CN105976879B - 一种组件型熔盐堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组件型熔盐堆。所述组件型熔盐堆的堆芯包括由内至外同轴排布的一中心反射层、一活性区和一外反射层，所述活性区、所述外反射层均为正六棱柱形，所述活性区围合在所述中心反射层的外部，所述外反射层围合在所述活性区的外部；所述活性区由若干个正六棱柱结构单元组成，该些正六棱柱结构单元在径向上并行排布成蜂窝状结构，在轴向上同轴堆叠成层状结构，每一所述正六棱柱结构单元由六个正三棱柱组件拼设而成。所述组件型熔盐堆的位置明确，有利于功率分布的控制，同时可以通过置换组件径向和轴向的位置，方便装卸料、简化换料方式的同时，使得燃料能够达到更高的燃耗，实现燃料的有效循环和管理。

Description

一种组件型熔盐堆
技术领域
本发明涉及一种组件型熔盐堆。
背景技术
第四代堆共有六种堆型：气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)、熔盐堆(MSR)、钠冷快堆(SFR)、超临界水冷堆(SCWR)、超高温气冷堆(VHTR)。其中熔盐堆使用熔盐作为冷却剂，具有良好的经济性和固有安全性。第四代核能会议之后，以熔盐作为冷却剂的反应堆概念设计相继被提出，如橡树岭国家实验室的先进高温堆(AHTR)，UC伯克利的球床先进高温堆(PB-AHTR)，2011年中国科学院启动的钍基熔盐堆核能系统(TMSR)先导专项提出的随机球床高温钍基熔盐堆等。AHTR使用氟盐作为冷却剂，以包覆颗粒和SiC基体制作成板状燃料组件，采用定期停堆换料的方式。中子分析表明，该堆芯在使用9wt％富集度的铀时，可以实现6个月两批次的换料。PB-AHTR是以包含TRISO包覆颗粒的燃料球作为燃料元件，石墨作为反射层，2LiF-BeF2熔盐作为冷却剂的球床先进高温堆，燃料球在熔盐中缓慢流动，支持在线换料。
在换料方面，AHTR使用的是直径1.244cm的燃料棒，直接插入在石墨基体中，由于燃料棒数量巨大，换料成本较高。PB-AHTR采用的在线换料是通过燃料球在熔盐中的流动实现的，因为无法控制燃料球在堆芯中的位置，所以在换料前需要逐个测量球的燃耗，而且单球逐个换料的方式机构复杂，不利于反应堆的安全运行。随机球床高温钍基熔盐堆的基本堆型与PB-AHTR相近，也存在燃料球数量大、在线换料时安全性差的缺点。
本申请的发明人在研究本领域现状时发现：现有的固态燃料熔盐堆都只是停留在概念设计的阶段，目前没有一个实际建好的反应堆。虽然采用球形燃料支持在线换料的已经有实际的应用，如清华的高温气冷堆，但是在熔盐堆的设计中尚未实现实际应用，究其原因：虽然采用球形燃料的PB-AHTR和随机球床高温钍基熔盐堆(TMSR)都是想要利用在线换料的方法，大幅提高燃料的燃耗，但是由于熔盐的高温、高腐蚀、高辐射的特性，熔盐堆在线换料在目前甚至未来很长一段时间都难以实施起来。
发明内容
本发明旨在克服的技术问题在于克服了现有的熔盐堆存在的燃料棒数量大、需要逐个换料、换料成本高，而燃料球与在线换料结合的方式又不利于反应堆安全运行且无法实际应用的缺陷，而提供了一种组件型熔盐堆。本发明提供的组件型熔盐堆通过把多个球形燃料元件按一定的排列束缚起来形成组件，一方面组件的位置明确，有利于功率分布的控制，同时可以通过置换组件径向和轴向的位置，方便装卸料、简化换料方式的同时，使得燃料能够达到更高的燃耗，实现燃料的有效循环和管理。
本发明提供了一种组件型熔盐堆，其特点在于，所述组件型熔盐堆的堆芯包括由内至外同轴排布的一中心反射层、一活性区和一外反射层，所述活性区、所述外反射层均为正六棱柱形，所述活性区围合在所述中心反射层的外部，所述外反射层围合在所述活性区的外部；所述活性区由若干个正六棱柱结构单元组成，该些正六棱柱结构单元在径向上并行排布成蜂窝状结构，在轴向上同轴堆叠成层状结构，每一所述正六棱柱结构单元由六个正三棱柱组件拼设而成。
本发明中，堆芯是组件结构单元的有序排列，反应堆运行时，装料和换料可以直接以组件为单位，降低运行成本，燃料的装卸料、换料更加方便。此外由于堆芯内圈燃料燃耗较高，外圈燃耗较低，因此组件、组件组合在单循环、多循环的燃料管理中的多方位多角度的位置置换，可以使得燃料充分燃烧，使燃料达到更高的燃耗深度。进一步发展可以使用钍铀循环、钍钚循环燃料，解决铀资源匮乏及能源问题。
