Передвижение материалов в ядерном реакторе

Передвижение материалов в ядерном реакторе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

[0001] Настоящая заявка касается ядерных реакторов деления, и систем, приложений и устройств, относящихся к ним.

Суть изобретения

[0002] Иллюстративные варианты осуществления

предусматривают работу и моделирование работы реакторов деления, включая движение материалов в реакторах. Иллюстративные варианты осуществления и аспекты включают, кроме прочего, ядерные реакторы деления и модули реактора, включая модульные ядерные реакторы деления и модули реактора, ядерные реакторы деления с дефлаграционной волной и модули реактора, модульные ядерные реакторы деления с дефлаграционной волной и модули, способы эксплуатации ядерных реакторов и модулей, включая вышеупомянутые, способы моделирования эксплуатации ядерных реакторов и модулей, включая вышеупомянутые, и т.п.

[0003] Предшествующее описание сути изобретение является исключительно примерным и не предназначено быть ни в коей мере ограничивающим. Кроме иллюстративных аспектов, вариантов осуществления и признаков, описанных выше, другие аспекты, варианты осуществления и признаки будут понятны при обращении к графическим материалам и следующему подробному описанию.

Краткое описание графических материалов

[0004] Сопутствующие графические материалы, которые включены в данный документ и образуют часть описания, показывают настоящее изобретение на примере и, вместе с описанием, также служат для объяснения принципов изобретения и дают возможность специалисту в данной области техники сконструировать и использовать изобретение.

[0005] Фиг.1А представляет собой схематическое изображение примерного ядерного реактора деления;

[0006] Фиг.1В представляет собой общий вид в схематической форме иллюстративного модульного ядерного реактора деления с дефлаграционной волной;

[0007] Фиг.1С схематически иллюстрирует примерное жидкостное охлаждение;

[0008] Фиг.2А и 2В схематически иллюстрируют примерные тепловыделяющие сборки ядерного деления;

[0009] Фиг.3 схематически иллюстрирует примерное несмежное топливо ядерного деления;

[0010] Фиг.4 схематически иллюстрирует примерный модульный топливный сердечник ядерного деления;

[0011] Фиг.5А и фиг.5В схематически иллюстрируют примерные конструкции, влияющие на нейтроны;

[0012] Фиг.6А и 6В схематически иллюстрируют примерное радиоактивное облучение и движение материала;

[0013] Фиг.7А-7С схематически иллюстрируют примерный контроль температуры ядерной реактивности;

[0014] Фиг.8А-8С схематически иллюстрируют примерные ячейки и группы ячеек;

[0015] Фиг.9 иллюстрирует примерную кривую выхода продуктов деления;

[0016] Фиг.10 схематически иллюстрирует примерную систему управления реактором; и

[0017] Фиг.11-22 представляют собой блок-схемы иллюстративных способов, связанных с моделированием и/или управлением ядерными реакторами.

[0018] Настоящее изобретение теперь будет описано в отношении сопутствующих графических материалов. На графических материалах похожие позиции могут указывать на идентичные или схожие элементы. Кроме того, крайняя слева цифра(ы) позиции может определять изображение, на котором впервые появляется эта позиция.

Подробное описание изобретения

Введение

[0019] В следующем подробном описании производятся отсылки к сопутствующим графическим материалам, которые образуют его часть. В графических материалах, как правило, подобные символы обозначают подобные компоненты, если только контекст не подразумевает иного. Иллюстративные варианты осуществления, описанные в подробном описании, графические материалы и формула изобретения не подразумеваются как ограничивающие. Могут использоваться другие варианты осуществления, и могут производиться другие изменения, не отходя от сути или объема представленного объекта.

[0020] Надо понимать, что для интерпретации формулы изобретения следует использовать раздел «Подробное описание», а не разделы «Суть изобретения» и «Реферат». Разделы «Суть изобретения» и «Реферат» могут излагать один или несколько, а не все иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, как предполагается изобретателем (изобретателями), и, следовательно, никоим образом не предназначены для ограничения настоящего изобретения и прилагаемой формулы.

