(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉を制御する方法であって、
複数の燃料要素を含む燃料集合体を備える炉心を設けることと、
前記炉心を囲む反射材領域を設けることと、
それぞれが隣接しかつキャビティを有する複数のハウジングを前記燃料要素に隣接して設けることと、
前記複数のハウジングの下部において、前記複数のハウジングの各キャビティの中に入り及び各キャビティから外へ出る減速材の動きを許容することと、
前記複数のハウジングの上部において、前記複数のハウジングの各キャビティの中に減速材を閉じ込めることと
を含み、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記複数のハウジングの少なくとも一つから前記反射材領域へ動き、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記反射材領域から前記複数のハウジングの少なくとも一つへ動く方法。
【請求項２】
前記減速材はＤ２Ｏである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
原子炉を制御する方法であって、
複数の燃料要素を含む燃料集合体を備える炉心を設けることと、
前記炉心を囲む反射材領域を設けることと、
それぞれが隣接しかつキャビティを有する複数のハウジングを前記燃料要素に隣接して設けることと、
前記ハウジングの下部において、各キャビティの中に入り及び各キャビティから外へ出る減速材の動きを許容することと、
前記ハウジングの上部において、各キャビティの中に入り及び各キャビティから外へ出る前記減速材の動きを阻止することと、
各キャビティ内の減速材から除去される熱量を、前記燃料集合体からの熱伝導、中性子、又はガンマ放射線により各キャビティ内の減速材に与えられる熱量に実質的に等しく維持することと、
前記ハウジングの上部にある各キャビティ内で、前記減速材の実質的に一定量又はゆっくり変化する量を気体状態に維持することと
を含み、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記複数のハウジングの少なくとも一つから前記反射材領域へ動き、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記反射材領域から前記複数のハウジングの少なくとも一つへ動く方法。
【請求項４】
前記減速材はＤ２Ｏである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
原子炉を制御する方法であって、
複数の燃料要素を含む燃料集合体を備える炉心を設けることと、
前記炉心を囲む反射材領域を設けることと、
それぞれが隣接しかつキャビティを有する複数のハウジングを前記燃料要素に隣接して設けることと、
各ハウジングの下部において、各キャビティの中に入り及び各キャビティから外へ出る減速材の動きを許容することと、
各ハウジングの上部において、気体状態にある前記減速材の各キャビティから外へ出る動きを阻止することと、
各キャビティ内の減速材から所定熱量を除去することと、
各ハウジングの上部にある各キャビティ内で気体状態に保持されている減速材の量を、各キャビティ内の減速材から除去される熱量を変えることによって制御することと
を含み、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記複数のハウジングの少なくとも一つから前記反射材領域へ動き、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記反射材領域から前記複数のハウジングの少なくとも一つへ動く方法。
【請求項６】
前記減速材はＤ２Ｏである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
原子炉の炉心の反応速度を制御する方法であって、
複数の燃料要素を含む燃料集合体を備える炉心を設けることと、
前記炉心を囲む反射材領域を設けることと、
それぞれが隣接しかつキャビティを有する複数のハウジングを前記燃料要素に隣接して設けることと、
各キャビティの中に入り及び各キャビティから外へ出る減速材の動きを許容することと、
前記燃料要素から解放された中性子又はガンマ放射線を使用して、各キャビティ内の減速材の一部を加熱して気体状態にすることであって、前記複数のハウジングは閉じた上部及び開いた下部を有することと、
各閉じた上部にある各キャビティ内で前記減速材を前記気体状態に保持することと、
前記気体状態に保持される各キャビティ内の減速材の量を、各キャビティ内の減速材から除去された熱量を変えることによって変えることと、
前記気体状態に保持されている各キャビティ内の減速材の量に基づいて、液体状態にある各キャビティ内の減速材の一部を変位させることによって、前記燃料集合体が共鳴捕獲により捕獲する中性子の量を変えることと
を含み、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの開いた下部を通って前記複数のハウジングの少なくとも一つから前記反射材領域へ動き、
前記減速材は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの開いた下部を通って前記反射材領域から前記複数のハウジングの少なくとも一つへ動く方法。
【請求項８】
前記減速材はＤ２Ｏである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記反応速度が所望値よりも高い場合、その高い反応速度が各キャビティ内の中性子束を増加させ、各キャビティ内の減速材への熱付与を増加させ、前記気体状態にある各キャビティ内の減速材の量を増加させ、かつ、各キャビティ内で前記液体状態にある減速材の一部を各キャビティから外へ下方に変位させ、
各キャビティ内の減速材の質量が減少し、共鳴捕獲により捕獲される中性子の量が増加し、及び熱エネルギーに至り核分裂を引き起こす中性子の量が減少する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記反応速度が所望値よりも低い場合、その低い反応速度が各キャビティ内の中性子束を減少させ、各キャビティ内の減速材への熱付与を減少させ、各キャビティ内の気体減速材の前記液体状態への凝縮速度を増加させ、前記気体状態にある各キャビティ内の減速材の量を減少させ、かつ、前記減速材領域内の液体減速材の一部が各キャビティ内へ上方に変位されることを許容し、
各キャビティ内の減速材の質量が増加し、共鳴捕獲により捕獲される中性子の量が減少し、及び熱エネルギーに至り核分裂を引き起こす中性子の量が増加する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
原子炉用装置であって、
格納構造体を含み、
前記格納構造体の中には、
複数の燃料要素を含む燃料集合体を備える炉心と、
前記炉心を囲む反射材領域と、
中性子減速材料と、
前記燃料要素に隣接して配置された複数のハウジングと
が配置され、
前記中性子減速材料の少なくとも一部は流体であり、その流体中性子減速材料が前記炉心及び前記反射材領域に配置され、
各ハウジングは隣接しかつキャビティを有し、各ハウジングの下部は、前記キャビティの中に入り及び各キャビティから外へ出る流体中性子減速材料の動きに対して開いており、各ハウジングの上部は、前記キャビティの上部の中に入り又は前記キャビティの上部から外へ出る流体中性子減速材料の動きに対して閉じており、
前記流体中性子減速材料は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記複数のハウジングの少なくとも一つから前記反射材領域へ動き、
前記流体中性子減速材料は、前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記反射材領域から前記複数のハウジングの少なくとも一つへ動く装置。
【請求項１２】
前記反射材領域においてかつ前記キャビティの少なくとも一部において、前記中性子減速材料の少なくとも一部が液体状態であり、かつ、前記中性子減速材料の少なくとも一部が気体状態である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記キャビティ内に配置された流体中性子減速材料は重水（Ｄ２Ｏ）である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記キャビティ内に配置された流体中性子減速材料は軽水（Ｈ２Ｏ）である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記燃料要素は実質的に垂直方向にある構造体であり、
一以上のキャビティが、前記燃料要素を囲み、かつ、前記燃料要素間の複数の空間を実質的に満たす、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
冷却アセンブリをさらに含み、
前記冷却アセンブリは、少なくとも一つのハウジングの底部を通り抜ける管を含み、
前記管は、相対的に冷たい流体中性子減速材料が、前記キャビティ内にすでに配置された流体中性子減速材料と混合するべく前記少なくとも一つのハウジングの前記キャビティの中へ流れることを許容する一以上の開口を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
各燃料要素のまわりに垂直方向に積層された複数のハウジングが存在する場合、前記管は、前記垂直方向に積層された複数のハウジングのうち最も高いものではない少なくとも一つのハウジングの頂部を通り抜け、
前記管は、前記少なくとも一つのハウジングの上部において密封されて前記少なくとも一つのハウジングの上部からの気体中性子減速材料の動きを阻止する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記複数のハウジングは、実質的に垂直方向に積層され、かつ、少なくとも一つの実質的に垂直方向にある燃料要素の一部又は全体を囲む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記管は、一を超える数の前記実質的に垂直方向に積層されたハウジングを通り抜け、
前記管の上端部分が、最上部にあるハウジングの頂部の下に配置される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記複数のハウジングの少なくとも一つから前記反射材領域へ動く流体中性子減速材料は液体であり、
前記複数のハウジングの少なくとも一つの下部を通って前記反射材領域から前記複数のハウジングの少なくとも一つへ動く流体中性子減速材料は液体である、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は原子炉の制御方法及び装置に関し、詳しくは、液体減速原子炉を制御する制御方法及び装置に関する。
【０００２】
関連出願
本願は、ここに参照として組み入れられる２０１１年５月１３日出願の米国仮特許出願第６１／４８５，６５６号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００３】
従来型原子炉制御システムを使用する原子炉にはいくつかの欠陥がある。従来型制御システムを使用する炉は、炉心内にある中性子吸収材の量の一定調整を利用するので、過剰量の中性子吸収に起因して転換比が低減される。また、従来型制御システムを使用する炉は、相対的に広い範囲の反応度制御を有しないので、相対的に狭い範囲の核分裂性内容物を有する燃料を使用する。さらに、従来型制御システムを使用する炉は、頻繁に燃料交換され、燃料中の大きなパーセンテージの潜在的エネルギーを捕捉せず、かつ、発電ＫＷＨ当たり相対的に大量の放射性廃棄物を残す。
【０００４】
カナダ型重水ウラン炉（ＣＡＮＤＵ）の制御方法は、これらの問題のいくつかに対処する試みをした。しかしながら、ＣＡＮＤＵ炉は、過剰量の中性子を吸収する制御棒を使用するので、従来型技術の欠陥を十分に克服する制御システムを与えることがなかった。
【０００５】
本開示は、当業界における上述の欠点及び／又は他の欠陥の一つ以上を克服することに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００６７６４４（Ａ１）号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２９７５５５（Ａ１）号明細書
【特許文献３】米国特許第２，８２５，６８８号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一側面によれば、本開示は、原子炉を制御する方法に関する。本方法は、原子炉の炉心の中に減速材領域を設けることと、当該減速材領域の中に燃料を設けることと、それぞれがキャビティを有する一以上のハウジングを燃料に隣接して設けることとを含む。本方法はまた、当該一以上のハウジングの下部において、当該減速材領域と当該一以上のハウジングのキャビティとの間で減速材が動くことを許容することを含む。本方法はさらに、当該一以上のハウジングの上部において、当該一以上のハウジングのキャビティ内に減速材を閉じ込めることを含む。
【０００８】
もう一つの側面によれば、本開示は原子炉の炉心に関する。原子炉の炉心は、減速材領域と、当該減速材領域に配置された燃料と、当該燃料に隣接して配置された一以上のハウジングとを有する。各ハウジングはキャビティを有する。各ハウジングの下部が、減速材領域とキャビティとの間の減速材の動きに対して開かれ、かつ、各ハウジングの上部が、減速材領域とキャビティとの間の減速材の動きに対して閉じられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】開示される例示的な原子炉システムの概略図である。
【図２】図１の原子炉システムの第１の例示的炉の平面図である。
【図２Ａ】図１の原子炉システムに係る配列の縮尺どおりの平面図である。
【図３】図２に示された炉のＡ−Ａ断面図である。
【図３Ａ】図２に示された炉の縮尺どおりのＡ−Ａ断面図である。
【図４】炉の例示的燃料管配列の概略図である。
【図５】図４の燃料管配列の側面図である。
【図６】炉のもう一つの例示的燃料管配列の概略図である。
【図７】図３に示された炉のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】炉の例示的制御キャビティアレイの詳細図である。
【図８Ａ】炉の制御キャビティアレイのもう一つの詳細図である。
【図８Ｂ】炉の例示的制御キャビティアレイのもう一つの詳細図である。
【図８Ｃ】炉の例示的制御キャビティアレイの概略図である。
【図８Ｄ】炉の例示的制御キャビティアレイのもう一つの概略図である。
【図９】炉の第２実施例の断面図である。
【図１０】図９の炉の側面図である。
【図１１】図９の炉の例示的制御キャビティアレイの詳細図である。
【図１２Ａ】炉の第３実施例の平面図である。
【図１２Ｂ】炉の第３実施例の断面図である。
【図１２Ｃ】炉の第３実施例の斜視図である。
【図１２Ｄ】炉の第３実施例の概略図である。
【図１２Ｅ】炉の第３実施例のもう一つの概略図である。
【図１２Ｆ】炉の第３実施例のもう一つの概略図である。
【図１２Ｇ】炉の第３実施例のもう一つの斜視図である。
【図１２Ｈ】炉の第４実施例の平面図である。
【図１２Ｉ】炉の第４実施例の断面概略図である。
【図１２Ｊ】炉の第４実施例の平面概略図及び断面概略図双方を含む。
【図１２Ｋ】炉の第４実施例の断面概略図である。
【図１２Ｌ】炉の第４実施例の概略平面図及び断面概略図双方を含む。
【図１２Ｍ】炉の第４実施例の概略平面図及び断面概略図双方を含む。
【図１２Ｎ】炉の第４実施例の断面概略図を含む。
【図１３】例示的炉冷却材サブシステムの概略図である。
【図１４】炉冷却材サブシステムの例示的通路の概略図である。
【図１５】図２０に示された炉制御サブシステムのＣ−Ｃ断面図である。
【図１６】第１の例示的補助冷却材サブシステムの概略図である。
【図１７】第２の例示的補助冷却材サブシステムの概略図である。
【図１８】図１７に係る第２の例示的補助冷却材サブシステムの平面図である。
【図１９】第３の例示的補助冷却材サブシステムの概略図である。
【図２０】例示的炉制御サブシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、原子核反応から発電する例示的原子炉システム５を示す。原子炉システム５は、発電サブシステム１０及び炉１５を含む。炉１５は、原子核反応からのエネルギーを発電サブシステム１０に与える。原子炉システム５はまた、熱交換器２０、炉冷却材サブシステム２５、及びポンプサブシステム３０も含む。炉冷却材サブシステム２５は炉１５と熱交換器２０との間の熱交換を促し、ポンプサブシステム３０は炉冷却材サブシステム２５を加圧する。原子炉システム５はさらに、補助冷却材サブシステム３５及び炉制御サブシステム４０を含む。補助冷却材サブシステム３５は炉１５からの付加的熱伝達を与え、炉制御サブシステム４０は炉１５の動作を制御する。
【００１１】
発電サブシステム１０は、一以上のタービン４５、一以上の駆動アセンブリ５０、一以上の発電機５５、一のタービン冷却サブシステム６０、及び一のタービン蒸気サブシステム６５を含む。タービン４５は、駆動アセンブリ５０を介して発電機５５を駆動する。タービン蒸気サブシステム６５は、タービン４５とタービン冷却サブシステム６０との間で水（Ｈ２Ｏ）及び蒸気（Ｈ２Ｏ）を移送する。
【００１２】
タービン４５は、例えば蒸気タービンのような、原子炉との使用に適切な任意のタイプのタービンである。タービン４５は、タービン蒸気サブシステム６５を介して送達される高圧蒸気（Ｈ２Ｏ）を機械的エネルギーに変換する。例えば、タービン４５は、回転可能シャフトに取り付けられる複数の要素を含む。高圧蒸気（Ｈ２Ｏ）はタービン４５に入り、かつ、シャフトに取り付けられた要素を通過する。これにより、当該蒸気（Ｈ２Ｏ）の運動エネルギーが当該複数の要素を押しやって回転可能シャフトを回転させる。タービン４５は、一以上の低圧シリンダが追従する一連の一以上の高圧シリンダを含む。各シリンダは、中心部分から蒸気（Ｈ２Ｏ）を入れる。当該蒸気（Ｈ２Ｏ）は当該一連のシリンダを通って徐々に膨張する。これにより、タービン４５のシャフトに取り付けられた要素が動かされる。タービン４５は、蒸気（Ｈ２Ｏ）流をタービン４５内に向ける静止要素も含む。タービン４５は、付加的システムを含む。これは、例えば、蒸気（Ｈ２Ｏ）流を規制する油動作弁を有する液圧制御弁システム、シリンダを支持するベアリングを潤滑する潤滑システム、及び、高圧シリンダを出た後であって低圧シリンダに入る前に蒸気（Ｈ２Ｏ）からの湿分を除去する湿分分離器を含む。
【００１３】
駆動アセンブリ５０は、タービン４５からの機械的エネルギーを発電機５５に伝達する任意の適切なアセンブリであり、例えば機械的駆動シャフトアセンブリである。駆動アセンブリ５０は、タービン４５の回転可能なシャフトに動作可能に接続される。タービン４５のシャフトに取り付けられた要素に衝突する蒸気（Ｈ２Ｏ）からの運動エネルギーが、駆動アセンブリ５０を介して機械的エネルギーとして発電機５５に伝達される。
【００１４】
発電機５５は、例えば電気発電機のような、原子炉との使用に適切な任意のタイプの発電機である。例えば、発電機５５は、駆動アセンブリ５０が伝達した機械的エネルギーから発電する磁石及び配線配列を含む。例えば、駆動アセンブリ５０は、発電機５５内の磁石要素を回転させて発電を行う。発電機５５は、例えば、５０Ｈｚ（５０サイクル）又は６０Ｈｚ（６０サイクル）出力の任意の適切な周波数にあるＡＣ電力を生成する。発電サブシステム１０は、一以上の発電機５５を、例えば５０又は６０サイクルのような実質的に一定の周波数にある電力に維持するべく操作される。
【００１５】
タービン冷却サブシステム６０は、例えば、熱交換のための凝縮器、冷却塔、及び／又は強制空気流を使用する冷却システムのような、原子炉との使用に適切な任意のタイプの冷却システムである。タービン冷却サブシステム６０は、余剰蒸気（Ｈ２Ｏ）をタービン４５から除去して当該余剰蒸気（Ｈ２Ｏ）を水（Ｈ２Ｏ）に凝縮させる。蒸気（Ｈ２Ｏ）を水（Ｈ２Ｏ）に凝縮させる凝縮器、冷却塔、及び／又は強制空気流の使用のほかに、タービン冷却サブシステム６０はまた、利用可能かつ適切な場合には、例えば貫流冷却のために近くにあるまとまった水（Ｈ２Ｏ）を利用することもできる。
【００１６】
タービン蒸気サブシステム６５は、水（Ｈ２Ｏ）及び蒸気（Ｈ２Ｏ）を熱交換器２０、タービン４５、及びタービン冷却サブシステム６０間で移送するのに適切な任意のタイプの配列体である。タービン蒸気サブシステム６５は、熱蒸気（Ｈ２Ｏ）を熱交換器２０からタービン４５へ移送する通路７０と、余剰又は死蒸気（Ｈ２Ｏ）をタービン４５からタービン冷却サブシステム６０へ移送する通路７５と、相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）をタービン冷却サブシステム６０から熱交換器２０へ移送する通路８０とを含む。通路７０、７５、及び８０は、例えば鋼管のような、蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水（Ｈ２Ｏ）を移送するのに適切な任意の通路である。
【００１７】
原子炉システム５はまた、発電のために蒸気（Ｈ２Ｏ）をタービンに与えることのほかに、蒸気（Ｈ２Ｏ）が有用な他の任意の適切な目的のために蒸気（Ｈ２Ｏ）を与える。例えば、原子炉システム５は、蒸気（Ｈ２Ｏ）が使用後に当該システムに戻らない構成、及び／又は、入力した水（Ｈ２Ｏ）がタービン蒸気サブシステム６５とは異なる水源からもたらされる構成を含む。例えば、原子炉システム５は、地熱油抽出に使用される蒸気（Ｈ２Ｏ）を与える。
【００１８】
熱交換器２０は、熱エネルギーを発電サブシステム１０及び炉１５間で移送するのに適切な任意のタイプに熱交換器である。例えば、熱交換器２０は、炉冷却材サブシステム２５の熱い炉冷却材が流れる複数の管を有する一以上の蒸気発生器を含む。各蒸気発生器は例えば、熱い炉冷却材を受け入れる数千の管を含む。例えば各蒸気発生器は、約３，０００から約１６，０００の管を含む。蒸気発生器管を通って流れる熱い炉冷却材は、タービン蒸気サブシステム６５によって熱交換器２０に送達される水（Ｈ２Ｏ）を沸騰させる。熱交換器２０の蒸気発生器から発生した蒸気（Ｈ２Ｏ）はその後、タービン蒸気サブシステム６５を介してタービン４５に移送される。熱交換器２０を通り抜ける間に炉冷却材は冷却され、引き続いて炉冷却材サブシステム２５を介して炉１５に戻される。
【００１９】