下面，对中心反射层作进一步说明：
本发明中，所述中心反射层较佳地由若干个六棱柱形石墨柱围合而成。中心反射层可以起到降低功率峰因子的作用，同时可以起到慢化作用。所述的六棱柱形石墨柱的个数较佳地为7个。
本发明中，位于所述中心反射层的正中心处的六棱柱形石墨柱的结构较佳地为：其正中心处还开设有一实验通道，所述实验通道为一圆柱孔。
下面，对外反射层作进一步说明：
本发明中，所述外反射层较佳地由若干个六棱柱形石墨柱围合而成，所述的六棱柱形石墨柱的个数较佳地为138个。下面，对活性区作进一步说明：
本发明中，所述正六棱柱结构单元在径向和轴向上有序排列，即径向成蜂窝状排列，轴向采用简单堆积方式排列，上下层结构相同，无错位。所述正六棱柱结构单元，其总数量及高度视堆芯的具体功率而定，所述活性区的总高度较佳地为2～10m。
本发明中，所述正三棱柱组件较佳地为正三棱柱燃料组件或者正三棱柱控制棒通道组件。所述正六棱柱结构单元的结构较佳地包括两种：结构一：6个正三棱柱燃料组件；结构二：5个正三棱柱燃料组件+1个正三棱柱控制棒通道组件。结构一和结构二是堆芯最重要的基本结构。
其中，较佳地，所述活性区从径向上由5～15层正六棱柱结构单元由内至外围合而成，更佳地由9层正六棱柱结构单元由内至外围合而成，每一层均含有结构一和结构二。
所述结构一构成所述活性区的主体部分，所述结构二构成所述活性区的6条六等分线，并将所述活性区的横截面沿六棱柱的六条边等分为6个扇形区域。较佳地，还将每一所述扇形区域分为a、b、c三个区域，各区域均有15个结构一和3个结构二。较佳地，所述活性区在轴向上由6层正六棱柱结构单元组成，每层由270个所述结构一和54个所述结构二组成；较佳地，还将所述活性区从轴向上由外至内分为A、B、C三个区域，即将整个活性区从轴向上分为两个A区、两个B区和两个C区。
较佳地，所述堆芯采用循环换料的方式进行换料，一个循环周期较佳地包括9批换料，具体如下：Aa-Ab，Ab-Ac，Ac-Ba，Ba-Bb，Bb-Bc，Bc-Ca，Ca-Cb，Cb-Cc，取出Cc同时在Aa处放入新的燃料。每个循环周期的最后一步是把Cc取出，作为核废料，同时在原来Aa的区域放入新的燃料，每次循环都是这样操作，以此达到平衡，并不断地加新料，去废料，不断运行下去。
其中，较佳地，所述正三棱柱燃料组件由正三棱柱包壳和球形燃料元件组成，所述球形燃料元件堆放于所述正三棱柱包壳的内部。所述的球形燃料元件在所述正三棱柱包壳中的排布方式较佳地为：28层，每层3个，呈正三角形排列。
其中，所述正三棱柱包壳的材料为本领域常规的适用于作为堆芯结构的材料，一般具有较高的强度、耐腐蚀性、高熔点、低中子毒性、耐辐射等特点，可以很好地支撑球形燃料元件，较佳地为碳-碳复合材料，更佳地为三维编织的碳-碳复合材料。
其中，所述正三棱柱包壳的大小与厚度视具体堆芯中子通量、堆芯温度、功率、反应性温度系数而定。所述正三棱柱包壳由厚度相等的一个顶面、一个底面和三个侧面组成。较佳地，所述的顶面和所述的底面上均开设有至少一个熔盐流通通道。所述熔盐流通通道的数量及直径由堆芯的大小、功率及热工水力参数决定，所述熔盐流通通道的数量较佳地为4个。
本发明中，熔盐作为冷却剂自下而上通过所述活性区，由此带走核裂变能。所述熔盐为本领域常规的液态FLiBe熔盐，较佳地为2LiF-BeF2。该种类的熔盐具有高的比热容、高熔点和较低的蒸汽压，使得组件型熔盐堆具有良好的经济性和固有安全性。
其中，所述球形燃料元件较佳地为燃料球。
较佳地，所述燃料球包含一内部燃料层和一外部石墨包壳。所述燃料球的半径较佳地为3cm，所述内部燃料层的半径较佳地为2.5cm，所述外部石墨包壳的厚度较佳地为0.5cm。
所述内部燃料层较佳地由三结构同向型包覆燃料颗粒(Tri-structural iso-tropic，简称TRISO包覆颗粒)和石墨集体组成。TRISO包覆颗粒耐高温，可以包裹住裂变产物，有效减少了高放裂变产物的释放，提高反应堆的安全性。其中，所述内部燃料层中TRISO包覆颗粒的填充率视具体堆芯功率而定，较佳地为10％～20％，所述百分比为体积百分比，填充率指的是燃料层中所有TRISO颗粒的总体积占内部燃料层体积的百分比。