[0021] Хотя обсуждаются специфические конфигурации и конструкции, следует понимать, что это делается исключительно с иллюстративной целью. Специалист в данной области техники поймет, что, не отходя от сути и объема настоящего изобретения, могут быть использованы другие конфигурации и конструкции. Специалисту в данной области техники будет ясно, что это изобретение также может использоваться во множестве других устройств. Объем изобретения не ограничивается раскрываемыми вариантами осуществления. Изобретение определяется прилагаемой формулой изобретения.

[0022] Отсылки к «одному варианту осуществления», «варианту осуществления», «этому варианту осуществления», «примерному варианту осуществления», и т.п., означают, что описываемый вариант осуществления может включать конкретный признак, конструкцию или характеристику, но каждый вариант осуществления не обязательно должен включать конкретный признак, конструкцию или характеристику. Более того, такие фразы не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления. Также, когда конкретный признак, конструкция или характеристика описываются в связи с каким-то вариантом осуществления, понятно, что осуществление такого признака, конструкции или характеристики возможно на известном уровне техники специалистом в данной области в связи с другими вариантами осуществления, независимо от того, описываются ли они явно или нет.

[0023] В некоторых случаях один или более компонентов могут описываться здесь как «приспособленные для», «приспособляемые для», «применимые/применяемые для», «адаптированные/адаптируемые», «пригодные для», «соответственные/соответствующие для», и т.п. Специалист в данной области техники поймет, что такие термины (например, «приспособленный для») могут в целом охватывать активные компоненты и/или неактивные компоненты и/или компоненты в состоянии ожидания, если только контекст не подразумевает иного.

[0024] Специалист в данной области техники признает, что состояние техники дошло до той точки, где остается мало различия между аппаратными, программными и/или программно-аппаратными реализациями аспектов систем; использованием аппаратного, программного и/или программно-аппаратного обеспечения обычно (но не всегда, ибо в определенных условиях выбор между аппаратным и программным обеспечением может стать существенным) является конструкторским выбором, представляющим компромисс между ценой и эффективностью. Специалист в данной области техники поймет, что существуют различные механизмы, посредством которых процессы и/или системы, и/или другие технологии, описанные здесь, могут быть реализованы (например, аппаратное, программное и/или программно-аппаратное обеспечение) и что предпочтительный механизм будет зависеть от условий, в которых осуществляются процессы и/или системы, и/или другие технологии. Например, если конструктор определяет, что скорость и точность являются главными, конструктор может сделать выбор в пользу преимущественно аппаратного и/или аппаратно-программного механизма; в другом случае, если главенствующей является гибкость, конструктор может сделать выбор в пользу преимущественно программной реализации; или, еще в другом случае, конструктор может сделать выбор в пользу некой комбинации аппаратного, программного и/или программно-аппаратного обеспечения. Следовательно, существует несколько возможных механизмов, посредством которых могут быть осуществлены процессы и/или устройства, и/или другие технологии, описанные здесь, ни один из которых не является по своей сути превосходящим другие, имея в виду, что любой механизм может быть использован как выбор, зависящий от условий, в которых механизм будет реализовываться, и конкретных целей конструктора (например, скорости, гибкости или предсказуемости), каждая из которых может изменяться. Специалист в данной области техники поймет, что видимые аспекты осуществлений будут, как правило, использовать ориентированное на зрительное восприятие аппаратное, программное и/или аппаратно-программное обеспечение.

