

연료염의 핵분열은 열을 발생시키며, 이 장치는 또한 전기 생산을 위해 연료염 용기로부터 예를 들어 터빈 등으로 열을 운반하는 열 교환 시스템을 구성하는 것이 바람직하다. 특히 용융 연료염에서 열을 제거하지 않으면 핵분열 반응이 멈출 정도로 용융 연료염이 팽창하게 된다. 따라서 본 발명의 방법 양태에서는, 내부 튜빙 또는 코어 컨테이너 내 연료염의 온도를 조절하여, 각 연료염의 임계온도 범위 이내로 유지되도록 제어함으로써 핵분열 과정이 제어된다. 어떠한 열교환 시스템이라도 장치에 대해 선택될 수 있다. 일반적으로 용융된 연료염의 온도는 700°C~900°C 범위, 예를 들어 핵 반응이 일어나는 범위이며 냉각재는 500°C~1000°C 또는 그 이상의 온도에서 작동하도록 선택된다. 특정 실시예에서 인입구의 온도는 400°C~800°C 범위이고 유출구 온도는 600°C~1000°C 범위이다. 분명히 인입구 온도가 유출구 온도보다 낮다. 선호되는 실시예에서 연료염을 냉각하기 위해, 연료염은 예를 들어 내부 튜빙에서 열 교환 시스템으로 순환된다. 또 다른 실시예에서는 용융 감속재염이 내부 튜빙에 위치하고 열교환기로 순환되어 감속재염이 용융된 연료염을 냉각시켜 임계 온도 내에서 유지되도록 한다.

또한, 추가적인 실시예에서, 장치는 용융된 냉각재염과 별도의 별도의 냉각재 루프를 포함한다. 또한 용융된 금속, 예를 들어 알칼리 금속이 냉각재로 사용될 수도 있다. 따라서 열 교환 시스템은 용융된 연료염과 열 접촉하는 냉각재 루프를 포함하여, 연료염에서 냉각재염으로 열이 전달될 수 있다. 어떠한 염이라도 냉각재염으로 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 냉각재는, 구성은 다양하지만, 46.5% LiF, 11.5% NaF 및 42% KF (FLiNaK)의 구성을 가지는 염이다. 냉각재 루프에는 저온 냉각재를 위한 인입구와 가열된 냉각재를 위한 유출구가 있다.

핵분열 원자로는 동력밀도(P)로 설명될 수 있는데, 이는 핵분열 및 방사성 붕괴로 인해 단위 부피시간당 노심내 연료염에서 발생하는 (평균)열량을 말한다. 원자로 내 중성자 수가 한 세대에서 다음 세대로 변하면서 안정적일 때(잃어버린 만큼의 새로운 중성자 생성), 핵분열 연쇄 반응은 자생적이며, 원자로의 상태가 "임계"라고 불린다. MSR의 열 생산은 연쇄반응에 의해 추진되고, 원자로 노심에 고체연료가 존재하지 않기 때문에, 전력 밀도에 대한 이론적인 상한은 매우 높으며, 이는 정상 운전 시 바람직한 것보다 훨씬 더 높다. 따라서 전력 밀도는 설계 특성이 아닌 설계 선택으로 간주할 수 있다. 원자로 노심 출력 밀도는 순환 시간, 체류 분율, 연료염의 물리적 특성 및 마지막으로 인입구/유출구 온도 차이에 따라 달라진다. MSR의 연료염 출력 밀도에 대한 성능 지수는 다음과 같다.

여기서 f는 연료 체류 시간 분율, τ _c 는 순환 시간, c _fuel 과 ρ _fuel 은 각각 용융된 연료염의 비열 용량과 밀도, ΔT 는 인입구 온도와 유출구 온도 간의 차이이다.

일반적으로 전력 밀도가 높을수록 더 작은 코어 볼륨을 사용할 수 있게 된다. 단, 주어진 출력과 노심 부피에 대해, 원자로의 수명을 줄일 수 있는 붕괴 산물에 의한 잔류 열 생성과 노심에 대한 방사선 손상을 줄이기 위해 전력 밀도를 최대한 작게 유지해야 한다. 따라서 특정 연료 출력 밀도에 세팅하는 것은 노심 부피를 최소화하는 것과, 원자로 제어 및 수명 최대화 사이의 트레이드오프이다.