タービン蒸気サブシステム６５によって熱交換器２０に送達された水（Ｈ２Ｏ）は、熱交換器２０の上部から熱交換器２０に入る。相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）が、複数のノズル８３（図２０参照）を介して熱交換器２０の内部に注入される。複数のノズル８３は、熱交換器２０の中心部及び／又は熱交換器２０の内壁の上部に配置される。複数のノズル８３は下方を向いて、熱交換器２０内にすでに格納された沸騰水（Ｈ２Ｏ）の中に水（Ｈ２Ｏ）を注入する。したがって、相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）が、熱交換器２０内にすでに格納された沸騰水（Ｈ２Ｏ）と混合される。これが役立って、熱交換器２０内に格納されたＨ２Ｏの温度勾配の大きさが低減される。よって、熱交換器２０は、低い温度勾配によって高温の蒸気（Ｈ２Ｏ）を生成することができる。意図されることだが、温度勾配の大きさは、再循環ポンプを使用することにより又は対流の組み合わせを使用することにより沸騰水（Ｈ２Ｏ）をノズル８３からの相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）の下方ストリームに流入させて、さらに低減することができる。
【００２０】
炉１５は、原子核反応から発電するのに適切な任意のタイプの原子炉である。炉１５は例えば、液体減速材を使用する任意の原子炉である。また、例えば炉１５は、重水減速及び／又は重水冷却炉である。炉１５は例えば、ＣＡＮＤＵ炉である。図２に示されるように、炉１５は、格納構造体８５、圧力容器９０、反射材領域９５、及び炉心１００を含む。格納構造体８５及び圧力容器９０は反射材領域９５を収容する。炉心１００は反射材領域９５内に配置される。
【００２１】
格納構造体８５は、反射材領域９５及び炉心１００を収容するのに適切な、並びに炉１５の外側環境を炉１５が放出する放射線及び中性子から遮蔽するのに適切な任意のタイプの構造体である。例えば、格納構造体８５は、反射材領域９５及び炉心１００を囲む鉄筋コンクリート又はプレストレストコンクリートの壁を含む。格納構造体８５は、反射材領域９５及び炉心１００を収容するのに任意の適切な厚さを有する壁を備える。例えば、約１２２センチメートル（４フィート）から約３０５センチメートル（１０フィート）である。格納構造体８５は、炉冷却材サブシステム２５、補助冷却材サブシステム３５の様々な要素、又は原子炉システム５の他の要素を受け入れる開口を含む。格納構造体８５は、反射材領域９５及び炉心１００の放射線障壁として構造的支持、隔離、及び機能する。反射プールが、例えば、圧力容器９０の底を満たし、以下にさらに詳述するように別個の格納器に封入される。
【００２２】
圧力容器９０は、反射材領域９５及び炉心１００を加圧するのに適切な任意のタイプの圧力容器又は構造体である。例えば、圧力容器９０は、反射材領域９５及び炉心１００を封止かつ加圧する鋼容器である。圧力容器９０は、密封容器を形成するべく構成及び／又は接続される一以上の鋼要素を含む。圧力容器９０は、例えば割れ及び脆化に耐性のある材料のような、圧力容器としての使用に適した特性を有する他の任意の適切な材料を含む。圧力容器９０は、反射材領域９５及び炉心１００が、相対的に高温に維持される「熱い減速材」を含む場合に使用される。圧力容器９０は、炉冷却材サブシステム２５、補助冷却材サブシステム３５の様々な要素、又は原子炉システム５の他の要素を受け入れる開口を含む。圧力容器９０の開口は、圧力容器９０内にある反射材領域９５及び炉心１００の加圧を維持するべく封止される。
【００２３】
図３に示されるように、反射材領域９５は反射プール１０５及び蒸気エリア１１０を含む。境界１１５は反射プール１０５と蒸気エリア１１０とを分離する。
【００２４】
反射プール１０５は、液体状態の減速材を含む。例えば、反射プール１０５は、液体状態のＤ２Ｏ（「重水」）を含む。反射プール１０５は、原子核反応を減速するのに適切な任意の特性を有するべく製造されたＤ２Ｏを含む。例えば、反射プール１０５のＤ２Ｏは、炉グレード重水（純度９９．７５％）である。反射プール１０５はまた、液体状態のＨ２Ｏ（「軽水」）減速材も含む。反射プール１０５は、「熱い減速材」（例えば図２）又は「冷たい減速材」（例えば図１１）を含む。
【００２５】
蒸気エリア１１０は、反射プール１０５と同じ材料の減速材を含む。蒸気エリア１１０は、気体状態にある減速材を含む。炉心１００からの熱が、反射材領域９５の減速材を加熱する結果、減速材が蒸気エリア１１０において気体状態に保持される。蒸気エリア１１０の気体減速材の温度は、反射プール１０５の液体減速材の温度とほぼ同じである。蒸気エリア１１０は、減速材が気体状態まで加熱されている場合、反射材領域９５の実質的に全体を満たす。また、反射プール１０５は、実質的にすべての減速材が液体状態まで冷却されている場合、反射材領域９５の実質的に全体を満たす。境界１１５は反射プール１０５と蒸気エリア１１０とを分離する。
【００２６】
炉心の４つの実施例、炉心１００、炉心１００’、炉心１００ａ、及び炉心１００ｂを以下に述べる。適切な場合はいつでも、各実施例の様々な開示された特徴（例えば、炉心１００ａのための「一の」修飾語を有する参照番号）は、他の実施例の特徴と組み合わせることができる。以下にさらに開示されるように、開示される実施例は、開示される原子炉システムの可能な実施例の広い範囲を示す。例えば、炉心１００、１００’、１００ａ、及び１００ｂが示すのは、開示される原子炉システムが、垂直方向及び水平方向燃料管配列の双方、炉心内の熱い及び冷たい減速材の双方、金属、酸化物、又は塩のような異なる組成にあるウラン、プルトニウム、及びトリウムのような異なる原子核燃料、六角形及び正方形配列のような異なる燃料管配列、異なるタイプの減速材（例えばＤ２Ｏ及びＨ２Ｏ）、異なる一次冷却材（例えば、Ｄ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、及び有機流体のような液体、ナトリウム及び鉛のような溶融金属、溶融塩、並びにヘリウムのような気体）、並びに異なる減速材冷却法（例えば熱交換及び直接流体交換）を含むということである。以下に開示される実施例を考慮することにより、当業者であれば、各実施例の様々な開示の特徴が、適切な場合はいつでも、他の任意の実施例の特徴と組み合わせ得ることがわかる。
【００２７】
炉心の第１実施例として、炉心１００は燃料集合体１２５及び制御キャビティアレイ１３０を含む。制御キャビティアレイ１３０は、減速材及び／又は減速材蒸気の一以上のポケットを燃料集合体１２５に隣接して格納する。燃料管１３５は、角が面取りされた正方形アレイの中に垂直方向に配向される（図４に示される）。減速材及び燃料冷却材は重水（例えばＤ２Ｏ）である。減速材は、一次冷却材（燃料冷却材）の流れの一部からの熱伝導によって冷却される。
【００２８】
燃料集合体１２５は、原子核反応での使用に適切な任意のタイプの原子核燃料である。例えば、燃料集合体１２５は、複数の燃料管１３５内に配置される燃料棒のバンドルを含む。例えば、燃料集合体１２５は、数百の燃料管１３５の一配列を含む。例えば、燃料集合体１２５は、直径約１０．２センチメートル（４インチ）の約１００から約５００の燃料管１３５を含む。各燃料管１３５は、例えば１２の燃料バンドルのような、任意の適切な数の燃料バンドルを含む。各燃料バンドルは、例えば３７の燃料棒のような、任意の適切な数の燃料棒を含む。燃料集合体１２５は、原子核反応に適切な任意の燃料を含む。例えば、天然ウラン、濃縮ウラン、混合酸化物燃料（ＭＯＸ）、プルトニウム、トリウム、並びに／又はこれら及び他の様々な混合物である。例えば、燃料集合体１２５は、混合ウラン／プルトニウム燃料又は混合ウラン／トリウム燃料を含む。
【００２９】
燃料集合体１２５は、垂直方向に配置された燃料管１３５を含む（例えば図２に示される）。燃料集合体１２５は、例えば図４及び５に示される直角アレイのような、任意の適切な構成に配列された燃料管１３５を含む。
【００３０】
図２に戻ると、制御キャビティアレイ１３０は、制御キャビティ１４０の３次元アレイを含む。例えば、制御キャビティ１４０の３次元アレイは、燃料集合体１２５の燃料管１３５に隣接する減速材を閉じ込めるハウジングとして機能する。図２、３、及び７に描かれるように、複数の制御キャビティ１４０は、互いに水平方向に配置されかつ垂直方向に積層される。制御キャビティ１４０は、制御キャビティアレイ１３０内に、垂直方向及び／又は水平方向に互い違いにされる。例えば、垂直方向に互い違いにされた制御キャビティ１４０が図３に描かれている。制御キャビティ１４０は、燃料管１３５に隣接する減速材を閉じ込める任意の適切な構成に配列される。
【００３１】
図２Ａ及び３Ａは、炉１５の配列の異なる図を示す。図２Ａ及び図３Ａは、炉１５の例示的な縮尺どおりの配列の図を与える。
【００３２】
図２及び８に描かれるように、各制御キャビティ１４０は、構造アセンブリ１４５及び錐体アセンブリ１５０を含む。錐体アセンブリ１５０は、減速材を構造アセンブリ１４５内に閉じ込める。構造アセンブリ１４５は、減速材を閉じ込めるハウジングとして機能する。
【００３３】
図２、３、及び７に描かれるように、構造アセンブリ１４５は、一以上の上部材１５５、一以上の側部材１６０、一以上の端部材１６５、及び一以上の中間部材１７０を含む。上部材１５５、側部材１６０、端部材１６５、及び中間部材１７０は、例えばジルコニウム合金のような、減速材を閉じ込めるのに適切な任意の構造材料から形成される。上部材１５５、側部材１６０、端部材１６５、及び中間部材１７０は、  例えば溶接のような任意の適切な方法によって互いに取り付けられる。上部材１５５、側部材１６０、端部材１６５、及び中間部材１７０はまた、互いに一体的に形成される。上部材１５５、側部材１６０、端部材１６５、及び中間部材１７０は、例えば実質的に平坦な及び／又は板状の部材のような、減速材を閉じ込めるのに適切な任意の構造部材である。上部材１５５は、例えば、制御キャビティ１４０の上部に実質的に水平方向に配置された平坦部材であり、実質的に平坦な側部材１６０に取り付けられる。端部材１６５は、上部材１５５及び側部材１６０の端部に取り付けられる。上部材１５５、側部材１６０、及び端部材１６５が取り付けられ、例えば、上部が閉じられかつ底部が開いたキャビティが形成される。したがって、上部材１５５、側部材１６０、及び端部材１６５は、制御キャビティ１４０の上部の中に入り及び制御キャビティ１４０の上部から外へ出る減速材の動きを実質的に防止する一方、制御キャビティ１４０の下部の中に入り及び制御キャビティ１４０の下部から外へ出る減速材の動きを許容する。制御キャビティ１４０の上部は、上部材１５５、側部材１６０の上部、及び端部材１６５の上部を含む。制御キャビティ１４０の下部は、側部材１６０の下部及び端部材１６５の下部を含む。
【００３４】
一以上の中間部材１７０が、側部材１６０と上部材１５５との間に配置されかつ取り付けられる。中間部材１７０は、制御キャビティ１４０に沿って任意の間隔で配置される。中間部材１７０は、制御キャビティ１４０の上部において制御キャビティ１４０を通る減速材の動きを実質的に防止する。端部材１６５及び中間部材１７０は、側部材１６０の高さ未満の高さを有する。例えば、制御キャビティ１４０が垂直方向に積層される場合、所定の制御キャビティ１４０の側部材１６０が、下に配置されたもう一つの制御キャビティ１４０の上部材１５５に取り付けられる。端部材１６５及び中間部材１７０の高さが側部材１６０の高さ未満なので、図７に描かれるように減速材は、間隙１７５及び間隙１８０それぞれを介して端部材１６５及び中間部材１７０の下を自由に動くことができる。したがって、端部材１６５及び中間部材１７０は、制御キャビティ１４０の上部において減速材の動きを阻止するバッフルとして機能し、制御キャビティ１４０の下部において減速材の動きを許容する。間隙１８０によって制御キャビティ１４０の下部を通る減速材の動きが許容され、間隙１７５によって反射材領域９５と制御キャビティ１４０との間の減速材の動きが許容される。減速材は、側部材１６０の下を動くことができない。側部材１６０は、下に配置された制御キャビティ１４０の上部材１５５に取り付けられる。しかしながら、意図されることだが、間隙は、減速材が側部材１６０のいくつか又はすべての下を動くこともできるように、下に配置された制御キャビティ１４０の側部材１６０と上部材１５５との間に設けることもできる。したがって、意図されることだが、減速材は、反射材領域９５と制御キャビティ１４０との間を、側部材１６０の下において自由に動くこともできる。
【００３５】
図３及び７に描かれるように、制御キャビティ１４０は、反射材領域９５と同じ減速材を含む。これは、減速材が、反射材領域９５と制御キャビティ１４０との間を、間隙１７５及び１８０を介して自由に動くことができるからである。制御キャビティ１４０に閉じ込められた減速材が、燃料管１３５からの中性子、ガンマ放射線、及び／又は熱伝導によって加熱されると、制御キャビティ１４０の減速材の一部又はすべてが加熱され、気体領域１８５において気体状態になる。制御キャビティ１４０内の減速材の一部又はすべては、液体領域１９０において液体状態にもなる。気体領域１８５と液体領域１９０とは境界１９５によって分離される。気体領域１８５及び液体領域１９０のサイズは、制御キャビティ１４０ごとに及び単数の制御キャビティ１４０内の異なる中間部材１７０ごとにばらついている。したがって、境界１９５の位置も制御キャビティ１４０ごとに及び単数の制御キャビティ１４０内の異なる中間部材１７０ごとにばらついている。例えば、所定の制御キャビティ１４０は、気体領域１８５及び液体領域１９０の双方、実質的に気体領域１８５のみ、又は実質的に液体領域１９０のみを有する。
【００３６】
燃料管１３５からの中性子、ガンマ放射線、及び／又は熱伝導を介して与えられた熱により、液体領域１９０の液体減速材は、当該減速材の沸点又はそのすぐ下の温度に維持される。例えば、液体領域１９０の減速材は、沸騰直前状態に維持される。液体領域１９０内の減速材が沸騰直前になると、一部の減速材気化して気体領域１８５内に上がる。また、炉冷却材サブシステム２５（例えば以下に述べる）のコンポーネントに近い気体領域１８５内の減速材は凝縮し、制御キャビティ１４０の内表面に沿って液体領域１９０に滴下する。したがって、気体領域１８５のサイズは実質的に一定のままとなり、境界１９５は相対的に静止したままとなる。このとき、燃料管１３５が与える熱量と炉冷却材サブシステム２５が除去する熱量とが実質的に等しい。以下にさらに述べるように、気体領域１８５のサイズ及び境界１９５の位置は、キセノン及びサマリウムが中性子を吸収することに基づいて短期間にわたり（例えば数日の期間にわたり）わずかに変動し、及び、例えば燃料の寿命（例えばバーンアウト）に基づいて長期間にわたり（例えば数年の期間にわたり）著しく変動する。気体領域１８５のサイズ及び境界１９５の位置は、炉冷却材サブシステム２５による冷却速度の変化期間中及びその変化期間の直後にわずかに変動する。
【００３７】
図８に詳細に描かれるように、錐体アセンブリ１５０は、内側錐体アセンブリ２００、外側錐体アセンブリ２０５、及び通路２１０を含む。錐体アセンブリ１５０は、燃料管１３５同士の間に構造的界面を与える。当該界面は、制御キャビティ１４０を通り抜けるので、制御キャビティ１４０内の燃料管１３５からの熱を均一に分散させるのに役立つ。内側錐体アセンブリ２００は燃料管１３５の一部分を取り囲み、外側錐体アセンブリ２０５は内側錐体アセンブリ２００を取り囲み、及び、通路２１０は内側錐体アセンブリ２００と外側錐体アセンブリ２０５との間に配置される。
【００３８】
内側錐体アセンブリ２００は、燃料管１３５の一部を取り囲む錐体２１５を含む。錐体２１５は、例えばジルコニウム合金のような、液体減速材又は蒸気減速材を制御キャビティ１４０内に閉じ込めるのに適切な任意の材料から形成される。錐体２１５は、別個の要素から形成され又は単数の要素として一体的に形成される。錐体２１５はまた、減速材を閉じ込めるのに適切な任意の高さを有する。例えば、錐体２１５は、制御キャビティ１４０の約２倍の高さを有する。錐体２１５は、構造アセンブリ１４５の上部材１５５に形成された開口を通り抜ける。錐体２１５は、各制御キャビティ１４０に配置される。錐体２１５が制御キャビティ１４０の高さよりも高い高さを有するので、錐体２１５は、同じ燃料管１３５を取り囲む他の錐体２１５と重なる。錐体２１５は、燃料管１３５とともに通路２２０を形成する。重なる錐体２１５が互いの間に通路２２５を形成する。通路２２０は、通路２２５の延長である。通路２２０及び２２５は燃料管１３５を取り囲み、例えば円錐形状通路のような、任意の適切な形状をとる。錐体２１５は、錐体２１５の頂部において燃料管１３５に封止される。その結果、通路２２０が行き止まりとなり、通路２２０が当該頂部で封止される。燃料管１３５は通常、減速材の沸点よりも熱いので、通路２２０内の減速材のいずれかが沸騰し、得られた蒸気減速材は液体減速材を強制的に、間隙２５０を介して通路２２０及び２２５の底から外に下ろし、かつ、制御キャビティ１４０の下部の中に入れる。蒸気は液体減速材よりも熱伝導効率が低いので、結果的に通路２２０及び２２５が形成した二重の蒸気間隙及び重なる錐体２１５により、制御キャビティ１４０内の燃料管１３５から減速材への熱伝達が低減される。したがって、錐体２１５は、通路２２０及び２２５内の蒸気減速材の薄層によって燃料管１３５を有効に取り囲み、当該蒸気減速材は反射材領域９５と流体的に連通する。
【００３９】
外側錐体アセンブリ２０５は、内錐体２３５及び外錐体２４０を含む。内錐体２３５及び外錐体２４０は、錐体２１５と同様の材料からなり、燃料管１３５及び錐体２１５を取り囲む。内錐体２３５は、上部材１５５の底表面２４５に取り付けられかつ構造的完全性を目的として内錐体２３５の底において錐体２１５の底に断続的に取り付けられる一方で間隙２３０を依然として残している。間隙２３０は、キャビティ１４０の下部からキャビティ１４０への通路２１０を介した液体減速材の垂直方向上下の流れを許容する。内錐体２３５は、制御キャビティ１４０の高さにわずかに満たない高さを有するので、下に配置された隣接する制御キャビティ１４０の上表面２５５とともに間隙２５０を形成する。外錐体２４０も上部材１５５の底表面２４５に取り付けられ、内錐体２３５の高さに満たない高さを有する。内錐体２３５と外錐体２４０との間にキャビティ２６０が形成される。減速材は、制御キャビティ１４０の液体領域１９０とキャビティ２６０との間を自由に動く。減速材はまた、液体領域１９０と、隣接する燃料管１３５の隣接する外錐体２４０同士の間に配置される部分２７０との間を自由に動く。液体減速材を含む液体領域２７５がキャビティ２６０の中に配置される。燃料管１３５からの高速中性子及びガンマ放射線が制御キャビティ１４０内の減速材を加熱するので、液体領域２７５内の液体減速材が加熱されて蒸気減速材となり、気体領域２８０を形成する。また、燃料管１３５からの高い速度の（例えば高速）中性子及びガンマ放射線が制御キャビティ１４０内の減速材を加熱するので、液体領域１９０内の液体減速材が加熱されて蒸気減速材となり、隣接する外錐体２４０同士の間に配置される部分２７０内に気体領域１８５の一部を形成する。燃料管１３５からの高い速度の（例えば高速）中性子及びガンマ放射線が与える熱量に応じて、キャビティ２６０及び部分２７０は、気体領域２８０及び１８５それぞれによって実質的に完全に満たされるか又は液体領域２７５及び１９０それぞれによって実質的に完全に満たされる。
【００４０】
境界２９０が液体領域２７５と気体領域２８０とを分離し、境界１９５が液体領域１９０と気体領域１８５とを分離する。液体領域２７５、気体領域２８０、及び境界２９０は、上述した液体領域１９０、気体領域１８５、及び境界１９５それぞれと同様の特性を有する。例えば、気体領域２８０及び１８５のサイズは実質的に一定のままであり、境界２９０及び１９５は相対的に静止する。このとき、燃料管１３５からの高い速度の（例えば高速）中性子及びガンマ放射線が与える熱量と、炉冷却材サブシステム２５が除去する熱量とは実質的に等しい。
【００４１】
錐体２１５と内錐体２３５との間に通路２１０が形成される。錐体２１５の底部と内錐体２３５の底部との間に間隙３００が形成される。減速材は、通路２１０と制御キャビティ１４０の下部との間を、間隙２３０と同様の間隙３００を介して自由に動く。したがって、制御キャビティ１４０が反射材領域９５と流体的に連通するので、減速材は、通路２１０と反射材領域９５との間を、制御キャビティ１４０を介して自由に動く。通路２１０は頂部において閉じられていないので、通路２１０は液体減速材で実質的に満たされ、これを通って減速材蒸気の気泡が急速に上昇する。
【００４２】
図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、及び８Ｄは、錐体アセンブリ１５０の代替的な図を示す。
【００４３】
図９、１０、及び１１は、炉１５の第２実施例を示す。本実施例では、炉１５は、反射材領域９５内に配置された炉心１００’を含む。炉心１００’は、燃料集合体１２５’及び制御キャビティアレイ１３０’を含む。制御キャビティアレイ１３０’は、燃料集合体１２５’に隣接する減速材を閉じ込める。この第２実施例では、図１０に示されるように、燃料管１３５’が水平方向に配置され、角が面取りされた正方形アレイの中に配列される。減速材は冷たく、相対的に冷たい減速材を制御キャビティ１４０’内にポンプ輸送することによって冷却される。減速材は重水（Ｄ２Ｏ）であり、一次冷却材の組成は任意の適切な冷却材である。
【００４４】
燃料集合体１２５’は複数の燃料管１３５’を含む。燃料管１３５’は炉心１００の燃料管１３５と同様である。燃料管１３５’は例えば、実質的に水平方向に配置される。
【００４５】
制御キャビティアレイ１３０’は複数の制御キャビティ１４０’を含む。図１０に示される炉心１００’の端面図に描かれるように、制御キャビティ１４０’は、燃料集合体１２５’の燃料管１３５’同士の間に配置される。各制御キャビティ１４０’は構造アセンブリ１４５’内に含まれる。構造アセンブリ１４５’は、燃料集合体１２５’の長さよりも長い管であり、減速材を閉じ込めるハウジングとして機能する制御キャビティ１４０’を格納する。
【００４６】
図９及び１１に描かれるように、構造アセンブリ１４５’は、一以上の上部材１５５’、一以上の端部材１６５’、及び一以上の中間部材１７０’を含む。これらは、制御キャビティ１４０の構造アセンブリ１４５の部材と同様の方法によって取り付けられる。上部材１５５’は例えば、制御キャビティ１４０’の上部を囲む湾曲形状を有する。例えば、上部材１５５’は、制御キャビティ１４０’の上部を囲む半円形状を有する。また、例えば、上部材１５５’は、下部１６０’まで延びる上部材１５５’が制御キャビティ１４０’を完全に囲むべく、下部１６０’とともに実質的に完全な円形状を有する。端部材１６５’が上部材１５５’の端部及び下部１６０’に取り付けられて制御キャビティ１４０’が完全に囲まれる。構造アセンブリ１４５’は、端区画１４２’を含むべく、（燃料管１３５’内に配置される）燃料棒の範囲を超えて延びる。端部材１６５’は、垂直方向直立管１６７’と流体的に連通する通路１６６’を有する。直立管１６７’により、液体減速材が端区画１４２’の頂部近くの位置から流出し、かつ、減速材蒸気が、端区画１４２’及び直立管１６７’間のいずれの方向にも自由に流れることができる。直立管１６７’の下端が減速材貯蔵器１６８’内に導かれる。減速材貯蔵器１６８’は、液体減速材及び減速材蒸気の双方を格納する。上部材１５５’が、例えば半円形状の場合、上部材１５５’及び中間部材１７０’は、上部が閉じかつ底部が開いたキャビティを形成する。したがって、上部材１５５’及び中間部材１７０’は、制御キャビティ１４０’の上部の中に入り及び制御キャビティ１４０’の上部から外へ出る減速材の動きを実質的に防止する一方、制御キャビティ１４０’の下部に対して減速材が自由に出入りする動きを許容する。上部材１５５’が、例えば実質的に完全な円の場合、中間部材１７０’は、下部１６０’を含む上部材１５５’が形成する開いた円断面の上部を覆うのみとなる。したがって、中間部材１７０’と下部１６０’を有する上部材１５５’とが、制御キャビティ１４０’の上部の中に入り及び制御キャビティ１４０’の上部から外へ出る減速材の動きを実質的に防止する一方、制御キャビティ１４０’の下部に対して減速材が自由に出入りする動きを許容する。