[0025] Вышеупомянутое подробное описание приводит различные варианты осуществления устройств и/или процессов при помощи блок-схем, структурных схем и/или примеров. Ввиду того что блок-схемы, структурные схемы и/или примеры содержат одну или более функций и/или операций, специалисту в данной области техники будет понятно, что каждая функция и/или операция в таких блок-схемах, структурных схемах или примерах может быть реализована, отдельно и/или совместно, посредством широкого набора аппаратного, программного, программно-аппаратного обеспечения, или фактически любой их комбинацией. В одном варианте осуществления несколько частей описываемого объекта изобретения могут рсализовываться при помощи специализированных интегральных схем (ASIC), программируемых пользователем логических матриц (FPGA), процессоров цифровых сигналов (DSP) или других интегрированных структур. Однако специалист в данной области техники поймет, что некоторые аспекты описываемых здесь вариантов осуществления, частично или полностью, равным образом могут быть реализованы интегральными микросхемами, в виде одной или большего числа компьютерных программ, работающих на одном или большем числе компьютеров (например, в виде одной или более программ, работающих на одной или более компьютерных системах), в виде одной или более программ, работающих на одном или более процессорах (например, в виде одной или более программ, работающих на одном или более микропроцессорах), в виде программно-аппаратного обеспечения или практически любой их комбинации, и что проектирование схем и/или написание кода для программного и/или программно-аппаратного обеспечения будет вполне по силам специалисту в данной области техники в свете этого раскрытия. Кроме того, специалист в данной области техники поймет, что механизмы обсуждаемого объекта изобретения, описанного здесь, могут быть распространены в качестве программного продукта во множестве форм и что иллюстративный вариант осуществления рассматриваемого объекта изобретения, описываемый здесь, применим независимо от конкретного типа среды передачи сигналов, используемой для фактического распространения. Примеры сред распространения сигналов включают, кроме прочего, следующее: перезаписываемые носители, такие как дискета, жесткий диск, компакт-диск (CD), цифровой видеодиск (DVD), лента цифровой записи, память компьютера, и т.п.; и среду передачи, такую как цифровая и/или аналоговая среда связи (например, оптоволоконный кабель, волновод, проводная линия связи, беспроводная линия связи (например, передатчик, приемник, логика передачи, логика приема и т.п.), и т.п.).

[0026] В общих чертах, иллюстративные варианты осуществления представляют ядерные реакторы деления и устройства, а также способы их эксплуатации и моделирования. Иллюстративные варианты осуществления и аспекты включают, кроме прочего, ядерные реакторы деления и модули реактора, включая модульные ядерные реакторы деления и модули реактора, ядерные реакторы деления с дефлаграционной волной и модули реактора, модульные ядерные реакторы деления с дефлаграционной волной и модули, способы эксплуатации ядерных реакторов и модулей, включая вышеупомянутые, способы моделирования эксплуатации ядерных реакторов и модулей, включая вышеупомянутые, и т.п.

[0027] По-прежнему в качестве обзора и согласно фиг.1А, иллюстративный ядерный реактор 10 деления будет обсуждаться в качестве примера, а не ограничения. Ядерный реактор 10 деления может быть, кроме прочего, реактором деления с дефлаграционной волной. Реактор 10 соответственно включает активную зону 100 ядерного реактора, расположенную в корпусе 12 реактора, и систему охлаждения реактора, имеющую один или несколько контуров 14 охлаждения реактора.

[0028] Реактор может быть модульной конструкции, включая один или несколько модулей ядерного реактора, - см., например, примерный модульный реактор 50, показанный на фиг.1В. Каждый модуль 12 реактора может оперативно соединяться гидравлическим сообщением по меньшей мере с одним теплоотводом 58 при помощи системы 56 охлаждения реактора. Таким образом, каждый из модулей ядерного реактора сам по себе может рассматриваться как полная, автономная система ядерного реактора. Модуль ядерного реактора может соединяться при помощи нейтронов по меньшей мере с одним соседним модулем реактора. Таким образом, соседние модули реактора могут быть нейтронно-связанными, хотя и физически разделенными друг от друга.

[0029] Для того чтобы обеспечить понимание управления и моделирования реакторов, таких как реактор 10 и реактор 50, сначала будет изложена иллюстративная нуклеоника активной зоны, предоставляемая в качестве неограничивающих примеров. Хотя рассматриваются многие варианты осуществления реакторов, некоторые из этих неограничительных примеров раскрываются в заявке на патент США №12/069,907 под названием «MODULAR NUCLEAR FISSION REACTOR», авторы AHLFELD, CHARLES E., GILLELAND, JOHN ROGERS, HYDE, RODERICK A., ISHIKAWA, MURIEL Y., MCALEES, DAVID G., MYHRVOLD, NATHAN P., WHITMER, CHARLES и WOOD, LOWELL L., поданной 12 февраля 2008, заявке на патент США №11/605,943 под названием «AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION», авторы RODERICK A. HYDE, MURIEL Y. ISHIKAWA, NATHAN P. MYHRVOLD и LOWELL L. WOOD, JR., поданной 28 ноября 2006, заявке на патент США №11/605,848 под названием «МЕТНОО AND SYSTEM FOR PROVIDING FUEL IN A NUCLEAR REACTOR», авторы RODERICK A. HYDE, MURIEL Y. ISHIKAWA, NATHAN P. MYHRVOLD и LOWELL L. WOOD, JR., поданной 28 ноября 2006, и заявке на патент США №11/605,933 под названием «CONTROLLABLE LONG TERM OPERATION OF A NUCLEAR REACTOR», авторы RODERICK A. HYDE, MURIEL Y. ISHIKAWA, NATHAN P. MYHRVOLD и LOWELL L. WOOD, JR., поданной 28 ноября 2006, полное содержание которых включается в данный документ ссылкой во всей их полноте. Далее будут представлены подробности, касающиеся нескольких иллюстративных вариантов осуществления и аспектов реакторов.