추가적인 실시예에서 원자로 노심은 냉각재 및/또는, 있는 경우, 감속재 물질과 다를 수 있는 반사체를 포함한다. 바람직한 반사 물질은 흑연이나 베릴륨이다. 따라서 장치는 감속재를 쉽게 정지시킬 수 있도록 제공되며, 단순한 원자로 구조로도 용융된 감속재염의 부식효과가 쉽게 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 용융염 원자로이다. 본 발명에 따른 용융염 원자로는 버너 유형의 용융염 원자로 또는 웨이스트 버너 유형의 용융염 원자로일 수 있다. 본 발명에 따른 용융염 원자로는 breeder 유형, breed-and-burn 유형 또는 MSR 유형일 수 있다. 일 실시예에서, 용융염 원자로는 운송 수단 추진을 위한 에너지를 공급하기 위한 것일 수 있는데, 예를 들어, 용융염 원자로는 선박에 실릴 수 있다. 또 다른 실시예에서는 용융염 원자로는 고정된 설비의 일부이다.

두 가지 방법 태양의 구현은 일반적으로 본 발명의 장치의 어느 실시예에서라도 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 용도 측면의 실시예도 본 발명의 장치의 모든 실시예에서 수행될 수 있다. 그러나, 용도 측면은 본 발명의 장치에 국한되지 않으며, 용도는 의도된 어떤 적합한 원자로에서라도 수행될 수 있다.

본 발명은 청구항에서 언급되는 모든 가능한 특징들의 조합과 관련이 있다는 점이 주목되어야 한다. 특히, 발명의 특정 측면의 맥락에서 언급된 어떠한 특징이라도, 명시적으로 언급된 측면과 동일한 장점을 제공하는 발명의 다른 측면과 동등하게 관련이 있다.

다음에서, 본 발명에 대해, 예시 및 도면을 참조하여 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 용융된 불소염에 노출된 커런덤 샘플의 일련번호에 대한 광마이크로그래프를 도시한다;
도 2는 본 발명의 장치와 종래 기술의 MSR에서, 내부 튜빙 두께 대비 농축도를 도시한다;
도 3은 본 발명의 장치와 종래 기술의 MSR에서 내부 튜빙 두께 대비 변환 비율을 도시한다;
도 4는 본 발명의 장치의 측면도를 도시한다;
도 5는 열교환기에 연결된 본 발명의 장치를 도시한다;
도 6은 본 발명의 장치의 탑뷰를 도시한다;
도 7은 본 발명의 장치의 세부 사항에 대한 탑뷰를 도시한다;
도 8은 종래 기술의 용융염 원자로의 세부 사항에 대한 탑뷰를 도시한다.
도면에서 볼 수 있듯이, 레이어와 영역의 크기는 설명을 목적으로 과장되어 있고, 따라서, 본 발명품의 일반적인 실시예의 구조를 설명하기 위해 제공된다. 전체적으로 유사한 참조 숫자는 유사한 요소를 나타낸다.

본 발명은 현재 바람직한 발명의 실시예가 표시된 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더 자세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 여기에 명시된 실시예에만 국한되어 해석되어서는 안 된다; 오히려 이러한 실시예는 철저함과 완전성을 제공하고, 통상의 기술자에게 발명의 범위를 완전히 전달한다.

연료염 조성물

일반적으로 연료염(이하, FS)은 비액티나이드 캐리어 부분(열역학 특성에 따라 선택됨)과 원자로 임계성을 보장하기 위한 액티나이드 성분을 포함한다. 액티나이드 성분 An_i는 추가로 연료 성분과 첨가된 풍부한 성분으로 분할될 수 있다. 연료염 벡터 F_i는 초기 플루토늄 성분(일반적으로 사용후 핵연료(SNF) 즉, 핵폐기물)과 함께 추가 성분(일부는 화학적 재처리 후 추가)을 포함하는 사전 정의된 연료 벡터에 의해 설명된다. 추가된 (풍부한) 부분은 원자로 연소 프로세스에서 선택된 벡터 A_i에 의해 정의되며 일반적으로 추가된 토륨과 우라늄을 포함한다. 액티나이드 구성은 다양한 연료 벡터에 의해 정의되며 다음과 같은 요소 값들로 파악된다.

