CN106463184A - 阵列内的燃料管的运动 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种操作核裂变反应堆的方法。所述反应堆包括反应堆核和容纳冷却剂的冷却剂罐，所述反应堆核包括燃料组件的阵列。每一个燃料组件大致垂直地延伸且包括容纳可裂变燃料的一个或多个燃料管。燃料管浸在冷却剂中。所述方法包括：对燃料组件中的每一个的燃料浓度和/或裂变速率进行监测和/或建模；和根据监测和/或建模的结果，在不需要从冷却剂中提起燃料管的情况下，使燃料组件在阵列内水平移动，以控制反应堆核中的裂变速率。本发明还公开了一种实施所述方法的核反应堆以及用于所述方法中的燃料组件。

Description

阵列内的燃料管的运动

技术领域

本发明涉及核反应堆内的裂变速率的管理。具体地，本发明涉及其中燃料被容纳在多个燃料管内的反应堆内的裂变速率的管理。

背景技术

熔盐核反应堆基于溶解在熔盐中的临界质量的可裂变材料。这通常被称为燃料盐。所述燃料盐在1950年代到1970年代在橡树岭国家实验室中率先采用，但还没有被成功地商业化。所述燃料盐具有优于其它类型的反应堆的多个潜在的优点，包括由钍产生可裂变233铀的能力、生成比铀/钚反应堆低很多水平的超铀锕废物、在高温下操作、避免挥发性的放射性可裂变产物在固体燃料棒中的积聚以及比传统反应堆中高很多的可裂变材料的燃耗比。

GB 2508537公开了一种熔盐反应堆，其中所述核由浸在冷却剂罐中的一个阵列的大致垂直的管构成，每一个管都容纳有熔盐燃料。出于安全和效率的原因，优选的是对于整个核保持均匀的发电速率。如果所有燃料管容纳有相等浓度的可裂变材料，则发电由于较高的中子水平朝向核的中心将是最大的。为了减轻这种影响，在GB 2508537中提出来所述阵列朝向中心更宽地分隔开(或者等同地，选定的燃料管保持空闲)，或者裂变同位素和/或再生同位素的浓度朝向阵列的中心减少。

在反应堆的操作期间，燃料被消耗。这减少了核产生的动力。因此，为了延长反应堆的操作，新燃料必须被添加以替换已消耗掉的燃料。这可以通过将一定数量的裂变同位素直接添加到燃料管来实现，但裂变产物(其中有许多用作中子毒物)的增加使这在几个周期后是不经济的。用过的燃料管可以从核中移除并用新的燃料管代替。然而，为了从所述阵列移除用过的燃料管，用过的燃料管必须相对于其它燃料管被抬高。这需要从冷却剂中移除，否则由于燃料管仍然会在非常高的温度下而造成显著的安全风险，或者需要冷却剂足够深，使得燃料管可以在仍然在冷却剂中时被从核抬高并移除。这显著增加了反应堆的尺寸和资源成本，并且很可能不能使用熔盐作为冷却剂用于熔盐反应堆。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种操作核裂变反应堆的方法。该反应堆包括反应堆核和容纳冷却剂的冷却剂罐。所述反应堆核包括燃料组件的阵列。每一个燃料组件大致垂直地延伸且包括容纳一个或多个可裂变燃料的燃料管。燃料管浸在冷却剂中。所述方法包括：对燃料组件中的每一个中燃料浓度和/或裂变速率进行监测和/或建模；和根据监测和/或建模的结果，在不需要从冷却剂中提起燃料管地情况下，使燃料组件在阵列内水平移动，从而控制反应堆核中的裂变速率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种核裂变反应堆。所述反应堆包括核、容纳冷却剂的冷却剂罐、燃料组件移动单元和反应堆核控制器。所述核包括燃料组件的阵列，每一个燃料组件大致垂直地延伸且包括容纳可裂变燃料的一个或多个燃料管。燃料管浸在冷却剂中。燃料组件移动单元被构造为在不需要从冷却剂中提起燃料管地情况下使燃料组件在阵列内水平移动。反应堆核控制器被构造成确定燃料组件单元的新的构造，并使燃料组件移动单元移动燃料组件，以便获得新的构造。