【００４７】
一以上の中間部材１７０’は、中間に配置されかつ上部材１５５’の内表面に取り付けられる。中間部材１７０’は、制御キャビティ１４０’に沿って任意の間隔で配置される。中間部材１７０’は、制御キャビティ１４０’の上部において制御キャビティ１４０’を通る減速材の動きを実質的に防止する。中間部材１７０’は、制御キャビティ１４０’の高さに満たない高さを有する。したがって、中間部材１７０’は、制御キャビティ１４０’の上部において減速材の動きを阻止するバッフルとして機能し、制御キャビティ１４０’の下部において減速材の動きを許容する。減速材は、中間部材１７０’の下を動くことにより制御キャビティ１４０’の下部を通って自由に動き、中間部材１７０’の下を動くことにより反射材領域９５、端区画１４２’、及び制御キャビティ１４０’間を動く。
【００４８】
図９及び１１に描かれるように、制御キャビティ１４０’は、端区画１４２’の減速材と同じ減速材を含む。これは、減速材が反射材領域９５と制御キャビティ１４０’との間を動くからである。制御キャビティ１４０’内に閉じ込められた減速材が、燃料管１３５’からの中性子、ガンマ放射線、及び／又は熱伝導によって加熱されると、制御キャビティ１４０’の減速材の一部又はすべてが加熱され、気体領域１８５’において気体状態になる。制御キャビティ１４０内の減速材の一部又はすべては、液体領域１９０’において液体状態にもなる。気体領域１８５’と液体領域１９０’とは境界１９５’によって分離される。気体領域１８５’及び液体領域１９０’のサイズは、制御キャビティ１４０’ごとに及び単数の構造アセンブリ１４５’内の異なる中間部材１７０’ごとにばらついている。したがって、境界１９５’の位置も制御キャビティ１４０’ごとに及び単数の構造アセンブリ１４５’内の異なる中間部材１７０’ごとにばらついている。例えば、所定の制御キャビティ１４０’は、気体領域１８５’及び液体領域１９０’の双方、実質的に気体領域１８５’のみ、又は実質的に液体領域１９０’のみを有する。
【００４９】
液体領域１９０’、気体領域１８５’、及び境界１９５’は、制御キャビティ１４０を参照して上述した液体領域１９０、気体領域１８５、及び境界１９５それぞれと同様の特性を有する。例えば、気体領域１８５’のサイズは実質的に一定のままであり、境界１９５’は相対的に静止する。このとき、燃料管１３５’からの高速中性子、ガンマ放射線、及び熱伝導が与える熱量と、炉冷却材サブシステム２５が除去する熱量とは実質的に等しい。
【００５０】
図１２Ａから１２Ｆは、炉１５の第３代替実施例を示す。本実施例は、垂直方向燃料管の六角形アレイ（例えば図１２Ａ及び６に示される）及び熱い減速材を含む。熱い減速材は、熱い減速材を反射プールから外へポンプ輸送すること、当該熱い減速材を冷却すること、及び当該冷却材を炉冷却材サブシステム２５を介して炉心及び制御キャビティの中にポンプ輸送することによって冷却される。本実施例では（図１２Ｆに示される）、制御キャビティの各アセンブリが、４つの垂直方向燃料管によって画定される空間内に垂直方向に嵌め込まれる。図１２Ｂに示されるように、本実施例は炉心１００ａを含む。
【００５１】
炉心１００ａは、燃料集合体１２５と同様の燃料集合体１２５ａ、及び制御キャビティアレイ１３０ａを含む。制御キャビティアレイ１３０ａは、燃料集合体１２５ａに隣接する減速材及び／又は減速材蒸気のポケットを格納する。本実施例では、以下に十分に述べるように、減速材冷却材管３３５ａは、その側部に配置され、かつ、減速材冷却材管３３５ａの長さに沿って延びる小孔３３７を有する。制御キャビティ１４０ａは、減速材冷却材管３３５ａから噴霧される相対的に冷たい減速材の微細な霧によって冷却される。
【００５２】
制御キャビティアレイ１３０ａは、制御キャビティ１４０ａの３次元アレイを含む。例えば、制御キャビティ１４０ａの３次元アレイは、燃料集合体１２５ａの燃料管１３５ａに隣接する減速材のポケットを区画化及び／又は画定するハウジングとして機能する。図１２Ａから１２Ｆに描かれるように、複数の制御キャビティ１４０ａは、垂直方向スタック内に配置される。当該スタックは、互いに水平方向に配置されかつ垂直方向に積層される。図１２Ｅに描かれるように、制御キャビティ１４０ａは、制御キャビティアレイ１３０ａ内に、垂直方向に互い違いにされる。制御キャビティ１４０ａは、燃料管１３５ａに隣接する減速材及び／又は減速材蒸気のポケットを画定するのに適切な任意の構成に配列される。
【００５３】
図１２Ｃから１２Ｆに描かれるように、各制御キャビティ１４０ａは、減速材冷却材管３３５ａ、ほぼ錐体状の上部材１５５ａ、及び側部材１６０ａを含む。示されるように、側部材１６０ａは、燃料管１３５ａのための凹んだ角１６１ａ又は正方形燃料管アレイのためのほぼ正方形（図示せず）を備えるほぼ台形状（例えば、示される六角形燃料管アレイにおける）である。上部材１５５ａは、間隙なく側部材１６０ａ及び減速材冷却材管３３５ａに接合され、燃料管１３５ａに隣接する減速材及び／又は減速材蒸気のポケットを画定する。減速材は、制御キャビティ１４０ａの開いた底を介して、かつ、所定側部材１６０ａの底と下方のキャビティの側部材１６０ａの頂部との間の間隙１６２ａを通って、自由に動いて制御キャビティ１４０ａの中に入り又は制御キャビティ１４０ａから外へ出る。
【００５４】
上部材１５５ａ、側部材１６０ａ、及び減速材冷却材管３３５ａは、例えばジルコニウム合金のような、減速材の動きを配向させ及び／又は減速材を閉じ込めるのに適切な任意の構造材料から形成される。上部材１５５ａ、側部材１６０ａ、及び減速材冷却材管３３５ａは、例えば溶接のような任意の適切な方法によって互いに取り付けられる。上部材１５５ａ、側部材１６０ａ、及び減速材冷却材管３３５ａはまた、互いに一体に形成される。上部材１５５ａ、側部材１６０ａ、及び減速材冷却材管３３５ａが取り付けられ、例えば、上部が閉じられかつ底部が開いたキャビティが形成される。したがって、上部材１５５ａ、側部材１６０ａ、及び減速材冷却材管３３５ａは、制御キャビティ１４０ａの上部の中に入り及び制御キャビティ１４０ａの上部から外へ出る減速材の動きを実質的に防止する一方、制御キャビティ１４０ａの下部の中に入り及び制御キャビティ１４０ａの下部から外へ出る減速材の自由な動きを許容する。制御キャビティ１４０ａの上部は、上部材１５５ａ、側部材１６０ａの上部、及び減速材冷却材管３３５ａの部分を含む。制御キャビティ１４０ａの下部は、側部材１６０ａの下部、及び減速材冷却材管３３５ａの部分を含む。
【００５５】
間隙１６２ａによって、直接的に、又は隣接する水平方向配置制御キャビティ１４０ａ同士の間若しくは制御キャビティ１４０ａと燃料管１３５ａとの間に形成された間隙１８２ａを介して、反射材領域９５と制御キャビティ１４０ａとの間の減速材の動きが許容される。
【００５６】
図１２Ｂ及び１２Ｅに描かれるように、制御キャビティ１４０ａは、反射材領域９５と同じ減速材を含む。これは、減速材が、反射材領域９５と制御キャビティ１４０ａとの間を、間隙１６２ａ及び１８２ａを介して自由に動くことができるからである。制御キャビティ１４０ａに閉じ込められた減速材が、燃料管１３５ａから放出された中性子及びガンマ放射線によって加熱されると、制御キャビティ１４０ａの減速材の一部又はすべてが加熱され、気体領域１８５ａにおいて気体状態となる。制御キャビティ１４０ａにおける減速材の一部又は、液体領域１９０ａにおいて液体状態にもなる。気体領域１８５ａと液体領域１９０ａとは境界１９５ａによって分離される。気体領域１８５ａ及び液体領域１９０ａのサイズは、異なる制御キャビティ１４０ａごとに及び炉１５動作中の異なる時刻での各制御キャビティ１４０ａ内においてばらついている。
【００５７】
したがって、境界１９５ａの位置も制御キャビティ１４０ａごとにばらついている。例えば、所定の制御キャビティ１４０ａは、気体領域１８５ａ及び液体領域１９０ａの双方、実質的には気体領域１８５ａのみ、又は実質的に液体領域１９０ａのみを有する。
【００５８】
燃料管１３５ａからの中性子、ガンマ放射線、及び／又は熱伝導を介して与えられた熱により、液体領域１９０ａの減速材は、当該減速材の沸点直近の温度に維持される。例えば、液体領域１９０ａの減速材は、沸騰直前状態に維持される。液体領域１９０ａ内の減速材が沸騰直前になると、一部の減速材が気化して気体領域１８５ａ内に上がる。減速材冷却材管３３５ａの小孔３３７ａを通って制御キャビティ１４０ａ内に向かう相対的に冷たい減速材との混合によって、液体領域１９０ａ内の減速材が冷却される。また、気体領域１８５ａ内の減速材は、減速材冷却材管３３５ａの小孔３３７ａを通り抜ける微細な相対的に冷たい噴霧の液滴まわりに凝縮し、又は、制御キャビティ１４０ａの内表面及び／又は減速材冷却材管３３５ａの外表面に沿って液体領域１９０ａに滴下する。したがって、気体領域１８５ａのサイズは実質的に一定のままであり、境界１９５ａは相対的に静止する。このとき、燃料管１３５ａからの中性子及びガンマ放射線が与える熱量と、炉冷却材サブシステム２５が除去する熱量とは実質的に等しい。以下にさらに述べるように、気体領域１８５ａのサイズ及び境界１９５ａの位置は、燃料のキセノン及びサマリウム負荷に基づいて短期間にわたり（例えば数日の期間にわたり）わずかに変動し、及び、例えば燃料の寿命（又はバーンアウト）に基づいて長期間にわたり（例えば数年の期間にわたり）著しく変動する。気体領域１８５ａのサイズ及び境界１９５ａの位置は、炉冷却材サブシステム２５による冷却速度の変化期間中及びその変化期間の直後にわずかに変動する。
【００５９】
図１２Ｅに描かれるように、制御キャビティ１４０ａは、減速材冷却材管３３５ａを通り、かつ、減速材冷却材管３３５ａの側部に配置される一以上の孔３３７を通って制御キャビティ１４０ａ内に入る、冷たい減速材の動きによって冷却される。孔３３７ａは、例えばサイズが小さな孔のような、減速材の動きに適切な任意のサイズである。その後、実質的に等しい体積の温かい減速材が、制御キャビティ１４０ａから外へ出て、制御キャビティ１４０ａの下部にある間隙１６２ａを介して反射材領域９５の中に入る。
【００６０】
図１２Ｃ及び１２Ｄに描かれるように、反射材領域９５の下部は、減速材冷却材管３３５ａの下端にあるキャップに配置された一以上の小孔３３８ａを通る、減速材冷却材管３３５ａからの冷たい減速材の動きによって冷却される。
【００６１】
図１２Ｇは、炉心１００ａの制御キャビティ１４０ａ配列の斜視図を与える。意図されることだが、炉１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂの様々な開示の要素が互いに組み合わされて使用される。
【００６２】
図１２Ｈから１２Ｍは、垂直方向燃料管のアレイ及び熱い減速材を含む第４実施例を描く。熱い減速材は、熱い減速材を反射プール１０５及び制御キャビティアレイ１３０ｂから外へポンプ輸送すること、当該熱い減速材を冷却すること、及び当該冷えた減速材を制御キャビティアレイ１３０ｂ及び反射プール１０５の中にポンプ輸送することによって冷却される。本実施例では、制御キャビティの各アセンブリは、単数の垂直方向燃料管を囲む制御キャビティの環状スタックである。図１２Ｈに示されるように、本実施例は炉心１００ｂを含む。
【００６３】
炉心１００ｂは、燃料集合体１２５と同様の燃料集合体１２５ｂ、及び制御キャビティアレイ１３０ｂを含む。制御キャビティアレイ１３０ｂの制御キャビティ１４０ｂは、減速材及び／又は減速材蒸気のポケットを燃料集合体１２５ｂに隣接して格納する。
【００６４】
燃料集合体１２５ｂは、原子核反応での使用に適切な任意のタイプの原子核燃料である。例えば、図１２Ｊに示されるように、燃料集合体１２５ｂは、複数の燃料管１３５ｂ内に配置される燃料棒１２７ｂのバンドルを含む。例えば、燃料集合体１２５ｂは、数十から数百の燃料管１３５ｂの配列を含む。例えば、燃料集合体１２５ｂは、直径７．６センチメートル（３インチ）から約４５．７センチメートル（１８インチ）の、約１９から約５００の燃料管１３５ｂを含む。各燃料管１３５ｂは、相対的に長い燃料棒１２７ｂの単数の燃料バンドル、又は、例えば相対的に短い燃料棒１２７ｂの１２の燃料バンドルのような、任意の適切な数の燃料バンドルを含む。各燃料バンドルは、例えば３７の燃料棒のような、約１９から約１２３１の燃料棒である任意の適切な数の燃料棒１２７ｂを含む。燃料集合体１２５ｂは、例えば天然ウラン、濃縮ウラン、プルトニウム、又はトリウムの各個又は様々な組み合わせのような、原子核反応に適切な任意の燃料を含む。燃料棒１２７ｂは、被覆管（例えばジルコニウム合金管）内にある鋳造金属燃料又は燃料の棒若しくは燃料酸化物ペレットである。例えば、燃料集合体１２５ｂは、混合ウラン／プルトニウム燃料、又は使用済み軽水炉燃料及びトリウムの混合燃料を含む。燃料管１３５ｂはまた、例えば球又はペブルのような棒以外の形態の燃料も格納する。燃料管１３５ｂはまた溶融塩も格納する。塩の金属イオンは燃料のイオンであり、溶融塩は燃料及び冷却材の双方として機能する。
【００６５】
各燃料管１３５ｂは、燃料のほかに一次冷却材も格納する。一次冷却材は、例えば重水、軽水、適切な液体金属（例えば鉛又はナトリウム）、適切な溶融塩、適切な有機流体、及び／又は適切な気体（例えばヘリウム）のような、適切な流体状態にある任意の材料を含む。
【００６６】
燃料集合体１２５ｂは、垂直方向に配置された（例えば図２に示される）燃料管１３５ｂを含む。燃料集合体１２５ｂは、例えば図４及び５に示される直角アレイのような、任意の適切な構成に配列された燃料管１３５ｂを含む。燃料集合体１２５ｂはまた、例えば、図６に示される六角形アレイに配列された燃料管１３５ｂも含む。燃料管１３５ｂは例えば、実質的に垂直方向に配置される。
【００６７】
図１２Ｈから１２Ｍに戻ると、制御キャビティアレイ１３０ｂは、制御キャビティ１４０ｂの３次元アレイを含む。例えば、制御キャビティ１４０ｂの３次元アレイは、燃料集合体１２５ｂの燃料管１３５ｂに隣接する減速材のポケットを区画化及び／又は画定するハウジングとして機能する。図１２Ｈから１２Ｍに描かれるように、複数の制御キャビティ１４０ｂは、垂直方向スタック内に配置される。当該スタックは、互いに水平方向に配置されかつ垂直方向に積層される。制御キャビティ１４０ｂは、制御キャビティアレイ１３０ｂ内に、垂直方向に互い違いにされる。制御キャビティ１４０ｂは、燃料管１３５ｂに隣接する減速材及び／又は減速材蒸気のポケットを画定する任意の適切な構成に配列される。
【００６８】
図１２Ｊから１２Ｍに描かれるように、各制御キャビティ１４０ｂは、減速材冷却材流入管３３５ｂ、減速材流出管３３７ｂ、傾斜上部材１５５ｂ、並びに側部材１６０ｂ及び１６２ｂを含む。図１２Ｌに描かれるように、側部材１６０ｂは例えば、六角形燃料管アレイのためのほぼ円形若しくはほぼ六角形、又は正方形燃料管アレイのためのほぼ正方形である。上部材１５５ｂは、間隙なく側部材１６０ｂ及び１６２ｂ、減速材冷却材流入管３３５ｂ、並びに／又は減速材流出管３３７ｂに接合され、燃料管１３５ｂに隣接する減速材及び／又は減速材蒸気のポケットを画定する。減速材は、制御キャビティ１４０ｂと減速材冷却材流出管３３７ｂとの間を、各制御キャビティ１４０ｂの下部に配置される孔３３８ｂを介して自由に動く。
【００６９】
上部材１５５ｂ、側部材１６０ｂ及び１６２ｂ、並びに管３３５ｂ及び３３７ｂは、例えばジルコニウム合金のような、減速材の動きを配向させ又は減速材を閉じ込めるのに適切な任意の構造材料から形成される。上部材１５５ｂ、側部材１６０ｂ及び１６２ｂ、並びに管３３５ｂ及び３３７ｂは、例えば溶接のような任意の適切な方法によって互いに取り付けられる。上部材１５５ｂ、側部材１６０ｂ及び１６２ｂ、並びに管３３５ｂ及び３３７ｂはまた、互いに一体的に形成される。上部材１５５ｂ、側部材１６０ｂ及び１６２ｂ、並びに管３３５ｂ及び３３７ｂが取り付けられ、例えば、上部が閉じられかつ底部が開いたキャビティが形成される。したがって、上部材１５５ｂ、側部材１６０ｂ及び１６２ｂ、並びに管３３５ｂ及び３３７ｂは、制御キャビティ１４０ｂの上部の中に入り及び制御キャビティ１４０ｂの上部から外へ出る減速材の動きを実質的に防止する一方、制御キャビティ１４０ｂの下部の中に入り及び制御キャビティ１４０ｂの下部から外へ出る減速材の自由な動きを許容する。制御キャビティ１４０ｂの上部は、上部材１５５ｂ、側部材１６０ｂ及び１６２ｂの上部、並びに管３３５ｂ及び３３７ｂの部分を含む。制御キャビティ１４０ｂの下部は、側部材１６０ｂ及び１６２ｂの下部並びに管３３５ｂ及び３３７ｂの部分を含む。孔３３８ｂ及び減速材流出管３３７ｂによって、反射材領域９５と制御キャビティ１４０ｂとの間の減速材の動きが許容される。減速材冷却材流入管３３５ｂは、その頂部が（例えば、図１２Ｋに示される所定燃料管１３５ｂに関連づけられた最上部の制御キャビティ１４０ｂにおいて）封止される。間隙１８０ｂが、制御キャビティ１４０ｂと燃料管１３５ｂとの間に配置され、不活性気体又は他の適切な材料で満たされる。間隙１８０ｂは、当該材料を格納するべく又は対流循環を低減するべく頂部及び／又は底部が閉じられる。
【００７０】
図１２Ｉ及び１２Ｌに描かれるように、制御キャビティ１４０ｂは、反射材領域９５と実質的に同じ減速材を含む。これは、減速材が反射材領域９５と制御キャビティ１４０ｂとの間を、減速材流出管３３７ｂ及び孔３３８ｂを介して動くからである。制御キャビティ１４０ｂに閉じ込められた減速材が、燃料管１３５ｂから放出された中性子及びガンマ放射線によって並びに燃料管１３５ｂからの熱伝導によって加熱されると、制御キャビティ１４０ｂ内の減速材の一部又はすべてが加熱され、気体領域１８５ｂにおいて気体状態になる。制御キャビティ１４０ｂ内の減速材の一部又はすべては、液体領域１９０ｂにおいて液体状態にもなる。気体領域１８５ｂと液体領域１９０ｂとは境界１９５ｂによって分離される。気体領域１８５ｂ及び液体領域１９０ｂのサイズは、異なる制御キャビティ１４０ｂごとにばらついている。したがって、境界１９５ｂの位置も制御キャビティ１４０ｂごとにばらついている。例えば、所定の制御キャビティ１４０ｂは、気体領域１８５ｂ及び液体領域１９０ｂの双方、実質的に気体領域１８５ｂのみ、又は実質的に液体領域１９０ｂのみを有する。
【００７１】
燃料管１３５ｂからの中性子、ガンマ放射線、及び／又は熱伝導を介して与えられた熱により、液体領域１９０ｂの液体減速材は、当該減速材の沸点直近の温度に維持される。例えば、液体領域１９０ｂの減速材は、沸騰直前状態に維持される。液体領域１９０ｂ内の減速材が沸騰直前になると、一部の減速材気化して気体領域１８５ｂ内に上がる。また、減速材冷却材流入管３３５ｂに近い気体領域１８５ｂ内の減速材又は減速材冷却材流入管３３５ｂから孔３３６ｂを介して中に噴霧される冷たい減速材を有する気体領域１８５ｂ内の減速材は、凝縮して制御キャビティ１４０ｂの液体領域１９０ｂに滴下する。孔３３６ｂは、例えばサイズが小さな孔のような、減速材の動きに適切な任意のサイズである。したがって、気体領域１８５ｂのサイズは実質的に一定のままとなり、境界１９５ｂは相対的に静止したままとなる。このとき、燃料管１３５ｂが（例えば、熱伝達、中性子減速、及び／又はガンマ放射線によって）各制御キャビティ１４０ｂに与える熱量と、冷たい減速材の流入によって除去される熱量とが実質的に等しい。以下にさらに述べるように、気体領域１８５ｂのサイズ及び境界１９５ｂの位置は、燃料のキセノン及びサマリウム負荷に基づいて短期間にわたり（例えば数時間又は数日の期間にわたり）わずかに変動し、及び、例えば燃料の寿命（例えばバーンアウト）に基づいて長期間にわたり（例えば数年の期間にわたり）著しく変動する。気体領域１８５ｂのサイズ及び境界１９５ｂの位置は、炉冷却材サブシステム２５による冷却速度の変化期間中及びその変化期間の直後にわずかに変動する。
【００７２】
図１２Ｊに示されるように、制御キャビティ１４０ｂは、減速材冷却材流入管３３５ｂを通り、かつ、減速材冷却材流入管３３５ｂの側部にある孔３３６ｂを通って制御キャビティ１４０ｂ内に入る、冷たい減速材の動きによって冷却される。実質的に等しい体積の温かい減速材が、制御キャビティ１４０ｂから外へ出て反射材領域９５の中に、並びに、孔３３８ｂ及び減速材流出管３３７を介して炉冷却材サブシステム２５へ動く。
【００７３】
図１２Ｉ、１２Ｊ、及び１２Ｋに描かれるように、反射材領域９５の下部は、減速材冷却材流入管３３５ｂの下部にある孔３３６ｂを通る減速材冷却材流入管３３５ｂからの冷えた減速材の流れによって冷却される。過剰な減速材は、減速材冷却材流出管３３７ｂを介して減速材冷却材サブシステム３１５（以下に述べる）へ流れる。
【００７４】
図１２Ｉ、１２Ｊ、及び１２Ｋに描かれるように、反射材領域９５及び制御キャビティアレイ１３０ｂの上部は、境界１１５において生じる気化によって冷却される。気化中、過剰な蒸気減速材が、移送管３２３ｂを介して減速材冷却材サブシステム３１５（以下に述べる）内に移動する。
【００７５】
図１２Ｎに描かれるように、未加圧水（Ｈ２Ｏ）を格納するタンク３７７ｂは、複数の減速材熱交換管３９０ｂを含む。減速材熱交換管３９０ｂは、減速材冷却材管３２７ｂに流体的に接続される。減速材熱交換管３９０ｂは、タンク３７７ｂ内に格納された未加圧水（Ｈ２Ｏ）を通り抜け、通路３５５ｂを介して減速材冷却材ポンプ３５０ｂに流体的に接続される。通路３２２ｂは、減速材冷却材ポンプ３５０ｂを減速材冷却材流入管３３５ｂに流体的に接続する。減速材冷却材流入管３３５ｂは制御キャビティアレイ１３０ｂ内に配置される。蒸気圧力制御弁３８０ｂが、蒸気移送管３２３ｂ内の圧力が所望圧力を超過する場合、蒸気減速材の一部のが蒸気移送管３２３ｂから複数の蒸気熱交換管３８５ｂへ通過することを許容する。蒸気熱交換管３８５ｂ内の減速材蒸気は、蒸気熱交換管３８５ｂの内壁で凝縮し、又は、蒸気熱交換管３８５ｂの底部から外へ漏れて減速材熱交換管３９０ｂ内の冷たい減速材中で凝縮する。
【００７６】
タンク３７７ｂは、温度が水（Ｈ２Ｏ）の沸点を超えないように未加圧水（Ｈ２Ｏ）で実質的に満たされる任意の適切なタンクである。通常動作時、タンク３７７ｂは、任意の適切な方法によって水（Ｈ２Ｏ）の沸点直下まで冷却される。炉１５への出力が中断される状況又は他の、通常冷却が異常な動作をする状況では、タンク３７７ｂは、タンク３７７ｂ内に配置された水（Ｈ２Ｏ）の表面からの気化によって冷却される。
【００７７】