- F_Pu, 연료 플루토늄(케이션 몰) 분율

- A_Th, 첨가된 풍부한 벡터의 연료 토륨(케이션 몰) 분율.

- F_A, 첨가된(풍부한)(케이션 몰) 분율.

여기서 첫 두 개의 분율은 각각 연료 벡터의 케이션 몰 분율과 추가된 풍부 벡터를 나타낸다. 연료염은 다양한 연료 벡터, 캐리어 염 벡터 CS_i에 의해 정의되며 연료염의 요소 값은 다음과 같다.

- FS_Pu, 연료염 플루토늄(케이션 몰) 분율

- FS_Th, 연료염 토륨(케이션 몰) 분율

- FS_CS, 캐리어 염(케이션 몰) 분율.

여기서 "분율"은 결합된 연료염의 케이션 몰 분율을 가리킨다. 이러한 정의를 사용하여 연료염 벡터는 (FS)_i = FS_CS CS_i + (1 - FS_CS) An_i.로 작성될 수 있다. 액티나이드 벡터는 An_i = (1 - F_A) F_i + F_A·A_i에 따라 분할된다. 여기서 F_i의 F_Pu는 플루토늄 동위원소를 포함하고, A_i의 A_Th는 토륨을 포함한다. 염 파라미터 간에는 다음과 같은 관계가 존재한다.

FS_Pu = (1 -　FS_CS)(1 - F_A)F_Pu ; FS_Th = (1 - FS_CS)F_A·A_Th

예시적인 연료염은 다음과 같은 연료 염 벡터를 포함한다: CS_i = NaF; A_i = ThF₄. 본 연료는 표 3에 요약된다.

표 3. 바람직한 연료염 구성

Fraction	cmol%	Motivation
FS_CS	78	공융점
F_Pu	80	화학적 재처리
f²³⁸U	97.5	화학적 재처리
A_Th	100	폐기물 소각
F_A	90	최적화 연구
f²³⁸Pu	0.5	산업 폐기물 표준
f²³⁹Pu	69	산업 폐기물 표준
f²⁴⁰Pu	25	산업 폐기물 표준
f²⁴¹Pu	2	산업 폐기물 표준
f²⁴²Pu	1	산업 폐기물 표준
f²⁴¹Am	2.5	산업 폐기물 표준
S_Pu	2	-
S_Th	20	-

본 발명의 바람직한 장치

본 발명의 바람직한 장치(100)는 도 4에 도시되는데, 측면 시점에서 묘사된다. 특히, 도 4는 장치(100)을 도시하며, 장치(100)은 코어 컨테이너(20)를 포함하며, 코어 컨테이너(20)는 용융된 연료염(1)을 포함하는 내부 튜빙(10)을 둘러싼다. 코어 컨테이너(20)은 총 부피를 가지고, 코어 컨테이너의 총 부피에서 내부 튜빙(10)을 뺀 부피는 내부 부피(2)를 나타낸다. 내부 부피(2)는 용융된 감속재염, 용융된 냉각재염, 흑연 감속재 또는 불활성 기체를 포함할 수 있다. 내부 튜빙은 하나 이상의, 예를 들어 도 4에서 나타난 것과 같이 두 개의 인입구(6)를ㄴ 가지고, 이는 결국 내부 튜빙(10)과 유체 연결되도록 한다. 내부 튜빙(10)은 유출구 매니폴드(62)와 연결되고, 이는 흐름을 모으고, 이 경우 용융된 연료염(1)을 단일 유출구(7)로 모은다. 흐름 방향은 ">" 기호로 표시된다. 도 5의 "블랙박스" 모델로 도식화된 것처럼, 최종적으로 핵분열 반응에서 발생한 열을 전기로 변환하기 위한 열교환기(4)에 장치(100)가 연결될 수 있다. 인입구(6) 및 유출구(7)는 열교환기(4)의 인입구(41) 및 유출구(42)와 유체 연결되어 열 교환 루프(40)을 제공한다. 열교환기(4)의 세부 사항은 도 5에 표시되어 있지 않다. 코어 컨테이너 재료는 니켈 기반 합금, 특히 하스텔로이 합금이다. 내부 튜빙(10)은 커런덤 튜브 섹션과 니켈 기반 합금으로 만들어진 튜브 섹션을 포함한다. 내부 튜빙(10)의 직선 섹션은 커런덤 튜브일 수 있으며, 도시된 실시예에서, 각도가 있는 섹션은 하스텔로이로 제작한 튜브로 만들어질 수 있다. 서로 다른 섹션의 튜브들은 겹이음된다.

