CN103578575B - 球形燃料反应堆 - Google Patents

Abstract

一种球形燃料反应堆，其中把核燃料和冷却剂一起封装在球形固体中，通过两套机械传送系统(4)，使球形固体在反应堆容器(1)和蒸汽发生器(2)之间循环流动，达到将反应堆产生的热量传出到蒸汽发生器的目的。该反应堆有固有安全性高，出口温度参数高，可以充分利用核燃料的特点，可以用于发电、制氢、供热、煤的液化气化等领域。

Description

球形燃料反应堆

技术领域

本发明属于核反应堆工程研究设计领域，涉及一种球形燃料反应堆。

背景技术

球形燃料元件已应用在高温气冷堆中，由于其有易于装料、换料，对放射性物质的良好包容能力等优点，得到了普遍的认同。熔盐堆综合性能良好，但高温下熔盐的强腐蚀性是一个工程上难以解决的问题。

发明内容

本发明球形燃料反应堆是把核燃料元件和冷却剂一起封装在球形固体中，通过机械传送系统，使球形固体在反应堆和蒸汽发生器之间循环流动，达到将反应堆产生的热量传出到蒸汽发生器的目的。

本发明球形燃料反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口。球形固体在反应堆容器内吸收核反应产生的热量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升传送装置把球提升传送到蒸汽发生器入口，球形固体在蒸汽发生器里面下落，并把热量传给冷侧的水，落出蒸汽发生器后，提升传送装置再把球提升传送到反应堆容器上部入口。如此不断循环，达到把热量传出到蒸汽发生器的目的。球形燃料反应堆对于热中子和快中子反应堆都适用的，可分别设计成两种类型的反应堆。

提升传送装置采用目前普通工业用提升机，为了减少对核燃料元件的损伤，尽量避免球的滚动，采用两套提升传送装置，球在循环过程中只有重力作用下落过程可能有碰撞。传送系统也尽量采用大截面小流量的办法。由于球的温度较高，应尽量选用耐高温的提升机。提升传送装置应有良好的密封性，虽然反应堆在接近常压下运行，仍需要充以保护性气体，使主回路保持一个密闭的环境是必要的。虽然采用一套提升传送装置也是可行的，但长期燃料球的滚动会增加球的磨损，影响球的使用寿命。提升传送装置可以是电动的也可以汽动的。

对于热中子堆，反应堆采用石墨作为慢化剂，为了便于装卸，尽量采用球形的石墨，石墨球放在一个格栅制成的篮中，栅格应该有较高的机械强度。石墨球外敷一层碳化硅，可以加强石墨的机械强度，也可以防止事故情况下反应堆内进水时高温石墨与水发生化学反应。

反应堆内也设置类似气冷堆的气体传热系统，系统设置一小型风机，一根管道把反应堆上部和下部连接起来，建立一个小气体循环回路。这样可以使反应堆内热量可以更为均匀分布，石墨慢化中子时也会获得热量，需要把热量传给冷却剂。

