CN106158052A - 同心球面隔板式球形主容器 - Google Patents

Abstract

同心球面隔板式球形主容器，属熔盐堆技术领域，用其构成的熔盐贫铀堆，可解决球形主容器内裂变产物净化的难题，不需要裂变产物净化系统，实现对该堆直接输入的只是贫铀而直接输出的就是乏燃料的燃烧模式，并同时实现低成本的长期安全稳定运行和保持熔盐贫铀堆的所有优异性能。采用有进出料口的多层同心球面薄隔板把其空间分割成薄片，或再加上径向薄隔板把其空间分割成管状通道，并在进出料口或通道设置阀等，以控制熔盐流动模式。其内部隔板采用模块化设计、各模块间非焊接堆积安装和模块整块更换的模式。顶部设有可开启的盖板系统。最内层、最外层和需要的中间层，都有相应的通道连接到堆芯外相应的控制等装置。主要用作中子源和小型能源。

Description

同心球面隔板式球形主容器

技术领域

本发明涉及一种熔盐堆的主容器，尤其是能安全运行和核燃料自增殖且自足的、主要作为中子源，也可作为小型能源应用的熔盐贫铀堆的球形主容器。

背景技术

中子源的种类较多，主要有放射性核素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。虽然各有不同的作用和用途，如辐照生产医用等放射性同位素、中子活化分析、中子散射等和科学技术研究，但其运行成本、使用和获得中子的成本都较高。因此研发一种即能安全运行又能使运行和使用成本很低廉的中子源是实际应用中很需要的。

普通熔盐堆以氟化钍热中子熔盐堆，即钍基熔盐堆，为代表。其遇到的主要困难有：(1)与熔盐相容或耐腐蚀的材料难题，(2)熔盐内裂变产物的净化难题，(3)一回路和净化系统在其高放射性条件下的操作、运行和防护难题。其中材料难题已初步得到解决，而后二者解决的难度很大且成本很高。从熔盐内净化裂变产物，目前尚未得到有效的解决。

改性熔盐堆采用把裂变产物一直保留在其熔盐内的运行模式。虽然可以不净化，但只能做到，待裂变产物积累到其最大允许程度后，整个主容器连同内部熔盐一起报废。改性熔盐堆研发的最新概念型，是用天然铀作为燃料最小限度燃料熔盐分离的快中子转换熔盐堆，仅分离挥发性裂变产物和机械过滤贵金属粒子，其余裂变产物全部保留在堆芯熔盐内至堆芯及其燃料熔盐整体报废。

世界上运行的反应堆，如热中子堆、钠冷快堆等，都存在发生超临界事故的风险，另外热中子堆类的铀资源利用率很低，钠冷快堆的钠化学活性也带来很多问题和困难。核临界安全问题和铀资源利用率问题，是当前世界面临的反应堆难题。

目前，上述这些难题都可以通过熔盐贫铀堆的应用而解决。熔盐贫铀堆已经申请中华人民共和国国家知识产权局发明专利，其申请号为201310204051.1。圆柱形隔板式主容器的熔盐贫铀堆不需要裂变产物净化，就能实现输入的只是贫铀输出的就是乏燃料，同时实现长期安全稳定的正常运行，而且熔盐核燃料热膨胀的体积调整等问题都已经解决，发明专利申请号201310192761.7。

发明内容

为了克服现有的热中子堆和钠冷快堆等都存在发生超临界事故的风险，热中子堆类的铀资源利用率很低，钠冷快堆的钠化学活性带来的很多困难，及作为中子源其运行、使用和获得中子的成本都较高的不足，本发明提供一种适用于熔盐贫铀堆的同心球面隔板式球形主容器，可以构成熔盐贫铀堆型的反应堆中子源，也可构成小型能源堆应用，该反应堆不仅能彻底消除发生超临界事故的风险，大幅度提高铀资源的利用率，无需净化系统，实现贫铀的高燃耗，而且能使该类熔盐贫铀堆中子源的运行、使用和获得中子的成本都很低廉。作为小型能源应用时获得和使用能量的总成本也很低廉。

主容器是熔盐堆的关键部件，也是熔盐贫铀堆的关键部件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

用同心球面隔板式球形主容器，解决其球形主容器内裂变产物净化的难题，不需要裂变产物净化系统，实现其输入的只是贫铀输出的就是乏燃料的燃耗模式，并同时实现长期安全稳定的正常运行。