図１３に示されるように、炉冷却材サブシステム２５は、移送サブシステム３０５、燃料冷却材サブシステム３１０、及び減速材冷却材サブシステム３１５を含む。移送サブシステム３０５は、熱交換器２０と炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂとの間で炉冷却材を移送する。燃料冷却材サブシステム３１０は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び１３５ｂからの熱交換を促し、減速材冷却材サブシステム３１５は、制御キャビティ１４０’、１４０ａ、１４０ｂ、及び反射材領域９５からの熱交換を促す。
【００７８】
炉冷却材サブシステム２５の炉冷却材は、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂからの熱交換を促すのに適切な任意の流体材料である。例えば、炉冷却材は、Ｄ２Ｏ（「重水」）、Ｈ２Ｏ（「軽水」）、溶融金属若しくは塩、又は気体を含む。同様の冷却材が燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５に対して使用され、又は、異なる冷却材が燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５に使用される。
【００７９】
移送サブシステム３０５は、コールド炉冷却材通路３２０及びホット炉冷却材通路３２５を含む。通路３２０及び３２５は、例えば鋼及び／又はジルコニウム合金のような、炉冷却材の移送に適切な任意の材料から形成される。燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５の双方のために同じ通路３２０及び通路３２５が炉冷却材を移送し（例えば第１実施例のように）、又は、燃料冷却材サブシステム３１０のために別個の通路３２０及び３２５が、並びに減速材冷却材サブシステム３１５のために通路３２２ａ、３２７ａ、３２２ｂ、３２７ｂ、及び同様の炉心１００’内の通路が設けられる（図示せず）。コールド炉冷却材通路３２０は、冷たい炉冷却材を熱交換器２０から炉１５へ移送する。冷たい炉冷却材は、液体状態にあり、かつ、炉１５からの熱交換を促すのに適切な温度にある。
【００８０】
図２に戻ると、例えば、コールド炉冷却材通路３２０は、格納構造体８５の開口を通り抜けて反射材領域９５内に入る。コールド炉冷却材通路３２０は、反射材領域９５の内側にある燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５の通路と連通するので、熱交換用の冷たい炉冷却材を燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５に供給する。ホット炉冷却材通路３２５は、燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５と流体的に連通し、燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５から熱い炉冷却材（例えば、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内において炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを通り抜けたことにより、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂとの熱交換を促す炉冷却材）を受け入れる。ホット炉冷却材通路３２５は、熱い炉冷却材を炉１５から移送して熱交換器２０に戻す。
【００８１】
例えば図３に示されるように、燃料冷却材サブシステム３１０は複数の通路３３０を含む。通路３３０は、移送サブシステム３０５の冷たい炉通路３２０及びホット炉冷却材通路３２５と流体的に連通する。冷たい炉冷却材は、冷たい炉通路３２０から通路３３０へ流れる。通路３３０は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂへ及びこれらから導かれるように配置される。冷たい炉冷却材は通路３３０を通り抜けることによって燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂを通り抜け、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂとの熱交換が促される。冷たい炉冷却材は、管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内に配置された燃料によって加熱され、かつ、通路３３０を介して燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び１３５ｂから外へ移送される。通路３３０はその後、熱い炉冷却材を、移送サブシステム３０５のホット炉冷却材通路３２５に移送する。熱い炉冷却材は、実質的に完全に液体状態にあり、部分的に液体状態かつ部分的に気体状態にあり、又は、実質的に完全に気体状態にある。
【００８２】
例えば図２に示されるように、減速材冷却材サブシステム３１５は複数の通路３３５を含む。通路３３５は、移送サブシステム３０５の、コールド炉冷却材通路３２０及びホット炉冷却材通路３２５と流体的に連通する。冷たい炉冷却材は、コールド炉冷却材通路３２０から通路３３５及び３３０へ流れる。冷たい炉冷却材は液体状態にある。通路３３５は制御キャビティ１４０内に配置される。冷たい炉冷却材は通路３３５を通り抜けることによって制御キャビティ１４０を通り抜け、制御キャビティ１４０との熱交換が促される。冷たい炉冷却材は、制御キャビティ１４０内に閉じ込められた減速材によって加熱されて温かい炉冷却材になり、通路３３５を介して制御キャビティ１４０から外へ移送される。開示の制御キャビティの通路３３５によって行われる熱交換と同様に、通路３３０は、冷たい炉冷却材を、コールド炉冷却材通路３２０から反射プール１０５を通して移送する。また、意図されることだが、冷たい炉冷却材は、反射プール１０５の減速材によって加熱されて温かい炉冷却材になる。通路３３５及び３３０はその後、温かい炉冷却材を、燃料管１３５の下部へ燃料管１３５（ここで燃料により加熱されて熱い炉冷却材になる）を通して移送し、その後、移送サブシステム３０５のホット炉冷却材通路３２５へと移送する。熱い炉冷却材は、実質的に完全に液体状態にあり、又は部分的に液体状態かつ部分的に気体状態にある。
【００８３】
図１４は、通路３３５の例示的詳細図を示す。通路３３５は、制御キャビティ１４０からの熱交換を促すべく制御キャビティ１４０を通り抜ける。通路３３５は、移送サブシステム３０５の、コールド炉冷却材通路３２０及び／又はホット炉冷却材通路３２５に直接的に又は中間通路３４５を介して接続される。通路３３５は、入口部材３５０、内部材３５５、外部材３６０、及び出口部材３６５を含む。入口部材３５０は、中間通路３４５を内部材３５５に流体的に接続する。内部材３５５は、外部材３６０の内部に配置される。例えば、内部材３５５及び外部材３６０は、同心管配列である。出口部材３６５は、外部材３６０を中間通路３４５に流体的に接続する。入口部材３５０は、出口部材３６５の壁にある開口を通り抜け、一部が出口部材３６５内に配置される。内部材３５５は、開放される端部分３７０を有する。複数の開口３７５が、内部材３５５の壁を貫通して形成される。開口３７５は、内部材３５５の端部分３７０に向かう移動方向においてサイズが増加し、かつ、開口３７５同士の間の間隔が減少する。炉冷却材は、入口部材３５０から流れて内部材３５５のチャネル３８０を通る。内部材３５５の開放端部分３７０に到達するまでに、一部の炉冷却材が開口３７５を通り抜けてチャネル３８５内に入る。開口３７５のサイズ及び頻度が、端部分３７０に向かう移動方向において増加し、チャネル３８０及び３８５間の炉冷却材の混合が、端部分３７０に向かう移動方向において増加する。チャネル３８５は、内部材３５５と外部材３６０との間に形成され、かつ、環状チャネルである。開口３７５及び／又は開放端部分３７０を通り抜けた後、炉冷却材は、チャネル３８５を通って流れ、出口部材３６５を介して中間通路３４５の中に入る。チャネル３８５に配置された炉冷却材は、制御キャビティ１４０内の温かい減速材からの、外部材３６０の壁を通しての熱伝導によって加熱される。一部の相対的に冷たい冷却材が、開口３７５を介してチャネル３８０からチャネル３８５へ流れることができるので、チャネル３８５内の冷却材の温度は、その長さに沿って相対的に一定となる。熱伝達を促すべく伝熱フィン（図示せず）が、外部材３６０の内及び／又は外表面に付加される。
【００８４】
図１３に戻ると、ポンプサブシステム３０は、冷却材ポンプ３９０、Ｈ２Ｏポンプ３９５、及びモータ４００を含む。モータ４００は、冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５を駆動する。
【００８５】
冷却材ポンプ３９０は、移送サブシステム３０５内の炉冷却材の流れを加圧するのに適切な任意のタイプのポンプである。例えば、冷却材ポンプ３９０は、ロータリータイプのポンプ、往復タイプのポンプ、又はリニアタイプのポンプのような容積移送式ポンプである。また、例えば、冷却材ポンプ３９０は、蒸気ポンプ、衝撃ポンプ、液圧ラムポンプ、又は遠心ポンプである。冷却材ポンプ３９０は、コールド炉冷却材通路３２０内にある炉冷却材の流れを加圧して熱交換器２０から炉１５に輸送し、かつ、ホット炉冷却材通路３２５内にある炉冷却材を炉１５から熱交換器２０に戻す。冷却材ポンプ３９０が、燃料冷却材サブシステム３１０及び減速材冷却材サブシステム３１５の双方に対し、移送サブシステム３０５内にある同じ炉冷却材を加圧し、又は、一以上の冷却材ポンプ３９０が別個に、燃料冷却材サブシステム３１０のための炉冷却材及び減速材冷却材サブシステム３１５のための冷たい減速材を加圧する。
【００８６】
Ｈ２Ｏポンプ３９５は、冷却材ポンプ３９０と同様のタイプであり、タービン蒸気サブシステム６５内の水（Ｈ２Ｏ）及び蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを加圧する。Ｈ２Ｏポンプ３９５は、熱交換器２０からタービン４５への通路７０内の熱い蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れ、タービン４５からタービン冷却サブシステム６０への通路７５内の余剰又は死蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れ、及びタービン冷却サブシステム６０から熱交換器２０への通路８０内の水（Ｈ２Ｏ）の流れを加圧する。
【００８７】
モータ４００は、例えば、定容量又は可変容量型モータ、斜軸タイプ液圧モータ、リニア液圧モータ、液圧シリンダ、又は電気モータのような、冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５を駆動するのに適切な任意のタイプのモータである。モータ４００は、例えば一以上の機械的シャフト４０５のような、任意の適切な態様で冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５を駆動する。例えば、モータ４００は、単数の機械的シャフト４０５を介して冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５の双方を駆動する。機械的シャフト４０５は、モータ４００が冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５を駆動するときの急激な流れ変化を緩和するべく動作するフライホイールを含む。モータ４００はまた、冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５を別個に駆動する。また、意図されることだが、モータ４００は、例えば液圧式のような、他の適切な方法によってポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５を駆動することもできる。モータ４００は、原子炉システム５がフル出力で動作している場合に最適化されたレベルで冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５の双方を駆動するべく構成される。モータ４００は、モータ４００が動作をシャットダウン又は停止し、かつ、冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５の双方とも同時にシャットダウンしても、冷却材ポンプ３９０及びＨ２Ｏポンプ３９５の双方を駆動することができる。また、意図されることだが、各ポンプは別個のモータも有し得る。
【００８８】
図１６から１８に示されるように、補助冷却材サブシステム３５は、対流ループサブシステム４１０及び補助熱交換サブシステム４１５を含む。対流ループサブシステム４１０及び補助熱交換サブシステム４１５は、炉１５からの熱交換を促す補助システムを与える。
【００８９】
図１６に示されるように、対流ループサブシステム４１０は、分岐点４２５、通路４３０、通路４３５、複数の通路４４０及び４４５、合流部４５０、分岐点４５５、弁４６０、並びに弁４６５を含む。分岐点４２５、通路４３０、通路４３５、複数の通路４４０及び４４５、合流部４５０、及び分岐点４５５は、炉冷却材を移送するのに適切な任意の材料から形成され、かつ、補助炉冷却材経路を与えるべく流体的に連通する。分岐点４２５は、通路４３０の入口において圧力Ａを維持するべく構成される。ホット炉冷却材通路３２５を通って流れる炉冷却材部分は、分岐点４２５で通路４３０内に流れる。通路４３０は、炉冷却材の流れを下方すなわち反射材領域９５の境界１１５の下に案内することによって、反射プール１０５の頂部表面の下に流れを案内する。炉冷却材は、通路４３０から流れ出て通路４３５を上方に通り、その後、複数の通路４４０を介して格納構造体８５及び圧力容器９０に向かう。複数の通路４４０は、複数の通路４４５と流体的に連通する。複数の通路４４０及び４４５は、通路４３０及び４３５よりも小さなサイズとされ、かつ、例えば複数の小管とされる。複数の通路４４５は、圧力容器９０との良好な熱交換を得るべく圧力容器９０の表面に隣接して配置される。例えば、複数の通路４４５は圧力容器９０に溶接される。複数の通路４４５は、炉冷却材を圧力容器９０に沿って下方に向かわせ、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂの底の近く又は下にある位置まで移送する。
【００９０】
複数の通路４４５は、当該複数の通路４４５よりも大きい一以上の合流部４５０に流体的に接続されかつ合流する。例えば、いくつかの通路４４５が、複数の大きな合流部４５０のそれぞれに合流する。一以上の合流部４５０は、コールド炉冷却材通路３２０に分岐点４５５において流体的に接続される。分岐点４５５は、一以上の合流部４５０の出口において圧力Ｂを維持するべく構成される。その結果、冷却材ポンプ３９０がフル出力動作のための冷却材流量を与えている場合、分岐点４２５と分岐点４５５との間を、通路４３０、４３５、４４０、４４５、及び合流部４５０を介して通過する冷却材が相対的に少なくなるように、通路４３０の圧力Ａと圧力Ｂとのバランスがとられる。ポンプ３９０が動作しておらず炉心１００が依然として発熱している場合、燃料管１３５内の熱い冷却材が上昇して通路４３０内に流れる。通路３２５がポンプ３９０によって実質的に遮断されるからである。熱い冷却材は引き続き、通路４３５及び４４０を通って複数の通路４４５に入る。通路４４５では、冷却材が、反射材領域９５及び圧力容器９０に熱を伝達して冷却されるので密度が高くなる。この相対的に高密度の減速材は、通路４４５及び分岐点４５５を通って下降し、燃料管１３５内の相対的に熱い減速材を変位させる。その結果、燃料管１３５を冷却する対流回路が形成される。
【００９１】
炉冷却材サブシステム２５の流れの中断及び／又は炉１５外の冷却材喪失の場合に対流ループサブシステム４１０内の炉冷却材の流れを隔離するべく、弁４６０及び４６５が設けられる。弁４６０は、コールド炉冷却材通路３２０に配置され、かつ、炉１５から外へ出る炉冷却材の流れを実質的に阻止するのに適切な任意の弁である。例えば、弁４６０は一方向弁又は逆止弁である。これは、コールド炉冷却材通路３２０を介して炉冷却材が炉１５内に流れることを許容するが、コールド炉冷却材通路３２０を介して炉１５から外へ出る炉冷却材の流れを実質的に阻止する。例えば、弁４６０は、格納構造体８５の外表面又はその近くの位置において、コールド炉冷却材通路３２０に配置される。弁４６５は、ホット炉冷却材通路３２５に配置され、かつ、炉冷却材の量がしきい量未満である場合に炉１５から外へ出る炉冷却材の流れを実質的に阻止するのに適切な任意の弁である。例えば、弁４６５はフロート弁である。これは、炉冷却材レベルがしきい量超過の場合、ホット炉冷却材通路３２５を介して炉冷却材が炉１５から外へ流れることを許容するが、炉冷却材のレベルがしきい量未満の場合、ホット炉冷却材通路３２５を介して炉冷却材が炉１５から外へ流れることが実質的に阻止される。例えば、弁４６５は、ホット炉冷却材通路３２５が炉冷却材全量の半分未満の場合、炉冷却材が炉１５から外へ流れることを実質的に阻止する。弁４６５は、格納構造体８５の外表面又はその近くの位置において、ホット炉冷却材通路３２５内に配置される。
【００９２】
図１７及び１８に示されるように、補助熱交換サブシステム４１５は、一以上の熱交換部材４７０、一以上の熱交換部材４７５、及び一以上の熱交換部材４８０を含む。熱交換部材４７０、熱交換部材４７５、及び熱交換部材４８０は、炉心１００、１００’、１００ａ、又は１００ｂが生成した熱に対する、炉１５から離れた位置への熱交換を促す。
【００９３】
熱交換部材４７０は、材料を収容する細長い要素である。熱交換部材は、格納構造体８５（例えば、格納構造体８５の壁の内側に鋳造される）内に配置され、かつ、圧力容器９０の近く又は圧力容器９０の外表面と接触して配置される。熱交換部材４７０は、格納構造体８５内に放射状に配置される。その結果、熱交換部材４７０の一端が圧力容器９０と隣接又は接触し、熱交換部材４７０の他端が格納構造体８５の外部に近くなる。例えば、熱交換部材４７０は、状態変化材料を収容する細長いキャビティである。例えば、熱交換部材４７０は、金属合金を収容するキャビティを含む。例えば、熱交換部材４７０は、金属合金が満たされた鋼管である。状態変化金属合金は、反射材領域９５の減速材の通常動作温度よりも融点がわずかに高い。例えば、熱交換部材４７０は、適切な融点を有する鉛、スズ、及び／又は他の任意材料で実質的に完全に満たされた中空鋼管である。反射材領域９５内の減速材の温度がその通常動作温度を超えると、熱交換部材４７０内に収容された状態変化材料が加熱されて固体状態から液体状態になる。例えば、熱交換部材４７０は、状態変化材料として鉛を含む。鉛は、反射材領域９５内の減速材がその通常動作温度を超えると溶けて溶融鉛になる。状態変化材料が状態を変化させると（例えば鉛が溶けると）、当該状態変化材料の熱伝導特性が向上する。したがって、熱交換部材４７０の状態変化材料は、当該状態変化材料が溶けると、圧力容器９０から熱を（例えば対流により）有効に奪い、格納構造体８５の外部（これは熱伝導度が低い）へ有効に熱を伝達する。また、意図されることだが、熱交換部材４７０内に収容される状態変化材料が通常減速材動作温度において液体状態であり、減速材の温度が通常動作温度を超えると加熱されて気体状態になり得る。
【００９４】
熱交換部材４７５もまた、熱交換部材４７０と同様の、状態変化材料を収容する細長いキャビティである。熱交換部材４７５の状態変化材料は、熱交換部材４７０の状態変化材料よりも低い融点及び／又は沸点の材料である。例えば、状態変化材料は液体状態の材料であり、かつ、熱交換部材４７０が状態変化を受ける温度（例えば、鉛、又は熱交換部材４７０の状態変化材料に適切な他の任意材料の融点）未満の沸点を有する。例えば、熱交換部材４７５は、液体状態にある水（Ｈ２Ｏ）又は他の適切な任意材料で満たされた鋼管である。熱交換部材４７５は、格納構造体８５内に実質的に垂直方向に配置される（例えば格納構造体８５の壁内に鋳造される）。図１７及び１８に示されるように、熱交換部材４７５は、一以上の熱交換部材４７０の端部分の近くに接触又は配置され、かつ、格納構造体８５の外表面の近くに配置される。熱交換部材４７５の状態変化材料は、熱交換部材４７０から伝達された熱によって加熱され、かつ、状態変化を受ける。例えば、熱交換部材４７０の端部分から熱交換部材４７５へ伝達された熱により、状態変化材料の状態が変化する（例えば鋼管内に収容された水が沸騰する）。また、意図されることだが、熱交換部材４７５の状態変化材料が通常減速材動作温度において固体状態であり、減速材の温度が通常動作温度を超えると加熱されて液体状態になり得る。
【００９５】
熱交換部材４８０は、熱交換部材４７５と同様であり、かつ、熱交換部材４７５と流体的に連通する。したがって、熱交換部材４７５の状態変化材料は、熱交換部材４７５から熱交換部材４８０へ流れる。熱交換部材４８０は、実質的に水平方向にある平面からわずかな角度で配置される。熱交換部材４８０は、例えば１：２０（垂直距離：水平距離）又は１：５０（垂直距離：水平距離）のような傾斜度に配置される。図１８に示されるように、熱交換部材４８０は炉１５から扇形に広がる。このため、炉１５から離れるように熱が伝達される。熱交換部材４８０は、地表面下に配置される。このため、炉１５からの熱が、地表面から任意の適切な量だけ下において伝達される。例えば、熱交換部材４８０は、大きな広場及び／又は駐車場の下に配置される。このため、当該土地の大きな熱容量による熱吸収が利用され、かつ、当該地表面の熱拡散が利用される。熱交換部材４８０がわずかな勾配にあるので、熱交換部材４８０内に収容される状態変化材料は、炉１５から所定距離において冷却されて前の状態になる。例えば、熱交換部材４７５は、加熱されて蒸気（Ｈ２Ｏ）になり、かつ、熱交換部材４８０内に移送される水を含む。熱交換部材４８０は、外側端が、水の小さなタンク又は貯蔵器に終端する。その結果、熱交換部材４７５及び４８０は、実質的に常に水で満たされる。熱交換部材４８０は、接触面積が増加するべく構成されたコルゲート管であり（例えば地面に沿って単位距離当たりの接触面積が増加し）、さらに、当該管内の蒸気（Ｈ２Ｏ）と管内表面との接触面積が増加する。当該管内の水（Ｈ２Ｏ）の上表面に沿って外方へ移動する蒸気（Ｈ２Ｏ）が、任意の蒸気（Ｈ２Ｏ）が当該管内をさらに外へと移動することができる前に当該管内の各波形の上部を満たすので、当該波形が、蒸気（Ｈ２Ｏ）と接触する当該管内の水（Ｈ２Ｏ）の表面積を増加させる。所定距離の後で十分な熱が放熱され、蒸気（Ｈ２Ｏ）は凝縮して水（Ｈ２Ｏ）になる。
【００９６】
図１９に示されるように、補助炉停止サブシステム４２０は、加圧貯蔵器４８５、一以上の通路４９０、ドレーン通路４９５、及びポンプ５００を含む。加圧貯蔵器４８５は、加圧水（Ｈ２Ｏ）を通路４９０内に供給する。ポンプ５００は、ドレーン通路４９５内の水（Ｈ２Ｏ）を加圧する。
【００９７】
加圧貯蔵器４８５は、例えば加圧鋼容器のような、加圧液体を貯蔵するのに適切な任意の格納器である。例えば水（Ｈ２Ｏ）のような、任意の適切な中性子吸収材料が加圧貯蔵器４８５に貯蔵される。また、水（Ｈ２Ｏ）の中にホウ素が吸収混合されたホウ酸水（Ｈ２Ｏ）が、加圧貯蔵器４８５内に貯蔵される。加圧貯蔵器４８５は、格納構造体８５の外側に配置されかつ弁４８７を含む。弁４８７は、流れに対して開閉されて、加圧貯蔵器４８５から一以上の通路４９０への加圧材料の流れを選択的に許容及び阻止する。