根据又一个方面，提供一种用于核裂变反应堆中的燃料组件。燃料组件大致垂直地延伸且包括容纳可裂变材料的一个或多个燃料管、第一连接单元和第二连接单元。第一连接单元位于每一个燃料组件的顶端处，并且被构造成被反应堆的燃料组件移动单元接合，以使燃料组件移动单元能够移动燃料组件。第二连接单元被构造为与核裂变反应堆中的另一个燃料组件或固定结构接合，以可释放地将燃料组件固定在燃料组件的阵列中的适当位置处。燃料组件被构造为使得当燃料组件被浸在冷却剂流体中时，冷却剂流体能够在燃料管之间流动。

本发明的进一步方面在权利要求2及以下权利要求中阐述。

附图说明

一些优选实施例现在将仅通过示例的方式并参照附图来说明，在附图中：

图1是燃料组件的示例性阵列的一部分的俯视图；

图2是示例性裂变反应堆的俯视图；

图3A-3E是燃料组件的示例性阵列的俯视图；

图4是反应堆的方框图；以及

图5是示例性的燃料组件的侧视图。

具体实施方式

为了解决上述问题并允许反应堆有效地操作，提出一个解决方案，即垂直燃料管可以在阵列内移动并在不需要将所述垂直燃料管抬高到阵列上方的情况下从阵列中移除。为了方便起见，该阵列被划分成可以水平移动的多个燃料组件。这些燃料组件的协同运动可以在燃料用完时获得朝向阵列中心的燃料管运动，并且具有小于最小水平的可裂变材料/增殖性材料的燃料管沿着“退出行列”移出阵列。新的燃料管可以被添加到阵列的外边缘处。以这种方式，在反应堆的整个寿命中可以基本上保持可裂变材料的浓度随位置的变化。

每个燃料组件限定阵列单元，即包围所述燃料组件且不含有另一个燃料组件的任何部分的区域。这些单元可以具有任何形状的水平横截面(所述水平横截面将允许阵列中的行水平移动)，例如具有三角形或平行四边形形状的水平横截面(平行四边形在本文中用于包括菱形、矩形或方形的横截面以及通常的平行四边形)。图1是燃料组件的示例性阵列的一部分的俯视图。燃料组件101包括燃料管102。每个燃料组件可以被认为限定一个单元103，如虚线所示。为了确保燃料管的紧密堆叠，燃料管和所述阵列的单元的边缘之间的间隙可以被最小化。

当每个燃料组件中的燃料耗尽时，所述燃料组件朝向阵列的中心移动。一旦燃料组件的燃料被充分耗尽，所述燃料组件不能再用于核(“用过”)中，所述燃料组件被移出阵列。要提及的是该运动不需要将燃料组件提起到冷却剂外：所述燃料组件在阵列内基本上水平移动(尽管可能需要一些小的垂直运动以脱离锁定机构)。

图2示出了可裂变反应堆的俯视图。反应堆核包含燃料组件201的阵列(在本示例中显示出具有方形横截面)并被障板区段202和沸腾区段(boiler segment)203包围。所述阵列具有包含用过的燃料组件的燃料“退出行”204。当新的用过的燃料组件被添加到退出行(通常从核的中心添加)时，用过的燃料组件朝向阵列的边缘移动。阵列边缘处的在退出行的端部处的用过的燃料组件然后远离核被移除到“用过的燃料存储部”205中，直到所述燃料组件已被充分冷却以从冷却剂安全地提取出来为止。“用过的燃料通道”206可以设置在包围核(例如，障板和沸腾区段)的任何反应堆部件中，以便将用过的燃料组件从核中移除。

冷却剂内的耗尽的燃料存储位置优选地在核周围设置的任何中子反射器的外侧(以防止在用过燃料内的进一步反应)，更优选地在冷却剂中的任何沸腾管或其它热提取之外(以允许热提取在冷却剂的更温暖的区域中，并更有效地操作)。

