CN101131886A - 固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置。是采用一种“准液体核燃料”，由微小的包覆核燃料颗粒与高沸点液体载热剂混合制成。核反应堆的堆芯浸没于一个装满同种高沸点载热剂的大池底部，构成一个全密封式的地下反应堆系统。当准液体核燃料以极低速度蠕动通过反应堆堆芯时，即产生裂变能，所生产的热能由高沸点载热剂载出，用于发电及供热。反应堆系统完全由计算机控制运行，不受任何人为干扰。密封于反应堆系统中的核材料，由国际核安全保障机构通过卫星进行实时、远程监督与遥控。本发明提供的核能生产方法与装置可廉价生产核能，在未来的能源市场中具有商业竞争能力。

Description

固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置

技术领域

本发明的提供了一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置。该方法采用一种“准液体核燃料”，由微小的包覆核燃料颗粒与高沸点液体载热剂混合制成。核反应堆的堆芯浸没于一个装满同种高沸点载热剂的大池底部，构成一个全密封式的地下反应堆系统。当该准液体核燃料以极低速度蠕动通过反应堆堆芯时，即产生裂变能，所生产的热能由高沸点载热剂载出，可用于发电及供热。该反应堆系统可以完全由计算机控制运行，不受任何人为干扰。密封于该反应堆系统中的核材料，由国际核安全保障机构通过卫星进行实时、远程监督与遥控。本发明提供的核能生产方法与装置可以廉价生产核能，在未来的能源市场中具有强大的商业竞争能力。

背景技术

随着当前全球性经济与人口的不断增长，世界能源供应日益紧缺，国际政治关系也随之更趋紧张，甚至可能因此危及世界和平。另一方面，目前能源消费仍以化石能源为主，其燃烧所排放的二氧化碳(即所谓“温室气体”)造成的不可逆全球性气候变化，其恶果已显端倪，故能源的环境问题已促使世界各国急于寻求“清洁替代能源”，以减轻化石燃料污染环境的严重问题。

在各种已知的清洁替代能源中，正在大力研发的各种可再生能源最受人们重视，但可惜它们之中有的限于地域限制(如风能与生物质能)，有的限于成本高昂(如目前技术水平下的太阳能与深层地热能)，均难于在可以预见的将来大规模替代化石能源。目前只有核能才具有在21世纪内大规模替代化石能源的能力。

然而，这样重要的能源的迅速增长却仍然面临重重障碍，前途难卜。主要的障碍有三：核事故，核扩散和高成本。为了弄清产生这些障碍的根源，有必要首先回顾核能发展的历史。

自第二次世界大战使用原子弹之后，立即开始了核能的和平利用研究.由于核燃料含有空前未有的巨大能量(核燃料所含能量约为同等重量化石燃料的二百万倍)以及其他优点，核动力的发展速度超过了历史上所有其它能源。自第一座核电厂并网后，在不到三十年的短时期内，在全世界发电量中就已取代了10％以上的化石能源；有些缺乏能源资源的发达国家(如法国)，核能发电比例甚至超过其总发电量的50％以上。加之所谓的“核燃料增殖反应堆”具有将世界上所有的铀与钍资源转化为能源的巨大潜力，使人们认为核能是当今人类取之不尽用之不竭的能源，足以供应世界发展几千年。当时全世界许多国家掀起一片“核能狂热”，纷纷制订大规模发展核能取代化石能源的规划，人类历史开始进入了一个崭新的“核纪元”。

不幸的是，由于核能诞生于军事需要，故其发展也不免带有军用品的“固有危险性”烙印。第一颗原子弹在一瞬间就以核辐射与冲击波从地球上毁灭了整个广岛市。科学家们是否有能力把这样一个恐怖的魔鬼真正驯服成一为和平天使来造福人类呢？当时的两个核超级大国，即美国及前苏联，为了抢占商机，简单地分别选用了它们原来用于军事目的核反应堆作为原型，即潜艇动力堆和生产原子弹原料的钚生产堆，在其技术基础上加以改进，以后便分别成为该两国发展商业核电的主力堆型，即压水堆及石墨水冷堆。两国均未能充分考虑核能所特有的巨大放射性危险(包括核反应堆的重大核事故和强放射性核废物长期储存的泄漏危险性)的严重后果和深远影响。结果核能的这种“固有危险性”在首倡核能和平应用的美苏两国先后于1979及1986年分别导致了震惊世界的三里岛核电站和切尔诺贝利核电站的重大核事故，从而使核电的进一步发展陷于困境，“第一核纪元”也宣告终结。

在发生上述重大核事故以后，新的核电站建设在许多国家内事实上已经停止。公众对于核电站安全的信心也严重动摇；少数国家甚至决定分期关闭已运行的核电站。目前反核运动逐渐演变为一种敏感的政治问题。特别是在美国发生“911”事件之后，核扩散和核讹诈变为一个威胁世界和平的更加严峻的问题。核能的未来面临更大的不确定性。

虽然在上述重大核事故以后，核工业界已作了重大努力改进商用核电站的安全性，希望能够从新恢复公众对核能的信心并重新创造巨额利润，促成“核能复兴”或开创“第二核纪元”，但并未如愿。

如前所述，“第二核纪元”能否变为事实，必须首先克服三个障碍，即核事故、核扩散、和高成本。其中第一个障碍：“核事故”是最基本的障碍。目前世界各国为了改进这些先天不足的“固有危险性”的现有商用核电站，一直不遗余力地在核电站设计中采用“多重防卫”原则，画蛇添足地增添了多重安全系统，使设计愈来愈复杂。如果仅仅从数学理论看，采用多重防卫的效果似乎是不言自明的：假设每重防卫能够使核事故概率减少一个数量级，则随着防卫数目的增加，重大核事故的“概率”必然能够由10-6减少到10-7、然后再减少到10-8、10-9等等。