【００９８】
通路４９０は、加圧材料を移送するのに適切な任意の通路である。通路４９０は、加圧貯蔵器４８５に流体的に接続され、かつ、加圧貯蔵器４８５からの加圧材料を格納構造体８５の開口を通して移送する。通路４９０は一以上のＵ字管に分割される。Ｕ字管は、炉心１００、１００’、１００ａ、又は１００ｂの下方の反射材領域９５の中に炉心エリアを通り下り、その後炉心１００、１００’、１００ａ、又は１００ｂを通り上がって戻る。通路４９０は任意の適切な態様で、反射材領域９５及び炉心１００、１００’、１００ａ、又は１００ｂを通して加圧材料を移送する。例えば、図１９に示されるように、通路４９０は、反射プール１０５の上部に入って実質的にＵ字の構造をなす。通路４９０は、反射材領域９５の任意の適切な構成をなす。弁４８７が加圧貯蔵器４８５から通路４９０の中への加圧材料の流れを阻止している場合、通路４９０はすでに蒸気（Ｈ２Ｏ）で満たされている。炉の急停止（例えばＳＣＲＡＭ）が望まれる場合、弁４８７が開いて、例えばホウ酸水（Ｈ２Ｏ）のような加圧中性子吸収材料が通路４９０を満たす。加圧中性子吸収材料は、以前は通路４９０内に配置されていた蒸気（Ｈ２Ｏ）をますます加圧する。したがって、以前は通路４９０内に配置されていた蒸気（Ｈ２Ｏ）は、当該一以上の通路４９０それぞれの端部分５０５においてますます加圧され、さらなる流れを遅らせかつ漸次的に停止させる。
【００９９】
ドレーン通路４９５が、反射プール１０５の下部に配置され、かつ、通路４９０の任意の部分（例えば下部）を加圧貯蔵器４８５に流体的に接続する。ポンプ５００が、ドレーン通路４９５内に配置され、かつ、炉１５を再起動することが望ましい場合、通路４９０の下部から流れて加圧貯蔵器４８５へ戻る中性子吸収材料を加圧する。ポンプ５００はまた、加圧貯蔵器４８５内に配置される中性子吸収材料を加圧する。したがって、ポンプ５００は、例えばホウ酸水（Ｈ２Ｏ）のような中性子吸収材料を通路４９０からポンプ輸送して加圧貯蔵器４８５に戻す。
【０１００】
図２０に示されるように、炉制御サブシステム４０は、制御サブシステム５１０、負荷追従サブシステム５１５、バイパスサブシステム５２０、減速材安定化サブシステム５２５、炉冷却材安定化サブシステム５３０、及び差分流れサブシステム５３５を含む。制御サブシステム５１０、負荷追従サブシステム５１５、バイパスサブシステム５２０、減速材安定化サブシステム５２５、炉冷却材安定化サブシステム５３０、及び差分流れサブシステム５３５は、原子炉システム５の動作を制御及び／又は安定化させる。
【０１０１】
制御サブシステム５１０はコントローラ５４０を含む。これは、機械プロセスを自動化するのに適切な任意のタイプのプログラマブル論理コントローラである。コントローラ５４０は、電線（図示せず）を介して原子炉システム５のコンポーネントに接続され、かつ、当該電線を介して原子炉システム５の任意の適切なコンポーネントの動作を制御する。例えば、コントローラ５４０は、発電サブシステム１０、炉１５、熱交換器２０、炉冷却材サブシステム２５、ポンプサブシステム３０、補助冷却材サブシステム３５、及び／又は炉制御サブシステム４０のコンポーネントに電気的に接続されかつこれらを制御する。制御サブシステム５１０はまた、例えば、原子炉システム５のオペレータが使用するディスプレイ、モニタ、キーボード、及び他のデバイスのような、コントローラ５４０と電気通信する入力及び／又は出力コンポーネントも含む。制御サブシステム５１０はまた、原子炉システム５の様々な通路及びコンポーネントに配置されるセンサも含む。センサは、例えばＨ２Ｏ又は炉冷却材の、例えば温度及び／又は圧力のような任意の適切なパラメータを測定する。センサは、コントローラ５４０に電気的に接続され、かつ、センスされたデータを、原子炉システム５の制御に使用するべくコントローラ５４０に入力する。
【０１０２】
負荷追従サブシステム５１５が、ゲート５４５及び５５０、通路５５５、５６０、５６５、５８０、及び５９０、凝縮器５７０、弁５７５、熱交換器５８５、及び分岐点５９５を含む。これらは、蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水（Ｈ２Ｏ）を移送するのに適切な任意の要素である。
【０１０３】
ゲート５４５は、通路７０内に配置され、かつ、通路７０から通路５５５への流れを選択的に許容する。ゲート５４５は、通路７０から通路５５５への蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを実質的に阻止する閉位置、通路７０から通路５５５への流れの実質的にすべてを許容する開位置、及び、閉位置と開位置との間で所望の任意間隔に位置決めされることで、ゲート５４５が開かれる量に比例して通路７０から通路５５５への蒸気（Ｈ２Ｏ）の部分的な流れを許容する部分的開位置から選択的に動かされる。したがって、ゲート５４５は、蒸気（Ｈ２Ｏ）を通路５５５を通るように転じることにより、通路７０を通る蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを選択的に低減する。
【０１０４】
ゲート５５０は、通路５５５内に配置され、かつ、ゲート５４５の動作と同様に通路５５５から通路５６０への流れを選択的に許容する。これにより、ゲート５５０は、通路５５５から通路５６０への蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを選択的に阻止、部分的に許容、又は完全に許容する。通路５６０は、バイパスタービン４５であり、かつ、タービン冷却サブシステム６０へ直接的に蒸気（Ｈ２Ｏ）を移送する。したがって、ゲート５５０は、例えばタービン４５の急シャットダウンが望まれる場合のような所定の状況下で、蒸気（Ｈ２Ｏ）をタービン冷却サブシステム６０へ直接的に移送することが選択的に許容されるように動作する。
【０１０５】
通路５５５は、通路５６５と流体的に連通する。通路５６５は、通路５５５から凝縮器５７０へ蒸気（Ｈ２Ｏ）を移送する。通路５６５は、熱交換器２０の中を通り抜けるのではなく、熱交換器２０の外を通る。
【０１０６】
凝縮器５７０は、コールド炉冷却材通路３２０に接触又は隣接して配置される。凝縮器５７０は、蒸気（Ｈ２Ｏ）を凝縮させて水（Ｈ２Ｏ）にするのに適切な任意の凝縮器である。弁５７５は、凝縮器５７０内の、例えば凝縮器５７０の底部のような、任意の適切な位置に配置される。弁５７５は、水（Ｈ２Ｏ）が凝縮器５７０から外へ流れるのを許容する一方で蒸気（Ｈ２Ｏ）が凝縮器５７０から外へ流れるのを実質的に阻止するのに適切な任意の弁である。例えば、弁５７５はフロート弁である。凝縮器５７０及び弁５７５は、通路５６５内の蒸気（Ｈ２Ｏ）の高圧力を通路５８０内の水（Ｈ２Ｏ）の相対的に低圧力に低減する圧力低減システムとして機能する。
【０１０７】
通路５８０は、凝縮器５７０と流体的に連通する。通路５８０は、凝縮器５７０から熱交換器５８５へ水（Ｈ２Ｏ）を移送する。通路５８０は、熱交換器２０の中を通り抜けるのではなく、熱交換器２０の外を通る。
【０１０８】
熱交換器５８５は、通路５８０を通って移送される水（Ｈ２Ｏ）からの熱交換を促すのに適切な任意のデバイスである。熱交換器５８５は、タービン蒸気サブシステム６５の通路の中又は近くに配置される。タービン蒸気サブシステム６５は、Ｈ２Ｏポンプ３９５の出口から熱交換器２０へ水（Ｈ２Ｏ）を移送する。熱交換器５８５は、水（Ｈ２Ｏ）の温度を、タービン蒸気サブシステム６５の通路８０が移送する水（Ｈ２Ｏ）と実質的に同じ温度まで下げる。通路５９０は、分岐点５９５を介して熱交換器５８５から通路８０へ水（Ｈ２Ｏ）を移送する。通路５９０が通路８０の中に移送した水（Ｈ２Ｏ）は、すでに通路８０内を流れている水（Ｈ２Ｏ）の温度と実質的に同じ温度を有する。通路８０はその後、ポンプサブシステム３０のＨ２Ｏポンプ３９５の出口へ水（Ｈ２Ｏ）を移送する。
【０１０９】
バイパスサブシステム５２０はポンプ６００及び通路６０５を含む。通路６０５は、移送サブシステム３０５の、コールド炉冷却材通路３２０とホット炉冷却材通路３２５とを流体的に接続する。ポンプ６００は通路６０５内に配置される。ポンプ６００は、例えばポンプ３９０の容量の約２％から約２０％のような、相対的に小さな容量を有する。ポンプ６００は、通路６０５内の炉冷却材を加圧してホット炉冷却材通路３２５からコールド炉冷却材通路３２０へ炉冷却材をポンプ輸送するべく動作する。これにより、熱交換器２０及びポンプ３９０がバイパスされる。ポンプ６００及び通路６０５は、ホット炉冷却材通路３２５を通って流れる相対的に熱い炉冷却材が熱交換器２０をバイパスし、かつ、コールド炉冷却材通路３２０へ直接的に流れることを許容する。これにより、熱い冷却材が相対的に冷たい冷却材と混合され、かつ、コールド炉冷却材通路３２０内を流れる冷却材の温度が上昇する。バイパスサブシステム５２０は、例えば原子炉システム５のシャットダウン及び／又は初期炉冷却材装荷中に動作する。バイパスシステム５２０はまた、ポンプ３９０及び３９５の有効流量比を調整するべく機能する（例えば、ポンプサブシステム３０はフル出力時のタービン蒸気流量に対する炉冷却材流量の正しい比を与えるべく設計されるが、低出力運転時は、わずかに異なる比が望ましい）。
【０１１０】
減速材安定化サブシステム５２５は、通路６１０、６３０、６４０、及び６５０、弁６１５、貯蔵器６２５、凝縮器６３５、及びポンプ６４５を含む。これらは、蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水（Ｈ２Ｏ）を移送するのに適切な任意の要素である。
【０１１１】
通路６１０は、反射材領域９５の蒸気エリア１１０を貯蔵器６２５に流体的に接続する相対的に大きな通路である。弁６１５が通路６１０内に配置される。弁６１５は、通常動作中、閉位置にあって、蒸気減速材の流れを実質的に阻止する。弁６１５が開くと、蒸気減速材が通路６１０を介して貯蔵器６２５内へ流れる。貯蔵器６２５は、反射材領域９５の蒸気エリア１１０の圧力未満の圧力に維持される低圧貯蔵器である。貯蔵器６２５は、相対的に大きな冷たい貯蔵エリアである。例えば、貯蔵器６２５は、相対的に大量の水（Ｈ２Ｏ）によって冷却される。例えば、貯蔵器６２５は、タービン蒸気サブシステム６５の水（Ｈ２Ｏ）によって冷却される。通路６１０を介して貯蔵器６２５に入るとき、蒸気減速材は、貯蔵器６２５の内壁の相対的に冷たい表面上で膨張及び凝縮する。弁６１５が開くと、反射材領域９５の蒸気エリア１１０から外に出る減速材蒸気の急な流れが、蒸気エリア１１０内の蒸気減速材の圧力及び反射材領域９５内の減速材の圧力を低減する。したがって、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂから外に出る減速材の急な流れが許容される。これにより、制御キャビティ内の減速材の質量が低減し、核分裂を引き起こすべく利用可能な熱（低速）中性子の数が低減するので、炉１５の急シャットダウンがもたらされる。
【０１１２】
通路６３０は、通路６１０を凝縮器６３５に流体的に接続する。通路６３０は、相対的に小さな通路である。例えば、通路６３０は、直径が通路６１０よりも著しく小さい配管である。通路６３０は、通路６１０を凝縮器６３５に流体的に接続する。凝縮器６３５は、タービン蒸気サブシステム６５の通路８０に接触又は隣接して配置される。通路８０は、相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）を移送する。凝縮器６３５は、蒸気減速材を凝縮させて液体減速材にするのに適切な任意の凝縮器である。通路６３０を介して通路６１０から移送された蒸気減速材は、凝縮器６３５によって液体減速材に凝縮される。通路６４０は、凝縮器６３５をポンプ６４５に流体的に接続する。
【０１１３】
ポンプ６４５は、通路６４０から通路６５０への凝縮液体減速材の流れを選択的に阻止する。ポンプ６４５はまた、凝縮液体減速材が通路６５０内に流れることを選択的に許容し、かつ、通路６５０を通って流れる凝縮液体減速材を加圧するべく動作する。通路６５０は、凝縮液体減速材を移送して炉１５内へ戻す。例えば、通路６５０は、例えば蒸気エリア１１０のような反射材領域９５の上部に流体的に通路６５０を接続する。通路６５０を介して蒸気エリア１１０内に移送された凝縮液体減速材は、蒸気エリア１１０内の付加的な蒸気減速材を凝縮させる。反射材領域９５が、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂから漏れる中性子によって加熱され、反射材領域９５の減速材は、蒸気エリア１１０内で気化して蒸気減速材になる。ポンプ６４５は、蒸気エリア１１０からの過剰な蒸気減速材を凝縮させるべく動作する。その結果、蒸気エリア１１０及び反射材領域９５内の安定した圧力が維持される。
【０１１４】
炉冷却材安定化サブシステム５３０は、貯蔵器６５５、加熱要素６６０、及び通路６６５を含む。貯蔵器６５５は、炉冷却材を貯蔵する加圧貯蔵タンクである。貯蔵器６５５には、ホット炉冷却材通路３２５からの通路６６５を介して、炉冷却材サブシステム２５から炉冷却材が供給される。貯蔵器６５５は、底部が液体炉冷却材を含み、かつ、上部が気体炉冷却材を含む。加熱要素６６０は、貯蔵器６５５内に貯蔵される炉冷却材を所望の温度及び／又は圧力に維持するべく、貯蔵器６５５を選択的に加熱する。加熱要素６６０は、例えば電気ヒータのような、貯蔵器６５５を選択的に加熱するのに適切な任意のデバイスである。コールド炉冷却材通路３２０からの冷たい炉冷却材が、ポンプ及びコールド炉冷却材通路３２０からの供給ライン（図示せず）により、選択的に貯蔵器６５５内にポンプ輸送される。例えば、ポンプ（図示せず）はインジェクタを含む。インジェクタは、コールド炉冷却材通路３２０からの冷たい加圧炉冷却材を、貯蔵器６５５の頂部（蒸気）内に噴霧する。例えば、相対的に冷たい炉冷却材は、貯蔵器６５５内の蒸気炉冷却材の一部を凝縮させるべくポンプ（図示せず）によって貯蔵器６５５内に噴霧される。蒸気炉冷却材の一部が凝縮することにより、貯蔵器６５５及びホット炉冷却材通路３２５内の圧力が低減される。
【０１１５】
図１５及び２０に示されるように、差分流れサブシステム５３５が、コールド炉冷却材通路３２０の部分６７５内に配置された複数の同心通路６７０を含む。同心通路６７０は、コールド炉冷却材通路３２０の部分６７５と置き換わり、かつ、部分６７５の両端においてコールド炉冷却材通路３２０の他の部分に流体的に接続される。部分６７５は、コールド炉冷却材通路３２０の、ポンプ３９０の下流に配置される上がり部分である。例えば約１０の同心通路６７０のような、任意の適切な数の同心通路６７０が、コールド炉冷却材通路３２０内に配置される。同心通路６７０は例えば、同心鋼管である。同心通路同士間の面積は、通路６７０の最内部から通路６７０の最外部へ動くにつれて増加する。例えば、第１及び第２同心通路６７０間の面積Ａ２は第１同心通路６７０内に形成される面積Ａ１の２倍であり、第４及び第５同心通路６７０間の面積Ａ３は第１同心通路６７０内に形成される面積Ａ１の５倍であり、並びに、第９及び第１０同心通路６７０間の面積Ａ４は第１同心通路６７０内に形成される面積Ａ１の１０倍である。連続する同心通路６７０のそれぞれの間の各面積の部分は、各端において塞がれて、同心通路６７０のそれぞれの中に入り及びそれぞれから外へ出る流速が実質的に同じに維持される。これにより、同心通路６７０は、内側同心通路に対し、比例的に長い時間をかけて同じ量の流体を外側同心通路において移送する。したがって、コールド炉冷却材通路３２０内の急な温度変化が緩和される。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
開示の原子炉システムの少なくともいくつかの実施例では、炉心において減速材を囲む制御キャビティを有する炉制御方法が使用される。少なくともいくつかの実施例では、炉内の減速材は３つのエリアに分けられる。すなわち、燃料源の任意部分から約３０センチメートル（１フィート）未満の炉内にあるいずれかに配置される炉心エリアと、当該炉心エリアの外側に任意の減速材を含むが燃料源の任意部分から９１又は１２２センチメートル（３又は４フィート）未満である反射材領域と、当該炉心エリア及び反射材領域の外側に任意の減速材を含む減速材プールである。炉心エリア内の減速材の一つの機能は、核分裂燃料が放出する高速中性子を、中性子が新たな核分裂を引き起こす可能性がかなり高い相対的に低速まで減速することである。反射材領域内の減速材の一つの機能は、炉心エリアから漏れる中性子を反射して当該炉心内に戻し、炉から失われる中性子の数を減らすことである。減速材プール内の減速材は、炉に対してほとんど影響を与えない（例えば、当該減速材は、炉心減速材制御キャビティから変位されると減速材プールに入り、又は、当該減速材が炉心に戻ると減速材プールから出る）。少なくともいくつかの実施例では、開示の制御キャビティは、炉心エリア内にある減速材のほとんどを囲み、かつ、頂部が閉じられるが制御キャビティの底と反射材及び減速材プールエリアとの間での減速材の自由な動きを許容する。
【０１１７】
開示の原子炉システムの少なくともいくつかの実施例では、開示の原子炉システムが定常速度で出力を生成しているとき、燃料は原子核平衡状態にあり、かつ、制御キャビティは熱平衡状態にある。２つの平衡状態は、一方の平衡からの任意の変化が、最初の変化とは反対に作用する他方の平衡の変化を引き起こす負のフィードバックによって結合される。開示の制御キャビティには、減速材冷却システムが設けられる。減速材冷却システムは、制御キャビティをほぼ同じ速度で（又は制御キャビティがすべて同じ体積ではない場合は各制御キャビティの体積に比例して）冷却する。当該冷却は、冷たい減速材を当該制御キャビティ内へポンプ輸送して当該制御キャビティ内の温かい減速材と混合する一方、温かい減速材の等しい質量が当該制御キャビティから外に出て当該反射材及び減速材プールエリアの中に入ることによって、又は、当該制御キャビティ内の一以上の管を通る冷却された流体を通過させてその後、熱伝導により当該制御キャビティを冷却することによって行われる。熱い燃料管からの熱伝導によって、及び燃料からの高速中性子及びガンマ放射線によって減速材に付与されたエネルギーによって、熱が制御キャビティに入る。制御キャビティを出るよりも多くの熱が制御キャビティに入ると、当該キャビティ内の液体減速材は、当該制御キャビティの気化かつ上昇して頂部にある蒸気泡になる一方、液体減速材を当該制御キャビティの底から変位させて炉心内の減速材の総質量を低減する。これは、当該蒸気が、液体減速材よりもはるかに低密度だからである。減速材冷却システムによって抽出されるよりも少ない熱がキャビティに入ると、蒸気泡にある蒸気の一部が凝縮し、当該蒸気泡のサイズが低減し、かつ、液体減速材が反射材領域及び減速材プールから当該キャビティ内に引き込まれる。これにより、炉心内の減速材の総質量が増加する。
【０１１８】
開示の原子炉システムの少なくともいくつかの実施例では、燃料の原子の核分裂ごとに高速中性子が放出される。かかる高速中性子のほとんどは、燃料から減速材内に漏れ出し（燃料から放出されるガンマ放射線とともに）、減速材との衝突によって減速される。かかる低速中性子が減速材から燃料内へ拡散する。燃料中の核分裂性原子に吸収されて新たな核分裂を引き起こす低速中性子もあれば、燃料中の親原子（例えば、存在する場合、ウラン２３８、プルトニウム２４０、及び／又はトリウム２３２）に吸収されて新たな核分裂性燃料の原子をもたらす低速中性子もあれば、核分裂も新たな核分裂性原子の生成もなしに燃料に吸収されるか又は拡散して減速材の中に戻る低速中性子もある。反応速度は、平均的に、核分裂ごとに解放される正確に一つの中性子が新たな核分裂を引き起こす場合に安定となる。減速材から再び燃料に入る中性子が核分裂を引き起こす確率は、当該速度が相対的に高いと減少し、当該中性子が新燃料を生成する確率は、当該速度が相対的に高いと増加する。減速材から出る中性子は、キャビティ内の減速材質量が少ない場合に高い平均速度を有し、キャビティ内の減速材質量が多い場合に低い平均速度を有する。したがって、蒸気泡のサイズが増加すると（したがってキャビティ内の減速材質量が減少すると）、燃料に入る中性子の平均速度は増加し、これが、新たな核分裂を引き起こすことから有効に迂回される中性子の数を増加させ、かつ、新たな核分裂性燃料の生成から迂回される中性子の数を減少させる。この効果が、核分裂速度を下げ、減速材から伝達されるエネルギーを低減し、蒸気泡のサイズを低減し、及び、これにより負のフィードバックを与える。負のフィードバックによって、蒸気泡の安定サイズが維持され、安定、かつ、減速材冷却速度にほぼ比例する核分裂速度が維持される。
【０１１９】
全体的には、開示の原子炉システムの少なくともいくつかの実施例において、制御キャビティは、安定、かつ、合計減速材冷却速度に比例する合計パワー出力を維持する。減速材冷却速度は、減速材冷却材温度を相対的に一定に維持することによって、及び、合計冷却速度を制御するべくポンプ輸送速度を変えることによって制御される。個別的には、各キャビティは、その近くにある燃料の核分裂速度に影響を与える。これにより、反応速度は、炉内のすべての箇所においてほぼ同じとなり、炉心中心で高くかつ炉心周縁近くで低くなるということがない。これは、燃料内のホットスポットを最小限にし、かつ、キセノン波を抑制するので、燃料からの熱抽出の望ましい高い速度がもたらされる。
【０１２０】
通常の炉動作中、開示の原子炉システムの少なくともいくつかの実施例では、燃料管からの熱は一次冷却材によって抽出される。反応速度が増加すると、一次冷却材ポンプ輸出速度も増加する。その結果、燃料管の温度は反応速度によって変化することがない。異常条件下では、一次冷却材の流量が不十分となり、燃料管が熱くなる。かかる条件下では、燃料管から制御キャビティ内への熱伝導が大きくなり、制御キャビティ内の減速材の気化速度が増加し、かつ、制御キャビティ内の蒸気泡のサイズも増加する。これにより、液体減速材がキャビティの底から変位され、減速材の平均密度が低減され、かつ、減速材から燃料内に拡散する中性子の平均速度が増加する。したがって、核分裂速度が減少する。
【０１２１】
開示の原子炉システムの少なくともいくつかの実施例では、制御キャビティ内の蒸気泡は、制御キャビティ内の液体減速材よりも密度が極めてはるかに小さく、かつ、蒸気泡は、実質的不存在から制御キャビティ全体サイズ近くまでサイズがばらつくので、当該システムは、炉心内の減速材の平均密度が、液体減速材の最大密度から当該最大密度の１５％未満までばらつくことを許容する。これにより、キセノン負荷不在の濃縮新燃料から、核分裂副生成物を吸収する中性子の高バーンアウト及び引き続いての高負荷によって燃料への平衡キセノン負荷を有する中程度の使用済み燃料までの範囲にわたってばらつく燃料反応度条件下において、炉を制御することが可能となる。これは、吸収材を制御して、実質的に最大量の新核分裂性燃料、及び、燃料ライフサイクルのすべての時点における実質的に最大の燃料転換比を与えるべく中性子損失を実質的になくすことによって達成される。
【０１２２】