图3A至3E是燃料组件的示例性阵列300的示意性俯视图，显示了燃料组件如何可以移动通过阵列300。在图3A中，退出行301由对角线阴影的燃料组件示出。这些燃料组件的燃料被耗尽。阵列中的其它燃料组件(实心填充的三角形)具有基于其在阵列中的位置的燃料浓度。图3B和图3C示出燃料组件在被耗尽时如何可以从核的中心移动到退出行。在图3B中，耗尽的燃料组件中的一个和退出行中的燃料组件向左移动，从而将最外侧燃料组件推动到阵列的边缘外，并且在阵列中形成平行四边形间隙302。在图3C中，要移动到退出行的另一个燃料组件移动到该间隙中，并且阵列外的用过的燃料组件303被移动到用过的燃料存储区域。标有棋盘图案的行304被选择为靠近核移动。这可以根据阵列的每一行中的当前燃料浓度来进行。在图3D中，行304沿对角线向下且向左移动以填充阵列中心的间隙。这在阵列的边缘处留下间隙，该间隙在图3E中接着被新的燃料组件305填充。

更复杂的运动可以例如通过只移动行的一部分到中心处留下的间隙中来实现，以在阵列中的另一个点处形成新的间隙，其中另一行可以在不同的方向(有效地是穿过阵列的“之字形”管)上移动到所述新的间隙中。通常，对于三角形阵列，阵列中的行和部分行可以被移出该阵列，或者可以通过在行中产生平行四边形形状的间隙(即，两个阵列单元的间隙)并移动所述行或所述部分行来填充该间隙而在阵列内移动。在平行四边形阵列的情况下，仅需要留出单个单元的间隙来允许一行的移动。

新的燃料组件可以从阵列上方下降，或者所述燃料组件可以被水平地带到阵列的边缘。如果新的燃料组件从上方下降，则所述燃料组件原则上可以在阵列中的任何一点处被加入，但是在燃料组件中的可裂变材料的浓度降低时通过在阵列的外面添加所述燃料组件并朝向阵列的内部移动燃料组件来获得最大优点。

作为占满用过的燃料组件的退出行的一种可选方案，退出行可以没有燃料组件，且移动到退出行的燃料组件被立即从核水平地移除。然而，这种方法可能会影响与退出行相邻的燃料组件的稳定性。至于另外的一种可选方案，可以通过在特定的方向上相对于所需的退出行远离该行移动所有燃料组件而形成临时的退出行，从而形成使用过的燃料可以移动通过的空的通道。作为又一个可选方案，燃料组件可以成行地顺序移动，使得用过的燃料组件一次只移动一“步”(即，打开用过的燃料组件前面的间隙，并且一旦通过则关闭燃料组件后面的间隙)。

所述运动可以基于燃料组件内的可裂变材料的裂变速率和/或的浓度的监测来执行。这可以被直接测量或者为辅助指标，例如：

·燃料组件中的可裂变材料的浓度

·燃料组件所产生的热量

·燃料组件的温度

·燃料组件产生的电离辐射

·裂变产物的生成速率

·燃料组件内外的中子通量。

作为一种替代方案，阵列内的可裂变材料的裂变速率和/或浓度可以预先被建模，以便确定在反应堆的生命周期中将遵循的运动方式。

图4是显示可以用于实施上述方法的反应堆的方框图。该反应堆包括包含如前所述的燃料组件阵列402的反应堆核401、燃料组件移动单元403以及反应堆核控制器404。燃料组件移动单元被构造成使燃料组件在阵列内水平移动而不需要将所述燃料组件从冷却剂中提起，例如如上所述。这可以例如通过燃料组件阵列上方的起重机构来实现，所述起重机构可以抓起燃料组件的顶部处的连接单元。反应堆核控制器被构造成确定用于燃料组件的新的构造(例如，从上述的燃料组件的监测结果来确定，或者从如上所述的建模结果来确定，或者重新找到之前由建模结果确定的构造)，并使燃料组件移动单元移动燃料组件以获得所述新的构造。