然而，“多重防卫”原则有一个固有的弱点，即所有上述多重安全措施都是“被动”性质的，即他们只能防卫设计人员所能够预想到的那些核事故，在核事故未发生前预先将对付那些核事故地板措施建造在核装置中，但这些措施不可能对付那些没有预想到的“意外”核事故。因此在发生预想不到的核事故后的处理过程中，唯一的“主动”因素只能是反应堆操纵人员。这些操纵人员需要在仓促之中作出决策去干预那些失效的“多重防卫”安全系统，并采取正确的安全行动。这样一来，在意外情况下核电厂的失事概率只能取决于反应堆操纵人员的误操作概率了。可是少数值班操纵人员的有限个人知识，远逊于众多“多重防卫”设计人员的强大集体智慧，故操纵人员的“人因失误”的概率很可能随系统复杂程度而加大，从而上述“多重防卫”恰好增大了人因失误的概率。因此，系统失误与人因失误相结合的总体失效概率，决不可能由设置多重防卫而“成数量级”地减少。何况前述美国和前苏联所发生的两次严重核事故的实际情况早已证明了这一点。所以在采用“多重防卫”之后，公众对核能安全性的信心显然并未完全恢复。反之，核电站的成本却因系统复杂程度增加而大大提高。

从科学的观点看，“绝对安全”的核电站只能是具有真正“固有安全性”的核电站，其中所有导致严重核事故的根源(Root-cause，或译“根本原因”)都不复存在，即所有这一切根本原因，包括“人因”的发生概率均等于“零”，从而重大核事故发生的综合概率必为零。只有在这种情况下，核能才可能被承认为“绝对安全”并重新取得公众的广泛信任。

要发现导致严重核事故的根源，必须首先分析前述美苏两国实际发生的两起严重核事故的事件序列：

美国三里岛核事故：起因为安全阀的泄漏→反应堆操纵人员的失误→反应堆失水事故→堆芯融化→放射性裂变产物向外泄漏；

前苏联切尔诺贝利核事故：起因为反应堆操纵人员的失误→出现反应性“正温度系数”→反应性功率飙升→载热剂过热→堆芯融化→蒸汽爆炸→放射性裂变产物向外散布。

虽然两个发生核事故的事件序列大不相同，但导致大量放射性裂变产物向外泄漏有三个共同的根源，即一是反应堆的堆芯熔化，这是最为根本的；二是处于高压力下的底沸点载热剂丧失事故(LOCA)甚至爆炸，这是将放射性裂变产物向外散布的原动力；三是操纵人员的错误判断和处理。三者相互关联，不论熟先熟后，最终导致严重核事故。只有同时铲除这三个“固有危险”的根源，才能得到真正的固有安全反应堆。

仅仅消除其中的某一个根源，不可能根除此种严重核事故。例如，近年来发展的包覆颗粒核燃料，其包覆层为不融化的石墨和高熔点碳化物，许多人认为是足以防止堆芯熔化的核燃料。近年来已有不少这方面的专利，例如1991年月E.Teuchut等关于固定式球床堆的美国专利#5051230，和M.W.Ales等关于固定式颗粒床的美国专利#5047204，与1993年十月J.R.Power等关于颗粒床应用于高温气体轮机的美国专利#5255509等。但这些发明中都没有提到防止堆芯熔化问题，似乎他们确信包复颗粒不可能发生大量破损或融化。随着高温气冷堆的研究深入，已发现由于处于高压力下的氦气载热剂完全可能发生载热剂丧失事故(LOCA)，因此仍然有导致包覆颗粒大量破裂，甚至堆芯熔化的可能性。为保证绝对安全，在工程设计中曾经有人提出在堆底增设“堆芯融化体捕集器”，后来发现该措施不易实现，只能缩小堆的直径，限制单堆功率，改用“模块式”设计。每座大型核电站需要由多个反应堆组合而成。但这种设计在经济上的竞争力还是一个未知数，因此也没有从根本上解决问题。

必须寻找一种更富有创造性的方法，充分利用包覆颗粒核燃料的安全潜力，以便同时消除以上三个相互关系的造成核事故的根源，才能创造出真正固有安全的核能生产方法与装置，在未来能源市场上具有强大的竞争力。

第二个障碍“核扩散”的彻底消除，涉及许多非技术领域，比铲除第一个障碍“核事故”更难。核扩散的途径不限于核能装置，但核电站是应用最广泛和规模最大的商业化核技术，已经引起人们最大关注。核能装置所用的低浓铀固然不能直接用于核武器，但其中所生产的核物质，如钚-239和铀-233可以提取出来制造核武器；另外，其中的裂变产物可制造放射性的“脏弹”，不仅可用于制造大规模杀伤性武器，而且持有这些核物质的恐怖组织还可以借此进行核讹诈。

目前国际原子能机构(IAEA)对核能设施的安全保障措施，尚不足以完全有效地防止恐怖组织获取核物质。现行IAEA的监测与检查活动基本上是“被动式”的，能否进行完全取决于签约国的善意配合。首先，国际原子能机构的核查仅适用于条约的自愿签字国。非签字国和恐怖组织均不受国际原子能机构的制约。甚至在签约国，国际原子能机构的核查人员也必须得到该国政府批准才能进入该国。而核查人员入境后的核查工作又只能根据该国的具体安排进行有限度的核查。国际原子能机构与受核查国之间如发生任何纠纷，将使核查工作立即停止，提交联合国安理会解决，变为一个政治问题。目前核能的安全保障问题业已变为国家之间的政治交易。在当前的国际局势下，如果不能及时找出一种更有效的主动的核安全保障措施，世界上迟早注定会发生恐怖组织的核讹诈或局部的核袭击事件。

因此之故，应当发展出一种有效的、主动的国际核安全保障体系，使国际原子能机构(以下通称为“国际核安全保障机构”)能够通过卫星进行实时、远程监督与遥控未来的核电站，阻断经由核能装置中进行核扩散的危险。

克服第三个障碍“高成本”也与解决前两个障碍同样重要。目前最先进的商业核电站的初始投资十分昂贵。如果要求未来的核能更加安全，并包含更严格的防核扩散措施，则其投资将有可能更加提高。以目前美国牵头的国际合作第四代核动力堆研发计划(GENIV)所选取的六种先进堆型(超临界压水堆、超高温气冷堆、钠冷快中子堆、气冷快中子堆、铅冷快中子堆、熔盐增殖堆)为例，目前其设定的发展目标集中于提高热能与燃料利用效率，而不是着眼于真正的″固有安全″将其成本降低到能够与目前已运行的主要化石能源电站相竞争的地步。因此，上述第四代核动力堆研发成功后，恐怕也难于迅速进入未来的能源市场。

