CN108389632A - 一种熔盐堆堆芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔盐堆堆芯。该熔盐堆堆芯包括活性区和反射层，反射层包覆活性区，活性区由燃料组件阵列组装而成；活性区熔盐通道的体积占活性区体积的2‑25％；活性区包括中心区域和边缘区域，中心区域与边缘区域的体积比为1/15‑1/8；中心区域单个熔盐通道的体积占边缘区域单个熔盐通道的体积的40‑50％；削棱为被弧削侧棱。本发明的熔盐堆堆芯的熔盐通道位于燃料组件的侧棱处，具有较大的空间自屏效应调节范围，能降低辐照引起的形变应力，窄缝与熔盐通道连通使堆芯熔盐能横向混流，利于传热，避免死区，降低堆芯中心区域石墨的快中子辐照率，延长堆芯寿命，组件两端的收口结构可调节流量分配，降低上下腔室合金的快中子注量。

Description

一种熔盐堆堆芯

技术领域

本发明涉及核反应堆工程设计领域，具体涉及一种熔盐堆堆芯。

背景技术

熔盐堆作为第四代核反应堆，具有经济、安全、可持续、防核扩散等优点。熔盐堆的燃料呈液态形式，堆芯慢化剂是石墨组件。

组件结构的设计对反应堆燃料循环具有重大影响。所构成熔盐通道占组件体积比直接影响熔盐堆的慢化状态，所构成熔盐通道等效直径大小，则直接影响燃料的空间自屏效应。一个良好的组件结构应该能覆盖所有范围的熔盐体积占比以及等效直径。

石墨组件的辐照收缩膨胀也是熔盐反应堆需要重点考虑的问题之一。在熔盐通道边缘的石墨与石墨块中心的快中子通量差异较大，会增加辐照应力，可能引起石墨开裂，熔盐渗透等问题。同时，组件与组件之间会存在熔盐窄缝，窄缝影响传热和中子特性，应尽量弱化其作用。

公开文献中的石墨组件类型主要有MSRE的四边形边上开槽结构，MSBR的棱柱型中心开圆孔结构、板型组装六棱柱结构，DMSR的圆管六边形排列结构等等。四边形组件在辐照后，容易出现四个角形变显著的问题，可能导致角部断裂；棱柱开孔结构的组件间窄缝较多，窄缝与熔盐通道没有联通，未形成横向混流，形成死区，这对传热和中子都有较大影响：首先窄缝中的熔盐在里面发热散不出去，产生局部热点，其次使得熔盐体积增加，影响中子价值；板型组装六棱柱结构虽然辐照均匀性好、传热好，适用于固态燃料熔盐堆中，但在液态燃料熔盐堆中，熔盐通道等效直径较小，空间自屏效应弱，在一次通过燃料循环方式下燃料利用率低下；而圆管组件中间是有孔的，属于双流的结构，其熔盐占比可调比例只能大于10％，可能不适用于一次通过燃料循环熔盐堆。

因此，如何优化反应堆中石墨组件的结构形式是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了现有技术中熔盐堆堆芯组件与组件之间的角部接触在辐照过程中会发生明显的形变以致角部断裂组件破损、堆芯组件与组件之间的窄缝与熔盐通道没有联通而形成死区进而影响传热和中子特性、板型组件的熔盐表面积最大导致燃料利用价值低以及对U238的空间自屏效应弱等缺陷，提供了一种熔盐堆堆芯。本发明的熔盐堆堆芯在燃料组件的侧棱上开设熔盐通道，首先在燃料循环方面具有较大的空间自屏效应调节范围，其次可以降低辐照引起的形变应力；熔盐通道开在组件边缘可以实现窄缝与熔盐通道的连通，使得堆芯熔盐具有横向混流的可能，利于传热，避免死区；堆芯反射层可以充分慢化快中子，降低快中子对合金容器的辐照注量率；堆芯中心区域采用较小的熔盐通道有利于降低堆芯中心区域石墨的快中子辐照率，进而延长整个堆芯的石墨寿命；堆芯在轴向上，组件两端采用收口结构，可以用于调节流量分配，同时可以降低上下腔室合金的快中子注量。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题。

一种熔盐堆堆芯，其包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区由燃料组件阵列组装而成；所述活性区的熔盐通道的体积占所述活性区的体积的2％-25％；所述活性区包括中心区域和边缘区域，所述中心区域与所述边缘区域的体积比为1/15-1/8；所述中心区域的单个熔盐通道的体积占所述边缘区域的单个熔盐通道的体积的40％-50％；