장치(100)는 종래 기술에서 일반적으로 사용되는 염 플러그 시스템 외에 오버플로 시스템으로 구성된 추가 안전 기능(8)을 포함할 수 있다. 이 안전시스템은 멜트다운을 방지하고, 작업자의 과오에 의한 사고를 방해하며, 범위를 벗어난 운전조건이 발생할 경우 자동으로 정지하며, 운전전원 상실시 노심 아래의 수동냉각 및 미임계 덤프탱크로 연료재고를 플러싱할 수 있다.

원자로 크기는 두 가지 조건, 즉 순환 시간과 연료와 감속재에 대한 부온도 피드백에 따라 결정된다. 실제로 운전 동력 밀도는 원자로 노심의 물리적 피드백 메커니즘을 통해 조절될 수 있다. 특히 연료염과 감속재 모두의 부온도 피드백은 외부 에너지 유입량을 조절하여 전력 밀도를 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 노심 순환은 지연 중성자를 연쇄 반응으로부터 멀리 운반할 수 있기 때문에 최적의 원자로 제어 및 안전상의 이유로 원자로 노심을 통과하는 질량 유량을 일정하게 유지해야 한다. 내부 코어 흐름을 변경하는 것보다 외부 열교환기(4)를 통해 질량 흐름을 변화시켜 전력 생산을 제어하는 것이 더 바람직하다. 최대 원자로 제어를 달성하기 위해서는 무순환에 비해 원자로 반응도의 변화가 실질적으로 작을 수 있도록 장치(100)을 통한 질량유속을 선택해야 한다. 이러한 방식을 통하면, 펌프고장 시나리오에서 원자로 노심 내 붕괴 전구체의 농도는 정상운전보다 최소한으로 클 뿐이다.

도 6은 도 4에 표시된 장치(100)의 한 섹션의 탑뷰를 도시한다. 따라서 내부 튜빙(10)은 코어용기 내 육각형 패턴으로 분포되어 있으며, 원통형의 단면에 외부 피복(5)가 있다. 외부 피복을 블랭킷 또는 차폐라고도 할 수 있다. 장치(100)의 단면에 육각형 무늬가 겹치지만, 이 무늬는 특정 재료를 나타내려는 것이 아니다.

도 7과 도 8은 본 발명의 바람직한 장치의 내부 튜빙(10)의 패킹(도 7에서 도시)과 흑연(3)이 감속재로 사용되는 MSR(도 8에서 도시)을 도시하고 비교한다. 겹쳐진 육각형 패턴은 어떻게 금속 수산화물/중수소화물 감속재가 흑연 감속 MSR에서 사용 가능한 것보다 훨씬 더 밀도가 높은 내부 튜빙(10)의 패킹을 가능하게 하여 훨씬 더 작은 폼 팩터 F를 제공하는 방법을 보여준다.