因此之故，应当发展出一种真正的固有安全与防核扩散的生产核能方法与装置，其成本低于主要的化石能源及再生能源，才能在未来竞争性很强的能源市场内大规模地迅速发展。

发明内容

综上所述，本发明的目的之一在于发展一种真正的固有安全的方法与装置生产核能。该方法应能完全依靠所用的核燃料、载热剂、慢化剂、和其他材料的固有物理性质，不借助于任何复杂的工程安全措施，就可以完全排除产生重大核事故的一切可能性。

本发明的又一目的在于发展一种真正的固有防核扩散的方法与装置生产核能。该生产核能的系统可由国际核安全保障机构通过卫星进行主动、实时、远程监督与遥控。

本发明的另一目的在于发展一种真正的成本低廉的核电厂，使之能够有效地与未来的化石能源及再生能源相竞争，并迅速进入未来的能源市场。

根据以上及其它目的，本发明提供了一种真正固有安全性的核能生产方法与装置，它可以完全依靠其中采用的准液体燃料、高沸点载热剂、和其系统布局本身的物理特性，不借助于任何复杂、冗余的工程措施，自动消除产生核事故的三大“固有危险”根源，避免目前世界上商业核电站可能发生的最严重核事故。该方法包含以下三项消除危险根源的措施：

采用由多层抗辐照、耐高温材料包复的微小颗粒核燃料和一种高沸点一次载热剂相互混合的类似液体的“准液体核燃料”，是其在任何运行情况下都不可能发生堆芯融化事故。

将该准液体燃料的堆芯和整个一次载热回路全部安装在一个充满同种高沸点一次载热剂并处于大气压下的大池内，从而使该反应堆不可能发生载热剂丧失事故(LOCA)。

采用计算机控制下完全自动运行的全封闭式准液体燃料系统，消除了所有工况下产生人为干扰该系统固有安全特性的可能性。

本发明还提供了一种真正“固有防核扩散”的核能生产方法与装置，符合上述实施“主动”国际核查的要求。该反应堆系统能够完全由计算机控制运行，不受人为干扰，并由国际核安全保障机构通过卫星进行实时、远程监督与遥控，在运行的任何阶段，均能排除恐怖组织或任何未经授权人员接触或移动其中核物质的可能性。

本发明还提供了一种真正“固有成本低廉”的核能生产方法与装置，即由于上述真正固有安全与防核扩散的特性，使得核能系统大为简化，效率大为提高，故其投资成本、运行成本、与开发成本自然能大大降低，从而能够成功地与未来的化石能源与可再生能源竞争，迅速进入未来能源市场。

总之，本发明提出的采用准液体燃料的核能生产方法与装置是一种真正的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置，它可以扫除走向“第二核纪元”的所有障碍。

本发明提供一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中包含如下步骤：

将包覆核燃料颗粒与一定比例的高沸点载热剂混合制成一种类似液体的核燃料；

将该类似液体的核燃料分装于一束燃料盒内，构成反应堆堆芯，后者浸没于一个满装同种高沸点载热剂的大池底部；

使该反应堆堆芯在所有工况下均在负的反应性温度系数下以最小过剩反应性运行；

使该大池内的高沸点载热剂流过贯通燃料盒的众多细管，将该燃料盒内的类似液体的核燃料所产生的裂变热载出；

将该高沸点载热剂所载出的裂变热转化为电力或工业与民用供热；

通过高沸点载热剂的温度变化，自动调节反应堆的功率，使之与外负荷的波动相适应；

使该类似液体的核燃料极缓慢地蠕动通过燃料盒，不断地以新的类似液体的核燃料更换已贫化的类似液体的核燃料，实现不停堆连续换料；

将各个燃料盒排出的贫化类似液体的核燃料分别测量与分类，并将燃耗程度较低的贫化类似液体的核燃料再循环返回堆芯重复使用，直至其达到最深燃耗水平；

将已达到最深燃耗水平的乏燃料送入地下储存库作长期储存，直至国际核安全保障机构将其取出运往指定的后处理工厂进行处理；及

将停堆后在该堆芯内存留的类似液体的核燃料的余热和在地下储存库长期储存的乏燃料的余热通过自然循环排放到大气之中。

其中步骤(a)内所述的包覆核燃料颗粒，采用多层耐辐照与耐高温的陶瓷或其他耐火材料制成的包覆层，后者可以在远高于反应堆核燃料所可能达到的最高温度下保持密封性，使裂变产物不能外泄。

其中步骤(a)内所述的高沸点载热剂，采用几种熔盐或不燃性金属的低熔点混合物，其物理性质应能赋予该类似液体的核燃料以足够的流动性；并在大气压力下当反应堆芯内类似液体的核燃料达到最高温度时也不致沸腾。

其中步骤(d)内所述的多孔细管，在管壁上开有许多狭窄的长形小孔，其宽度小于包覆核燃料颗粒的直径。

其中步骤(d)内所述的高沸点载热剂由该多孔细管的管壁上的许多狭窄的长形小孔进入管外的类似液体的核燃料内，直接接触并冷却其中的包覆核燃料颗粒，并载出其裂变热。

其中步骤(d)内所述的高沸点载热剂在该多孔细管的管内流动，与管壁外的类似液体的核燃料进行对流换热，并载出其裂变热。

其中在堆芯内的一组管道中引入一种液体或准液体中子吸收剂，使其中步骤(f)内所述的高沸点载热剂的温度降低。

本发明提供一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置，其特征在于，其完全由计算机控制运行，并由国际核安全保障机构通过卫星进行实时远程监督与遥控，以确保其中所使用及产生的核物质不致被恐怖分子或任何未经国际核安全保障机构授权的人员接触。

本发明提供一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产装置，其特征在于，其中包含以下主要设施或部件：