同心球面隔板式球形主容器的结构，采用多层同心球形的结构布置，沿球形主容器的半径或直径横向布置球面形的隔板，用间隔数厘米的薄隔板把熔盐隔断成等厚度或特定厚度的薄片，每个球面形的隔板上设有一个或数个进料口和出料口，按运行条件和设计等需要，可以在进出料口设置可控阀或单向阀或压力阀即只有达到设定压力值时才开启的阀，以按需要控制熔盐流向和流动模式，并由相应的具体计算给定球面隔板的间隔。

在同心球面层之间，还可以沿径向设置按特定要求定位的薄隔板，使得在每一对进料口和出料口之间形成管状的熔盐通道。按运行条件和设计需要，可以在通道上设置可控阀或压力阀或单向阀或柔性塞，以使熔盐按需要的模式流动同时防止熔盐无序流动及乏燃料逆向流动，也能把管状通道中的熔盐核燃料分成段，利于按熔盐段为单位换料。例如让熔盐核燃料在其通道中实现定向即单向流动。同时也能解决熔盐热膨胀的流动问题和通道中已经分成段的熔盐的分批次加料和换料问题。单或多条熔盐通道的平面投影形状可以设计成螺旋形、折叠形等，与连向堆芯外的管道一起，布满二球面间的夹层且无交叉和重复。

每个层的进料口数与出料口数及通道数可相同或不同。即每个通道虽可只有一个进料口和一个出料口，但两个或多个通道可共用一个进料口或出料口。有特殊需要时一个通道也可在中部分岔成两或多个通道。通道的横截面积应基本相等，横截面积的大小根据具体应用不同的要求由相应的计算给定。

熔盐核燃料的流向可从最内层逐层流向外层，到最外层就变成乏燃料。有特殊用途或需要时也可从最外层流向最内层。最内层、最外层和需要的中间层，都有相应的通道连接到堆芯外的加料、出料、贮料等控制和保障装置。

同心球面隔板式球形主容器的熔盐贫铀堆，作为中子源应用时，其主容器的球心部分可设置为空腔并设置有通道连接到堆芯外，以构成其工作空间和工作通道，空腔的大小可按需要设计和布置，用于放置被辐照物或导出中子等。虽然主要应用中子，而其产生的热能也可开展综合利用以提高总效益。也可在设计时就考虑充分利用其多用途性，如热能和中子源联供。

作为小型能源应用时，其球心部分为熔盐核燃料或加入的部分新料，并设置有加料通道连接到堆芯外。当核燃料全部在球形主容器内并用其器壁传热时，其器壁可以部分或全部制成板式热交换器，这种器壁型紧凑型板式热交换器可以是单层或多层，用金属或碳碳复合物等制造，内通气体或熔盐冷却剂，大幅度增加的球形主容器热交换面积，有利于堆芯热能更有效的导出。

这样即可同时解决熔盐贫铀堆球形主容器不需要裂变产物净化，无需净化系统，就能实现其输入的只是贫铀输出的就是乏燃料的燃耗模式，并同时实现长期安全稳定的正常运行和熔盐核燃料热膨胀的体积调整等问题。其不足就是结构显得稍复杂些，但仍比固体核燃料反应堆结构简单的多得多。优化和简化可从其通道的结构、数量和粗细等方面着手考虑和设计。

球形主容器内径向隔板与同心球面隔板构成的通道、可控阀等的密封性要求不高，微量甚至少量熔盐泄漏对该堆的正常运行影响不大。堆芯内整体的隔板结构采用模块化设计、各模块间非焊接堆积安装和模块整块更换的模式。并可根据辐照剂量和使用寿命的需要，容易的全部或部分的更换隔板模块。这有利于其堆芯的低成本运行和维护。

同心球面隔板式球形主容器，顶部设有可开启的盖板，用以较方便的更换模块化设计的内部隔板模块等，也用来对隔板模块施加一定的压力以提高该主容器与其内隔板间、以及隔板模块之间等的密封性。其外面还设有排出熔盐乏燃料和加料机构、贮罐等。

熔盐贫铀堆同心球面隔板式球形主容器中的熔盐在球面间的薄片或管状通道中自然循环冷却，沿径向形成的各熔盐薄片的核素密度分布、中子通量、功率密度、燃耗等有所不同且沿径向近似连续的变化，也很容易的以通道段为单位添加熔盐新料或移除乏燃料，这样就可以在贫铀或钍的熔盐型介质内，形成球形的稳定临界的活性区。也能够实现可转换材料的高燃耗和高放裂变产物的高嬗变。这有利于其广泛的应用。