Факторы, которые необходимо учитывать

[0030] Перед обсуждением подробностей реакторов, таких как реактор 10 и реактор 50, будут представлены некоторые факторы в отношении вариантов осуществления реактора при помощи обзора, но их не нужно интерпретировать как ограничения. Некоторые варианты осуществления реактора обращаются ко многим из факторов, обсуждаемых ниже. С другой стороны, некоторые другие варианты осуществления реактора могут обращаться к одному или немногим избранным из этих факторов и не требуют включения всех факторов, обсуждаемых ниже.

[0031] Некоторые из видов топлива ядерного деления, представляемые для использования в вариантах осуществления реактора, как правило, широко доступны, такие как, кроме прочего, уран (природный, обедненный или обогащенный), торий, плутоний или даже ранее выработанные тепловыделяющие сборки ядерного деления. Другие, менее широко доступные, виды топлива ядерного деления, такие как, кроме прочего, другие элементы-актиноиды или их изотопы, могут использоваться в вариантах осуществления реактора. Хотя некоторые варианты осуществления реактора предполагают долгосрочную эксплуатацию на полной мощности, или некоторой ее части, на протяжении порядка 1/3 столетия или 1/2 столетия или дольше, один аспект некоторых вариантов осуществления реактора не предполагает перезагрузки ядерного топлива. Однако другие варианты осуществления реактора предполагают перезагрузку ядерного топлива. В некоторых случаях варианты осуществления могут предполагать захоронение на месте после выработки ресурса. Перезагрузка ядерного топлива может происходить во время периодов остановки и/или работы на мощности. Также предполагается, что переработки топлива ядерного деления в некоторых случаях можно избегать, тем самым, сокращая возможности для нецелевого использования, например, военного, и других проблем.

[0032] Некоторые варианты осуществления реактора могут располагаться под землей, тем самым, решая проблему больших, непредвиденных утечек и малых, установившихся утечек радиоактивности в биосферу. Некоторые варианты осуществления могут содержать минимум ручного управления, тем самым автоматизируя эти варианты осуществления насколько это возможно. В некоторых вариантах осуществления предполагается конструкция с ориентацией на жизненный цикл, при этом эти варианты осуществления могут работать от запуска до отключения в конце жизненного цикла. В некоторых конструкциях, ориентированных на жизненный цикл, варианты осуществления могут работать в значительной мере полностью автоматически. Некоторые варианты осуществления приспосабливаются для модульного конструирования. Наконец, некоторые варианты осуществления могут проектироваться с высокой плотностью энерговыделения или избранными плотностями энерговыделения, соответствующими множеству конструктивных факторов, таких как критерий выгорания, энергетические потребности, факторы нейтронного потока и другие параметры.

[0033] Во время работы материалы (например, элементы и изотопы элементов) в реакторе, особенно в области активной зоны реактора, изменяются со временем. Например, атомы топлива делятся на продукты деления. Атомы топлива, конструкционные материалы, поглотители (поглотители продуктов деления или поглотители, преднамеренно размещенные в реакторе) и так далее, могут поглощать нейтроны и превращаться в другие изотопы или элементы. Эти изменения могут учитываться конструкцией и управлением реактора как в короткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Возможность перемещать материалы через активную зону может увеличивать. срок эффективной эксплуатации реактора.