一类似液体的核燃料配制设施，与包覆核燃料颗粒输入管、高沸点燃料输入管、燃料输送管及再循环燃料管相连接；

一高沸点高沸点载热剂池，其中装有反应堆堆芯、一组主换热器、一组余热散热器，与一组循环泵，并与地下通道相连接；

一反应堆堆芯，由一组燃料盒构成，并与燃料分配管、贫化燃料排出管及停堆管相连接；

一组主换热器，与高沸点载热剂入口管、高沸点载热剂出口管、二次载热剂出口管及二次载热剂入口管相连接；

一组循环泵，与一组主换热器及高沸点载热剂入口管相连接；

一备用停堆系统，包含停堆管和相应的驱动器机构；

一组余热换热器，与余热载热剂入口管、余热载热剂出口管、余热二回路入口管及余热二回路出口管相连接；

一贫化燃料测量与分类设施，与贫化燃料输送管、再循环燃料管及乏燃料储存/装卸设施相连接；

一乏燃料储存/装卸设施，与贫化燃料测量与分类设施、乏燃料装卸阀、乏燃料载热剂入口管及乏燃料载热剂出口管相连接；

一反应堆控制计算机，安装在发电厂内。

其中部件(c)内的燃料盒为一薄壁六角形空心盒，其两端均密封，盒内充满类似液体的核燃料；该盒并装有许多上下贯通的多孔薄壁细长管道，作为高沸点载热剂流道。

其中部件(c)内的燃料盒为一六角形固体中子慢化剂长柱，其中沿轴向钻有一组长圆孔，每一孔内均安装一根多孔薄壁双层同心管，其内外两管之间的环状空间充满类似液体的核燃料。

其中部件(j)的反应堆控制计算机包含以下自动控制及遥控系统：

(a)一核燃料自动供料系统，与准液体燃料制备室作电控连接；

(b)一反应堆自动启动系统，与发电厂部分作电控连接；

(c)一反应堆自动功率控制系统，与发电厂部分作电控连接；

(d)一反应堆自动停堆系统，与发电厂部分及吸收剂驱动器机构作电控连接；

(e)一贫化燃料自动管理系统，与贫化燃料分类室作电控连接；

(f)一乏燃料遥控储存与装卸系统，与乏燃料储存/装卸设施作电控连接；

(g)一自动去污系统，与准液体燃料制备室、贫化燃料分类室、乏燃料储存/装卸设施、贫化燃料分类室、乏燃料储存/装卸设施及大型载热剂池作电控连接；

(h)一余热自动排放系统，与大型载热剂池及排放烟囱作电控连接；

(i)一遥控自动维护及检修系统，与准液体燃料制备室、贫化燃料分类室、乏燃料储存/装卸设施及大型载热剂池作电控连接；

(j)一自动信息采集与传输系统，与发电厂部分、准液体燃料制备室、贫化燃料分类室、乏燃料储存/装卸设施及大型载热剂池作电控连接；

(k)一远程监测系统，与发电厂部分、准液体燃料制备室、贫化燃料分类室、乏燃料储存/装卸设施及大型载热剂池作电控连接；

(1)一遥控反恐怖系统，与发电厂部分、准液体燃料制备室、贫化燃料分类室、乏燃料储存/装卸设施及大型载热剂池作电控连接。

附图说明

本发明的上述与其它特征与优点，将参照以下各附图进行说明，其中：

图1表示本发明提出的真正固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置的流程系统图；

图2表示该反应堆堆芯内的准液体燃料盒的一种可能结构图，其中一次载热剂由多孔细管的管壁上的许多狭窄的长形小孔进入管外的准液体燃料内，直接接触其中的包覆颗粒并将其裂变热载出；

图3表示该反应堆堆芯内的准液体燃料盒的又一种可能结构图，其中一次载热剂在多孔细管的管内流动，与管壁外的准液体燃料进行对流换热；

图4表示该反应堆堆芯内的准液体燃料盒的另一种可能结构图，其中该燃料浆液盒为一六角形固体中子慢化剂的长柱体，沿轴向钻有一组均匀分布的长圆孔，每一孔内均安装一根外径小于该孔径的双层同心多孔薄壁管，其内外两薄壁管之间的环状空间充满准液体燃料；

图5表示该反应堆采用的通过人造卫星进行实时、远程监督与遥控的计算机的系统框图。

具体实施方式

图1表示本发明提出的真正固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置的流程系统图。

图1表示的核能生产方法是在一种完全自动化的准液体燃料反应堆流程中采用如下工艺步骤：将包覆核燃料颗粒(以下简称“包覆颗粒”)与一定比例的高沸点载热剂混合制成一种具有一定流动能力的类似液体的核燃料(以下简称“准液体燃料”)；将该准液体燃料分装于一束燃料盒内构成反应堆堆芯：启动反应堆：提升功率运行：进行不停堆连续换料；将各个燃料盒排出的燃耗程度较低的贫化准液体燃料再循环返回堆芯重复使用；将已达到最深燃耗水平的“乏燃料”送入地下储存库作长期储存；反应堆正常或事故下安全停堆；及排放出停堆后的余热。

在图1表示的核能生产装置内，整个核反应堆系统全部建造在地下，只有非核的发电厂部分10和排放烟囱22建造在地面之上。核反应堆系统由安装在发电厂10内的计算机102控制而自动运行，该计算机的详情将在图5中说明。核反应堆系统运行的全部信息都实时输入该计算机并通过卫星传送给国际核安全保障机构。通向地下核产房的唯一地下通道101处于国际核安全保障机构通过卫星远程控制之下，只有经过授权的人员才能在必要时进入。

在国际核安全保障机构现场监督与控制下，将包覆颗粒核燃料和高沸点载热剂原料(常温下为固体颗粒)分别由包覆颗粒输入管1和载热剂输入管2送入地下的准液体燃料制备室3。由此时刻开始，在国际核安全保障机构控制下的核燃料就全部存留在地下全封闭的反应堆系统内，不可能被任何人以任何手段取出。只有国际核安全保障机构授权的人员按预订计划来到现场，才能将核燃料取出运往该机构授权的核燃料后处理厂。

在准液体燃料制备室3内，将包覆颗粒与溶化的高沸点载热剂相混合制成准液体燃料，然后按照预定的装料方案经过燃料输送管4进入燃料分配管5分送到反应堆堆芯601内各个燃料盒6内。