開示の原子炉システムは、原子核生成パワーを使用する任意の用途において利用される。例えば、開示の原子炉システムは、原子核反応からのパワーを使用することで生成される蒸気（Ｈ２Ｏ）を使用する任意の用途において使用される。以下に述べる動作は一般に、開示の原子炉システム５の実施例すべての動作に適用される。加えて、以下に述べるように、開示の原子炉システムのいくつかのサブシステムは、原子核生成パワー以外の付加的用途においても使用される。
【０１２３】
図３を参照すると、原子炉システム５の動作は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂを有する燃料集合体１２５、１２５’、１２５ａ、又は１２５ｂに燃料が供給されたときから開始する。炉１５が管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内の新燃料によって開始されると、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３５ｂ内の減速材のレベルは、炉設計及び燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内に含まれる燃料の反応度に基づいて、平衡レベルにおいて安定する。初期期間（例えば数日）にわたり、中性子吸収キセノン１３５及びサマリウム１４９のレベルが平衡レベルまで上昇し、かつ、減速材の冷却速度が、炉冷却材サブシステム２５の動作により実質的に一定に維持される（炉冷却材サブシステムの一般的動作については以下で詳細に述べる）。炉冷却材サブシステム２５が、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材の一定冷却速度を与える一方、燃料中のキセノン及びサマリウムのレベルが上昇し、かつ、炉１５の反応度がゆっくりと１未満に下降する。これにより、反応速度が減少し、かつ、減速材に付与されるエネルギーが減少する。その結果、減速材蒸気の一部が凝縮する。したがって、多くの減速材が制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの中に引き込まれる。これにより、減速材のレベル及び平均減速材密度が上昇する。これにより、共鳴捕獲を受ける中性子の数が減少するので、炉１５の燃料中の漸次的に増加する量の中性子吸収キセノン及びサマリウムが補償される。したがって、一例として制御キャビティアレイ１３０を使用すると、制御キャビティアレイ１３０内の液体領域１９０及び２７５のサイズが増加し、かつ、制御キャビティアレイ１３０内の気体領域１８５及び２８０のサイズが減少する。同様の効果が開示の他の実施例でも生じる。
【０１２４】
炉１５が１を超える転換比を有する場合、又は主にＵ２３５及びＵ２３８が燃料とされている場合、定常状態動作中、使用されたものよりも多くの核分裂性燃料が生成されることに起因して、又はＵ２３５が燃焼するときにＰｕ２３９がＵ２３８から生成されることに起因して（Ｐｕ２３９はＵ２３５よりも反応度が高いので）、燃料の反応度が増加する時間周期が存在する。これが生じると、核分裂速度が上昇する一方で冷却は一定のままとなり、多くの中性子がエネルギーを減速材に付与し、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂ内の気化速度が凝縮速度を超過し、かつ、液体減速材が制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂから過剰な蒸気減速材によって変位される。これにより、中性子の減速が低下し、親Ｕ２３８（又はＴｈ２３２）に吸収される中性子の数が上昇する。核分裂を引き起こすべく利用可能な熱中性子の数が減少し、かつ、反応速度が、炉冷却材サブシステム２５によって除去されるのと同量のエネルギーが制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂに付与される速度まで低減する。燃料の反応度が上昇し続ける限り（例えば数日から数年続く期間にわたり）、液体減速材のレベルが漸次的に減少する。この期間中、燃料の核分裂性内容物が増加し、かつ、次の時間周期まで増加し続ける（以下に述べる）。
【０１２５】
次の時間周期（例えば次の数か月又は数年）の間、燃料の核分裂性内容物がバーンアウトにより減少し、かつ、中性子吸収核分裂副生成物のレベルが上昇するので、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの負のフィードバックメカニズムが動作して制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材のレベルが極めてゆっくりと上昇する。これにより、バーンアウトによって減少した燃料の反応度が補償される。結局、減速材レベルが制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂの頂部まで上昇し、炉１５が臨界未満となって出力生成が停止する。したがって、一例として制御キャビティアレイ１３０を使用すると、この時点で、制御キャビティアレイ１３０内において気体領域１８５及び２８０は実質的に存在しない。同様の効果が開示の他の実施例でも生じる。炉１５が停止すると、炉１５がそれまでに生成したキセノン１３５は減衰し続ける。その結果、相対的に短い時間周期（例えば１日又は２日）において十分な量のキセノン１３５が減衰するので、炉１５は再起動可能となる。炉１５が再起動すると、炉１５は、キセノン１３５の濃度が再び上昇するまで、相対的に短い時間周期（例えば数日）運転される。キセノン１３５の平衡濃度が出力レベルに比例して変化するので、炉１５の動作は、炉１５の出力レベルが低減しながら、相対的に長い期間持続する。
【０１２６】
上述の初期手順に引き続いて、炉１５は、定常状態動作に維持される。定常状態動作において、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ中の燃料原子の核分裂によりエネルギーが生成される。このエネルギーの大部分は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内に配置された燃料棒に熱として付与される。当該熱は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂを通る炉冷却材の流れによって、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂの燃料棒から抽出される。当該流れは、炉冷却材サブシステム２５及びポンプサブシステム３０の動作によって与えられる。炉１５及び炉心１００の定常状態動作の記載を続ける前に、炉冷却材サブシステム２５及びポンプサブシステム３０の動作について述べる。
【０１２７】
図２、３、及び１３を参照すると、炉冷却材サブシステム２５の移送サブシステム３０５が、熱交換器２０と炉心１００、１００’、１００ａ、又は１００ｂとの間で炉冷却材を移送する。ポンプサブシステム３０の冷却材ポンプ３９０は、移送サブシステム３０５の、コールド炉冷却材通路３２０内にある炉冷却材の流れを加圧する。冷たい炉冷却材が熱交換器２０から炉１５へ移送される。したがって、通路３２０内を流れる冷たい炉冷却材は、格納構造体８５の開口を通って反射材領域９５内へ流れる。
【０１２８】
コールド炉冷却材通路３２０内を流れる冷たい炉冷却材が、燃料冷却材サブシステム３１０の通路３３０へ流れる。通路３３０内を流れる冷たい炉冷却材は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂを通り抜け、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂとの熱交換を促す。燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂは、通路３３０を通って流れる冷たい炉冷却材に熱伝達を介して熱を与える。これにより、冷たい炉冷却材は熱い炉冷却材になる。したがって、炉冷却材は、炉冷却材の温度を増加させることにより若しくは炉冷却材を液体から気体状態に変えることにより又はその双方により、炉冷却材が燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂに入ったときに有していたものよりも多くの０．４５キログラム（１ポンド）当たりのエネルギーを有して、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂを出る。通路３３０はその後、熱い炉冷却材を、移送サブシステム３０５のホット炉冷却材通路３２５に移送する。
【０１２９】
第１実施例において、コールド炉冷却材通路３３０内を流れる冷たい炉冷却材は、減速材冷却材サブシステム３１５の通路３３５内にも流れる。通路３３５内を流れる冷たい炉冷却材は、制御キャビティ１４０を通り抜けて制御キャビティ１４０との熱交換を促す。通路３３５内を流れる冷たい炉冷却材は、制御キャビティ１４０内に閉じ込められた減速材との熱交換によってある程度加熱されてから、通路３３５を介して制御キャビティ１４０から外へ出て通路３３０の中に戻る。通路３３０内を流れる冷たい炉冷却材は反射プール１０５を通り抜ける。通路３３０を通って流れる冷たい炉冷却材は、反射プール１０５の減速材との熱交換によってある程度加熱される。通路３３０内を流れる炉冷却材はその後、燃料管１３５を通り抜けるので、冷たい炉冷却材が加熱されて熱い炉冷却材になる。通路３３０はその後、熱い炉冷却材を、移送サブシステム３０５のホット炉冷却材通路３２５へ移送する。
【０１３０】
減速材冷却材サブシステム３１５の通路３３５を通って流れる炉冷却材は、例えば、図１４に描かれる配列の中を流れる。移送サブシステム３０５のコールド炉冷却材通路３２０からの炉冷却材は、中間通路３３０及び入口部材３５０を介して通路３３５内に流れる。炉冷却材はその後、内部材３５５のチャネル３８０を通って流れる。炉冷却材の一部は、端部分３７０に到達するまでチャネル３８０の全長に沿って流れる。しかしながら、炉冷却材の一部はまた、端部分３７０に到達する前に開口３７５を介してチャネル３８０から直接的にチャネル３８５内に流れる。相対的に冷たい炉冷却材の一部が開口３７５を介して直接的にチャネル３８５内を通り、かつ、チャネル３８５内の相対的に熱い炉冷却材と混合されるので、チャネル３８５内の炉冷却材の温度は、通路３３５の長さに沿って相対的に一定のままである。開口３７５のサイズ及び／又は間隔は、チャネル３８５の一般に一定の温度の維持を最大限にするべく設計される。例えば、チャネル３８０及び３８５間の炉冷却材の混合量が、端部分３７０に向かう移動方向に増加する。炉冷却材はその後、チャネル３８５を通って流れ、出口部材３６５を介して移送サブシステム３０５の炉冷却材通路３３０内に戻る。
【０１３１】
ポンプサブシステム３０の冷却材ポンプ３９０は、移送サブシステム３０５のコールド炉冷却材通路３２０内の冷たい炉冷却材が燃料管１３５を通る流れと、ホット炉冷却材通路３２５を介して炉１５から熱交換器２０へ戻る熱い炉冷却材の流れとを加圧する。
【０１３２】
燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内の燃料の核分裂により、高速エネルギー中性子（例えば、相対的に中間の又は速い速度で移動する中性子）が生成される。かかる高速エネルギー中性子は、減速材原子との衝突により、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂの減速材にエネルギーを付与する。高速エネルギー中性子は、かかる減速材原子との衝突により、低エネルギー状態（「低速中性子」）まで減速される。低速中性子のいくつかはその後、燃料原子の核分裂を引き起こす。生成された中性子の一つが、燃料原子のそれぞれの核分裂に対して新たな核分裂を引き起こす場合、炉は安定とみなされる（例えば一定出力生成時）。したがって、平均的に、燃料原子の核分裂によって生成された中性子の正確に一つが新たな核分裂を引き起こす場合、炉は安定とみなされる。
【０１３３】
制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材がエネルギー中性子によって加熱されるので、減速材の一部が気化して蒸気減速材になる（例えば沸騰によって気体状態になる）。気体状態の蒸気減速材は、液体減速材（例えば液体状態）よりも密度が低いので、当該蒸気減速材を閉じ込める制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの上部まで上昇する。これは、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂが上部で閉じているからであり、それゆえ上部において減速材を閉じ込めるからである。制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの体積が一定なので、閉じ込められ、かつ、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの上部内に蓄積される低密度の気体蒸気減速材は、高密度の液体減速材を制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの下部から外へ変位させる。したがって、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂ内の減速材の全体的な平均密度が低減される。制御キャビティ１４０、１４０’、及び１４０ａ内の実質的にすべての減速材が蒸気減速材に変わることを防止するべく、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂは、炉冷却材サブシステム２５によって冷却される。炉冷却材サブシステム２５は、気体蒸気減速材の一部を凝縮させて密度が高い液体減速材にする。その結果、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの上部内に閉じ込められる蒸気減速材が少なくなるので、相対的に高密度の液体減速材が制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂから外へ変位される。したがって、液体減速材は、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの開いた下部及び／又は側部を通って流れ、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂ内に戻る。
【０１３４】
図７及び８を参照し、かつ、制御キャビティアレイ１３０を一例として使用すると、炉冷却材サブシステム２５は、制御キャビティアレイ１３０内に閉じ込められた減速材からの熱伝達によっては、あまりエネルギーを除去することができない。したがって、増加した量の減速材は、蒸気減速材内へのエネルギー中性子によって加熱される。すなわち、制御キャビティ１４０の上部内に閉じ込められかつ蓄積される蒸気減速材の量が増加するので、制御キャビティ１４０から外へ変位される（例えば中間部材１７０及び端部材１６５の下において変位される）液体減速材の量が増加するにつれて境界１９５が下がる。すなわち、気体領域１８５のサイズが増加し、かつ、液体領域１９０のサイズが減少する。錐体アセンブリ１５０においても同様に、炉冷却材サブシステム２５が熱伝達により除去するエネルギーが少ないので、内側錐体アセンブリ２００及び外側錐体アセンブリ２０５の上部内に閉じ込められかつ蓄積される蒸気減速材の量が増加する。すなわち、内側錐体アセンブリ２００及び外側錐体アセンブリ２０５から外へ変位される（例えば内錐体２３５及び外錐体２４０の下において変位される）液体減速材の量が増加するにつれて境界２９０が下がる。すなわち、気体領域２８０のサイズが増加し、かつ、液体領域１９０及び２７５のサイズが減少する。同様の効果が開示の炉１５の他の実施例でも生じる。
【０１３５】
逆の効果も生じる。一例として制御キャビティアレイ１３０を再び使用すると、炉冷却材サブシステム２５は、制御キャビティアレイ１３０に閉じ込められた減速材からの熱伝達によって多くのエネルギーを除去する。したがって、エネルギー中性子によって加熱されて蒸気減速材になる減速材の量が減少する。すなわち、制御キャビティ１４０の上部内に閉じ込められかつ蓄積される蒸気減速材の量が減少するので、液体減速材が制御キャビティ１４０に再び入る（例えば中間部材１７０及び端部材１６５の下において再び入る）につれて境界１９５が上がる。すなわち、気体領域１８５のサイズが減少し、かつ、液体領域１９０のサイズが増加する。錐体アセンブリ１５０においても同様に、炉冷却材サブシステム２５が熱伝達により除去するエネルギーが多いので、内側錐体アセンブリ２００及び外側錐体アセンブリ２０５の上部内に閉じ込められかつ蓄積される蒸気減速材が減少する。すなわち、内側錐体アセンブリ２００及び外側錐体アセンブリ２０５に再び入る（例えば内錐体２３５及び外錐体２４０の下において再び入る）液体減速材の量が増加するにつれて境界２９０が上がる。すなわち、気体領域２８０のサイズが減少し、かつ、液体領域１９０及び２７５のサイズが増加する。蒸気減速材はまた、制御キャビティ１４０の側部に沿って凝縮し、液体領域１９０及び２７５内に滴下する。同様の効果が開示の炉１５の他の実施例でも生じる。
【０１３６】
燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内の燃料から付与されるものと実質的に同じエネルギーを制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂから抽出するべく炉冷却材サブシステム２５が動作すると、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂ内の気化速度及び凝縮速度が実質的に等しくなり、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂのサイズが実質的に一定のままとなる。したがって、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの中に入り又はこれらの外へ出る減速材の動きは実質的に存在しなくなる。
【０１３７】
高速中性子は、減速材原子が液体状態（液体減速材）又は気体状態（蒸気減速材）いずれかの場合、減速材原子との衝突により減速される。減速材の平均密度が減少すると（例えば気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂのサイズが増加することによって）、減速材原子間の平均距離が増加し、かつ、中性子が衝突間で移動しなければならない平均距離も増加する。各衝突間をさらに移動する中性子が高速になると、当該中性子が高速である時間が多くなるので、相対的に高い及び中間の速度で移動する中性子の平均数が増加する。低速中性子が、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内に配置された燃料原子と衝突するときに核分裂を引き起こす可能性は相対的に高い一方、高速中性子が核分裂を引き起こすことなく炉１５内で吸収される確率も相対的に高くなる。したがって、核分裂を引き起こすべく利用可能な低速中性子の数が減少する。
【０１３８】
炉１５が定常状態動作レベルで動作する場合、炉冷却材サブシステム２５は、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂを所望の実質的に一定のサイズに維持するべく動作する。この気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂの所望のサイズは、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内において所望の減速材密度を与える。その結果、ちょうど十分な高速中性子が中間速度及び高速度で吸収されるので、燃料集合体１２５、１２５’、１２５ａ及び１２５ｂにおいて、各旧核分裂に対して一の新核分裂を引き起こすべく相対的に低速度で移動する残りの低速中性子が所望量存在する。
【０１３９】
気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂは、負のフィードバックを使用することにより、所望の実質的に一定のサイズに維持される。上述のように、炉冷却材サブシステム２５は、炉心１００、１００’、１００ａ及び１００ｂの冷却速度を炉心１００、１００’、１００ａ及び１００ｂの核分裂速度に（ひいては、燃料集合体１２５、１２５’、１２５ａ及び１２５ｂ内の核分裂により制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂの減速材内に与えられる熱の加熱速度に）実質的に整合するように制御される（例えば制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂを通る冷却材の流れを制御することによって）。燃料集合体１２５、１２５’、１２５ａ、及び１２５ｂ内の核分裂により制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び１３０ｂ内に与えられる熱の加熱速度が、炉冷却材サブシステム２５により与えられる冷却速度よりも高い場合、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂは膨張する。気体領域１８５、１８５’、１８５ａ，  ２８０、及び／又は１８５ｂの膨張により、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材の平均密度が減少する。これにより、中間速度及び高速度での吸収（共鳴捕獲）により失われる中性子のパーセンテージが増加する。すなわち、核分裂を引き起こすべく利用可能な低速中性子のパーセンテージが減少する。これにより、炉１５の加熱速度も減少する。当該加熱速度が当該冷却速度未満の場合、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂは収縮し、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材の平均密度が増加するので、共鳴捕獲により失われる中性子のパーセンテージが減少する。すなわち、核分裂を引き起こすべく利用可能な低速中性子のパーセンテージが増加する。これにより、加熱速度も増加する。すなわち、炉１５は、炉冷却材サブシステム２５による制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂの冷却速度に反応速度が追従するように制御される。したがって、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂの冷却速度を増加又は減少させることにより、炉１５の合計パワー出力が対応して増加又は減少する。減速材に付与されるエネルギー量は、炉１５が生成する合計エネルギーの小さなパーセンテージ（例えば約１％から約５％、例えば約３％）にすぎないので、炉１５が生成する合計エネルギー（及び対応する熱）の相対的に少量のみが、炉１５の制御を維持するべく（炉１５が生成する合計エネルギーに対して）相対的に小さな冷却速度によって調整される。すなわち、相対的に小さな冷却速度を制御することにより、例えば、減速材に与えられる（及び冷却速度を調整することによって制御される）熱量及びエネルギーの量よりも約３０倍大きい炉１５の合計パワー出力の、単純かつ安定した制御が可能となる。