[0034] Некоторые признаки различных вариантов осуществления реактора являются результатом некоторых из вышеуказанных факторов. Например, одновременное сложение желаний достичь эксплуатации в течение 1/3-1/2 столетия (или более) при полной мощности без остановки для перезагрузки ядерного топлива и избежать переработки топлива ядерного деления может влечь за собой использование спектра быстрых нейтронов. В качестве другого примера, в некоторых вариантах осуществления отрицательный температурный коэффициент реактивности (αT) проектируется в реакторе, например при помощи отрицательной обратной связи на местной реактивности, реализуемой сильными поглотителями нейтронов или другими подходами контроля за реактивностью. В качестве альтернативы или дополнительно, некоторые варианты осуществления конфигурируются, чтобы контролировать процесс деления в целом или частично путем достижения спектрального сдвига в нейтронном потоке, используя способы спектрального контроля, такие как вытеснение и/или вставка замедлителя нейтронов на некоторый период времени. В качестве другого примера, в некоторых модульных вариантах осуществления с дефлаграционной волной распределенный термостат дает возможность распространения волны ядерного деления горения топлива ядерного деления дефлаграционного типа. Этот тип одновременно обеспечивает высокое среднее выгорание необогащенного актиноидного топлива, такого как природный уран или торий, и использование сравнительно небольшой области «воспламенителя ядерного деления» умеренного изотопного обогащения материалов ядерного деления в топливной загрузке активной зоны. В качестве другого примера, в некоторых вариантах осуществления, множественная избыточность обеспечивается в первичном и вторичном охлаждении активной зоны.

Примерные варианты осуществления ядерных реакторов деления

[0035] Теперь, когда были изложены некоторые факторы относительно некоторых вариантов осуществления реактора, будут пояснены дальнейшие подробности, касающиеся примерного варианта осуществления ядерных реакторов деления. Необходимо подчеркнуть, что следующее описание примерных вариантов осуществления ядерного реактора дается лишь путем неограничивающих примеров, а не путем ограничения. Как упомянуто выше, рассматриваются несколько вариантов осуществления реакторов, равно как и дальнейших аспектов реактора 10. После обсуждения подробностей, касающихся иллюстративного варианта осуществления реактора 10, также будут обсуждены и другие варианты осуществления и аспекты.

[0036] Рассмотрим далее фиг.1А, иллюстративный вариант осуществления реактора 10 включает блок 100 активной зоны реактора, который располагается в силовом корпусе 12 реактора. Рассматриваются несколько вариантов осуществления и аспектов блока 100 активной зоны реактора, которые будут обсуждены позже. Некоторые из признаков, которые будут обсуждаться далее подробно, включают топлива ядерного деления и их соответствующую нуклеонику, тепловыделяющие сборки, геометрию топлива и эксплуатацию и моделирование блока 100 активной зоны реактора в полной системе реактора.

[0037] Силовой корпус 12 реактора - это, соответственно, любой приемлемый силовой корпус, известный в данной области техники, и может быть изготовлен из любых материалов, приемлемых для использования в силовых корпусах реактора, как, например, кроме прочего, нержавеющая сталь. В силовом корпусе 12 реактора блок 100 активной зоны окружают отражатель нейтронов (не показан) и радиационный экран (не показан). В некоторых вариантах осуществления силовой корпус 12 реактора размещается под землей. В таких случаях силовой корпус 12 реактора может также служить контейнером-могильником для блока 100 активной зоны реактора. В этих вариантах осуществления силовой корпус 12 реактора соответственно окружается областью (не показана) изоляционного материала, такого как сухой песок, для долговременной изоляции от окружающей среды. Область (не показана) изоляционного материала может иметь размер около 100 метров в диаметре или около того. Однако в других вариантах осуществления силовой корпус 12 реактора располагается на или вблизи поверхности Земли.

[0038] Контуры 14 охлаждения реактора переносят тепло от ядерного деления в блоке 100 активной зоны реактора к прикладным теплообменникам 16. Теплоноситель реактора может выбираться по желанию для конкретного применения. В некоторых вариантах осуществления теплоноситель реактора - это, соответственно, газ гелий (Не). В других вариантах осуществления теплоноситель реактора, соответственно, может быть представлен другими сжатыми инертными газами, такими как неон, аргон, криптон, ксенон или другими текучими средами, такими как вода или газообразный или сверхтекучий углекислый газ, или жидкими металлами, такими как натрий или свинец, или металлическими сплавами, такими как Pb-Bi, или органическими теплоносителями, такими как полифенилы или фторуглероды. Контуры охлаждения реактора, соответственно, могут изготавливаться из тантала (Та), вольфрама (W), алюминия (А1), стали или других железистых или нежелезных групп сплавов или сплавов на основе титана или циркония, или из других металлов и сплавов, или из других конструкционных материалов или композитов, по желанию.