其中，所述燃料组件为削棱的柱体，所述柱体为正六棱柱或正四棱柱，所述削棱为被弧削侧棱；当所述柱体为正六棱柱时，所述削棱的数量为一个、间隔着的两个、或间隔着的三个侧棱；当所述柱体为正四棱柱时，所述削棱的数量为1-4。

根据上述技术方案，本领域技术人员知晓，当所述柱体为正六棱柱时，一般三个所述燃料组件的削棱处相对，缺口处形成熔盐通道；当所述柱体为正四棱柱时，一般四个所述燃料组件的削棱处相对，缺口处形成熔盐通道。

本发明中，对于“被弧削侧棱”的柱体本领域技术人员知晓可通过常规的方法获得，例如，用内弧面切割所述正六棱柱的侧棱即得。

其中，所述“被弧削侧棱”中的弧可为内弧面或外弧面，本领域技术人员知晓，所述内弧面为弧的内表面，所述外弧面为弧的外表面，用所述外弧面切割即指用弧的外表面切割，例如，当采用所述外弧面进行切割时，所述熔盐通道的横截面为圆形，所述圆形的熔盐通道的孔道直径为3-6cm，较佳地，在所述中心区域的所述熔盐通道的孔道直径为3-4.6cm，在所述边缘区域的所述熔盐通道的孔道直径为4.6-6cm。

其中，当所述切割在轴向上为同等幅度时，所述燃料组件形成的熔盐通道的孔道为等径。

其中，所述切割在轴向上可为同等幅度或不同幅度。例如，当所述切割在轴向上为不同幅度时，所述燃料组件形成的熔盐通道的孔道为变径，即指直径从一端至另一端逐渐变小，例如由4.6-6cm变化至3-4.6cm。

其中，所述切割的尺寸较佳地小于所述柱体的底面边长的2/3。

其中，较佳地，位于所述熔盐堆堆芯的顶层的燃料组件之间的熔盐通道的孔道直径由下至堆芯的顶层逐渐变小，位于所述熔盐堆堆芯的底层的所述燃料组件之间的熔盐通道的孔道直径由上至堆芯的底层逐渐变小。

同样地，根据上述技术方案，为实现上述活性区的中心区域与边缘区域的体积比，以及不同区域的熔盐通道的体积比，本领域技术人员知晓根据体积计算，如何选择所述燃料组件的削棱的数量和其在中心区域和边缘区域的组装位置。

例如，所述燃料组件的柱体为正六棱柱时，为了实现整个熔盐通道在空间上的均匀性，结合上文的区域设定方式，本领域技术人员知晓，一个或两个侧棱被切割的所述正六棱柱位于所述活性区与所述反射层相邻的区域。

再例如，所述燃料组件为正四棱柱时，结合上文的区域设定方式，本领域技术人员知晓，一个、两个或三个侧棱被切割的所述正四棱柱位于所述活性区与所述反射层相邻的区域。

本发明中，较佳地，所述熔盐通道的体积占所述活性区的体积的5％-20％，更佳地为6％。

本发明中，较佳地，所述中心区域与所述边缘区域的体积比为1/14。

本发明中，本领域技术人员知晓，所述反射层的组件应当与所述活性区的所述燃料组件配合使用，例如，所述燃料组件的柱体为正六棱柱时；所述反射层的组件同时为正六棱柱。

本发明中，较佳地，所述燃料组件的材质可为石墨。

本发明中，较佳地，所述反射层的组件的材质可为石墨。

本发明中，较佳地，所述正六棱柱的对边距为5-30cm，更佳地为20cm，本领域技术人员知晓正六棱柱的对边距是指正六棱柱的底面的两个平行对边之间的距离，所述正六棱柱的高可为1-5m。

本发明中，较佳地，所述正四棱柱的对边距为5-30cm，更佳地为20cm，本领域技术人员知晓正四棱柱的对边距是指正四棱柱的底面的两个平行对边之间的距离，所述正四棱柱的高可为1-5m。

本发明中，较佳地，所述反射层的厚度为20-60cm，更佳地为30cm。

本发明中，沿所述燃料组件的轴向方向的固定方式可为本领域常规，较佳地采用Y型抓钩结构，同时在卸料过程中可用来吊起所述燃料组件。本领域技术人员知晓，采用所述Y形抓钩结构时，所述燃料组件的两端应当设置有Y型凹体或凸体，用于卡合。