维护、更换隔板等停堆时，堆芯内的核燃料熔盐要顺序分区段泵出，或用冷却气体或清洗盐加压排出，不同区段排出的熔盐存贮在不同的贮罐中。重新开堆时，再依照能构成原堆芯内核燃料熔盐分布的方法，顺序的输入。

正常停堆时，可用类似的办法。只是排出的核燃料熔盐量到停堆的要求即可。

紧急情况下或熔盐温度超过设定值时，只需直接排出活性区及其附近足够停堆的熔盐即可。乏燃料等区的熔盐可排出到另外的贮罐中。分区段排出可减小损失。

本发明的有益效果是：基于熔盐贫铀堆不会发生超临界事故，能确保核临界安全；具有负反馈能保持在临界状态，实现长期安全稳定运行；堆内完成整个闭合的铀钚循环链；正常运行时只需要用贫铀，自身不需要有铀浓缩和裂变产物净化；能实现贫铀的高燃耗；以及结构简单、运行操作简易、长寿命、高效低成本，还非常适合大规模推广应用等的优异性能，结合本发明的同心球面隔板式球形主容器，能够构成熔盐贫铀堆中子源等，解决其球形主容器内裂变产物净化的难题，不需要裂变产物净化系统，实现对该堆直接输入的只是贫铀而直接输出的就是乏燃料的燃烧模式，并同时实现低成本的长期安全稳定的正常运行，因此能为各种应用提供非常廉价的中子，而其产生的热能也可开展综合利用。它也可作为小型能源堆应用以提供廉价的能源。

这些独特性能表明，同心球面隔板式球形主容器熔盐贫铀堆，有广阔的应用前景和产业发展空间。例如，用于生产同位素的生产堆、开展中子辐照、中子散射等科学研究和试验的中子源、研究堆和实验堆，以及对最大体积有限制，希望体积越小越好，同时对输出功率要求不高的特殊用途堆，或小型能源堆等。

与圆柱形隔板式主容器的相比，这种堆可能不太适合作为中型和大型的能源堆应用。因其同心球形的主容器结构，由内层向外传导热量较困难，需要层层进行热交换，直到最外层。熔盐通过隔板和主容器壁热交换的效率不高。因此，只能做到小功率输出。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的作为中子源应用的熔盐贫铀堆的同心球面隔板式球形主容器的横剖面构造示意图。

图2是本发明的作为小型能源应用的熔盐贫铀堆的同心球面隔板式球形主容器的横剖面构造示意图。

图1中，1.球形主容器的器壁系统，2.出料控制存贮装置及管道，3.顶盖系统，4.进出料口及阀装置，5.中子源使用和实验装置及管道，6.同心球面薄隔板，7.熔盐贮罐系统，8.球心实验用空腔，9.加料控制存贮装置及管道。

图2中，1.球形主容器的器壁系统，2.出料控制存贮装置及管道，3.顶盖系统，4.进出料口及阀装置，5.加料控制存贮装置及管道，6.同心球面薄隔板，7.熔盐贮罐系统。

具体实施方式

建造新反应堆时，要按照对反应堆实际应用条件下的具体指标要求，如作为中子源或小型能源，同时按照用同心球面隔板式球形主容器的熔盐贫铀堆的要求设计建造，才能满足该堆的正常运行的特殊性能的要求。在实现其优异性能如不会发生超临界事故、用负反馈保持在临界状态实现长期安全稳定的运行、能实现高燃耗、长寿命等的条件下，为应用提供很廉价的中子或能量。

在图1中，熔盐新料由加料控制存贮装置及管道(9)进入球心实验用空腔(8)的外部，原熔盐由设置在同心球面薄隔板(6)上的进出料口及阀装置(4)及出料控制存贮装置及管道(2)排出堆芯，被辐照物通过中子源使用和实验装置及管道(5)置于球心实验用空腔(8)中进行辐照，顶盖系统(3)用于加压力和维护，熔盐贮罐系统(7)存贮分区排出的熔盐和清洗盐等，球形主容器的器壁系统(1)用于支撑、定位内部结构和导出热能等。