反应堆还可以包括传感器组件405，所述传感器组件被构造成监测燃料组件内的可裂变材料的裂变反应速率和/或浓度，并且当确定新的构造时，反应堆核控制器可以使用监测结果。

图5示出了燃料组件500的示例性结构。燃料组件保持多个燃料管501，每一个燃料管都具有显示在附图的左侧的结构。燃料管通过上栅格502和下栅格503保持在燃料组件内的适当位置处，所述上栅格和所述下栅格在距离燃料组件的上末端和下末端一定距离处支撑所述管。这确保了燃料管悬浮在冷却剂中而没有过分靠近冷却剂罐的基部或顶部。燃料组件由结构管504支撑，并且燃料组件的侧部大多数被打开，以允许冷却剂流动通过燃料管。

燃料组件的顶部具有用于连接到反应堆的燃料组件移动单元的提起点505。提起点可以被燃料组件移动单元接合，以便水平并且垂直地移动燃料组件。燃料组件的垂直移动可以被限制为不同于用过的燃料冷却位置，以在发生故障的情况下热时防止燃料组件被从冷却剂中提起。本领域技术人员可以理解的是提起点仅是可以由反应堆的燃料组件移动单元接合的可能的连接单元的一个示例。

燃料组件的底端506被成形为与在反应堆罐的底板上的互补插口接合。在所示的示例中，燃料组件具有锥形底部，但所述燃料组件也可以是任何适当的形状，从而允许所述燃料组件被容纳到插口中并通过重力保持在适当的位置。为了确保燃料组件被安全可靠地保持，燃料组件可以被构造成例如通过将额外的质量增加到燃料组件的底部而在熔盐冷却剂中被动浮动。为了允许燃料组件水平运动，燃料组件被提起足以使燃料组件的底部脱离插口的距离，而不需要将燃料管从冷却剂中移除，并且所述燃料组件接着可以如上所述水平移动。另外或可选地，机械固定装置、磁性固定装置或其它固定装置可以用于固定燃料组件的基部，只要这些固定装置可以在燃料组件要被移动时脱开即可。在磁性连接的情况下，这可以是在燃料组件上的电磁体与反应堆中的电磁体或者铁磁或顺磁材料之间，或者反之亦然，或者在燃料组件上的永磁体(例如，铁磁材料)与反应堆中的另一个永磁体或顺磁材料之间。燃料组件还可以具有附件，从而允许所述燃料组件被固定到相邻的燃料组件。这些附件将被释放以允许燃料组件在阵列内移动。如果多个组件要一起移动(例如，如图3B中所示)，则所述组件可以在所述移动期间保持被连接。通常，燃料组件将具有连接单元，所述连接单元被构造成与另一个燃料组件接合或者与反应堆的固定结构接合，以便将燃料组件可释放地固定在适当位置。

燃料组件可以包括一个或多个传感器，以确定燃料管中的可裂变材料的裂变速率或浓度，可选地，每一个燃料管或燃料管的子集可以单独地包括这样的传感器，并且可以对于每一个燃料管单独地确定速率或浓度。

虽然这样的燃料组件管理系统可以被应用于许多反应堆设计，但是尤其适合于熔盐反应堆，这是由于反应堆在接近大气压下工作且冷却剂盐不与空气发生反应。在涉及高压或空气反应性的冷却剂盐的反应堆中，具有冷却剂的开口的顶面会造成额外的火灾风险。

燃料组件中的燃料管的数量应该根据反应堆的所需中子来选择。每个组件有更多个管允许各个管更靠近(并因此对于给定的反应速率在每一个管中需要较少的燃料)，但是减少了调节核中的反应速率时可获得的精细控制的量(由于大堆的管必须被同时移动)。相反，每个组件有更少的管允许对反应速率更精细的控制(在每个组件仅具有单个管的限制下，每一个管的位置可以被优化)，但在整个核上需要较大的管平均距离(因为组件的边缘处的管必须足够远离相邻的组件，以允许移动自由)。