本发明中，沿所述反射层的组件的轴向方向的固定方式可为本领域常规，较佳地采用Y型抓钩结构，同时在卸料过程中可用来吊起所述反射层的组件。本领域技术人员知晓，采用所述Y形抓钩结构时，所述反射层的组件的两端应当设置有Y型凹体或凸体，用于卡合。

本发明中，本领域技术人员知晓，所述活性区的顶层的所述燃料组件的上底面的对边之间可设有与上固定板卡合的凹槽，所述凹槽的形状可为条形，所述凹槽的个数可为3个。

本发明中，本领域技术人员知晓，所述活性区的底层的所述燃料组件的下底面的对边之间可设有与下固定板卡合的凹槽，所述凹槽的形状可为条形，所述凹槽的个数可为3个。

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。

本发明的积极进步效果在于：

1、本发明的熔盐堆堆芯在燃料组件的侧棱上开设熔盐通道，首先在燃料循环方面具有较大的空间自屏效应调节范围，其次可以降低辐照引起的形变应力。

2、本发明的熔盐堆堆芯将熔盐通道开在组件边缘可以实现窄缝与熔盐通道的连通，使得堆芯熔盐具有横向混流的可能，利于传热，避免死区。

3、本发明的熔盐堆堆芯的堆芯反射层可以充分慢化快中子，降低快中子对合金容器的辐照注量率。

4、本发明的熔盐堆堆芯的堆芯中心区域采用较小的熔盐通道有利于降低堆芯中心区域石墨的快中子辐照率，进而延长整个堆芯的石墨寿命。

5、本发明的熔盐堆堆芯在轴向上，组件两端采用收口结构，可以用于调节流量分配，同时可以降低上下腔室合金的快中子注量。

6、本发明的熔盐堆堆芯相比于六棱柱中心开孔组件减少了组件之间窄缝的长度，进而弱化窄缝对中子和传热的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的十二分之一的俯视图。

图2为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的三个侧棱切割尺寸相同的燃料组件的结构示意图。

图3为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的三个侧棱切割尺寸相同的燃料组件的俯视图。

图4为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的三个侧棱切割尺寸相同的燃料组件的三维立体图。

图5为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的侧棱切割尺寸不同的燃料组件的俯视图，两个侧棱处的切割尺寸较大，另一个较小。

图6为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的侧棱切割尺寸不同的燃料组件的俯视图，两个侧棱处的切割尺寸较小，另一个较大。

图7为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的燃料组件的间隔着的两个侧棱被外弧面切割的俯视图。

图8为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的燃料组件的一个侧棱被外弧面切割的俯视图。

图9为本发明实施例1中位于熔盐堆堆芯顶层或底层的一种燃料组件的结构示意图。

图10为本发明实施例1中位于熔盐堆堆芯顶层或底层的另一种燃料组件的结构示意图。

图11为本发明实施例1中的图4的燃料组件和图9的燃料组件的拼接示意图。

图12为本发明实施例1中的图9的燃料组件或图10的燃料组件与上固定板或下固定板的拼接示意图。

图13为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的反射层的组件21的结构示意图。

图14为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的反射层的组件22的结构示意图。

图15为本发明实施例1中的熔盐堆堆芯的反射层的组件23的结构示意图。

图16为本发明实施例1的熔盐堆堆芯的反射层对快中子的慢化，降低快中子对合金容器的辐照注量率的效果示意图。

图17为本发明实施例2的熔盐堆堆芯的燃料组件结构示意图。

图18为本发明实施例3的熔盐堆堆芯的燃料组件结构示意图。

图19为本发明实施例4的熔盐堆堆芯的燃料组件结构示意图。

附图标记如下：

活性区1

反射层2

燃料组件3

熔盐通道4

缺口处5

Y型凸体6

Y型凹体7

条形凹槽8

上固定板9

反射层2的组件21

反射层2的组件22

反射层2的组件23

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。

为了使描述更为简便，以下实施例中反射层的组件根据其结构不同分为反射层2的组件21、反射层2的组件22和反射层2的组件23。以下实施例中的熔盐堆堆芯的熔盐通道中的熔盐可为本领域常规，例如LiF-BeF2-UF4-Th4或NaF-BeF2-UF4-Th4。

实施例1

本实施例的熔盐堆堆芯的俯视图见图1，其包括活性区1和反射层2，反射层2包覆活性区1，活性区1由燃料组件3阵列组装而成；

其中，燃料组件3为削棱的正六棱柱，三个燃料组件3的削棱处相对，缺口处5形成熔盐通道4；熔盐通道4的体积占活性区1的体积的5％；活性区1分为中心区域和边缘区域，中心区域与边缘区域的体积比为1/14，中心区域的单个熔盐通道4的体积占边缘区域的单个熔盐通道4的体积的40％。

