一種實用熔鹽裂變反應(yīng)堆的制作方法
【專利說明】一種實用熔鹽裂變反應(yīng)堆發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種熔鹽裂變反應(yīng)堆。特別地，本發(fā)明涉及一種具有熔鹽堆芯的池型反應(yīng)堆。
[0002]置量
[0003]熔鹽核反應(yīng)堆基于溶解在熔鹽中的裂變材料的臨界物質(zhì)。通常指燃料鹽。它們于1950-1970年在橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge Nat1nal Laboratory)被開發(fā)但從沒有成功的商業(yè)化。相比其他的反應(yīng)堆類型，它們具有的潛在優(yōu)勢包括:由釷再生裂變233U的能力，較鈾/钚反應(yīng)堆低很多的超鈾錒系廢物水平的產(chǎn)生，高溫下運行，避免固體燃料棒中揮發(fā)性放射性裂變產(chǎn)物的積累，以及比傳統(tǒng)反應(yīng)堆高得多的裂變材料燃耗可能。
[0004]兩個主要因素阻止了所述反應(yīng)堆的商業(yè)化應(yīng)用。
[0005]熔鹽反應(yīng)堆的許多設(shè)計需要額外的回收工廠以從燃料鹽不斷地移去裂變產(chǎn)物。這很有必要因為裂變產(chǎn)物起到了中子毒物的作用，特別是在基于熱中子譜的慢化反應(yīng)堆中。同樣很有必要的是去除不溶的裂變產(chǎn)物，否則所述產(chǎn)物會污染栗和熱交換器。上述回收工廠復(fù)雜、昂貴且需要大量的開發(fā)工作。
[0006]第二，熔鹽有很高的腐蝕性。相較標(biāo)準(zhǔn)鋼，鎳基超合金對所述腐蝕具有更高的抵抗力，但在長的時期內(nèi)，腐蝕仍會發(fā)生。所以栗和熱交換器等必要單元的設(shè)計和生產(chǎn)面臨主要的發(fā)展挑戰(zhàn)。通常，新型碳基和/或碳化硅復(fù)合材料具有阻擋熔鹽的化學(xué)抵抗力，但通過上述材料制造栗和高效熱交換器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍然具有非常大的挑戰(zhàn)。
[0007]最近，Mattieu 和 Lecarpentier(Nuclear Science and Engineering:161，78-89(2009))顯示了非慢化熔鹽反應(yīng)堆可以運行十年以上而不經(jīng)過燃料回收。然而，他們的設(shè)計仍涉及栗和熱交換器且這些單元只能在大量的研究和開發(fā)材料后才能制造。
[0008]任何熔鹽燃料反應(yīng)堆的關(guān)鍵因素在于燃料鹽核裂變產(chǎn)生的熱的釋放。很多方法被提及以實現(xiàn)該目的，Taube (1978) (EIR Bericht no 332，F(xiàn)ast reactors using moltenchloride salts as fuel)進行了非常好的總結(jié)。所述方法是:
[0009].將鉛、水銀或揮發(fā)性鹽等熔融冷卻劑栗入燃料鹽，如此冷卻劑就可以與燃料鹽混合和從中提取熱量。
[0010].通過外部熱交換器栗入燃料鹽。
[0011].通過經(jīng)過燃料鹽的管道栗入第二熔鹽或其它冷卻劑，燃料鹽被強制栗入環(huán)繞冷卻劑管道環(huán)流循環(huán)。
[0012]所有這些建議的設(shè)計，除了第一種，需要以某些方式栗入熔鹽。第一種設(shè)計，燃料鹽和冷卻劑之間直接接觸，已被廣泛研究，被認(rèn)為有很多不實用的理由，其中包括冷卻劑液體中燃料鹽的誘陷。
[0013]Romie和Kinyon (0RNL CF 58-2-46，1958)提出了另外一種熔鹽反應(yīng)堆的設(shè)計，其中熔融燃料鹽被允許以自然對流循環(huán)通過熱交換器。但這種設(shè)計僅允許低功率的輸出，且需要堆芯臨界區(qū)外部高含量的燃料鹽。堆芯外部大量的燃料鹽造成了大部分的延時中子在堆芯臨界區(qū)外部被發(fā)射。堆芯臨界區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的低延時中子成分致使不穩(wěn)定和易于遭受快速且不可控的功率水平增加，造成反應(yīng)堆爆炸性破壞。