在图2中，熔盐新料由加料控制存贮装置及管道(5)进入球心内，原熔盐由设置在同心球面薄隔板(6)上的进出料口及阀装置(4)及出料控制存贮装置及管道(2)排出堆芯，顶盖系统(3)用于加压力和维护，熔盐贮罐系统(7)存贮分区排出的熔盐和清洗盐等，球形主容器的器壁系统(1)用于支撑、定位内部结构和导出热能等。

Claims (8)

1.同心球面隔板式球形主容器，一种熔盐贫铀堆的球形主容器，用有进出料口的多层同心球面薄隔板把其空间分割成薄片，或用同心球面薄隔板与其之间的径向薄隔板把其空间分割成管状通道，以控制熔盐型核燃料的流动模式，实现其按需要控制熔盐流动目标的主容器，其特征是：使用同心球面隔板式球形主容器的熔盐贫铀堆，其核燃料熔盐无需净化，不需要裂变产物净化系统，同时又能实现对该堆直接输入的只是贫铀而直接输出的就是乏燃料，且其余性能均能满足通常熔盐贫铀堆的要求。

2.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：用多层同心球面薄隔板把其空间分割成薄片，隔板都固定，每层隔板可有一个或数个进、出料口，供熔盐流动，进出料口设置有可控阀或压力阀或单向阀，以使熔盐按需要的模式流动。隔板的间隔和进出料口的数目与位置等，根据具体应用不同的要求由相应的计算给定。最内层、最外层和需要的中间层，都有相应的通道连接到堆芯外的进出料控制、存贮和管理装置。

3.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：用多层同心球面薄隔板和同心球面之间的径向薄隔板把其空间分割成供熔盐流动的管状通道，每个通道可有一个或数个进、出料口，沿通道设置有可控阀或压力阀或单向阀或柔性塞，以使熔盐按需要的模式流动。通道的横截面积、进出料口的数目与位置等，根据具体应用不同的要求由相应的计算给定。最内层、最外层和需要的中间层，都有相应的专用管道连接到堆芯外的进出料控制等装置。单或多条熔盐通道的平面投影形状可以设计成螺旋形、折叠形等，横截面积应基本相等，与连向堆芯外的专用管道一起，布满二球面间的夹层且无交叉和重复。

4.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：设有进料口、出料口、及相应加料和出料设备和分开存贮不同燃耗的熔盐核燃料等的装置和控制机构，及清洗熔盐存贮装置，并有管道相连，能以其部分或全部的薄片熔盐、通道中已经分成段的熔盐段，分批次的换料。在需要时可以用清洗熔盐清洗上述通道等，供维护、更换隔板等操作时使用。

5.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：其内部的整体隔板结构采用模块化设计、各模块间非焊接堆积安装和模块整块更换的模式。顶部设有可开启的盖板。用以根据辐照剂量和使用寿命的需要，全部或部分的更换隔板模块，也用来对隔板模块施加一定的压力以提高其内隔板模块间、以及隔板与主容器壁之间等的密封性。

6.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：同心球面隔板式球形主容器的熔盐贫铀堆，作为中子源应用时，其主容器的球心部分可设置为空腔并设置有通道连接到堆芯外，构成其工作空间和工作通道，空腔的大小可按需要设计和布置，用于放置被辐照物或导出中子等。虽然主要应用中子，而其产生的热能也可开展综合利用以提高总效益。

7.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：同心球面隔板式球形主容器的熔盐贫铀堆，作为小型能源应用时，其球心部分为熔盐核燃料或加入的部分新料，并设置有加料通道连接到堆芯外。当核燃料全部在主容器内并用主容器的器壁传热时，其器壁可以部分或全部制成板式热交换器，这种器壁型紧凑型板式热交换器可以是单层或多层，用金属或碳碳复合物等制造，内通气体或熔盐冷却剂，大幅度增加的主容器热交换面积，有利于堆芯热能更有效的导出。

8.根据权利要求1所述的同心球面隔板式球形主容器，其特征是：同心球面隔板式球形主容器的熔盐贫铀堆，更换隔板停堆时，堆芯内的核燃料熔盐要顺序分区段排出，不同区段排出的熔盐存贮在不同的贮罐中。重新开堆时，再依照能构成原堆芯内核燃料熔盐分布的方法，顺序的输入。正常停堆时，可用类似的办法。只是排出的活性区的核燃料熔盐量到停堆的要求即可。紧急情况下或熔盐温度超过设定值时，只需直接排出活性区及其附近足够停堆的熔盐即可。乏燃料等区的熔盐可排出到另外的贮罐中。分区段排出可减小损失。