的第二实例，可使用少于所有的在核裂变反应堆10中的总裂变中子产量。例如，局部材料温度温度调节模块可以使用在核裂变反应堆10中的总裂变中子产量的约5-10%。在核裂变反应堆10中的总裂变中子产量的另外的< 10%可能损失于在核裂变反应堆10的结构部件中使用的相对大数量的高性能、高温、结构材料(例如Ta、W或Re)中的寄生吸收。这种损失为了达到多60%的转换为电的热动力学效率并且获得高的系统安全品质因数而发生。如在图1B和IC中对Ta显示的，如Ta、W和Re的这些材料的Z，大约是锕系元素的Z的80%，因此，与锕系元素的对于高能量中子的辐射捕获截面相比，这些材料对于高能量中子的辐射捕获截面不是特别地小。在核裂变反应堆10中的总裂变中子产量的最后的5-10%可能损失于裂变产物中的寄生吸收。如上面提到的，特有地，中子经济是足够丰富的，以致在不存在泄漏和快速几何发散时，总裂变中子产量的约0.7足以维持爆燃波的传播。这与使用低浓缩燃料的(超热)热中子功率反应堆是强烈的对比，对于使用低浓缩燃料的(超热)热中子功率反应堆来说，设计和运行的中子经济规则必须是严格的。
[0071]作为核裂变爆燃波传播对核裂变反应堆10的实施方式的启示的第三实例，核裂变爆燃波特有的最初锕系燃料量的高烧尽(约50%至约80%的量级)允许高效率利用开采的燃料(as-mined fuel)-此外不需要再加工。现在参考图1D-1H，在1/3个世纪的时间间隔中持续要求全反应堆功率的情况下，描绘了在核裂变爆燃波产生(有时此处称为“核裂变点火”)后反应堆的运行寿命期间的四个等间隔时间中，核裂变反应堆芯组件100的实施方式的燃料充入特征。在所示的实施方式中，两个核裂变爆燃波前从产生点28(靠近核裂变反应堆芯组件100的中心)朝核裂变反应堆芯组件100的末端传播。在图1D中显示了核裂变反应堆芯组件100的燃料充入的完全点火后，在各个时间点的核裂变爆燃波对的前缘的相应位置。图1E、1F、IG和IH分别示出大约在核裂变点火之后约7.5年、15年、22.5年和30年的时间，作为纵坐标值的、在一系列代表性的近轴区域中的各种同位素成分的质量(以每轴向芯长度cm的总质量kg为单位)和在所显示的轴向位置处的燃料的比功率(specific power)(以W/g为单位)vs.作为横坐标值的、沿着示例性的、非限制性的10-米长的燃料充入的轴向位置。中央的干扰是由于由产生点28(图1D)显示的核裂变点火器模块的存在引起的。
[0072]应注意，来自焚烧波前端后面的最强燃烧区域的中子通量在焚烧波前端的前缘处增殖富含可裂变同位素的区域，从而用来推进核裂变爆燃波。核裂变爆燃波的焚烧波前端扫过给定质量的燃料之后，只要在可获得的可增殖原子核上的中子的辐射捕获的可能性明显大于在裂变产物的原子核上的中子的辐射捕获的可能性，则可裂变原子的浓度继续上升，同时正在进行的裂变产生更多质量的裂变产物。在任何给定的时刻，核功率产生密度在该燃料充入区域内达到高峰。也应注意，在所示出的实施方式中，在点火器模块的左侧和右侧的两个稍微不同类型的温度调节单元的不同操作考虑相应的稍微不同的功率产生水平。
[0073]仍然参考图1D-1H，可以看出，远在核裂变爆燃波的前进的焚烧波前端之后，裂变产物原子核(其质量平均接近可裂变原子核的质量的一半)相对于可裂变的原子核的浓度比值上升到与可裂变裂变相对于裂变产物的辐射捕获的截面(图1B)的比值相当的数值，因此“局部中子反应性”稍微变负，并且在核裂变爆燃波的焚烧波前端远远的后面，燃烧和增殖实际上都停止-如将从相互比较图1E、1F、1G和IH所理解的。
[0074]在核裂变反应堆10的一些实施方式中，所有在反应堆中曾经使用的核裂变燃料是在生产核裂变反应堆芯组件100期间安装的，并且未曾从在核裂变点火后从未再接触的核裂变反应堆芯组件100中去除用过的燃料。然而，在核裂变反应堆10的一些实施方式中，在核裂变点火后，额外的核裂变燃料被加入到核裂变反应堆芯组件100中。然而，在核裂变反应堆10的一些其它实施方式中，用过的燃料被从反应堆芯组件中去除(并且，在一些实施方式中，当核裂变反应堆10开机运行时，可以执行从核裂变反应堆芯组件100中去除用过的燃料)。当核裂变爆燃波扫过锕系‘燃料’的任何给定的轴向元素，将其转换为裂变产物‘灰烬’，不管用过的燃料是否被去除，预先扩充初始装料(as-loaded fuel)允许用更低密度的裂变产物替换更高密度的锕系，而不改变燃料元素中的任何整体体积。