该包覆颗粒采用多层耐辐照、耐高温的陶瓷或其他耐火材料制成的包覆层，可以在远高于反应堆核燃料所可能达到的最高温度下保持密封性，使裂变产物不能外泄，从而不致污染一次载热剂。

该高沸点载热剂采用几种熔盐或不燃金属的低熔点混合物，其物理性质(例如密度、粘度、表面张力等)应能赋予用其制成的准液体燃料以足够的流动性；并当反应堆堆芯内准液体燃料所可能达到的最高温度时，于大气压力下不致沸腾。

当足够的燃料装入堆芯601之后，该反应堆即可以自动启动。反应堆的功率水平将取决于所装入准液体燃料的加浓度、装载量以及燃料温度。在各种不同功率生产情况下，外负荷的变化，可以由载热剂的相应温度变化，调节堆芯产生的核功率，使之与外负荷匹配。

该燃料盒安装在一个大型载热剂池16的底部，池内装满与制备准燃料时所用的同种高沸点载热剂(以下简称为“一次载热剂”)。池顶部的压力保持略低于大气压力的水平。核燃料产生的裂变热使池内的一次载热剂温度上升。升温后的一次载热剂，由一组循环泵7抽送入一组主换热器8，在其中将热量传递给二次载热剂，后者由二次载热剂出口管9输送到核能转换厂10发电或供热，或热电联产。使用后的二次载热剂由二次载热剂入口管11输送回地下核厂房内的主换热器8。

一次载热剂由一次载热剂入口管12进入主换热器8，并由一次载热剂出口管13流出，进入环形初级屏蔽层29之外环状空间内，沿一次载热剂回流道30向下流到池底，然后经过环形缝31返回堆芯各燃料盒6。

由于准液体燃料的核特性与真正的液体燃料非常相似，具有较大的负反应性温度系数，因此准液体燃料反应堆具有极强的自调节与自保护能力。准液体燃料的温度有微小上升，就足以使反应堆功率自动降低。如切断外负荷或停止一次载热剂的流动，反应堆也将随一次载热剂的温度上升而自动停止运行。

停堆后，堆内准液体燃料的剩余发热，可以通过余热排放系统排入大气层。该余热排放系统包括：一组余热换热器17，余热二次载热剂入口管18，余热二次载热剂出口管19，和排放烟囱22。大池内的热一次载热剂通过自然循环冷却。大池上部的热的一次载热剂由一次载热剂入口管20进入余热换热器17，冷却后的一次载载热剂由其出口管21流出，最后返回大池底部，再循环通过堆芯，散出其中余热。

另外还设置了一个备用停堆系统，其中包含一组垂直插入部分燃料盒的停堆管14和相应的吸收剂驱动器机构15，后者将液体或准液体中子吸收剂注入控制管14，可以强制停堆，或降低自动停堆的堆芯温度。

由于包覆颗粒的直径很小(＜1mm)，故每一颗粒的发热量也很小(＜0.01W)，而其散热表面相对较大，包覆颗粒中心温度与周围载热剂温度相差极小，从而核燃料颗粒根本没有熔化的可能性。因此，在所有的运行情况下，都不可能发生大量裂变产物泄漏到一次载热剂中的事故。一次载热剂中的微量放射性污染，可通过一小型遥控自动去污系统清除(图内未画出)。

一次载热剂始终处于大气压之下，不可能发生载热剂丧失事故(LOCA)。同时，二次载热剂的压力保持稍高于一次载热剂，可保证二次载热剂不受放射性污染。因此，在此种准液体燃料反应堆内，不可能发生裂变产物外泄的事故。

准液体燃料采用密闭系统内自动连续换料的燃耗补偿方法。在功率运行状况下，使堆芯内的准液体燃料极其缓慢地蠕动通过燃料盒中，其流速随反应堆功率变化，大约在0.01毫米/秒的数量级。由于各燃料盒内的准液体燃料的燃耗不同，使用后的贫化准液体燃料由燃料排出管23与贫化燃料输送管24分路送往贫化燃料分类室25内的不同贫化燃料罐中，首先进行贫化燃料的燃耗检测与分类。如确定该罐贫化燃料的燃耗尚浅，应当再循环使用，则该罐贫化燃料就由再循环管241输送返回到准液体燃料制备室3，重新分配到适当的燃料盒中。如确定该罐贫化燃料的燃耗已达到设计最大水平，则该部分贫化燃料就送入乏燃料储存/装卸设施251内作长期储存，其在地下乏燃料储存/装卸设施251内安全储存的时间可以很长，甚至远超过核电厂的寿命，直至国际核安全保障机构按计划派遣授权人员到现场打开密码阀门261，将乏燃料由乏燃料管26抽送入安全运输容器(图上未画出)，运往该机构授权的核燃料后处理厂。

鉴于核燃料颗粒的多层陶瓷包复材料具有极其良好的不透性，这种乏燃料可以在必要时地下储存数百年也不致危害环境。

本发明在经济性方面的优点是由于所采用准液体燃料系统本身的固有安全性和其中材料的物理特性所自然产生的，无需借助于外加工程措施。这种固有经济优点包含下列方面：

热能利用效率高。本发明采用的一次载热剂所载出的热能温度很高，一般可以超过800℃，预计其热利用效率将比目前最先进的压水堆高出30-40％。由于该液体一次载热剂的热容量远大于气体载热剂，本发明用于需要800℃左右的高温工艺用热时，其热能的利用效率会比目前GENIV在研发中的超高温气冷堆用于制氢的热效率高得多。

核燃料利用效率高。根据目前已达到的技术水平，采用陶瓷与耐高温材料的包复颗粒燃料已能够超过100,000兆瓦日/吨的燃耗深度，比目前一般轻水动力反应堆的燃料元件所能达到的燃耗深度高一倍以上。

初始投资低。由于本发明的固有安全特性，该核能生产设的施系统简单，废除了目前商业核电站内繁琐、冗余的多重安全系统。故其核岛部份将大为简化，其中的部件数量和电厂尺寸都将大大减少。同时，由于核事故的根除，大部分其他非核设备所要求的质量标准，也可以由昂贵的“核级”标准降低为一般非核电厂的“工业级”标准，价格也随之降低。因此，本发明的核能装置的初始投资必然降低。