[0039] В некоторых вариантах осуществления прикладные теплообменники 16 могут быть парогенераторами, которые генерируют пар, подающийся в качестве первичного источника энергии для ротационных машин, таких как электрические турбогенераторы 18 в электрогенерирующей станции 20. В таком случае блок 100 активной зоны реактора, соответственно, эксплуатируется при высоком рабочем давлении и температуре, такой как выше 1000 К или около того, а пар, генерируемый в парогенераторе, может быть сверхнагретым паром. В других вариантах осуществления прикладной теплообменник 16 может быть любым парогенератором, который генерирует пар при более низких давлениях и температурах (то есть, не обязательно сверхнагертый пар), а блок 100 активной зоны реактора эксплуатируется при температурах ниже примерно 550 К. В таких случаях прикладные теплообменники 16 могут обеспечивать технологическое тепло для таких устройств, как опреснительные установки для морской воды или для обработки биомассы путем перегонки в этанол, или подобное.

[0040] Необязательные охладительные насосы 22 реактора перекачивают теплоноситель реактора через блок 100 активной зоны реактора и прикладные теплообменники 16. Обратите внимание, что хотя характерный вариант осуществления показывает насосы и циркуляцию, приводимую в движение силой тяжести, другие подходы могут не применять насосов или циркуляционных систем или быть другим образом, но похоже геометрически ограниченными. Охладительные насосы 22 реактора, соответственно, могут предоставляться, когда блок 100 активной зоны реактора располагается приблизительно вертикально в одной плоскости с прикладными теплообменниками 16, так что движущий термальный напор не генерируется. Охладительные насосы 22 реактора могут также предоставляться, когда блок 100 активной зоны реактора располагается под землей. Однако когда блок 100 активной зоны реактора располагается под землей или любым таким образом, что блок 100 активной зоны реактора вертикально разнесен ниже прикладных теплообменников 16, движущий термальный напор может образовываться между теплоносителем реактора, выходящим из силового корпуса 12 реактора, и теплоносителем реактора, выходящим из прикладных теплообменников 16 при более низкой температуре, чем у теплоносителя реактора, выходящего из силового корпуса 12 реактора. При наличии существенного движущего термального напора, нет необходимости предоставлять охладительные насосы 22 реактора для обеспечения значительной циркуляции теплоносителя реактора через блок 100 активной зоны реактора, чтобы отводить тепло от деления во время работы на мощности.

[0041] В некоторых вариантах осуществления может предоставляться более одного контура 14 охлаждения реактора, тем самым обеспечивая избыточность на случай неисправности, такой как аварийная потеря теплоносителя, аварийное потеря потока, течь из первичного во вторичный контур, или т.п., для любого другого из контуров 14 охлаждения реактора. Каждый контур 14 охлаждения реактора может оцениваться для эксплуатации с полной мощностью, хотя некоторые применения могут снимать это ограничение.

[0042] В некоторых вариантах осуществления запорные элементы 24, такие как запорные клапаны охлаждения реактора, предоставляются на линиях системы 14 охлаждения реактора. В каждом контуре 14 охлаждения реактора запорный элемент 24 может предоставляться на выпускной линии из силового корпуса 12 реактора и на обратной линии к силовому корпусу 12 реактора из выхода прикладного теплообменника 16. Запорные элементы 24 могут быть быстродействующими клапанами, которые быстро закрываются в аварийных условиях, таких как определение значительного захвата теплоносителем реактора продуктов деления. Запорные элементы 24 могут предоставляться в дополнение к резервной системе автоматически активируемых клапанов (не показана).