类似地，燃料组件的形状、组件内的管的堆叠以及反应堆核的形状可以全部根据所需的中子来改变。

为了允许对中子更大的控制，组件也可以被设置成使燃料管中的一个、多个或全部已经被空管或者容纳有中子吸收剂、缓和剂和/或反射堆的管代替。可以管理这些组件的运动，以便横过核获得期望的裂变速率。

中子的进一步控制可以通过在燃料盐内包括不同燃烧速率的中子吸收剂来获得，使得燃料盐的反应性以较低的速率下降，这仅是因为裂变同位素的耗尽。

Claims (25)

1.一种操作核裂变反应堆的方法，所述核裂变反应堆包括反应堆核和容纳冷却剂的冷却剂罐，所述反应堆核包括燃料组件的阵列，每一个燃料组件大致垂直地延伸且包括容纳可裂变燃料的一个或多个燃料管，所述燃料管被浸在所述冷却剂中，所述方法包括以下步骤：

对所述燃料组件中的每一个的燃料浓度和/或裂变速率进行监测和/或建模；和

根据监测和/或建模的结果，在不需要从所述冷却剂中提起所述燃料管的情况下，使所述燃料组件在所述阵列内水平移动，以控制所述反应堆核中的裂变速率。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

监测所述燃料组件内的可裂变材料的裂变反应速率和/或浓度；和

根据所述监测确定用于所述燃料组件的阵列的新的构造，

其中使所述燃料组件移动的步骤包括：

将所述燃料组件移动成所述新的构造。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使所述燃料组件移动的步骤包括：

使用过的燃料组件移动到所述阵列的水平周边，

所述方法还包括以下步骤：

从所述阵列移除所述用过的燃料组件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，使所述用过的燃料组件移动到所述阵列的水平周边的步骤包括：

使所述用过的燃料组件沿着所述阵列内的一行用过的燃料组件移动。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，使所述用过的燃料组件移动到所述阵列的水平周边的步骤包括：

使所述用过的燃料组件沿着所述阵列中的一个空闲行移动。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中，从所述阵列移除所述用过的燃料组件的步骤包括：

在不需要从所述冷却剂中提起所述用过的燃料组件的情况下，使所述用过的燃料组件移动到所述冷却剂罐内的用过的燃料存储区域。

7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，所述燃料组件具有大致平行四边形或三角形横截面。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，使所述燃料组件移动的步骤包括以下步骤中的一个或多个：

使所述燃料组件的阵列中的一行或部分行朝向所述阵列的周边移动；和

使所述燃料组件的阵列中的部分行朝向所述阵列中的间隙移动，所述部分行具有在移动之前与所述间隙相邻的一个端部。

9.根据前述任一项权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

将新的燃料组件引入到所述阵列的周边。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，将新的燃料组件引入到所述阵列的周边的步骤包括：

在距离所述反应堆核足以防止或抑制所述新的燃料组件中的裂变反应的距离处使所述新的燃料组件下降到所述冷却剂中；和

在不需要从所述冷却剂中提起所述新的燃料组件的燃料管的情况下，使所述新的燃料组件水平移动到所述阵列的周边。

11.一种核裂变反应堆，所述核裂变反应堆包括核、容纳冷却剂的冷却罐、燃料组件移动单元和反应堆核控制器，其中：

所述核包括燃料组件的阵列，每一个燃料组件大致垂直地延伸且包括容纳可裂变燃料的一个或多个燃料管；

所述燃料管浸在所述冷却剂中；

所述燃料组件移动单元被构造为在不需要从所述冷却剂提起所述燃料管的情况下使所述燃料组件在所述阵列内水平移动；和

所述反应堆核控制器被构造为确定所述燃料组件单元的新的构造，并使所述燃料组件移动单元移动燃料组件以便获得所述新的构造。

12.根据权利要求11所述的核裂变反应堆，还包括传感器组件，所述传感器组件被构造成监测所述燃料组件内的可裂变材料的裂变反应速率和/或浓度，并且其中所述反应堆核控制器被构造成根据所述监测确定所述燃料组件的所述新的构造。

