施方式的概述，那么将讨论其它实施方式和方面。首先，将讨论核裂变反应堆芯组件100的实施方式和方面。首先，将描述核裂变反应堆芯组件100和其核物理学以及核裂变爆燃波的传播的概述，其后描述核裂变反应堆芯组件100的示例性的实施方式和其他方面。
[0044]通过概述和总括的方式给出，反应堆芯组件100的结构部件可由钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)，或碳复合材料、陶瓷等制成。因为核裂变反应堆芯组件100在高温下运行，并且因为在全功率运行的所预想的寿命中的这些材料的蠕变阻力、机械可使用性，以及抗腐蚀能力，所以这些材料是合适的。结构部件可由单一材料或材料的组合(如，涂层、合金、多层、复合材料等)制成。在一些实施方式中，反应堆芯组件100在足够的更低的温度下运行，以便可以单独或以组合的方式，将诸如铝(Al)、钢、钛(Ti)的其它材料用于结构部件。
[0045]核裂变反应堆芯组件100包括小的核裂变点火器和更大的核裂变爆燃燃烧波传播区域。核裂变爆燃燃烧波传播区域适当地包括钍或铀燃料，并且遵循快中子能谱裂变增殖(breeding)的一般定律。在一些实施方式中，通过在后面详细描述的、调节局部中子通量从而控制局部功率产生的温度调节模块，保持核裂变反应堆芯组件100各处的均匀温度。
[0046]适当地，由于有效的核裂变燃料使用和最小化同位素浓缩的要求的原因，核裂变反应堆芯组件100是增殖堆。进一步地，现在参考图1B和1C，因为用于热中子的裂变产物的高吸收截面不允许使用多于约1%的钍，或在以铀为燃料的实施方式中，不允许使用更高丰度的铀同位素U238，而不去除裂变产物，所以核裂变反应堆芯组件100适当地使用快中子能谱。
[0047]在图1B中，描绘了在10_3_107eV的中子能范围内的、对于以Th232为燃料的所感兴趣的主导的中子驱动核反应的截面。可以看出，在裂变产物原子核上的辐射捕获的损失主导了在近热能(?0.1eV)处的中子经济，但在高于共振捕获区域(?3-300eV之间)时相对可忽略。因此，当试图获得高增益的可增殖至可裂变的增殖堆时，以快中子能谱运行有助于防止燃料再循环(即，周期性或连续地去除裂变产物)。所示的用于裂变产物的辐射捕获截面是那些用于来自快中子引发的裂变的中间-Z核的辐射捕获截面，该中间-Z核已经历随后的衰变直到可忽略的程度。在核裂变反应堆芯组件100的实施方式的燃烧波的中央部分中的那些将一直经历一些衰变，从而将具有略高些的中子活动性。然而，参数研宄已显示芯燃料燃烧结果可能对这种衰变的精确度不敏感。
[0048]在图1C中，在图1C的上部分，在中子能范围的最感兴趣的部分，>104和<10 6 5eV之间，描绘了对于以Th232为燃料的实施方式的主要感兴趣的主导的中子驱动核反应的截面。反应堆10的实施方式的中子能谱峰值在多15eV的中子能区域。图1C的下部分包括这些截面与在Th232上的中子辐射捕获(即可增殖至可裂变的增殖过程(如得到的Th 233迅速β -衰变为Pa233，然后Pa233相对缓慢地β -衰变为U 233,类似于由U238进行中子捕获时的U239-Np239-Pu239 β -衰变链))的截面的比值vs中子能。
[0049]可以看出，在所感兴趣的中子能范围内，对裂变产物的辐射捕获的损失是相对可忽略的，此外，如Ta的高性能结构材料的百分之几十的原子比例将在核裂变反应堆芯组件100中的中子经济上施加可容忍的负荷(tolerable loads)。这些数据也启示，超过50%的堆芯平均燃料烧尽是可实现的，并且当由于裂变产物的积累，反应性最终被驱动为负时，核裂变爆燃波后的裂变产物与可裂变原子的比值将为约10:1。
[0050]核裂变爆燃波的焚烧波前端的产生和传播
[0051]现在将解释核裂变反应堆芯组件100内的核裂变爆燃波。经过可燃材料的爆燃燃烧波的传播可以按可预测水平释放功率。此外，如果材料的配置具有需要的时不变的特征，那么继而发生的功率产生可在稳定的水平。最后，如果可以以实际的方式外部调节爆燃波的传播速度，那么可以根据需要控制能量释放速度从而控制功率产生。
[0052]由于几种原因，稳态核裂变爆炸波通常不适合用于功率产生，例如用于电功率的产生等。进一步地，由于必须防止最初的核裂变燃料配置(fuel configurat1n)按在波传播的最早的阶段期间的能量释放的流体动力学的结果分解，因此核裂变爆燃波在自然界中是不常见的。