[0043] Один или более теплоотводящих теплообменников 26 предоставляются для удаления тепла ядерного деления (остаточного тепла). Теплоотводящий теплообменник 26 включает первичный контур, который приспособлен прокачивать теплоноситель удаления остаточного тепла через блок 100 активной зоны реактора. Теплоотводящий теплообменник 26 включает вторичный контур, который соединен со спроектированной теплоотводящей теплопроводной сетью (не показана). В некоторых случаях, например, для избыточности, может предоставляться более одного теплоотводящего теплообменника 26. Теплоотводящий теплообменник 26 может размещаться на расстоянии по вертикали над блоком 100 активной зоны реактора, так что предоставляется достаточный движущий термальный напор, чтобы обеспечивать естественный поток теплоносителя удаления остаточного тепла без необходимости в насосах теплоносителя удаления остаточного тепла. Однако в некоторых вариантах осуществления могут предоставляться насосы удаления остаточного тепла (не показаны). Охладительные насосы реактора могут использоваться для удаления остаточного тепла, где это уместно.

[0044] Теперь, когда был предоставлен обзор иллюстративного варианта осуществления реактора 10, будут обсуждены другие варианты осуществления и аспекты. Во-первых, будут рассмотрены варианты осуществления и аспекты блока 100 активной зоны реактора. Обзор блока 100 активной зоны реактора и его нуклеоники будет изложен в первую очередь, после чего будут идти описания примерных вариантов осуществления и других аспектов блока 100 активной зоны реактора.

[0045] Говоря в обзоре и общими терминами, структурные компоненты блока 100 активной зоны реактора могут изготавливаться из тантала (Та), вольфрама (W), рения (Re), различных сплавов, включая стали, такие как мартенситные нержавеющие стали (например, НТ9), аустенитные нержавеющие стали (например, тип 316) или углеродные композиты, керамику, или подобное, кроме прочего. Эти материалы являются подходящими из-за высоких температур, при которых эксплуатируется блок 100 активной зоны реактора, и из-за их сопротивления ползучести в течение предполагаемого срока эксплуатации на полной мощности, механической обрабатываемости и коррозионной стойкости. Структурные компоненты могут изготавливаться из однокомпонентных материалов или из сочетаний материалов (например, покрытия, сплавы, многослойные материалы, композиты, и т.п.). В некоторых вариантах осуществления блок 100 активной зоны реактора функционирует при существенно более низких температурах, так что для структурных компонентов можно использовать и другие материалы, такие как алюминий (Аl), сталь, титан (Ti) или подобные, отдельно или совместно.

[0046] В вариантах осуществления с дефлаграционной волной, блок 100 активной зоны реактора может включать малый воспламенитель ядерного деления и более крупную область распространения горящей дефлаграционной волны ядерного деления. Область распространения горящей дефлаграционной волны ядерного деления соответственно содержит ториевое или урановое топливо, и работает на общем принципе размножения деления спектром быстрых нейтронов. В некоторых вариантах осуществления с дефлаграционной волной равномерная температура по всему блоку 100 активной зоны реактора поддерживается термостатными модулями, которые регулируют локальный поток нейтронов и тем самым контролируют локальную выработку энергии. Некоторые примеры вариантов осуществления с дефлаграционной волной также обсуждаются в вышеупомянутой заявке на патент США №11/605,933 под названием «CONTROLLABLE LONG TERM OPERATION OF A NUCLEAR REACTОR» («заявка '933»), которая включается в данный документ при помощи ссылки во всей свой полноте.

[0047] Ядерные реакторы могут быть модульными. Рассмотрим далее фиг.1В, показывается примерный модульный реактор 50. Подчеркивается, что следующее описание примерного варианта осуществления реактора 50 дается лишь при помощи неограничивающего примера, а не ограничения. Как упомянуто выше, рассматриваются несколько вариантов осуществления реакторов, такие как реакторы 10 и 50, равно как и другие аспекты реакторов. Признаки, показанные в реакторах 10 и 50, могут реализовываться отдельно или в любом подходящем сочетании. После обсуждения подробностей, касающихся примерного варианта осуществления реактора 50, также будут обсуждаться другие варианты осуществления и аспекты.

[0048] Модульный реактор 50 показан при помощи примера и не ограничивает модульные реакторы тороидальным размещением или любым другим размещением модулей 52 реактора. Будет понятно, что не предполагается никакого ограничения в виде такого геометрического размещения или любого геометрического размещения какого бы то ни было типа. С этой целью дополнительные размещения модулей 52 реактора будут более подробно обсуждаться ниже. В целях краткости, описание дополнительных размещений модулей 52 реактора ограничивается теми, которые иллюстрируются в данном документе. Однако будет ясно, что модули 52 реактора могут быть размещены любым образом, который будет желателен и сможет обеспечивать нейтронное соединение смежных модулей 52 ядерного деления с дефлаграционной волной.