球形固体由内层核燃料和外层冷却剂组成，最外层还有用耐高温高强度的固体制成的包壳，内层和外层之间有支撑结构，用来承受外部施加给球的力，避免外力作用到核燃料元件上。冷却剂可以是固体也可以是液体，固体冷却剂可以是碳化硅、铍、石墨、铝等，对于功率密度不大的热中子堆，可以采用固体冷却剂，相比液体固体承受外部压力的能力较强，球不容易发生破损。即使发生轻微的破损，冷却剂也不会流失，有利于系统的安全。对于小功率堆，采用固体冷却剂系统有较高的安全性。碳化硅有比热容大，247℃时为1266.93J/(kg·k)，热导率大，耐高温性能良好，高硬度的特点，是综合性能较好的固体冷却剂。在接近核燃料元件附近的区域允许碳化硅有一定程度的熔化，吸收大量的热，当球形固体流动到蒸发器时，冷却剂碳化硅又凝固，放出大量的热。铝也可作为冷却剂，铝有中子截面低，化学性质稳定，热导率高，比热容大，熔点低，与核燃料能够良好共存的优点。铝可以和核燃料形成合金，铝熔化时，核燃料可以游离在液态铝中，形成熔融物，熔融物有良好的传热能力，有利于系统的安全，铝可以起到包覆核燃料的作用，铝的熔点低但沸点很高，反应堆发生严重事故堆芯熔化时，铝可以防止放射性物质扩散。铝的熔点低，熔化热大，是综合性能较好的金属冷却剂。铝可以在反应堆内熔化在蒸汽发生器里凝固，可以实现相变传热，这对于快中子反应堆比较重要，但由于熔化的铝没有机械强度，球形固体外围还需要耐高温高硬度材料制成的包壳，碳化硅是一个比较好的选择。为了加强球的抗冲击能力，还需要在球形固体内部架设支撑结构，使球有较高的硬度。球的损坏会导致放射性液体的流出，所以采用良好的机械设计方案使球具有高强度高硬度是必须的。为了提高球形固体抗碰撞冲击能力，其外圈敷一层弹性纤维，可以是碳化硅纤维、石墨纤维等。为了使冷却剂有足够的热容量，冷却剂的装量较多，球的直径也较大。需要根据反应堆的实际用途，确定堆容量的大小，合理安排核燃料和冷却剂的量。球形固体之间会有较大的间隙，使用一些较小的冷却剂球来填充这些空隙是必要的，小冷却剂球也随同燃料球一起由提升传送装置在反应堆和蒸汽发生器之间循环。

核燃料可以是铀或钍，核燃料可以和冷却剂形成熔融态物质，类似于熔盐堆，但球形固体易于传送使系统并不需要冷却剂时刻保持液态，反应堆也可以以低温度参数运行。虽然也可以使核燃料溶于熔融的氟盐冷却剂中，但氟盐化学性质活波，工程会有由很大困难，并不使用。采用固体燃料元件也是可以的，金属型、陶瓷型、弥散型核燃料都可以，可根据堆的用途，使用参数，对于安全性的需要来确定使用哪种类型核燃料。采用液钠作为冷却剂也是可能的方案，液钠沸点低，可以实现液汽相变传热，传热能力较大，但液钠化学性质太活波，液钠泄露引发燃烧，需要严防范此类事故的发生。

核燃料的选择可以比较灵活，天然铀、低浓度铀、高浓度铀、以及钍都是可以的，少用慢化剂，核燃料增值能力较强，可以根据冷却和增值的需要合理平衡核燃料、冷却剂、慢化剂的类型及三者之间的量的比例，达到充分利用核燃料的目的。

反应堆控制棒装在一个由碳化硅制成的空心套管里面，套管壁厚较厚，以防止受球形固体碰撞。为了减小球形固体对控制棒的碰撞冲击力，套管的外围有弹性纤维。

本发明的蒸汽发生器不同于目前压水堆的蒸汽发生器，实际上也有锅炉的功能，蒸汽发生器里面是有放射性的，核燃料在反应堆容器里面发生核反应，产生热量，后被传送至蒸汽发生器，蒸汽发生器里面不发生核反应，为了阻止核燃料发生核反应，里面放置大量的强中子吸收物，如硼、镉，蒸汽发生器是一个把核反应产生的热量传出到外界的锅炉，核燃料在里面会发生放射性衰变，放出强射线，因而也是一个有放射性的环境，但相比反应堆内高中子通量照射放射性小了很多。把热量从低放射性的蒸汽发生器传出到外界要容易很多。为了加强蒸汽发生器热侧和冷侧之间的传热，可以采用气体流动加强传热，系统设置一小型风机，两根管道把蒸汽发生器上部和下部连接起来，形成一个气体循环回路。蒸汽发生器热侧也允许有液体，加入液态金属可以大幅加强球形固体和冷侧工质之间的传热。蒸汽发生器可以直接用来加热水，且温度参数较高，可以满足超临界的要求，因而这种反应堆可以有较高的热效率。也可以驱动效率更高的布雷顿循环(燃气轮机)发电机。如果设置二次热交换回路屏蔽放射性，可以用来用于热化学产氢、煤的液化和气化等。