[0053]然而，在核裂变反应堆芯组件100的实施方式中，核裂变爆燃波可以以亚音速的方式在可裂变的燃料中产生和传播，可裂变的燃料的压力实质上与其温度无关，使得其流体动力学实质上“被固定”。可以以有助于大规模民用功率生产的方式，诸如在如反应堆10的实施方式的发电反应堆系统中，控制核裂变爆燃波在核裂变反应堆芯组件100内的传播速度。
[0054]在下面解释核裂变爆燃波的核物理学。通过捕获任何能量的中子来引发所选锕系元素的同位素-可裂变的那些-的核裂变，允许在包括任意低的温度的任何材料温度下释放核结合能。通过实质上任何锕系同位素的核裂变，平均地，每捕获一个中子释放多于一个单个中子允许在这种材料中以发散的中子传播的核裂变链式反应的理论上的可能性。通过一些锕系同位素的核裂变，对于每个所捕获的中子释放多于两个中子(平均地，在某个中子能范围内)则允许以下理论上的可能性:首先通过最初的中子捕获将不可裂变的同位素的原子转变为可裂变的原子(通过捕获中子和相继的β -衰变)，然后在第二个中子捕获的过程中中子裂变新生成的可裂变的同位素的原子核。
[0055]平均地，如果来自给定核裂变事件的一个中子可以在不可裂变但‘可增殖的’原子核上被辐射捕获，然后不可裂变但‘可增殖的’原子核将转变(如通过衰变)为可裂变的原子核并且来自相同裂变事件的第二个中子可在可裂变的原子核上被捕获，从而引发裂变，那么大多数真正高Ζ(Ζ> 90)的核素可以被燃烧。具体地，如果这些布置的任意一个是稳态的，那么可以满足在给定材料中传播核裂变爆燃波的充分条件。
[0056]由于在将可增殖的原子核转变为可裂变的原子核的过程中的β-衰变，波前进的特征速度为以下两者的比值的量级:由中子从其裂变产生到其在可增殖的原子核上被辐射捕获所行进的距离，与从可增殖的原子核到可裂变的原子核引起的衰变的(链式反应中存活最久的原子核的)半衰期。因为在正常密度的锕系中的这种特征的裂变中子传输距离约为10cm，并且对于所感兴趣的大多数情形β-衰变的半衰期为15-1O6秒，所以特征波速为10_4-10_7cm/sec或为核爆炸波速度的10_13-10_14倍。这种“冰河般缓慢的”行进速度解释了该波是爆燃波而不是爆炸波。
[0057]爆燃波不仅非常缓慢地、而且非常稳定地传播。如果这种波试图加速，其前缘遇到更加纯的可增殖材料(从中子的角度来说，其是相当有损的)，因为远远超前于波中央的可裂变的原子核的浓度以指数地变低，因此波的前缘(此处指“焚烧波前端”)停顿。然而相反地，如果波变慢，由连续的衰变引起的可裂变的原子核的局部浓度增加，裂变和中子产生的局部速度升高，并且波的前缘，即焚烧波前端，加速。
[0058]最后，如果足够快速地从波在其中传播的、最初可增殖的物质的配置的所有部分中去除与核裂变相关的热量，那么传播可以发生在任意低的材料温度-虽然中子和裂变原子核的温度可能是约IMeV。
[0059]用于产生和传播核裂变爆燃波的这种条件可以由容易获得的材料来实现。尽管锕系元素的可裂变的同位素，绝对地和相对这些元素的可增殖的同位素来说，在地球上是稀少的，但可以集中、浓缩和合成可裂变的同位素。在产生和传播核裂变爆炸波中使用分别如U235和Pu 239的自然存在的和人造的同位素是众所周知的。
[0060]对相关的中子截面(在图1B和IC中示出)的考虑启示，如果在波中的中子能谱是“硬的”或“快的”中子能谱，那么核裂变爆燃波可以燃烧自然存在的锕系如Th232或U238的芯的大部分。即，如果在波中进行链式反应的中子具有的能量与中子从初期的裂变碎片所消散的约IMeV比较不是非常小，那么当裂变产物的局部质量比例变得与可增殖材料的局部质量比例相当时，可避免对于时空-局部中子经济的相对大的损失(回想，单个摩尔的裂变材料裂变转变为两摩尔的裂变产物原子核)。即使对于具有期望的高温特性的典型的中子反应堆结构材料如Ta的中子损失，在中子能< 0.1MeV时可能变得可观。
[0061]另一个考虑是随着中子多重裂变的入射中子能，V，以及随着所有中子捕获事件中引起裂变(不仅仅是发射γ射线)的部分的(相当小的)变化。对于核裂变反应堆芯组件100的每种可裂变的同位素，当没有源于堆芯的中子泄漏或在芯体内的寄生吸收(parasitic absorpt1n)(如在裂变产物上)，函数α ( ν -2)的代数符号为核裂变爆燃波在与总的可裂变的同位素质量预算相比的可增殖材料中传播的可行性建立了必要条件。从约IMeV的裂变中子能低至共振捕获区，对于所有感兴趣的可裂变的同位素，代数符号通常是正的。