[0049] Как обсуждается выше, иллюстративный модульный реактор 50 соответственно содержит модули 52 реактора. Каждый модуль 52 реактора может соответственно включать активную зону 54 реактора и систему 56 охлаждения реактора. Каждый модуль 52 ядерного реактора деления с дефлаграционной волной может оперативно соединяться гидравлическим сообщением по меньшей мере с одним теплоотводом 58 посредством одной или более связанных систем 56 охлаждения реактора. То есть, каждый модуль 52 реактора соответственно может рассматриваться сам по себе как полный, автономный ядерный реактор. Модуль 52 реактора может быть при помощи нейтронов соединен по меньшей мере с одним смежным модулем 52 реактора. Хотя рассматриваются многие варианты осуществления модульного реактора 50, общим признаком среди многих рассматриваемых вариантов осуществления модульного реактора 50 является нейтронное соединение смежных модулей 52 реактора посредством порождения дефлаграционной волны ядерного деления, или «фронта горения», как подробнее обговаривается в вышеупомянутой заявке на патент США №12/069,907 под названием «MODULAR NUCLEAR FISSION REACTOR» («заявка '907»), которая включается в данный документ во всей свой полноте при помощи ссылки.

[0050] Рассмотрим далее фиг.1С, тепловая энергия может быть извлечена из активной зоны ядерного реактора деления согласно другому варианту осуществления. В ядерном реакторе 110 деления ядерное деление возникает в теплогенерирующей области 120 (например, в активной зоне, заряженной топливом, или распространяемой в горящем фронте волны). Теплопоглощающий материал 160, такой как конденсированная фаза плотной жидкой среды (например, вода, жидкие металлы, терфенилы, полифенилы, фторуглероды, FLIBE (2LiF-BeF2) и т.п.), течет через область 120? как указано стрелкой 150, и тепло переносится из теплогенерирующей области 120 в теплопоглощающий материал 160. В некоторых вариантах осуществления, например реакторах деления на быстрых нейтронах, теплопоглощающий материал 160 выбирается как ядерно-инертный материал (такой как Не4), чтобы минимально возмущать спектр нейтронов. В других вариантах осуществления ядерного реактора 110 деления содержание нейтронов является существенно устойчивым, так что приемлемо использование неядерно-инертного геплопоглощающего материала 160. Теплопоглощающий материал 160 течет (например, при помощи естественной конвекции или вынужденного перемещения) в область 130 извлечения тепла, которая в значительной мере находится вне теплового контакта с теплогенерирующей областью 120. Тепловая энергия 140 извлекается из теплопоглощающего материала 160 в области 130 извлечения тепла. Теплопоглощающий материал 110 после извлечения тепловой энергии 140 в области 130 извлечения тепла может находиться или в жидком состоянии, или в многофазном состоянии, или в значительной мере газообразном состоянии.

Характерные перемещения материалов ядерного реактора

[0051] Топливные материалы включают не только топливные материалы, но и конструкционные материалы (например, оболочку). Рассмотрим далее фиг.2А, реактор 200, который может включать любой тип реактора деления, включая описанные в данном документе в любом другом месте, может включать тепловыделяющие сборки 210 ядерного деления, расположенные в нем. Следующее обсуждение содержит подробности примерных тепловыделяющих сборок 210 ядерного деления, которые могут быть использованы в реакторе 200. Рассмотрим далее фиг.2В, предоставленную в качестве неограничивающего примера, в одном варианте осуществления тепловыделяющая сборка 210 ядерного деления соответственно включает тепловыделяющую сборку 220 ядерного деления. В одном варианте осуществления тепловыделяющая сборка 220 ядерного деления была «предварительно выжжена». Термин «предварительно выжжен» означает, что, по меньшей мере, некоторые составляющие тепловыделяющей сборки ядерного деления подверглись ядерному делению при помощи нейтронов и что изотопный состав топлива ядерного деления изменился. То есть, тепловыделяющая сборка ядерного деления была помещена в нейтронный спектр или поток (быстрый или медленный), по меньшей мере некоторые составляющие подвер