[0014]許多傳統(tǒng)非熔鹽反應(yīng)堆設(shè)計的普通特征是將燃料物質(zhì)被動地置于管道中，環(huán)繞冷卻劑循環(huán)，一般通過栗入但有時僅通過自然對流。管道中的燃料可以是固體，像在目前的壓水堆中，熔融鈉(US 1，034，870)、金屬(US 3, 251,745)或水溶液(US 3，085，966)中的固體材料廢棄物。使用恪鹽燃料的安排被飛行器反應(yīng)堆實驗(The Aircraft ReactorExperiment-Design and Construct1n， E.S.Bettis et al， Nuclear Science andEngineering 2,804,1957).考慮。但研究者推斷需要具有非常小直徑(2mm級)的燃料管以防止燃料鹽低熱導(dǎo)率帶來的燃料鹽過熱。結(jié)果，上述項目采用了通過熱交換器快速栗入燃料鹽的系統(tǒng)，如此造成的湍流允許從燃料鹽到大得多的管道的壁的有效熱傳遞。從那時開始所有熔鹽反應(yīng)堆設(shè)計，包括實際建造和運行的熔鹽反應(yīng)堆實驗(ORNL 5011Molten SaltReactor Program Sem1-annual Progress Report August 1974)，都用相似的栗入燃料鹽配置。
[0015]概述
[0016]還沒有有效的提議來制造這樣的反應(yīng)堆，所述反應(yīng)堆在管道中具有熔融燃料鹽，其中燃料鹽沒有被主動地栗送通過管道。大的方面考慮，那是因為認(rèn)為:在沒有栗送允許的強制湍流混合的情況下，熔鹽的低熱導(dǎo)率將不會允許從所述鹽至管壁的足夠快速的熱傳遞。綜上，對用于燃料鹽的栗的取消會明顯減少建造實用熔鹽反應(yīng)堆所面臨的材料挑戰(zhàn)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種核裂變反應(yīng)堆，所述反應(yīng)堆包括堆芯，冷卻劑液體的池，以及用于從所述冷卻劑液體提取熱的熱交換器。所述堆芯包括中空燃料管的陣列，每個中空燃料管包含至少一種裂變同位素的熔鹽。燃料管陣列至少部分地浸沒在所述冷卻劑液體的池中。所述燃料管陣列包括臨界區(qū)，所述臨界區(qū)中在所述反應(yīng)堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發(fā)自維持裂變反應(yīng)。從每個燃料管中的熔鹽至該管的外部的熱傳遞通過下列方式的任何一種或多種實現(xiàn):所述熔鹽的自然對流；所述熔鹽的機械攪拌；所述燃料管內(nèi)的振蕩熔鹽流動；和所述燃料管內(nèi)的所述熔鹽的沸騰。所述裂變同位素的熔鹽在反應(yīng)堆運行期間被完全容納在所述管內(nèi)。
[0018]這樣，可以在不單獨依靠熔鹽的熱傳導(dǎo)的情況下將熱從內(nèi)部傳遞到未栗送的燃料管的外部，并且這進而有用直徑的管道的供應(yīng)。特別地，管道直徑可以被選擇為足夠大以最優(yōu)化管內(nèi)的自然對流。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種核裂變反應(yīng)堆，所述反應(yīng)堆包括堆芯，冷卻劑液體的池，以及熱交換器。堆芯包括含有裂變同位素的熔鹽的中空管的陣列。管陣列至少部分浸沒在冷卻劑液體的池中。所述管陣列包括臨界區(qū)，所述臨界區(qū)中在所述反應(yīng)堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發(fā)自維持裂變反應(yīng)。所述冷卻劑液體含有足夠比例的中子吸收材料，以充分保護所述液體的容納槽免受由所述堆芯發(fā)射的中子的影響，并且冷卻劑液體包含增殖同位素，這樣反應(yīng)堆作為再生反應(yīng)堆。所述中子吸收材料優(yōu)選232Th或238U等增殖同位素，這樣反應(yīng)堆可以作為再生反應(yīng)堆。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種核裂變反應(yīng)堆，包含堆芯，冷卻劑液體的池，和熱交換器。所述堆芯包括含有裂變同位素的熔鹽的中空燃料管的陣列。管陣列至少部分浸沒在冷卻劑液體的池中。所述管陣列包括臨界區(qū)，所述臨界區(qū)中在所述反應(yīng)堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發(fā)自維持裂變反應(yīng)。