13.根据权利要求11或12所述的核裂变反应堆，其中，所述反应堆核控制器被构造为检测用过的燃料组件，并且使所述燃料组件移动单元将用过的燃料组件移动到所述阵列的水平周边。

14.根据权利要求13所述的核裂变反应堆，其中，所述反应堆核控制单元被构造成使所述燃料组件移动单元将所述用过的燃料组件从所述阵列的水平周边移动到所述冷却剂罐内的用过的燃料存储区，而不需要从所述冷却剂中提起所述用过的燃料组件。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的核裂变反应堆，其中，所述燃料组件具有大致平行四边形或三角形水平横截面。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的核裂变反应堆，其中，所述燃料组件移动单元被构造成在不需要从所述冷却剂中提起所述燃料管的情况下执行以下操作中的每一个：

使所述燃料组件的阵列中的一行或部分行朝向所述阵列的周边移动；和

使所述燃料组件的阵列中的另一行的一部分朝向所述阵列中的间隙移动，所述另一行的一部分具有在移动之前与所述间隙相邻的一个端部。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的核裂变反应堆，其中，所述燃料组件移动单元被构造为将新的燃料组件引入到所述阵列的周边。

18.根据权利要求17所述的核裂变反应堆，其中，所述燃料组件移动单元被构造成通过在距离核足以防止或抑制所述新的燃料组件中的裂变反应的距离处将所述新的燃料组件下降到所述冷却剂中并在不需要从所述冷却剂中提起所述新的燃料组件的燃料管的情况下使所述新的燃料组件水平移动到所述阵列的所述周边来引入所述新的燃料组件。

19.一种用于核裂变反应堆中的燃料组件，所述燃料组件大致垂直地延伸且包括：

一个或多个燃料管，所述一个或多个燃料管容纳可裂变材料；

第一连接单元，所述第一连接单元位于每一个所述燃料组件的顶端处并被构造成接合所述反应堆的燃料组件移动单元，以能够使所述燃料组件移动单元移动所述燃料组件；

第二连接单元，所述第二连接单元被构造成与另一个燃料组件或者所述核裂变反应堆的固定结构接合，以能够释放地将所述燃料组件固定到燃料组件的阵列中的适当位置；和

所述燃料组件被构造成使得当所述燃料组件被浸在冷却剂流体中时，所述冷却剂流体能够在所述燃料管之间流动。

20.根据权利要求19所述的燃料组件，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成确定所述燃料组件内的可裂变材料的一个或多个裂变反应速率和/或一个或多个浓度。

21.根据权利要求20所述的燃料组件，其中，每一个传感器被构造为确定所述燃料组件的各个燃料管内的可裂变材料的一个或多个裂变反应速率和/或一个或多个浓度。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的燃料组件，其中，所述第二连接单元为以下单元中的任一个：

机械连接单元，所述机械连接单元被构造为连接到所述固定结构或另一个燃料组件中的相应连接部；

电磁连接单元，所述电磁连接单元被构造为连接到所述固定结构或另一个燃料组件中的顺磁连接部、铁磁连接部或电磁连接部；

顺磁或铁磁连接单元，所述顺磁或铁磁连接单元被构造为连接到所述固定结构或另一个燃料组件中的顺磁连接部、铁磁连接部或电磁连接部；

燃料组件的基部，所述基部成形为装配到所述核裂变反应堆中的互补插口中；和

燃料组件的基部，所述基部成形为装配到所述核裂变反应堆中的互补插口中，其中所述燃料组件在所述冷却剂中被动地浮动。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的燃料组件，其中，所述燃料组件包括上栅格和下栅格，所述上栅格和所述下栅格被构造成将所述燃料管保持在距离所述燃料组件的所述顶部和所述基部的预定距离处。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的燃料组件，其中，所述燃料组件具有大致三角形或平行四边形水平横截面。

25.根据权利要求11至18中任一项所述的核反应堆，其中，所述燃料组件为根据权利要求19至25中任一项所述的燃料组件。