예시

예시 1

적절한 용융염에서 커런덤의 안정성을 테스트하기 위해, 커런덤 샘플을 600°C에서 용융된 FLiNaK 염(4.4g LiF, 1.8g NaF, 8.9g KF)에 넣고 25시간 동안 용융된 FLiNaK 염에 넣어졌다. 용융염에 노출되기 전에 샘플의 건조 질량이 기록되었다. 샘플은 용융염에서 꺼낸 후 물로 씻어 오븐에서 건조시킨 후 일정한 중량을 얻을 때까지 주변 온도로 냉각되었다. 처리 전후의 검체 질량을 비교한 결과 0.001g(0.082%w/w 또는 0.3mg/cm3)의 질량 증가가 관찰되었다. 따라서, 커런덤 샘플의 분해는 관찰되지 않았다.

커런덤 샘플(직경 12.1mm, 두께 3mm의 원통형 슬래브 형태)은 그 측면에 일련 번호가 새겨져 있었고, 용융된 FLiNaK에서 25시간 넣어진 후에도 도 1과 같이 일련 번호가 여전히 선명하게 보였다.

예시 2

본 발명의 장치에 대한 모델 계산이 이루어졌고, 하스텔로이 N에 기반한 한 종래 기술의 장치와 비교되었다. 결과는 도 2와 도 3에 도시된다. 구체적으로 농축도와 변환도는 임계점에서, 50.5% NaF 21.5% KF 28.0% UF₄의 연료염에 대한 내부 튜빙 두께의 함수로 계산되었으며, 여기서 구조재는 Hastelloy N(종래 기술, 왼쪽 패널)과 커런덤(본 발명, 오른쪽 패널)이다. 계산 결과, 본 발명의 장치에 대한 농축도과 변환도가 모두 개선되었으며, 더 나아가 본 발명의 장치에서는 내부 튜빙 두께를 증가시킴에 따른 효과가 매우 제한되어 있어, 내부 튜빙의 두께를 증가시킴에 따른 부정적 효과가 확연히 나타나는 종래 기술의 장치와는 대조적이다.