其中，所述TRISO包覆颗粒的中心处较佳地分布有燃料和/或可燃毒物。所述的燃料较佳地为UO2，或者UO2和PuO2的混合物，所述的UO2中235U富集度较佳地为15％～19.9％，所述百分比为质量百分比。所述的可燃毒物较佳地为硼的单质或化合物，和/或，钆的单质或化合物。
其中，较佳地，所述正三棱柱控制棒通道组件由正三棱柱包壳和一控制棒通道组成，所述控制棒通道为一底部密封的圆柱体空壳，沿轴向开设于正三棱柱包壳的内部，所述正三棱柱包壳所用材料、大小和厚度如上所述。控制棒通道的设计，可以通过控制棒在控制棒通道中的上下运动，实现正三棱柱包壳将控制棒与熔盐隔绝开来，使得控制棒免受熔盐的腐蚀。这样，控制棒通道从组件底部一直贯穿到堆芯顶部，占有空间很大，能够提供足够的停堆裕量。
其中，较佳地，还可以将所述结构一中的其中一个正三棱柱燃料组件替换为一个实验通道组件、一安全停堆棒通道组件、一测量通道组件或者一燃耗补偿棒通道组件，该些组件的结构与正三棱柱控制棒通道组件的结构相同。实验通道组件的作用：可以插入一些探测器来检测反应堆运行情况，或者放入一些需要辐照的实验材料进行辐照等。在活性区的实验通道组件只是需要的时候会替换，不需要的时候依然是正三棱柱燃料组件，而反射层的实验通道则是一直存在的。
本发明中，所述组件型熔盐堆较佳地设置于一反应堆容器中。所述反应堆容器较佳地为一空心圆柱体。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的组件型熔盐堆可以通过置换组件径向和轴向的位置，方便装卸料、简化换料方式的同时，使得燃料能够达到更高的燃耗，实现燃料的有效循环和管理。所述燃料循环和管理策略，可以在各循环寿期末，采用置换位置的方式进行燃料的换料。所述置换位置方式，包括对正三棱柱组件和正六棱柱结构单元的径向置换、轴向置换和综合置换。
附图说明
图1为本发明实施例1中正三棱柱燃料组件的纵剖面图；
图2为本发明实施例1中正三棱柱燃料组件的顶面和底面的熔盐流通通道的横截面示意图；
图3为本发明实施例1中结构一的横截面示意图；
图4为本发明实施例1中结构二的横截面示意图；
图5为本发明实施例1中组件型熔盐堆堆芯的横截面示意图；
图6为图5中沿D-D面的纵剖面示意图；
图7为本发明实施例1的组件型熔盐堆堆芯的换料方案；
图8为本发明实施例1的组件型熔盐堆堆芯的轴向功率分布曲线。
上述附图中，1-结构二2-结构一3-实验通道4-中心反射层5-外反射层6-反应堆容器7-熔盐流通通道8-控制棒通道9-燃料球10-正三棱柱包壳
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例以一座功率为1GW的组件型熔盐堆堆芯为例。
图1为正三棱柱燃料组件的纵剖面图；图2为正三棱柱燃料组件的顶面和底面的熔盐流通通道的横截面示意图；图3为结构一的横截面示意图；图4为结构二的横截面示意图。结构二1中燃料球共有28层，每层三个。正三棱柱顶部和底部留有和图2相同的熔盐流通通道。它们是堆芯最重要的基本结构。燃料六棱柱结构单元由六个三棱柱燃料组件组成，含有控制棒通道的六棱柱结构单元由5个燃料组件和一个控制棒通道8组成，并成正六棱柱形。单个三棱柱燃料组件由正三棱柱包壳10和燃料球9组成，燃料球位于燃料组件内部，每层三个成三角形排列，共28层。燃料球9半径为3cm，内部含有半径为2.5cm的燃料层，外部有厚度为0.5cm的石墨包壳。燃料层由TRISO包覆颗粒和石墨基体组成，其中TRISO填充率为10％～20％，核心燃料是UO2，235U富集度为15～19.9％。
图5为本发明实施例1中组件型熔盐堆堆芯的横截面示意图，其中阴影部分即为活性区，其中含控制棒通道的六棱柱结构单元(即结构二1)只存在于图中6条角平分线上，也就是有一个个小孔的地方，小孔就是图4中的控制棒通道。结构一2与结构二1之间存在一定的缝隙。