机械传送系统可能出现故障，导致球不能传出反应堆，反应堆内核燃料不能得到冷却，可能引发堆芯熔化事故。反应堆内有大量固体冷却剂，堆芯熔化时，冷却剂和核燃料一起熔化形成熔融物，冷却剂可以把放射性物质包覆起来，阻止其向外部环境扩散，因而即使出现堆芯熔化的严重事故也只有少量的放射性物质泄露。反应堆容器的下部有一个混凝土制成的圆锥型容器，如果堆芯失去冷却，球形固体可以在重力作用下滚动到这个容器，圆锥会把核燃料球扩展到较大的面积，核反应不能再临界，熔化的堆芯缓慢地放出衰变余热，这是反应堆出现严重事故的情形，实际上反应堆设置了很多安全保护措施，阻止事故往这个方向发展。

反应堆内设置类似气冷堆的气体冷却余热导出系统，系统设置一小型风机，两根管道把反应堆和蒸汽发生器连接起来，利用主回路的气体，把堆芯余热传出到蒸汽发生器。反应堆内预留了注水通道，用于反应堆停堆关闭时导出堆芯余热，注水通道在反应堆正常运行时是空的，一般不允许水进入。预留的注水通道可以采用和压水堆一样的原理，导出堆芯余热。可以采用压水堆的反应堆安全保护系统，能动和非能动的安全措施，提高反应堆的安全水平。反应堆容器外壁螺旋式布置不锈钢管道，堆芯失去冷却时，可以往管道内通水，达到冷却堆芯的目的。

对于蒸汽发生器，由于其放射性水平较低，只要保证水与熔化的核燃料不直接接触，就可以用普通水冷却，蒸汽发生器水较多能够满足冷却的需要。其安全性比较容易保证，蒸汽发生器需要防范的是传热管破裂，水进入主回路，要防止发生水与石墨发生反应堆生成易燃性气体，因此如果使用石墨作慢化剂，应该用球形的石墨并外敷一层碳化硅。

本发明球形燃料反应堆可以设计成小功率堆，即使在所有能动的堆芯余热导出系统都失效时，也能通过非能动的措施导出堆芯余热。堆芯功率小，功率密度小，系统总是有足够的热量扩散能力导出堆芯余热，这样反应堆有较高的固有安全性。较高的固有安全性比较容易被人们接受，使这种反应堆广泛使用成为可能。

附图说明

图1球形燃料反应堆系统示意图

1反应堆容器 2蒸汽发生器 3电动机 4提升传送装置

图2带冷却剂外层的球形核燃料固体

1核燃料 2冷却剂 3支撑结构 4外层包壳 5弹性纤维层

具体实施方式

本发明提出了一种把核燃料和冷却剂一起封装在球形固体中，并通过机械传送系统使球形固体在反应堆和蒸汽发生器之间流动达到把热量传出到蒸汽发生器的核反应堆。这种反应堆用途广泛，可以根据实际用途进一步详细设计。特别是如果设计成小功率堆，固有安全性较高，可以在很多场合使用。

Claims (1)

1.一种球形燃料反应堆，其特征在于：核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，形成核燃料球形固体；所述核燃料球形固体是一个由内层核燃料，外层冷却剂，外围有耐高温高强度固体制成的包壳，内层核燃料和外围包壳之间有支撑组成的刚性结构；显著的特征是所述核燃料球形固体不仅有外围包壳，其内部还包含有固体冷却剂，固体冷却剂不仅起到包覆放射性裂变产物的作用，还起到了冷却核燃料的作用；所述反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，所述反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把所述核燃料球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把所述核燃料球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口；所述核燃料球形固体在反应堆容器内吸收核反应产生的热量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升传送装置把所述核燃料球形固体提升传送到蒸汽发生器入口，所述核燃料球形固体在蒸汽发生器里面靠自身重力下落，并把热量传给冷侧的水，落出蒸汽发生器后，提升传送装置再把所述核燃料球形固体提升传送到反应堆容器上部入口，如此不断循环；所述核燃料球形固体在反应堆容器和蒸汽发生器之间循环移动，所述核燃料球形固体吸热后被移动到蒸汽发生器内进行冷却，达到把热量由反应堆传出到蒸汽发生器的目的。