【０１４０】
炉１５の相対的に大きな合計パワー出力と減速材に与えられる相対的に少量のエネルギーとの対比をもっぱら例示するべく、１０００メガワット発電機にパワーを与える炉の一例が考慮される。当該例示的発電機が生成する合計エネルギーは、当該発電機がフル出力の場合、約３，０００メガワット（１０，０００，０００，０００ＢＴＵ／時）である。減速材が温度摂氏約２８２度（華氏５４０度）の重水（Ｄ２Ｏ）の場合、炉心は例えば、約１００トンの減速材を格納する。炉によって生成される合計エネルギーの３％が炉心減速材に付与される場合、当該減速材に与えられるエネルギー量は、約８８メガワット（３００，０００，０００ＢＴＵ／時又は減速材０．４５キログラム（１ポンド）当たり１，５００ＢＴＵ／時）となる。この速度では、たとえ冷却がされない場合でも、減速材０．４５キログラム（１ポンド）当たり沸騰させるのに約２５分かかる。この例示的温度において気体蒸気減速材は液体減速材よりも約２０倍低密度となるので、この例では、当該キログラム（ポンド）の液体減速材の残りを制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂから変位させるのに十分な減速材を沸騰させるには約１分かかる。この例は、減速材に与えられるエネルギーの相対量を示すためだけに与えられる。開示の方法及び装置は、任意のタイプ又はサイズの原子炉システムに使用される。
【０１４１】
炉１５は、その動作中の任意の適切な時刻において、原子核反応からのエネルギーを発電サブシステム１０へ与える。一つの例示として定常状態動作を使用して、炉１５が発電サブシステム１０にパワーを与える方法の一例を以下に述べる。炉１５はまた、原子炉システム５の他のフェーズ及び動作状態中の発電サブシステム１０にも同様にパワーを与える。
【０１４２】
図１及び１３を参照すると、冷却材ポンプ３９０が、炉冷却材サブシステム２５のコールド炉冷却材通路３２０及びホット炉冷却材通路３２５を通る炉冷却材の流れを加圧する。したがって、炉冷却材サブシステム２５は、ホット炉冷却材通路３２５を介して、熱交換器２０内に配置された蒸気発生器へ熱い炉冷却材を移送する。蒸気発生器管を通って流れる熱い炉冷却材は、タービン蒸気サブシステム６５（以下でさらに説明する）が熱交換器２０に送達した水（Ｈ２Ｏ）を、熱伝達を介して沸騰させる。ホット炉冷却材通路３２５を通って流れる炉冷却材は、熱交換器２０を通り抜ける間、熱交換器２０における当該炉冷却材と水（Ｈ２Ｏ）との熱伝達を介して冷却される。冷却された炉冷却材はその後引き続き、炉冷却材サブシステム２５のコールド炉冷却材通路３２０を介して炉１５に戻る。炉冷却材サブシステム２５はこのサイクルを連続的に繰り返し、炉１５が加熱した熱い炉冷却材の所望量を熱交換器２０へ移送し、冷却された炉冷却材がその後引き続き炉１５に戻る。熱交換器２０の蒸気発生器が生成した高圧蒸気（Ｈ２Ｏ）がその後、（発電サブシステム１０の）タービン蒸気サブシステム６５の通路７０を介してタービン４５へ、Ｈ２Ｏポンプ３９５が生成する蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水（Ｈ２Ｏ）の流れに基づいて移送される。Ｈ２Ｏポンプ３９５は、熱交換器２０、通路７０、タービン４５の通路、通路７５、タービン冷却サブシステム６０、及び通路８０の中の蒸気（Ｈ２Ｏ）及び水（Ｈ２Ｏ）の流れを加圧する。
【０１４３】
タービン４５は、タービン蒸気サブシステム６５の通路７０が送達する高圧蒸気（Ｈ２Ｏ）を機械的エネルギーに変換する。例えば、蒸気（Ｈ２Ｏ）は、上述したタービン４５の例示的な回転可能シャフトに取り付けられた複数の要素を推進し、かつ、上述した例示的な一連のシリンダを通って膨張してタービン４５のシャフトを駆動する。タービン４５のこの動作は単に、蒸気（Ｈ２Ｏ）から機械的エネルギーを生成する任意の適切な方法の一つの例示である。タービン４５の例示的なシャフトの機械的エネルギーはその後、発電サブシステム１０の駆動アセンブリ５０に機械的に伝達される。
【０１４４】
駆動アセンブリ５０はその後、与えられた機械的エネルギーを、上述した例示的な駆動シャフトアセンブリを介して又は他の適切な機械的接続を介して、発電サブシステム１０の発電機５５に機械的に伝達する。これにより、駆動アセンブリ５０は発電機５５を駆動して発電を行う。一例では、発電機５５は、例えば５０Ｈｚ（５０サイクル）又は６０Ｈｚ（６０サイクル）出力のような、任意の適切な周波数のＡＣ電気を発電する。発電機５５からの電気はその後、従来の伝送方法を介して、電気を使用するパワーグリッド又は他の任意のサイト若しくはアクティビティに与えられる。
【０１４５】
タービン蒸気サブシステム６５の通路７５は、タービン４５からの余剰又は死蒸気（Ｈ２Ｏ）を発電サブシステム１０のタービン冷却サブシステム６０へ移送する。タービン冷却サブシステム６０は、例えば、蒸気（Ｈ２Ｏ）を凝縮させて水（Ｈ２Ｏ）にする凝縮器、冷却塔、強制空気流、及び／又はワンスルー冷却の使用に適切な、任意の方法を使用する。相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）はその後、通路８０を介してタービン冷却サブシステム６０から熱交換器２０へ移送される。
【０１４６】
タービン蒸気サブシステム６５の通路８０を介して熱交換器２０に送達された相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）は、熱交換器２０に入る。一部の相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）が熱交換器２０の下内部に入り、かつ、一部の相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）が、熱交換器２０の中心及び／又は上部において熱交換器２０に入る。当該下内部に入った相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）は、炉冷却材サブシステム２５のホット炉冷却材通路３２５を介して熱交換器２０内に移送された熱い炉冷却材との熱伝達によって加熱かつ沸騰される。当該上部に入った相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）は、熱交換器２０の内壁上の、熱交換器２０の中心及び／又は上部に配置された複数のノズル８３を介して、熱交換器２０の下内部の中へ注入される。複数のノズル８３は、熱交換器２０の内部にすでに格納されている沸騰水（Ｈ２Ｏ）の中に水（Ｈ２Ｏ）を注入する。相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）は沸騰水（Ｈ２Ｏ）と混合し、熱交換器２０内側に格納されたＨ２Ｏの温度勾配の大きさを低減することに役立つ。水（Ｈ２Ｏ）を熱交換器２０に移送することの上記例示は、単なる一例として与えられる。熱交換に適切な任意の方法が、熱交換器２０に使用される。
【０１４７】
炉１５内の原子核反応からのエネルギーを使用して熱交換器２０内に蒸気（Ｈ２Ｏ）を生成し、当該蒸気（Ｈ２Ｏ）を使用してタービン４５を駆動し、及び当該タービン４５によって発電機５５を駆動する上記プロセスは、所望の電気の量を生成するべく連続的に繰り返される。同様に、蒸気（Ｈ２Ｏ）を水（Ｈ２Ｏ）に凝縮し、及び当該水（Ｈ２Ｏ）を熱交換器２０に戻すプロセスも必要に応じて連続的に繰り返される。したがって、このプロセスは、炉１５が、例えば電気のようなエネルギーを生成する発電サブシステム１０にパワーを与える必要に応じて連続的に繰り返される。
【０１４８】
原子炉システムが定常状態動作で動作していると、電力需要が変動する。電力需要は毎日変動する。日中の又は夜間の時間に応じて、平均電力需要が変化する（例えば、電力需要は、平日の午前中又は週末の夜と比べ、平日夜の深夜が低い）。炉制御サブシステム４０のコントローラ５４０が、原子炉システム５のパワー出力を変化させるべく動作する。コントローラ５４０は、炉制御サブシステム４０及びポンプサブシステム３０を制御して炉１５内の炉冷却材及び／又は減速材冷却材の冷却速度を変え、これにより、負のフィードバックを使用して原子炉システム５のパワー出力を変えるべく動作する。
【０１４９】
原子炉システム５が大量のパワーを生成することが望まれる場合、コントローラ５４０は、炉制御サブシステム４０及びポンプサブシステム３０を制御して炉１５内の減速材の冷却速度を増加させるべく動作する。その結果、減速材の冷却速度は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂによる減速材の加熱速度よりも高くなる。コントローラ５４０は、相対的に大量の炉冷却材を、炉１５を通して流すべく冷却材ポンプ３９０を制御する。炉冷却材サブシステム２５により制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材に与えられる冷却速度が、燃料集合体１２５、１２５’、及び１２５ａにおける核分裂により制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材に付与される熱の加熱速度よりも高い場合、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂは収縮する。気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂの収縮により、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材の平均密度は、共鳴捕獲により失われた中性子のパーセンテージを減少させる。すなわち、核分裂を引き起こすべく利用可能な低速中性子のパーセンテージが増加し、かつ、炉１５の加熱速度が増加する。炉１５の加熱速度が増加することにより、大量の熱が、ホット炉冷却材通路３２５を流れる炉冷却材内に与えられる。したがって、大量の熱が、炉冷却材サブシステム２５から熱交換器２０内に伝達される。これにより、熱交換器２０は大量の蒸気（Ｈ２Ｏ）を生成し、大量の蒸気（Ｈ２Ｏ）は、通路７０を介して熱交換器２０からタービン４５へ移送される。コントローラ５４０はまた、Ｈ２Ｏポンプ３９５が、タービン４５へ移送される大量の蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを引き起こすべく動作する。大量の蒸気（Ｈ２Ｏ）により、タービン４５は大量の機械的エネルギーを生成する。当該エネルギーは、駆動アセンブリ５０を介してタービン４５から発電機５５に伝達されると、相対的に大量のパワー（例えば電気）を発電機５５に生成させる。
【０１５０】
原子炉システム５が少量のパワーを生成することが望まれる場合、コントローラ５４０は、炉制御サブシステム４０及びポンプサブシステム３０を制御して炉１５内の減速材の冷却速度を減少させるべく動作する。その結果、減速材の冷却速度は、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂによる減速材の加熱速度よりも低くなる。コントローラ５４０は、相対的に少量の炉冷却材を、炉１５を通して流すべく冷却材ポンプ３９０を制御する。炉冷却材サブシステム２５により制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材に与えられる冷却速度が、燃料集合体１２５、１２５’、及び１２５ａにおける核分裂により制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材に付与される熱の加熱速度よりも低い場合、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂは膨張する。気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂの膨張により、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材の平均密度が減少する。これにより、共鳴捕獲により失われる中性子のパーセンテージが増加する。すなわち、核分裂を引き起こすべく利用可能な低速中性子のパーセンテージが減少する。これにより、炉１５の加熱速度も減少する。炉１５の加熱速度が減少することにより、少量の熱が、ホット炉冷却材通路３２５を流れる炉冷却材内に与えられる。したがって、少量の熱が、炉冷却材サブシステム２５から熱交換器２０内に伝達される。これにより、熱交換器２０は少量の蒸気（Ｈ２Ｏ）を生成し、少量の蒸気（Ｈ２Ｏ）は、通路７０を介して熱交換器２０からタービン４５へ移送される。コントローラ５４０はまた、Ｈ２Ｏポンプ３９５が、タービン４５へ移送される少量の蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを引き起こすべく動作する。少量の蒸気（Ｈ２Ｏ）により、タービン４５は少量の機械的エネルギーを生成する。当該エネルギーは、駆動アセンブリ５０を介してタービン４５から発電機５５に伝達されると、相対的に少量のパワー（例えば電気）を発電機５５に生成させる。
【０１５１】
気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂの収縮及び／又は膨張は、極めて漸次的及び／又はわずかであるが、依然として原子炉システム５の制御には十分である。よって、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、２８０、及び／又は１８５ｂの体積がわずかに変化しても、共鳴捕獲に影響を与えるのにかつ負のフィードバックにより十分に炉１５を制御するのに十分大きな違いが得られる。
【０１５２】
炉心１００ｂの動作は一般に、上述の炉心１００、１００’、及び１００ａの動作に追従する。図１２Ｉ、１２Ｊ、及び１２Ｋに描かれるように、炉１００ｂは、制御キャビティアレイ１３０ｂ内に減速材を閉じ込める付加的な特徴を与える。これは、例えば、高いパーセンテージの高速核分裂とともに使用される。
【０１５３】
図１２Ｉ、１２Ｊ、及び１２Ｋに示されるように、相対的に冷たい減速材が、反射プール１０５から及び減速材冷却材流入管３３５ｂへ自由に動く。減速材冷却材流入管３３５ｂ内に配置された減速材はその後、孔３３６ｂを介して制御キャビティ１４０ｂ内へ自由に動くことによって、制御キャビティ１４０ｂ内の減速材を冷却する。実質的に等しい体積の温かい減速材が、制御キャビティ１４０ｂから外へ出て孔３３８ｂを介して減速材流出管３３７ｂの中に入る。減速材流出管３３７ｂ内の減速材は、当該減速材流出管３３７ｂから反射材領域９５内に自由に動く。制御キャビティ１４０ｂが閉じた上部を有するので、減速材は、制御キャビティ１４０ｂの上部と反射材領域９５の上部との間を自由に動くことができない。
【０１５４】
図１２Ｎを参照すると、開示の実施例は、減速材が例えば、反射プール１０５及び／又は制御キャビティ１４０ｂ（及び／又は１４０’及び／又は１４０ａ）を通ってかつこれらの中へ循環する相対的に冷たい減速材によって冷却される場合に動作する。図１２Ｎの実施例は、当該システム内の実質的にすべての箇所における蒸気減速材の圧力の安定性と、燃料棒１２７ｂ（及び／又は炉心１００’及び１００ａ内に配置された同様の燃料棒）上方にある反射プール１０５の頂部に位置する境界１１５の高さの安定性とに基づいて動作する。減速材冷却材管３２７ｂ（及び／又は炉心１００’及び１００ａ内に配置された同様の減速材冷却材管）により、反射材領域９５及び制御キャビティ１４０ｂ（及び／又は制御キャビティ１４０’及び／又は１４０ａ）から、タンク３７７ｂを通り抜けて通路３５５ｂ及び減速材冷却材ポンプ３５０ｂへ向かう減速材熱交換管３９０ｂ内への減速材の流れが許容される。減速材冷却速度は、例えば、タンク３７７ｂ内の水（Ｈ２Ｏ）温度と反射プール１０５内の減速材温度との差が乗算されたポンプ流速である。当該温度差が一定レベルに維持されるので、減速材制御キャビティ冷却速度ひいては炉全体のパワー出力はポンプ流速に比例する。したがって、減速材冷却材ポンプ３５０ｂの不適切な動作及び／又はポンプ出力の中断によって炉１５内の反応がシャットダウンする。冷却された減速材が、減速材冷却材ポンプ３５０ｂから通路３２２ｂ（及び／又は炉心１００’及び／又は１００ａ内に配置された同様の通路）を介して減速材冷却材流入管３３５ｂ（及び／又は炉心１００’及び／又は１００ａ内に配置された同様の管）へ流れる。凝縮器５７０及び差分流れ部分６７５と形態及び機能が同様である負荷追従サブシステム５１５の凝縮器及び差分流れ部分が、ポンプ３５０ｂに隣接する通路３２２ｂに挿入される。
【０１５５】
炉制御サブシステム４０の動作を以下に述べる。まず、負荷追従サブシステム５１５の例示的な動作から述べる。炉制御サブシステムの動作は、制御サブシステム５１０のコントローラ５４０を介して制御される。
【０１５６】
図２０に示されるように、負荷追従サブシステム５１５のゲート５４５が、通路７０を介する熱交換器２０からタービン４５への蒸気（Ｈ２Ｏ）流量を、蒸気（Ｈ２Ｏ）を通路７０から通路５５５へ転じることによって選択的に低減する。蒸気（Ｈ２Ｏ）を通路５５５へ転じるべく、ゲート５４５は、閉位置から部分的開位置又は完全開位置へ動かされる。ゲート５４５が閉位置にある場合、蒸気（Ｈ２Ｏ）の実質的にすべての流れが通路７０からタービン４５へ流れる。ゲート５４５が部分的開位置へ動かされると（例えば、低い電力需要に見合うようにタービン４５への所望の蒸気流を減少しなければならない場合）、過剰な蒸気（Ｈ２Ｏ）が、ゲート５４５の開度に比例して通路７０から通路５５５へ流れる。したがって、ゲート５４５の動作により、通路７０から通路５５５へ転じる蒸気（Ｈ２Ｏ）の量が制御される。ゲート５５０の動作により、ゲート５４５の動作と同様に、通路５５５から通路５６０へ転じる蒸気（Ｈ２Ｏ）の量が制御される。通路５６０へ流れる蒸気（Ｈ２Ｏ）は、通路５６０を介してタービン冷却サブシステム６０へ直接的に移送される。したがって、ゲート５５０の動作により、タービン４５をバイパスし、かつ、タービン冷却サブシステム６０へ直接的に移送される蒸気（Ｈ２Ｏ）の流量が制御される。その位置に応じて、ゲート５４５と同様の動作により、ゲート５５０は、蒸気（Ｈ２Ｏ）が通路５６０を介して通路５５５からタービン冷却サブシステム６０へ流れる流れの実質的にすべて、実質的にゼロ、又は一部を転じることができる。タービン４５の急シャットダウンが望まれる場合、ゲート５４５は開位置へ動かされて実質的にすべての蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れが通路７０から通路５５５へ移送され、かつ、ゲート５５０が開位置へ動かされて実質的にすべての蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れが通路５５５から通路５６０へ移送される。したがって、熱交換器２０からの実質的にすべての蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れがタービン冷却サブシステム６０へ転じられてタービン４５の急シャットダウンが促される。
【０１５７】
通路５６０を介してタービン冷却サブシステム６０へ転じられない通路５５５を通って流れる蒸気（Ｈ２Ｏ）は、通路５６５を介して凝縮器５７０へ流れ、又は図１２Ｎに描かれている通路３２２ｂにある同様の凝縮器（図示せず）へ流れる。凝縮器５７０内に配置される蒸気（Ｈ２Ｏ）と、コールド炉冷却材通路３２０を通って流れる冷たい炉冷却材との熱交換ゆえに、凝縮器５７０内に配置される蒸気（Ｈ２Ｏ）の一部又は実質的にすべてが凝縮して水（Ｈ２Ｏ）になる。弁５７５が動作して水（Ｈ２Ｏ）が凝縮器５７０から外へ流れるのを許容する一方、凝縮器５７０から外への蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れを実質的に阻止する。水（Ｈ２Ｏ）はその後、通路５８０を介して凝縮器５７０から熱交換器５８５へ流れる。熱交換器５８５は、水（Ｈ２Ｏ）の温度を、所望の温度（例えばタービン蒸気サブシステム６５の通路８０により移送される水（Ｈ２Ｏ）と実質的に同じ温度）まで下げる。通路５９０はその後、分岐点５９５を介して熱交換器５８５から通路８０へ水（Ｈ２Ｏ）を移送する。通路８０はその後、ポンプサブシステム３０のポンプ３９５の入口へ水（Ｈ２Ｏ）を移送する。
【０１５８】
したがって、負荷追従サブシステム５１５は、ゲート５４５を調整することによるタービン４５の制御を許容する。これにより、電力需要の変動に応じて熱交換器２０からの蒸気（Ｈ２Ｏ）が多かれ少なかれタービン４５を通り抜けるように配向される。通常動作のいくつかの場合、過剰な蒸気（Ｈ２Ｏ）は、タービン冷却サブシステム６０から熱交換器２０への入力供給原料を予備加熱するべく使用される。また、過剰な蒸気（Ｈ２Ｏ）の一部が、一次減速材制御キャビティ冷却材を、通路３２２ｂ又は通路３２０内に配置された熱交換器（例えば小さな熱交換器）を介して加熱するべく使用される。すなわち、過剰な蒸気（Ｈ２Ｏ）量が増加する場合に制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの冷却及び炉のパワー出力が低減される（又は過剰な蒸気（Ｈ２Ｏ）量が減少する場合に当該パワー出力が増加される）。
【０１５９】
バイパスサブシステム５２０の例示的な動作を以下に述べる。ポンプ６００が、コントローラ５４０により制御されて通路６０５内の炉冷却材を選択的に加圧する。これにより、炉冷却材がホット炉冷却材通路３２５からコールド炉冷却材通路３２０へポンプ輸送されるので、熱交換器２０及びポンプ３９０がバイパスされる。すなわち、ポンプ６００及び通路６０５により、ホット炉冷却材通路３２５を通って流れる相対的に熱い炉冷却材が、熱交換器２０をバイパスしかつ直接的にコールド炉冷却材通路３２０に流れることが許容される。これにより、炉１５の運転中所望のタイミングで（例えばシャットダウン、低出力運転、及び／又は初期炉冷却材装荷時）、熱い冷却材を当該相対的に冷たい冷却材と混合させ、かつ、コールド炉冷却材通路３２０を流れる冷却材の温度を上昇させることができる。
【０１６０】