所述组件型熔盐堆设置于一反应堆容器6中，反应堆容器6内设有活性区、中心反射层4和外反射层5，活性区被外反射层5包围，中心反射层4内设有实验通道3。活性区含有两种六棱柱结构单元，分别是含有控制棒通道的六棱柱结构单元1和燃料六棱柱结构单元2。燃料区从内到外可分为9层，各层均由含有控制棒通道的六棱柱结构单元和燃料六棱柱结构单元。其中六分之一扇区分为a、b、c三个区域。各区域均有15个燃料六棱柱结构单元和3个含有控制棒通道的六棱柱结构单元，其中a区在活性区次边界区域，b、c区则分散在其两侧。三棱柱包壳10，材料选为三维编织的碳-碳复合材料，因为碳碳复合材料具有高强度、耐腐蚀、耐辐射等特点，可以很好的支撑内部燃料球。
a，b，c三个区域之间并无区别，只是它们在堆芯中的位置不同，相同的燃料在a，b，c三个区域中的燃耗是不相同的，因此换料时把新的燃料放在a区，经过一次循环的燃料放在b区，两次循环的放在c区。图5中对于a，b，c三个区域的区分不仅限于六分之一扇区，对于其他扇区也是这样的分区结构，图中只是取了六分之一作为示例。
如图6是组件型熔盐堆堆芯的纵剖面图。从图6可以很明显的看出活性区被外反射层5包围，同时中心反射层4居于中间。同时反射层顶部和底部都留有熔盐流通通道7，并与正三棱柱组件两端的孔道一致，从而使得熔盐可以自下而上的穿过整个堆芯，并带走裂变能。控制棒通道从组件底部一直贯穿到堆芯顶部，占有空间很大，能够提供足够的停堆裕量。活性区轴向共有6层，每层均如图5所示共有270个燃料六棱柱结构单元和54个含有控制棒通道的结构单元。6层结构单元从两侧向内分为A、B、C三个区域。
A、B、C结构上并无区别，只有位置上的差别，越靠近中心位置(C的底部)，中子密度越大。因此从燃耗深度角度看，C>B>A，同时在C区中，靠近中心位置的燃耗更高。是采用轴向六等分的形式分界的，由6个相同的图5的结构组成，初装堆时，由于都是新的燃料，它们之间不存在差别(a、b、c三个区域也一样，不存在差别)，而经过一次循环之后，它们的燃耗深度就会不一样，把燃耗最深的地方，Cc取出，其他依次如图7方式置换，最后在Aa区域放入新燃料。这就是换料方案。
图7表示的是换料方式，图8是堆芯轴向功率分布曲线。横向a、b、c与轴向A、B、C区域组合成9个区域Aa、Ab、Ac、Ba、Bb、Bc、Ca、Cb、Cc，因此可以进行9批换料，9个区域第1到第9批料。按照点堆模型，9批料换料方式可以使得卸料燃耗达到一次换料方式的180％。
同时，如图8所示，由于考虑了轴向换料，使得燃料轴向燃烧的更加平均，更加充分，功率分布也更加平缓，利于反应堆安全。图8的纵坐标是功率分布，横坐标是Z轴高度。未使用轴向换料可以理解成AHTR的设计，或者其他固定堆芯的反应堆的方式，不包括流动球床型反应堆(如高温气冷堆，PB-AHTR，TMSR等)。
本实施例提供的组件型熔盐堆综合了熔盐堆、组件型反应堆以及包含TRISO包覆颗粒的球形燃料元件的优点。

Claims (17)

1.一种组件型熔盐堆，其特征在于，所述组件型熔盐堆的堆芯包括由内至外同轴排布的一中心反射层、一活性区和一外反射层，所述活性区、所述外反射层均为正六棱柱形，所述活性区围合在所述中心反射层的外部，所述外反射层围合在所述活性区的外部；所述活性区由若干个正六棱柱结构单元组成，该些正六棱柱结构单元在径向上并行排布成蜂窝状结构，在轴向上同轴堆叠成层状结构，每一所述正六棱柱结构单元由六个正三棱柱组件拼设而成；
所述正三棱柱组件为正三棱柱燃料组件或者正三棱柱控制棒通道组件；所述正六棱柱结构单元的结构包括两种：结构一：6个正三棱柱燃料组件；结构二：5个正三棱柱燃料组件+1个正三棱柱控制棒通道组件。
2.如权利要求1所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述中心反射层由若干个六棱柱形石墨柱围合而成。
3.如权利要求2所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述中心反射层由7个六棱柱形石墨柱围合而成；
位于所述中心反射层的正中心处的六棱柱形石墨柱的结构为：其正中心处还开设有一实验通道，所述实验通道为一圆柱孔。
4.如权利要求1所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述外反射层由若干个六棱柱形石墨柱围合而成。