[0075]通过在可裂变的同位素中浓缩的‘核裂变点火器模块’，容易地完成将核裂变爆燃波发射到(launching) Th232或U 238燃料充入中。更高的浓缩导致更紧凑的模块，并且最小质量的模块可以使用减速剂浓度梯度。此外，核裂变点火器模块的设计可以部分地取决于非技术考虑，如在各种情形中防止材料转为用于军事目的。例如，与技术上更理想的在Th232中的Pu239相比，这种模块在U 238中可使用足够低浓度的U 235JnS 20%，以便在任何数量或配置时有效地不可爆炸。已经超出军事储存的U235的数量足够用于彡10 4个这种核裂变点火器模块，相应于足够为100亿人提供每人千瓦的电的核裂变功率反应堆的总量。
[0076]虽然前面描述的实施方式的说明性的核裂变点火器包括配置为发动燃烧的波前的传播的核裂变材料，但在其它途径中，除了或替代前面描述的那些反应性源，核裂变点火器可以包括其它类型的反应性源。例如，核裂变点火器可包括“燃烧余烬(burningembers) ”，如，通过暴露于传播的核裂变爆燃波反应堆中的中子，在可裂变的同位素中浓缩的核裂变燃料。这种“燃烧余烬”可作用为核裂变点火器，尽管存在各种数量的裂变产物“灰烬”。例如，核裂变点火器可包括使用高能离子(如，质子、氘核、α粒子等)或电子的电驱动的源产生中子的中子源。在一个说明性的途径中，可以将粒子加速器如线性加速器定位，来向中间材料提供高能质子，该中间材料又可提供这种中子(如通过散裂)。在另一个说明性的途径中，可以将粒子加速器如线性加速器定位，来向中间材料提供高能电子，该中间材料又可提供这种中子(如通过高Z元素的电致裂变和/或光致裂变)。替代地，其它已知的中子发射过程和结构，如电引发的聚变方法，可以提供中子(例如来自D-T聚变的14MeV中子)，其可以因而发动传播裂变波。
[0077]既然已经讨论了燃料充入和核裂变爆燃波的原子核物理学，将讨论关于“核裂变点火”和保持核裂变爆燃波的进一步的细节。在可裂变材料如“U235 ”中适度浓缩的、位于中央的核裂变点火器使中子吸收材料(如硼氢化物)(如通过操作者控制的电加热)从其去除，并且核裂变点火器变得中子临界(neutronically critical)。局部燃料温度升高至设计设定值并且随后由局部温度调节模块调节(在后面详细讨论)。大多数来自U235的快速裂变的中子首先在周边的U238或Th 232上被捕获。
[0078]应理解，通过将如石墨的耐火减速剂的径向密度梯度引入到核裂变点火器中以及直接包围它的燃料区域中，核裂变点火器的铀浓缩可以下降到不比轻水反应堆(LWR)燃料的铀浓缩多多少的水平。高减速剂密度使低浓缩的燃料能够满意地燃烧，而降低减速剂密度允许发生有效的可裂变增殖。因此，最佳的核裂变点火器设计可涉及来自完全点火的堆芯燃料充入的增殖鲁棒性(proliferat1n robustness)与从起始的临界性到可获得全额定功率的最小等待时间之间的平衡。更低的核裂变点火器浓缩度需要更多的增殖产生从而强加更长的等待时间。
[0079]因为虽然总的可裂变的同位素的存量单调递增，但是该总存量在空间上变得更加分散，所以在核裂变点火过程的第一阶段，核裂变反应堆芯组件100的最大(未调节)反应性缓慢地降低。作为起始燃料几何结构、燃料浓缩度vs.位置和燃料密度的选择的结果，可以在获得其最小值的时间点处将最大反应性仍然设置为稍微为正。紧接着，最大反应性开始朝其最大值迅速增加，相应于在增殖区域中的可裂变的同位素的存量实质上超过保持在核裂变点火器中的可裂变的同位素的存量。然后，准球状环形外壳提供最大比功率产生。在此刻，核裂变反应堆芯组件100的燃料充入称为“点火的”。
[0080]既然核裂变反应堆芯组件100的燃料充入已是“点火的”，现在将讨论核裂变爆燃波的传播，此处也被称为“核裂变燃烧”。最大核比功率产生的球状发散的外壳继续从核裂变点火器朝燃料充入的外表面径向地前进。当其到达该表面时，其自然地分成两个球带状表面，在沿着圆柱体的轴的两个相反方向的每个方向上有一个表面传播。在该时间点，形成了芯的全热功率产生潜力。该时点被表征为发射两个轴向传播的核裂变爆燃波的焚烧波前端的时点。在一些实施方式中，芯的燃料充入的中心被点火，因此产生两个反向传播的波。这种设置加倍了在任何给定的时间在其中发生功率产生的芯的质量和体积，从而减少了芯的峰值比功率产生的两倍，因而从数量上最小化了传热的难题。然而，在其它的实施方式中，如用于特定应用所需的，芯的燃料充入在一个末端处被点火。在其它实施方式中，芯的燃料充入在多个地点被点火。在另一些实施方式中，如用于特定应用所需的，芯的燃料充入在芯内的任何3D位置处被点火。在一些实施方式中，将发动并且离开核裂变点火地点传播两个传播的核裂变爆燃波，然而，取决于几何结构、核裂变燃料的组成、改变中子的控制结构的作用或其它考虑，可以发动和传播不同数目的(如，一个、三个或更多个)核裂变爆燃波。然而，为了理解的目的，此处的讨论涉及而不限于两个核裂变爆燃波的焚烧波前端的传播。