したがって、バイパスサブシステム５２０により、相対的に少量の一次冷却材は、通常の冷却材経路から押し出されて熱交換器２０及び／又は炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂバイパスする。バイパスサブシステム５２０は、冷却材ポンプ３９０及び／又はＨ２Ｏポンプ３９５が単数のモータによって駆動される場合に動作し、通常動作中、ホット炉冷却材通路３２５を介して熱交換器２０に入る熱量と、タービン４５への通路７０を通る蒸気（Ｈ２Ｏ）流を介して熱交換器２０から出る熱量とのバランスをとるべく、比例する量の流体が移送サブシステム３０５を通してポンプ輸送される。低出力時、著しい温度偏差が生じ（例えばフル出力時よりも大きな温度偏差）、当該温度偏差は、ホット炉冷却材通路３２５を通る一次冷却材流速と通路７０を通るタービン供給原料流速との流量比を、所望の流量比から離れるように変化させる。バイパスサブシステム５２０の動作が、当該温度偏差を補償してホット炉冷却材通路３２５を通る一次冷却材流速と、通路７０を通るタービン供給原料流速との流量比を所望の流量比に維持する。当該温度偏差に応答して、ポンプ６００は、相対的に低い容量で動作する。例えば、ポンプ６００の容量は、フル出力時のポンプ３９０の容量の３％である。これは、１０％出力時のポンプ３９０の容量の３０％に対応する。この容量は、ポンプ６００が所望流量比の著しいアンバランスを補償するのに十分な容量である。ポンプ６００はまた、任意のタービン供給原料を、通路７０を通してタービン４５へ送るのに望ましくないが、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを通る少量の一次炉冷却材の流れを維持することが望ましい状況（例えば炉を起動して炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを動作温度まで一様に上昇させる場合）においても動作する。
【０１６１】
減速材安定化サブシステム５２５の例示的な動作を以下に述べる。炉１５の通常動作中、弁６１５は閉位置にあって、反射材領域９５の蒸気エリア１１０から貯蔵器６２５へ通路６１０を介する蒸気減速材の流れを実質的に阻止する。コントローラ５４０が弁６１５を開に制御すると、蒸気減速材は、通路６１０を介して蒸気エリア１１０から貯蔵器６２５へ流れる。通路６１０を介して貯蔵器６２５に入ると、蒸気減速材は、貯蔵器６２５の内壁の相対的に冷たい表面上で凝縮する。弁６１５は、炉の急シャットダウンが望まれる場合に開となる。通路６１０を流れる蒸気減速材は、通路６３０を介して凝縮器６３５にも流れる。通路８０を通って流れる相対的に冷たい水（Ｈ２Ｏ）との熱交換ゆえに、凝縮器６３５内に配置された蒸気減速材は凝縮して液体減速材になる。ポンプ６４５は、通路６４０及び６５０内の液体減速材の流れを選択的に加圧する。これにより、凝縮液体減速材がポンプ輸送されて炉１５の中に、例えば蒸気エリア１１０の中に戻る。通路６５０を介して蒸気エリア１１０内に移送された凝縮液体減速材により、蒸気エリア１１０内の付加的な蒸気減速材が凝縮され、かつ、反射材領域９５内の減速材温度が低減される。ポンプ６４５は、蒸気エリア１１０及び反射材領域９５内の一定の蒸気圧力を維持する流速で動作される。この機能はまた、図１２Ｎに描かれるように、蒸気圧力制御弁３８０ｂによっても与えられる。
【０１６２】
したがって、蒸気エリア１１０内の蒸気減速材の圧力が所定値を超えて上昇する場合、減速材安定化サブシステム５２５は、過剰な蒸気減速材を凝縮させるべく動作し、かつ、これを反射プール１０５内にポンプ輸送して戻す。蒸気エリア１１０内の蒸気減速材の圧力を所望の圧力範囲に維持することにより、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの通常動作が得られる。これは、減速材安定化サブシステム５２５が、蒸気領域１１０内の蒸気圧力の安定性を維持し、反射材領域９５の境界１１５に近い蒸気減速材の温度の安定性を維持し、及び、反射材領域９５の境界１１５に近い液体減速材の温度の安定性を維持するからである。
【０１６３】
炉冷却材安定化サブシステム５３０の例示的な動作を以下に述べる。貯蔵器６５５とホット炉冷却材通路３２５との間の実質的に自由な炉冷却材の通過が通路６６５を介して生じる。加熱要素６６０は、圧力が所望値未満に低下した場合、貯蔵器６５５を選択的に加熱して、貯蔵器６５５内に貯蔵された炉冷却材を所望温度及び／又は圧力に維持する。圧力が所望値を超えて上昇すると、コールド炉冷却材通路３２０からの冷たい炉冷却材は、ポンプ（図示せず）によって貯蔵器６５５に選択的に注入される。貯蔵器６５５内に噴霧された相対的に冷たい炉冷却材は、貯蔵器６５５内の蒸気炉冷却材の一部を凝縮させるので、貯蔵器６５５及びホット炉冷却材通路３２５内の圧力を選択的に低減する。
【０１６４】
図１５及び２０を参照して、差分流れサブシステム５３５の例示的な動作を以下に述べる。連続する同心通路６７０のそれぞれの、入口端及び出口端における各面積（例えば面積Ａ１、Ａ２、Ａ３、及び／又はＡ４）の部分が塞がれるので、同心通路６７０のそれぞれにおける実質的に同じ流速が、同心通路６７０が配置されたコールド炉冷却材通路３２０の当該部分を通して維持される。したがって、同心通路の面積がばらつくので、流体が異なる同心通路を通り抜ける時間もばらついてコールド炉冷却材通路３２０の急な温度変化が時間経過とともに広がる。
【０１６５】
原子炉システム５は、例えば数年の周期又は数十か月の周期の連続動作のような、任意の適切な時間周期にわたって動作する。原子炉システムが数年又は数十年という当該周期にわたって動作するので、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂのサイズは漸次的に収縮し、かつ、動作時間周期の終わりに向かって実質的に消滅する。気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂが収縮し、かつ、最終的に実質消滅するのは、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内の燃料の核分裂性内容物の量が時間経過とともに減少するからである。したがって、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の高密度の減速材が使用されて、核分裂性内容物の減少が補償され、かつ、所望の核分裂速度が維持される。原子炉システム５の動作期間にわたり中性子吸収核分裂副生成物が連続的に蓄積するので、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂも収縮し、かつ、最終的に実質消滅する。このため、時間経過とともに中性子吸収核分裂副生成物が増加するので、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂも収縮し、かつ、最終的に実質消滅する。したがって、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の高密度の減速材が使用されて、核分裂性内容物の減少が補償され、かつ、所望の核分裂速度が維持される。
【０１６６】
時間経過とともに、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂが実質的に消滅した後、燃料管１３５、１３５’、１３５ａ、及び／又は１３５ｂ内の燃料の核分裂性内容物の量が最終的に十分少なくなり及び／又は炉１５内で生成された中性子吸収核分裂副生成物が最終的に十分多くなる。その結果、炉１５は臨界未満となり、原子炉システム５内の核分裂速度は微々たるものとなる。したがって、炉１５はシャットダウンする。この時点で、新たな燃料が炉１５に与えられ、又は炉１５が、キセノン減衰に引き続くシャットダウン後の短い期間だけ動作される。
【０１６７】
原子炉システム５も、上述の動作時間周期の終了時におけるシャットダウンに先立ち必要に応じてシャットダウンされる。原子炉システムは、炉制御サブシステム４０によって意図的にシャットダウンされる。意図的なシャットダウンの場合、炉冷却材サブシステム２５の動作は、相対的に少量の又は実質的にゼロの炉冷却材及び／又は減速材冷却材を炉１５に供給するべく制御される。この場合、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材は、極めて熱くなるので、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂは、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの実質的にすべてを満たすべく膨張する。上述のように、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂは、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの実質的にすべてを満たすので、制御キャビティアレイ１３０、１３０’、１３０ａ、及び／又は１３０ｂ内の減速材の平均密度が減少する。この減速材密度の減少により、中間速度及び高速度での吸収（共鳴捕獲）により失われる中性子のパーセンテージが増加する。すなわち、核分裂を引き起こすべく利用可能な低速中性子のパーセンテージが減少する。これにより、炉１５の加熱速度も減少する。したがって、炉冷却材及び減速材冷却材の炉１５への流れが少量に維持され又は停止される場合、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂは、制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの実質的にすべてを満たし続け、炉１５がシャットダウンする。意図的なシャットダウンと同様に、炉冷却材サブシステム２５が適切に動作せず、かつ、炉冷却材及び／又は減速材冷却材を炉１５へ供給しない場合、気体領域１８５、１８５’、１８５ａ、１８５ｂ、２８０、及び／又は１８５ｂは膨張して制御キャビティ１４０、１４０’、１４０ａ、及び／又は１４０ｂの実質的にすべてを満たし、炉１５は最終的に、意図的なシャットダウンとして上述したものと同様にひとりでにシャットダウンする。
【０１６８】
補助冷却材サブシステム３５の動作を以下に述べる。まず、対流ループサブシステム４１０の例示的な動作の記載から始める。
【０１６９】
図１６を参照すると、分岐点４２５及び４５５は、実質的なフル冷却材流量（フル出力運転）において、通路４３０内の圧力Ａ及び分岐点４５５内の圧力Ｂが互いに対抗しかつバランスをとるべく構成されるので、通路４３０、４３５、４４０、及び４４５、合流部４５０、並びに分岐点４５５を通る流体の流れは実質的に存在しない。冷却材ポンプ３９０が、コールド炉冷却材通路３２０を通り、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを通り、及びホット炉冷却材通路３２５から出て熱交換器２０に入る冷たい炉冷却材のポンプ輸送を停止すると、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂから出る熱い炉冷却材は、分岐点４２５において対流ループサブシステム４１０の通路４３０に流れる。熱い炉冷却材は、通路４３０を介して下方に、すなわち反射プール１０５の頂部表面の高さよりも下に流れる。熱い炉冷却材はその後、通路４３０から上方へ流れて通路４３５に入った後、複数の通路４４０を介して格納構造体８５及び圧力容器９０へ向かう。熱い炉冷却材は、複数の通路４４０から対応する複数の通路４４５へ流れる。熱い炉冷却材は、複数の通路４４５を通って流れ、熱交換により圧力容器９０へ熱を与える。炉冷却材は、複数の通路４４５を介して、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂの底に近い又はこれの下の位置へ流れる。炉冷却材はその後、分岐点４５５においてコールド炉冷却材通路３２０へ流れる。コールド炉冷却材通路３２０に入った炉冷却材はその後、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂに入る。炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを出た後、炉冷却材の一部が、分岐点４２５において再び対流ループサブシステム４１０に入る。
【０１７０】
圧力Ａは、ポンプ３９０が、炉の最大出力運転に対応する速度で減速材冷却材を循環させている場合、圧力Ｂと対抗しかつバランスをとる。その結果、フル出力においては、対流ループを通って流れる冷却材は極めて少量となる。フル出力未満（フル炉冷却材流量未満又は炉冷却材流量が実質的にゼロ）においては対流ループが動作し、炉冷却材は対流ループサブシステム４１０を通って循環する。したがって、必要に応じ対流ループサブシステム４１０は、炉冷却材サブシステム２５が動作していない場合であっても、炉冷却材を炉１５を通して循環させるべく動作する。対流ループサブシステム４１０並びに弁４６０及び４６５は、コントローラ５４０からかつ任意の電源から独立して動作する自律型システムである。例えば、弁４６０及び４６５は、炉冷却材サブシステム２５の流れの中断又は冷却材サブシステムの格納構造体８５外のコンポーネントのいずれかの漏れの場合、対流ループサブシステム４１０内の炉冷却材の流れを隔離するべく動作する。弁４６０は、外部圧力が圧力容器９０内側でのコールド炉冷却材通路３２０内圧力未満となる任意の場合、コールド炉冷却材通路３２０を介する炉１５から外への炉冷却材の流れを実質的に阻止するべく動作する。また、弁４６５は、炉１５内の炉冷却材の量が所望のしきい量未満となる場合、炉１５から外への炉冷却材の流れを実質的に阻止するべく動作する。したがって、対流ループサブシステム４１０は必要に応じ、炉冷却材サブシステム２５の動作から独立して、炉１５を通る炉冷却材の循環を維持するべく動作する。
【０１７１】
図１７及び１８を参照して、補助熱交換サブシステム４１５の例示的な動作を以下に述べる。反射材領域９５内の減速材の温度がその通常動作温度を上回ると、圧力容器９０もまた、減速材及び減速材蒸気からの熱伝導により、ほぼ同じ温度まで加熱される。熱交換部材４７０内に収容された状態変化材料はますます加熱される。しきいレベルを超えて加熱されると、熱交換部材４７０内に配置された状態変化材料には、状態変化が引き起こされる（例えば、固体状態から液体状態へ加熱され又は液体状態から気体状態へ加熱される）。これにより、熱交換部材４７０内に配置された状態変化材料の熱伝導特性が向上する。熱交換部材４７０の状態変化材料は、対流又は蒸気移送によって圧力容器９０から熱を有効に奪い、格納構造体８５の外部（これは熱伝導度が低い）へ有効に熱を伝達する。
【０１７２】
熱交換部材４７５の状態変化材料はその後、熱交換部材４７０から伝達された熱によって加熱される。しきいレベルを超えて加熱されると、熱交換部材４７５内に配置された状態変化材料には、状態変化が引き起こされる（例えば、固体状態から液体状態へ加熱され又は液体状態から気体状態に加熱される）。これにより、熱交換部材４７５内に配置された状態変化材料の熱伝導特性が向上する。
【０１７３】
熱交換部材４７５の状態変化材料はその後、熱交換部材４７５から熱交換部材４８０に流れる。熱交換部材４８０が大面積の地域（例えば広場及び／又は駐車場）の下に延びている場合、熱交換部材４８０の中に配置され及び／又はその中を流れる状態変化材料によって伝達された熱が、隣接する地域及び地表面に拡散する。熱交換部材４８０が、実質的な水平面からわずかに上方に傾いて配置されている場合、熱交換部材４８０の中に配置され及び／又はその中を流れる状態変化材料は、炉１５からの距離が増加すればするほどますます熱を拡散する。
【０１７４】
しきいレベルを超えて冷却されると、熱交換部材４８０内に配置された状態変化材料には、再び状態変化が引き起こされる（例えば、気体状態から液体状態へ冷却され又は液体状態から固体状態へ冷却される）。例えば、熱交換部材４７５及び４８０内に配置された状態変化材料がＨ２Ｏの場合、蒸気（Ｈ２Ｏ）が凝縮して水（Ｈ２Ｏ）になる。熱交換部材４８０が、実質的な水平面からわずかに上方に傾いて配置されている場合、状態変化材料、例えば水（Ｈ２Ｏ）は、熱交換部材４７５内に蒸気泡を形成する。蒸気泡は、熱交換部材４７５の頂部まで急速に上昇した後、熱交換部材４８０の頂部に沿って外方へ流れて初めて、凝縮して熱交換部材４８０内で冷たい水（Ｈ２Ｏ）になって流れ、重力ゆえに炉１５へ戻る。状態変化材料が重力ゆえに熱交換部材４８０を通り、炉１５及び熱交換部材４７５へ流れて戻るので、状態変化材料は再びますます加熱されるようになる。しきいレベルを超えて加熱されると、熱交換部材４７５内に配置された状態変化材料には、状態変化が引き起こされる（例えば、液体状態から気体状態へ加熱され又は固体状態から液体状態へ加熱される）。状態変化材料は、加熱及び冷却が繰り返されることにより、一サイクルで状態間を前後して変化し、かつ、連続的に炉１５から熱を除去して熱交換部材４８０が下に延びている大面積の地域（例えば広場及び／又は駐車場）にわたって分散させる。意図されることだが、原子炉システム５内での動作のほかに、補助熱交換サブシステム４１５は、中心源（例えば、任意のタイプの発電所、任意のタイプの、例えば商業ビル、軍事用途、居住構造体、及び複合施設のような発熱構造体、及び／又はスポーツ複合施設）から熱が伝達により奪われる任意の適切な熱伝達用途と組み合わされて使用される。
【０１７５】
図１９を参照して、補助炉停止サブシステム４２０の例示的な動作を以下に述べる。炉１５の通常動作中、弁４８７は閉のままである。中性子吸収材料の炉１５内への流入が必要な場合（例えば炉１５のシャットダウンが望まれる場合）、コントローラ５４０は弁４８７を開に制御して、加圧された中性子吸収材料が加圧貯蔵器４８５から一以上の通路４９０へ流れることを許容する。中性子吸収材料は、一以上の通路４９０を通って流れることにより、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを通って流れる。中性子吸収材料が端部分５０５に向かって流れると、先に通路４９０内に配置されていた蒸気（Ｈ２Ｏ）は、閉じた端部分５０５においてますます加圧される。これは、バッファとして機能するので、中性子吸収材料が、加圧貯蔵器４８５から通路４９０への加圧された流れによる力ゆえに、端部分５０５から外へ噴出して流れる可能性を低減する。通路４９０内の中性子吸収材料の存在ゆえに、炉１５から吸収される中性子量が増加する。これにより、炉１５の核分裂速度が減少する。炉の再起動が望まれる場合、コントローラ５４０は、ポンプ５００を制御して中性子吸収材料をポンプ輸送し、ドレーン通路４９５を介して通路４９０から貯蔵器４８５へ戻す。通路４９０内に実質的にゼロの中性子吸収材料が望まれる場合、コントローラ５４０は、弁４８７を実質的に全閉まで制御し、かつ、中性子吸収材料を通路４９０から加圧貯蔵器４８５内へ排出するべくポンプ５００を制御する。ポンプ５００は、加圧貯蔵器４８５を加圧状態に維持し、上述のプロセスが必要に応じて繰り返される。
【０１７６】
開示の原子炉システムは、原子炉の制御を容易にするべく用いられる。例えば、炉１５は、格納構造体８５内に可動部分を有することなく構築される。開示の制御方法は、大幅に異なる反応度を有する燃料の使用を許容し、かつ、燃料ライフサイクルの実質的にすべての時点で各異なる燃料に対する実質的に最大の転換比を達成する、相対的に大きな範囲（例えば２５０ｍｋ超過）を有する。開示の原子炉システムはまた、転換比を大幅に増加させるので燃料寿命も増加させる。また、開示の制御方法の相対的に大きな範囲ゆえに、炉１５は、例えば、低濃縮ウラン、ＭＯＸ燃料、使用済み軽水炉燃料、及び、トリウムを含む燃料の組み合わせのような、高反応度燃料を使用することができる。
【０１７７】
開示の制御キャビティは、局所中性子束を制御するべく互いに独立して反応するので、キセノン波が自然に抑制される。これにより、炉１５の効率が増加する。また、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを横切る中性子束が大幅に平坦化されるので、原子炉システム５の全パワー出力が相対的に高くなる。また、炉心１００、１００’、１００ａ、及び／又は１００ｂを横切る燃料バーンアウトも相対的に均一になる。
【０１７８】
開示の原子炉システムは、連続的又は部分的な燃料交換を使用する必要がない。これは、過剰な中性子が、低転換比を有する旧燃料の寿命を非効率的に延ばすべく使用されずに、高転換比の新燃料の寿命を延ばすべく使用されるからである。炉１５は燃料として天然ウランを使用するので、炉１５は同位体（例えばウラン）の濃縮能力を利用しない。このため、核拡散の可能性が減少する。炉１５の高転換比ゆえに、パワー出力の大部分は、炉１５内でＵ２３８から生成されたプルトニウム同位体（ほとんどがＰｕ２３９）の核分裂によって生成される。したがって、採掘ウラン１トン当たりの発電ＫＷＨが著しく増加し、かつ、発電ＫＷＨ当たりの発生核廃棄物量が著しく減少する。
【０１７９】
開示の制御キャビティは炉１５に、原子炉システム５を効率的に制御する単純な構造を与える。開示の制御キャビティは炉冷却材及び減速材間の温度差を低減するので、熱い冷却材から減速材への熱損失が低減される。これにより、出力冷却材温度が高くなり、かつ、蒸気タービンの効率が高くなる。また、開示の制御キャビティは、炉１５を横切る圧力差を低減するので、冷却材圧力管を作る構造材料を少なくすることができる。これにより、吸収される中性子を少なくして燃料の転換比を増加させることができる。
【０１８０】
開示の燃料集合体は、開示の燃料管内の内側燃料棒を与える。当該燃料棒は、他の燃料棒によって熱中性子が遮られることが相対的に少ないので、燃料管を横切る温度が相対的に均一になる。これにより、燃料管及び燃料集合体は、多くの燃料棒及び／又は大きな直径の燃料棒を格納することができる。したがって、炉体積当たりのパワー出力が増加する。
【０１８１】
補助熱交換システム４１５は、炉１５からの又は他の任意の適切な熱源からの熱を効率的に伝達する。補助熱交換システム４１５は、可動の機械的部品なしに、効率的な熱伝達システムを与える。
【０１８２】
開示の原子炉システムはまた、必要に応じて自動的に及び／又は意図的に炉１５をシャットダウンすることができる。開示の炉システムはまた、バイパスシステムを介してタービン４５に送達される蒸気量を制御する方法を与える。これにより、出力生成を効率的に制御することができる。
【０１８３】
開示の原子炉システムに対して様々な修正例及び変形例をなし得ることは、当業者にとって明らかである。他の実施例も、本明細書並びに開示の方法及び装置の実施を考慮することにより、当業者にとって明らかである。意図されることだが、本明細書及び例は、例示のみとみなされ、真の範囲は以下の特許請求の範囲及びその均等物によって示される。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１２Ｊ】
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【図１２Ｋ】
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【図１２Ｌ】
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【図１２Ｍ】
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【図１２Ｎ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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