5.如权利要求4所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述外反射层由138个六棱柱形石墨柱围合而成。
6.如权利要求1所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述活性区的总高度为2～10m；所述活性区从径向上由5～15层正六棱柱结构单元由内至外围合而成，每一层均含有结构一和结构二，所述结构一构成所述活性区的主体部分，所述结构二构成所述活性区的6条六等分线，并将所述活性区的横截面沿六棱柱的六条边等分为6个扇形区域。
7.如权利要求6所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述活性区从径向上由9层正六棱柱结构单元由内至外围合而成；所述活性区在轴向上由6 层正六棱柱结构单元组成，每层由270个所述结构一和54个所述结构二组成。
8.如权利要求7所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述正三棱柱燃料组件由正三棱柱包壳和球形燃料元件组成，所述球形燃料元件堆放于所述正三棱柱包壳的内部；其中，所述正三棱柱包壳的材料为碳-碳复合材料；
所述正三棱柱包壳由厚度相等的一个顶面、一个底面和三个侧面组成；所述的顶面和所述的底面上均开设有至少一个熔盐流通通道。
9.如权利要求8所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述的球形燃料元件在所述正三棱柱包壳中的排布方式为：28层，每层3个，呈正三角形排列；
其中，所述正三棱柱包壳的材料为三维编织的碳-碳复合材料；
所述正三棱柱包壳中，所述的顶面和所述的底面上均开设有4个熔盐流通通道。
10.如权利要求8所述的组件型熔盐堆，其特征在于，熔盐作为冷却剂自下而上通过所述活性区，所述熔盐为液态FLiBe熔盐；所述球形燃料元件为燃料球。
11.如权利要求10所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述熔盐为2LiF-BeF2。
12.如权利要求10所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述燃料球包含一内部燃料层和一外部石墨包壳。
13.如权利要求12所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述燃料球的半径为3cm，所述内部燃料层的半径为2.5cm，所述外部石墨包壳的厚度为0.5cm；
所述内部燃料层由TRISO包覆颗粒和石墨集体组成；其中，所述内部燃料层中TRISO包覆颗粒的填充率为10％～20％，该百分比为体积百分比；
其中，所述TRISO包覆颗粒的中心处分布有燃料和/或可燃毒物；所述的燃料为UO2，或者UO2和PuO2的混合物，所述的UO2中235U富集度为15％～19.9％，该百分比为质量百分比；所述的可燃毒物为硼的单质或化合物，和/或，钆的单质或化合物。
14.如权利要求8～13任意一项所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述正三棱柱控制棒通道组件由一正三棱柱包壳和一控制棒通道组成，所述控制棒通道为一底部密封的圆柱体空壳，沿轴向设于正三棱柱包壳的内部。
15.如权利要求14所述的组件型熔盐堆，其特征在于，还将所述结构一中的其中一个正三棱柱燃料组件替换为一实验通道组件、一安全停堆棒通道组件、一测量通道组件或者一燃耗补偿棒通道组件，该些组件的结构与所述正三棱柱控制棒通道组件的结构相同。
16.如权利要求14所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述组件型熔盐堆设置于一反应堆容器中。
17.如权利要求16所述的组件型熔盐堆，其特征在于，所述反应堆容器为一空心圆柱体。
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