Claims

핵분열에 의한 에너지 생산에 적응된 장치(100)에 있어서
상기 장치(100)는 코어 컨테이너 재료로 이루어진 코어 컨테이너(20)를 포함하되, 상기 코어 컨테이너(20)는 내부 튜빙 재료로 이루어진 내부 튜빙(10)을 에워싸고, 상기 내부 튜빙(10) 및/또는 상기 코어 컨테이너(20)는 인입구(6) 및 유출구(7)를 포함하며,
상기 장치(100)는 상기 코어 컨테이너(20) 또는 상기 내부 튜빙(10)에 위치한 용융된 할로겐염을 추가로 포함하고,
상기 내부 튜빙이 단결정 커런덤으로 구성된 하나 이상의 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항에 있어서,
추가로 감속재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제2항에 있어서,
상기 용융된 할로겐염은 연료염(1)이고, 상기 할로겐은 불소인 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 튜빙 재료의 재료 두께는 1mm 내지 10mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단결정 커런덤으로 구성된 상기 내부 튜빙(10)의 상기 하나 이상의 섹션들은, 상기 내부 튜빙의 총 길이의 70퍼센트 내지 100퍼센트를 차지하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 튜빙(10)의 상기 부피는 상기 코어 컨테이너(20)의 총 부피의 10퍼센트 내지 90퍼센트의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어 컨테이너(20)는, 0.5cm 내지 10cm의 범위의 거리에 위치한 상기 내부 튜빙(10)의 복수의 섹션들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단결정 커런덤은 전이 금속으로 도핑된 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 튜빙은 니켈 기반 초합금, 하스텔로이 N 및 니켈로 구성된 리스트에서 선택된 금속으로 구성된 금속 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단결정 커런덤으로 구성된 둘 이상의 섹션이, 맞댐이음(butt joint) 또는 겹이음(lap joint) 메커니즘을 통해 연결되거나, 상기 단결정 커런덤으로 구성된 섹션 및 상기 금속 섹션이 상기 맞댐이음 또는 상기 겹이음 메커니즘을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 튜빙(10)은 니켈 또는 하스텔로이로 코팅된 것을 특징으로 하는 장치(100).
제11항에 있어서,
상기 코팅은 1마이크로미터 내지 100마이크로미터의 범위 내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감속재는 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 중수소산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융된 감속재염(2)이고, 상기 용융된 감속재염(2)은 상기 코어 컨테이너(20)에 위치하고, 상기 용융된 연료염(1)은 내부 튜빙(10)에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제13항에 있어서,
상기 내부 튜빙은 상기 단결정 커런덤을 사용하여 제작된 것을 특징으로 하는 장치(100).
제13항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감속재염은
를 제공하기 위한, 2.2 내지 3.0의 범위의 농도를 가지는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 튜빙이 인입구 및 유출구를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 장치(100).
제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감속재는 적어도 하나의 금속 수산화물, 적어도 하나의 중수소산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 용융된 감속재염(2)이되, 상기 용융된 감속재염(2)은 내부 튜빙(10)에 위치하고, 상기 용융된 연료염(1)은 상기 코어 컨테이너(20)에 위치한 것을 특징으로 하는 장치(100).
제17항에 있어서,
상기 감속재염(2)은
를 제공하기 위한, 2.2 내지 3.0의 범위의 농도를 가지는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(100).
핵분열 프로세스를 제어하는 방법에 있어서,
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 장치(100)를 제공하되, 상기 장치(100)의 상기 코어 컨테이너(20)는 상기 인입구(6) 및 상기 유출구(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계;
상기 내부 튜빙(10)내로 용융된 연료염(1)을 도입하되, 상기 용융된 연료염(1)은 알칼리 금속의 할로겐화물 및 핵분열성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계;
용융된 냉각재염을 상기 코어 컨테이너(20) 내에 도입하는 단계;
열교환 루프(40)에서 순환하는 상기 냉각재염으로부터 열을 제거하기 위한 상기 열교환 루프(40)를 정의하기 위해 열교환기(4)를 상기 코어 컨테이너(20)의 상기 인입구(6) 및 상기 유출구(7) 간의 유체 연결부에 제공하는 단계; 및
상기 내부 튜빙(10)의 상기 연료염(1)의 상기 온도를 제어하기 위해 상기 열교환 루프(40)의 상기 냉각재염을 순환시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 따른 핵분열 프로세스를 제어하는 방법에 있어서,
상기 코어 컨테이너(20)는 증식성 물질의 블랭킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
핵분열 프로세스를 제어하기 위한 방법에 있어서,
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 장치(100)를 제공하되, 상기 장치(100)의 상기 내부 튜빙(10)은 상기 인입구(6) 및 상기 유출구(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계;
상기 내부 튜빙(10) 내로 용융된 연료염(1)을 도입하되, 상기 용융된 연료염(1)은 알칼리 금속의 할로겐화물 및 핵분열성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계;
열교환 루프(40)에서 순환하는 상기 용융된 연료염(1)으로부터 열을 제거하기 위한 상기 열교환 루프(40)를 정의하기 위해 열교환기(4)를 상기 내부 튜빙(10)의 상기 인입구(6) 및 상기 유출구(7) 간의 유체 연결부에 제공하는 단계; 및
상기 연료염(1)의 상기 온도를 제어하기 위해 상기 열교환 루프(40) 내의 용융된 연료염(1)을 순환시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 핵분열 프로세스를 제어하는 방법에 있어서,
상기 할로겐은 불소인 것을 특징으로 하는 방법.
핵분열에 의한 에너지 생산에 적응된 장치(100)에서의, 단결정 커런덤 튜브의 구조재로서의 용도에 있어서,
용융된 불소화염은 상기 단결정 커런덤 튜브와 접촉된 것을 특징으로 하는 용도.
제23항에 따른 용도에 있어서,
상기 용융된 할로겐염은, 상기 단결정 커런덤 튜브에 포함된 용융된 연료염(1)인 것을 특징으로 하는 용도.
제23항에 따른 용도에 있어서,
상기 용융된 할로겐염은, 상기 단결정 커런덤 튜브의 외부 표면과 접촉한 용융된 연료염(1)인 것을 특징으로 하는 용도.