[0081]如图1E-1H中说明的，自此刻起直到两个波到达两个相对的末端传出时，在任一波的框架中，核功率产生的物理特征实际上是时间平稳的。穿过燃料前进的波速与局部中子通量成正比，局部中子通量又线性地依赖于通过温度调节模块(未示出)的核裂变爆燃波的中子预算的集体作用而自核裂变反应堆芯组件100要求的热功率。
[0082]当从反应堆通过流入芯的更低温的冷却剂来要求更多功率时，芯的两个末端(在一些实施方式中，其最接近冷却剂入口)的温度降低至稍微低于温度调节模块的设计设定值，因而从芯的温度调节模块的相应的亚域(sub-populat1n)中收回中子吸收剂，从而允许局部中子通量增加，以便将局部热功率产生带到驱使局部材料温度升高到局部温度调节模块的设定值的水平。
[0083]然而，在两个焚烧波前端的实施方式中，直到冷却剂的两个分开的流移动进入两个核焚烧波前端(nuclear burn-front)中，该过程不能有效地显著加热冷却剂。芯的燃料充入的这些两个部分(不被温度调节模块的中子吸收剂抑制时，其能够产生显著水平的核功率)然后作用来将冷却剂加热至由其模块的设计设定点所指定的温度，条件是核裂变燃料的温度不得过度(并且无论冷却剂在何温度到达芯)。然后，两个冷却剂流朝两个焚烧波前端中心移动穿过已经燃烧过的燃料的两个部分，带走残留的核裂变热功率和来自它们的余热热功率，两者在燃料充入中心离开燃料充入。如图1E-1H中说明的，通过“调整”主要来自每个焚烧波前端的后缘的多余的中子，该设置促进两个焚烧波前端朝燃料充入的两个末端传播。
[0084]因此，可以认为芯的原子核物理学实质上是自调节的。例如，对于圆柱形芯的实施方式，当圆柱形芯的燃料密度-半径积彡200gm/cm2时(即，对于合理快的中子能谱，在典型组成的芯中，对于中子引发的裂变的1-2个平均自由程)，可以认为芯的原子核物理学实质上是自调节的。在这种芯的设计中的中子反射器的主要功能是大幅度地减少由反应堆外部部分，如其辐射屏蔽、结构支撑物、温度调节模块和最外的壳所见的快中子积分通量。虽然其数值主要是反应堆经济效率的增强，但是其对于芯的性能的附带影响是提高在燃料的最外部分中的增殖效率和比功率。燃料充入的在外的部分在低总能量效率不使用，但是其具有与在燃料充入中心处的那些部分相当的同位素烧尽水平。
[0085]最后，通过将中子毒物，经过延伸到应用换热器16 (图1A)的主回路或经过将核裂变反应堆10(图1A)连接到排热换热器26(图1A)的排除余热的回路，注射到冷却剂流中，可以在任何时间执行使芯的中子反应性失效的不可逆的操作(irreversible negat1n)。例如，用如材料轻微地装入冷却剂流，如果需要，可能伴随有如1的挥发性还原剂，通过由在反应堆芯中所发现的高温，指数地加速原本缓慢的化学反应2BF3+3H2->2B+6HF，可以将金属硼大体上均匀地沉积在穿过反应堆芯的冷却剂管的内壁上。反过来，硼是高度耐火的类金属，并且不会从其沉积部位移动。在芯中数量<100kg的实质上均匀的硼的存在可以在无限长的间隔内使芯的中子反应性无效，而不涉及使用在反应堆附近的动力装置。
[0086]反应堆芯组件的示例件的实施方式和方而
[0087]现在将讨论核裂变反应堆芯组件100的示例性的实施方式和方面以及设置在其中的示例性的核裂变燃料充入。
[0088]现在参考图1I，核裂变反应堆芯组件100适合与快中子能谱核裂变反应堆一起使用。应理解，在图1I中示意性地示出核裂变反应堆芯组件100。同样地，关于核裂变反应堆芯组件100的形状并不意味着对几何结构限制。如上面提到的，讨论了关于可以在任意长的轴向距离内稳定地传播核裂变爆燃波的天然铀或钍金属的圆柱体的细节。然而，再次强调，核裂变爆燃波的传播并不解释为限于圆柱体或金属核裂变燃料，或限于纯铀或钍核裂变燃料材料。为此目的，后面将讨论核裂变反应堆芯组件100和设置在其中的燃料充入的替代的几何结构的另外的实施方式。
[0089]中子反射器/辐射屏蔽120包围核裂变