[0062]量α (ν-2)/ν是总的裂变生成的中子的部分的上限，总的裂变生成的中子的部分可能在爆燃波传播期间因泄漏、寄生吸收或几何发散而损失。应注意，对于中子能范围内的主要可裂变的同位素，该部分为0.15-0.30，其在实际感兴趣的所有有效地未慢化的锕系同位素的配置(约0.1-1.5MeV)中都是奏效的。与(超)热能中子(见图1C)所存在的情形相反，其中由裂变产物引起的寄生损失主导由十进制数量级为1-1.5的可增殖至可裂变的转变引起的那些损失，在0.1-1.5MeV的中子能范围内，通过在可增殖的同位素上捕获的裂变元素产生量超过通过裂变产物捕获的裂变元素产生量0.7-1.5数量级。前者启示，在或接近热中子能时，将只有1.5-5%范围的可增殖至可裂变的转变是可行的，而后者显示，对于近裂变能中子能谱，可期望得到超过50%的转变。
[0063]在考虑核裂变爆燃波的传播条件时，对于非常大的、“自反射(self-reflected) ”锕系配置，可以有效地忽略中子泄漏。参考图1C以及完全通过在锕系原子核上散射的中子慢化程度的分析法估算，应理解，在地球上相对丰富的两种类型的锕系:Th232和U 238，分别为自然存在的钍和铀的唯一的和主要的(即，存活的最久的)同位素成分的足够大的配置中，可以建立爆燃波传播。
[0064]具体地，中子能显著地降低至低于0.1MeV之前，在这些锕系同位素中传输裂变中子将可能导致在可增殖的同位素原子核上的捕获，或导致可裂变原子核的裂变(并且因此易受在裂变产物原子核上捕获的不可忽略的可能性的影响)。参考图1B，应理解，在其变得数量上不确定之前，裂变产物原子核的浓度必须显著超过可增殖的原子核的浓度，并且可裂变的核浓度的数量级可比裂变产物或可增殖原子核中浓度低的那个还要小。对相关的中子散射截面的考虑启示锕系元素的正圆柱形结构将具有>>200gm/cm2的密度-半径产物一一即，其将具有半径>>10-20cm的固体密度的U238-Th232 ,锕系元素的正圆柱构型足够宽大(extensive)，以便对于裂变中子半径尺寸而言，其相对于分裂中子实际上是无限厚的-即，自反射。
[0065]如一个实例，研宄显示，套有15cm的C12 (如石墨)的环状壳的、直径为25cm的固体密度的Th232的圆柱体可以传播核裂变爆燃波，且最初存在Th 232的烧尽多70%。此外，研宄显示，用半密度的U238替换Th 232可产生相似的结果一虽然实现了可增殖同位素的彡80%的烧尽(如通过观察图1C将预期的)。
[0066]增殖并燃烧的波的’局部’几何结构的基本条件是，超出在燃烧波芯的局部裂变过程的中子的通量历史在数量上足够多，以便在自洽的意义上至少将可裂变原子密度在还未燃烧过的燃料中1-2平均自由程中复现。在这种计算的方案中，因为其可裂变部分的中子反应性正是由在泄漏之上的裂变产物存量(inventories)和结构的寄生吸收来平衡的，燃烧波的高峰之后的“灰焊”实质上是‘中子地中性的(neutronically neutral)’。如果随着波的传播，在波中央和恰好在波中央前面的可裂变原子存量是时间稳定的，那么其如此稳定地进行；如果稍不时间稳定，那么波是‘快结束的(dying)’，而如果更加时间稳定，波可被称为‘加速的’。
[0067]因此，核裂变爆燃波可以在自然存在的锕系同位素的配置中传播，并长时间段地保持在实质上稳态的条件下。
[0068]通过非限制性举例的方式，上面的讨论已考虑了直径少于约一米的天然铀或钍金属的圆柱体-并且如果使用有效的中子反射器，实质上其直径可以更小-其可以在任意长的轴向距离上稳定地传播核裂变爆燃波。然而，核裂变爆燃波的传播并不是解释为限于圆柱体、对称的几何结构或单独地连接的几何结构。为此目的，后面将描述核裂变反应堆芯100的替代几何结构的其他实施方式。
[0069]核裂变爆燃波的传播对核裂变反应堆10的实施方式具有启示。作为第一实例，在爆燃波的中子经济中，可以以可接受的代价将局部材料温度反馈施加在局部核反应速度上。这种大的负中子反应性的温度系数给与了控制爆燃波的行进速度的能力。如果从燃烧燃料中提取很小的热功率，其温度升高而与温度相关的反应性降低，以及在波中央的核裂变速度相应地变小，并且波的时间方程只反映非常小的轴向前进速度。相似地，如果热功率的去除速度大，材料温度降