运行成本低。由于本发明采用完全自动化的运行与核燃料管理方式，使运行与维护人员数量大大减少，人员成本下降。此外，核燃料利用效率高，使燃料成本减少，故本发明的运行总成本将显著降低。

研究开发资金最少。本发明所采用准液体燃料中的两种主要成分，即包复燃料颗粒和熔盐(或液态金属)载热剂，都是目前已经开发成熟的技术。本发明的研发工作可以集中在准液体燃料本身的特有技术，因此只需要最低数量的研发资金。

图2表示该反应堆堆芯内的准液体燃料盒的一种可能结构图，其中一次载热剂由多孔细管的管壁上的许多狭窄的长形小孔进入管外的准液体燃料内，直接接触其中的包覆颗粒并将其裂变热载出。

图2所示的燃料盒32为一六角柱形薄壁空心盒，用一种抗辐射、耐高温、低中子吸收截面的材料制成，上下两端(分别标为32a与32b)用同样材料薄板密封，其中充满准液体燃料35。在该盒中装有许多沿轴方向按同心六角形圈均匀排列的许多细长薄壁管33、34，为一次载热剂流道，其两端均分别焊接在燃料盒的上、下端板32a与32b上。在所有载热剂流道管壁上均开有许多狭窄的长形小孔36，其宽度小于包覆颗粒的直径，故包覆颗粒不能漏出，但该窄孔允许该一次载热剂自由通过。

在同心六角形圈均匀排列的众多细长薄壁管33、34分为两组，分别布置在相邻的六角形周界上。第一组为载热剂排出流道33，其下端密封在燃料盒的下端板上，上端虽然焊接在燃料盒的上端板上，但有开口与载热剂池相通，作为一次载热剂出口33a，载热剂由此排出燃料盒。第二组为载热剂进入流道34，其上端密封在燃料盒的上端板上，下端虽然焊接在燃料盒的下端板上，但有开口与载热剂池相通，作为一次载热剂入口34b。一次载热剂由下端的一次载热剂入口34b进入流道34，穿过其管壁上的小孔，进入准液体燃料35内，与包覆颗粒直接接触，并将其裂变产生的热量载出。升温后的一次载热剂再穿过载热剂排出流道33管壁上的小孔，进入载热剂排出流道33并向上流动，由其上端的一次载热剂出口33a流出燃料盒。

该燃料盒的上端设有核燃料入口管35a，下端设有核燃料出口管35b。燃料盒内的准液体燃料35，由该盒上端的核燃料入口管35a进入盒内，缓慢地蠕动通过燃料盒，变为贫化燃料后，由该盒下端的核燃料出口管35b排出盒外。

图3表示该反应堆堆芯内的准液体燃料盒的又一种可能结构图，其中一次载热剂在多孔细管的管内流动，与管壁外的准液体燃料进行对流换热。

图3所示的燃料盒32亦为一六角柱形薄壁空心盒，其内外形状与结构均与图2所示的燃料盒基本相同。因此图3内各部件的标号、名称与功能也基本相同，在此不重复说明。两种燃料盒的主要区别在于图3内的一次载热剂流道只有一种，标号为33。该流道为细长薄壁管，两端均焊接在燃料盒的端板上，但两端均有开口通向载热剂池，其下端为一次载热剂入口33b，其上端为一次载热剂出口33a。一次载热剂由下端入口33b进入流道33后，只沿轴在细长薄壁管内向上流动，与管壁外的准液体燃料进行对流换热，直到上端出口33a流出燃料盒。一次载热剂的主流并不穿过管壁小孔进入准液体燃料，也不与包覆颗粒直接接触。然而载热剂流道管壁上同样开有无数小孔36，容许少量载热剂与准液体燃料内的同种载热剂通过小孔发生局部交混扰动，以增强其对流换热作用。图2内的另一组薄壁管的标号34不再出现在图3内。

图4表示该反应堆堆芯内的准液体燃料盒的另一种可能结构图，其中该燃料浆液盒为一六角形固体中子慢化剂的长柱体，沿轴向钻有一组均匀分布的长圆孔，每一孔内均安装一根外径小于该孔径的双层同心多孔薄壁管，其内外两薄壁管之间的环状空间充满准液体燃料。

由图4可见该燃料盒为一六角形固体中子慢化剂长柱37，其中沿轴向钻有一组均匀分布的长圆孔38，每一孔内均安装一根外径小于该孔径的多孔薄壁双层同心管，其内外两管分别标为39b及39a。在所有的同心管内外管壁上均开有许多狭窄的长形小孔40，其宽度小于包覆颗粒的直径，故包覆颗粒不能漏出，但该窄孔允许该一次载热剂自由通过。

该同心管用一种抗辐射、耐高温、低中子吸收截面的材料制成。内外两管之间的环状空间41的两端均密封，其中充满准液体燃料。准液体燃料由该燃料盒上端的核燃料入口管41b进入盒内，缓慢地蠕动通过燃料盒，由该盒下端的核燃料出口管41a排出盒外。

该同心管被固定在六角型慢化剂柱内钻孔的中心位置，其外管与钻孔内壁之间保留的环状孔隙42，则用作一次载热剂进口流道。图4内的一次载热剂进口流道42的下端开口而上端密封；而一次载热剂排出流道(内管)39b的上端开口而下端密封。大池内冷的一次载热剂由环状进口流道42的下端开口进入，向上流动，并沿程穿过外管壁上的小孔40流入准液体燃料内，与包覆颗粒直接接触并将其裂变产生的热量载出。升温后的一次载热剂则穿过内管(即一次载热剂排出流道)39b管壁上的小孔36，进入该流道并由其上端出口流出燃料盒。

由于图4所示燃料盒内含有大量中子慢化材料，故此种燃料盒特别适用于热中子反应堆。前图2及图3所示的燃料盒所含的中子慢化材料可以按设计变化，故除适用于热中子反应堆外，也可适用于快中子和中能中子反应堆。