所述冷卻劑液體是包含在單個槽內(nèi)的熔融金屬鹽，并且所述冷卻劑液體的循環(huán)僅由自然對流驅(qū)動。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種核裂變反應(yīng)堆，包含堆芯，冷卻劑液體的池，和熱交換器。所述堆芯包括含有裂變同位素的熔鹽的中空燃料管的陣列。管陣列至少部分浸沒在包含一種或多種裂變同位素的冷卻劑液體的池中。所述管陣列包括臨界區(qū)，所述臨界區(qū)中在所述反應(yīng)堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發(fā)自維持裂變反應(yīng)。所述反應(yīng)堆還包括與所述冷卻劑液體接觸的熔融金屬的層，所述熔融金屬使得所述再生裂變同位素在所述熔融金屬中可溶，并且所述反應(yīng)堆包括用于提取所述熔融金屬的系統(tǒng)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種運行核裂變反應(yīng)堆的方法。所述反應(yīng)堆包括堆芯，冷卻劑液體的池和熱交換器，其中所述堆芯包括中空燃料管的陣列，每個中空燃料管包含一種或多種裂變同位素的熔鹽，燃料管陣列至少部分地浸沒在所述冷卻劑液體的池中并且包括臨界區(qū)，所述臨界區(qū)中在所述反應(yīng)堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發(fā)自維持裂變反應(yīng)。所述方法包括:將所述熔鹽完全容納在所述燃料管內(nèi)；和使用下列方式的一種或多種，將熱從每個燃料管中的所述熔鹽傳遞到該管的外部，并且進而傳遞到所述冷卻劑:所述熔鹽的自然對流；所述熔鹽的機械攪拌；所述燃料管內(nèi)的振蕩熔鹽流動；和所述燃料管內(nèi)的所述熔鹽的沸騰。使用所述熱交換器從所述冷卻劑提取熱。
[0023]更多的方面和優(yōu)選特征在以下權(quán)利要求2中描述。
【附圖說明】
[0024]現(xiàn)在僅僅以實施例的方式并且參考附圖描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方案，其中:
[0025]圖1是熔鹽反應(yīng)堆的圖；
[0026]圖2是圖1反應(yīng)堆的燃料管的圖；
[0027]圖3顯示了不同內(nèi)徑的2m高垂直燃料管中的最大燃料鹽溫度的流體動力學(xué)計算結(jié)果；
[0028]圖4顯示了具有將管分成節(jié)段的穿孔擋板的燃料管；
[0029]圖5顯示了以微度螺旋狀物(a shallow helix)形式布置的具有圓形或橢圓形橫截面的燃料管；
[0030]圖6顯示了具有燃料管內(nèi)的機械驅(qū)動擋板的燃料管；
[0031]圖7顯示了具有內(nèi)部擋板的U管形式的燃料管；
[0032]圖8顯示了波紋狀燃料管，證實了與直壁管相比較低的燃料鹽溫度的波紋效應(yīng)；每個管最大直徑相同，每毫升裂變熱恒定；
[0033]圖9顯示了 NaCl、UCljP PuCl 3溶液的熔點；以及
[0034]圖10顯示了與其他熔鹽(包括純NaCl和純UCl4)的熱膨脹相比，UCV混合物的熱膨脹(數(shù)據(jù)來源于 G.J.Janz，Journal of Physical and Chemical Reference Data，vol17， suppl 2，1988)。
[0035]發(fā)曰月詳沐
[0036]對流冷卻的核堆芯
[0037]圖1所示反應(yīng)堆由核堆芯構(gòu)成，核堆芯利用浸漬在熔融冷卻劑的池中的燃料管的陣列。圖1示出的反應(yīng)堆100，包括冷卻劑101的槽，由燃料管102的陣列組成的堆芯和熱交換器(例如蒸汽管)103。冷卻劑可以是各種各樣的液體，包括水，熔融金屬和熔融鹽。管可以是任何合適的形狀。但在一個實施方式中，它們有一個設(shè)計，其具有在底部的大直徑區(qū)域201和朝向頂部的窄區(qū)域202 (見圖2)。結(jié)果是陣列底部達到臨界狀態(tài)而上部仍是非臨界狀態(tài)。管102可以填充含有裂變同位素的熔融燃料鹽直到窄區(qū)域202頂部，或者它們僅在所有或部分寬區(qū)域201中填充。如果窄區(qū)域202被填充，這會防止中子通過向上穿過燃料管內(nèi)空的空間逃逸。如果上述窄區(qū)