图5表示该反应堆采用的通过人造卫星进行实时、远程监督与遥控的计算机的系统框图。

图5所示该反应堆采用的控制计算机102包含以下各系统，其连接方式与功能参照图1说明如下：

(a)核燃料自动供料系统：与准液体燃料制备室3作电控连接，以控制准液体燃料制备室3的运行，其功能包含制备新的准液体燃料，贫化燃料的再循环使用，按最优装料方案将准液体燃料分装入各燃料盒内，包括最优功率分布、最低过剩反应性、和最深燃耗。

(b)反应堆自动启动系统：与发电厂部分10作电控连接，以控制发电厂部分10的运行，其功能包含反应堆在所有工况下的启动，如新装燃料初次启动，过渡工况下启动，平衡工况下启动，事故停堆后紧急启动，及最大碘坑下启动等。

(c)反应堆功率自动控制系统：与发电厂部分10作电控连接，以控制发电厂部分10的运行，其功能包含在保证反应堆安全前提下按外负荷需求输出功率等。

(d)反应堆自动停堆系统：与发电厂部分10及吸收剂驱动器机构15作电控连接，以控制发电厂部分10及吸收剂驱动器机构15的运行，其功能包含在所有工况下的自动停堆，包括意外紧急状况(含重大自然灾害、战争与恐怖袭击)停堆等。

(e)贫化燃料自动管理系统：与贫化燃料分类室25作电控连接，以控制贫化燃料分类室25的运行，其功能包含对贫化准液体燃料进行燃耗测量与分类，可重复使用的贫化核燃料的再循环以达到深燃耗等。

(f)乏燃料遥控自动储存与装卸系统：与乏燃料储存/装卸设施251作电控连接，以控制乏燃料储存/装卸设施251的运行，其功能包含长期储存乏燃料与贫化燃料直至电厂寿命终了，自动将乏燃料装入运输容器运往国际核监督机构指定的后处理厂等。

(g)自动去污系统：与准液体燃料制备室3、贫化燃料分类室25、乏燃料储存/装卸设施251、贫化燃料分类室25、乏燃料储存/装卸设施251及大型载热剂池16作电控连接，以控制以上各设施内的自动去污设备的运行，其功能包含连续清除一次载热剂和其它液体工质内的各种污染物，清除由核能厂房内外运的材料与部件的各种污染，和处理各种放射性废物等。

(h)反应堆余热自动排放系统：与大型载热剂池16及排放烟囱22作电控连接，以控制以上各设施内的热自动排放设备的运行，其功能包含散出停堆后由反应堆堆芯内准液体燃料的剩余发热，散出储存库中的乏燃料及贫化燃料所发出的衰变热等。

(I)遥控自动维护及检修系统：与准液体燃料制备室3、贫化燃料分类室25、乏燃料储存/装卸设施251及大型载热剂池16作电控连接，以控制以上各设施内的遥控自动维护及检修设备的运行，其功能包含使用机器人或其它遥控工具自动维护和检修受损零部件等。

(j)自动信息采集与传输系统：与发电厂部分10、准液体燃料制备室3、贫化燃料分类室25、乏燃料储存/装卸设施251及大型载热剂池16作电控连接，以控制以上各设施内的自动信息采集与传输仪表与设备的运行，其功能包含实时、连续地采集有关反应堆设施、发电厂、外部环境、与反恐怖的各种信息并传输到本厂的控制计算机与国际核安全监督机构的远程控制中心。

(k)远程监测系统：与发电厂部分10、准液体燃料制备室3、贫化燃料分类室25、乏燃料储存/装卸设施251及大型载热剂池16作电控连接，以控制以上各设施内的远程监测仪表与设备的运行，其功能包含通过卫星进行现场的实时远程监测并向当地受权机构及国际安全保障机构连续发送核查报告等。

(1)遥控反恐怖系统：与发电厂部分10、准液体燃料制备室3、贫化燃料分类室25、乏燃料储存/装卸设施251及大型载热剂池16作电控连接，以控制以上各设施内的遥控反恐怖手段的执行，其功能包含当所在国或/及当地国际反恐机构的所有反恐手段受制或失败情况下启动反恐的最后防务手段。

纵上所述，本发明的提供了一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置。该方法采用一种“准液体核燃料”，由微小的包覆核燃料颗粒与高沸点液体载热剂混合制成。核反应堆的堆芯浸没于一个装满同种高沸点载热剂的大池底部，构成一个全密封式的地下反应堆系统。当该准液体核燃料以极低速度蠕动通过反应堆堆芯时，即产生裂变能，所生产的热能由高沸点载热剂载出，可用于发电及供热。该反应堆系统可以完全由计算机控制运行，不受任何人为干扰。密封于该反应堆系统中的核材料，由国际核安全保障机构通过卫星进行实时、远程监督与遥控。本发明提供的核能生产方法与装置可以廉价生产核能，在未来的能源市场中具有强大的商业竞争能力。

还必须指出，除以上所说明的本发明的方法与装置的系统图及作为示例的装置与设备的基本特征之外，根据本发明权利要求书中所述的原则与基本特征，利用普通的工程技术，还可以设计出各种不同的方法，装置与设备，进行各种改进，与设计出各种代用品。

Claims (12)

1.一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中包含如下步骤：

将包覆核燃料颗粒与一定比例的高沸点载热剂混合制成一种类似液体的核燃料；

将该类似液体的核燃料分装于一束燃料盒内，构成反应堆堆芯，后者浸没于一个满装同种高沸点载热剂的大池底部；

使该反应堆堆芯在所有工况下均在负的反应性温度系数下以最小过剩反应性运行；

使该大池内的高沸点载热剂流过贯通燃料盒的众多细管，将该燃料盒内的类似液体的核燃料所产生的裂变热载出；

将该高沸点载热剂所载出的裂变热转化为电力或工业与民用供热；

通过高沸点载热剂的温度变化，自动调节反应堆的功率，使之与外负荷的波动相适应；

使该类似液体的核燃料极缓慢地蠕动通过燃料盒，不断地以新的类似液体的核燃料更换已贫化的类似液体的核燃料，实现不停堆连续换料；

将各个燃料盒排出的贫化类似液体的核燃料分别测量与分类，并将燃耗程度较低的贫化类似液体的核燃料再循环返回堆芯重复使用，直至其达到最深燃耗水平；

将已达到最深燃耗水平的乏燃料送入地下储存库作长期储存，直至国际核安全保障机构将其取出运往指定的后处理工厂进行处理；及

将停堆后在该堆芯内存留的类似液体的核燃料的余热和在地下储存库长期储存的乏燃料的余热通过自然循环排放到大气之中。

2.如权利要求1所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中步骤(a)内所述的包覆核燃料颗粒，采用多层耐辐照与耐高温的陶瓷或其他耐火材料制成的包覆层，后者可以在远高于反应堆核燃料所可能达到的最高温度下保持密封性，使裂变产物不能外泄。

3.如权利要求1所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中步骤(a)内所述的高沸点载热剂，采用几种熔盐或不燃性金属的低熔点混合物，其物理性质应能赋予该类似液体的核燃料以足够的流动性；并在大气压力下当反应堆芯内类似液体的核燃料达到最高温度时也不致沸腾。

4.如权利要求1所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中步骤(d)内所述的多孔细管，在管壁上开有许多狭窄的长形小孔，其宽度小于包覆核燃料颗粒的直径。

5.如权利要求1所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中步骤(d)内所述的高沸点载热剂由该多孔细管的管壁上的许多狭窄的长形小孔进入管外的类似液体的核燃料内，直接接触并冷却其中的包覆核燃料颗粒，并载出其裂变热。

6.如权利要求1所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中步骤(d)内所述的高沸点载热剂在该多孔细管的管内流动，与管壁外的类似液体的核燃料进行对流换热，并载出其裂变热。

7.如权利要求1所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法，其特征在于，其中在堆芯内的一组管道中引入一种液体或准液体中子吸收剂，使其中步骤(f)内所述的高沸点载热剂的温度降低。

8.一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产方法与装置，其特征在于，其完全由计算机控制运行，并由国际核安全保障机构通过卫星进行实时远程监督与遥控，以确保其中所使用及产生的核物质不致被恐怖分子或任何未经国际核安全保障机构授权的人员接触。

9.一种固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产装置，其特征在于，其中包含以下主要设施或部件：

一类似液体的核燃料配制设施(3)，与包覆核燃料颗粒输入管(1)、高沸点燃料输入管(2)、燃料输送管(4)及再循环燃料管(241)相连接；

一高沸点高沸点载热剂池(16)，其中装有反应堆堆芯(601)、一组主换热器(8)、一组余热散热器(17)，与一组循环泵(7)，并与地下通道(101)相连接；

一反应堆堆芯(601)，由一组燃料盒(6)构成，并与燃料分配管(4、5)、贫化燃料排出管(23、24)及停堆管(14)相连接；

一组主换热器(8)，与高沸点载热剂入口管(12)、高沸点载热剂出口管(13)、二次载热剂出口管(9)及二次载热剂入口管(11)相连接；

一组循环泵(7)，与一组主换热器(8)及高沸点载热剂入口管(12)相连接；

一备用停堆系统，包含停堆管(14)和相应的驱动器机构(15)；

一组余热换热器(17)，与余热载热剂入口管(20)、余热载热剂出口管(21)、余热二回路入口管(18)及余热二回路出口管(19)相连接；

一贫化燃料测量与分类设施(25)，与贫化燃料输送管(24)、再循环燃料管(241)及乏燃料储存/装卸设施(251)相连接；

一乏燃料储存/装卸设施(251)，与贫化燃料测量与分类设施(25)、乏燃料装卸阀(261)、乏燃料载热剂入口管(27)及乏燃料载热剂出口管(28)相连接；

一反应堆控制计算机(102)，安装在发电厂(10)内。

10.如权利要求9所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产装置，其特征在于，其中部件(c)内的燃料盒为一薄壁六角形空心盒，其两端均密封，盒内充满类似液体的核燃料；该盒并装有许多上下贯通的多孔薄壁细长管道，作为高沸点载热剂流道。

11.如权利要求9所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产装置，其特征在于，其中部件(c)内的燃料盒为一六角形固体中子慢化剂长柱，其中沿轴向钻有一组长圆孔，每一孔内均安装一根多孔薄壁双层同心管，其内外两管之间的环状空间充满类似液体的核燃料。

12.如权利要求9所述的固有安全、防核扩散、和成本低廉的核能生产装置，其特征在于，其中部件(j)的反应堆控制计算机包含以下自动控制及遥控系统：

(a)一核燃料自动供料系统，与准液体燃料制备室(3)作电控连接；

(b)一反应堆自动启动系统，与发电厂部分(10)作电控连接；

(c)一反应堆自动功率控制系统，与发电厂部分(10)作电控连接；

(d)一反应堆自动停堆系统，与发电厂部分(10)及吸收剂驱动器机构(15)作电控连接；

(e)一贫化燃料自动管理系统，与贫化燃料分类室(25)作电控连接；

(f)一乏燃料遥控储存与装卸系统，与乏燃料储存/装卸设施(251)作电控连接；

(g)一自动去污系统，与准液体燃料制备室(3)、贫化燃料分类室(25)、乏燃料储存/装卸设施(251)、贫化燃料分类室(25)、乏燃料储存/装卸设施(251)及大型载热剂池(16)作电控连接；

(h)一余热自动排放系统，与大型载热剂池(16)及排放烟囱(22)作电控连接；

(i)一遥控自动维护及检修系统，与准液体燃料制备室(3)、贫化燃料分类室(25)、乏燃料储存/装卸设施(251)及大型载热剂池(16)作电控连接；

(j)一自动信息采集与传输系统，与发电厂部分(10)、准液体燃料制备室(3)、贫化燃料分类室(25)、乏燃料储存/装卸设施(251)及大型载热剂池(16)作电控连接；

(k)一远程监测系统，与发电厂部分(10)、准液体燃料制备室(3)、贫化燃料分类室(25)、乏燃料储存/装卸设施(251)及大型载热剂池(16)作电控连接；

(l)一遥控反恐怖系统，与发电厂部分(10)、准液体燃料制备室(3)、贫化燃料分类室(25)、乏燃料储存/装卸设施(251)及大型载热剂池(16)作电控连接。

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