本实施例中，反射层2的组件与活性区1的燃料组件3配合使用，反射层2的组件为正六棱柱。

本实施例中，燃料组件3的材质为石墨。

本实施例中，反射层2的组件的材质为石墨。

本实施例中，正六棱柱的对边距为20cm，正六棱柱的高为5m。

本实施例中，反射层2的厚度为30cm。

本实施例中，燃料组件3三个侧棱切割尺寸相同的结构示意图参见图2，俯视图参见图3，三维立体图参见图4，切割在轴向上为同等幅度，燃料组件3的轴向上端带有Y型凸体6(凸体上开有小孔，在卸料过程中可用来吊起燃料组件)，轴向下端带有Y型凹体7。另外，图5为燃料组件3三个切割尺寸不同的俯视图，其中两个侧棱的切割尺寸为直径4.6cm，另一个直径3cm，图6为两个侧棱的切割尺寸为直径3cm，另一个直径4.6cm。图7为燃料组件3的间隔着的两个侧棱被外弧面切割的俯视图。图8为燃料组件3的一个侧棱被外弧面切割的俯视图。一个或两个侧棱被切割的正六棱柱位于活性区1和反射层2相邻的区域。

本实施例中，图9中的燃料组件3切割在轴向上呈下端大上端小的连续变化规律，轴向上端带有条形凹槽8，轴向下端带有Y型凹体7。

本实施例中，图10中的燃料组件3的切割在轴向上呈下端小上端大的连续变化规律。燃料组件3的轴向下端带有条形凹槽8，轴向上端带有Y型凸体6。

本实施例中，一个图10所示的燃料组件3、若干图4所示的燃料组件3和一个图9所示的燃料组件3在轴向上进行拼接，图11为图4和图9的燃料组件3的拼接示意图，图12为燃料组件3与上固定板9的拼接俯视图。

本实施例中，切割形成横截面为圆形的熔盐通道4，圆形的熔盐通道4的孔道直径为3-6cm。

本实施例中，在活性区1的中心区域的熔盐通道4的孔道直径为3cm，在活性区边缘区域的熔盐通道4的孔道直径为4.6cm。

本实施例中，图13中反射层2的组件21为正六棱柱，侧棱未被切割，轴向上端带有Y型凸体6，轴向下端带有Y型凹体7。

本实施例中，图14中反射层2的组件22为正六棱柱，侧棱未被切割，轴向上端带有条形凹槽8，轴向下端带有Y型凹体7。

本实施例中，图15中反射层2的组件23为正六棱柱，侧棱未被切割，轴向下端带有条形凹槽8，轴向上端带有Y型凸体6。

本实施例中，一个反射层2的组件23(图15)、若干反射层2的组件21(图13)和一个反射层2的组件22(图14)在轴向上进行拼接。

本实施例中，堆芯中心区域燃料组件3构成的熔盐通道4较小，其余熔盐通道4较大，以降低中心区域石墨的快中子辐照，延长整体堆芯的寿命。同时堆芯边缘排布反射层2组件，用于降低堆芯容器合金的快中子注量率。

本实施例中，熔盐通道4与窄缝相通，易于窄缝中熔盐的流通，且窄缝起到了不同熔盐通量的连接作用，不会出现单个管道熔盐堵死的现象。熔盐通道4处的快中子通量要大于石墨体内的快中子通量，这样会导致熔盐通道4口边缘的石墨收缩幅度大，而削角处的石墨收缩应力会传递给窄缝，避免石墨开裂以及熔盐浸渗。

燃料组件3在轴向的拼接可解决大型石墨块加工困难问题，同时也是降低轴向辐照形变应力的一种手段。组件轴向两端的收口一方面可以降低上下腔室的快中子通量，一方面可以用于调节径向的流量分配。反射层2的组件内没有燃料熔盐，中子会慢化，堆芯内的中子扩散到外围的时候，快中子通量会降低，具体效果见图16。

实施例2

本实施例的熔盐堆堆芯的燃料组件3和反射层2的组件为正四棱柱，其中燃料组件3的结构如图17所示。熔盐通道4的体积占活性区1的体积的6％。正四棱柱的侧棱被外弧面切割，切割长方体的底面边长2cm。长方体的对边距为20cm，单个长方体的高为1m，共5层，反射层2的厚度为30cm。本实施例的燃料组件3和反射层2的组件的排列方式、卡合与固定方式与实施例1相似。

实施例3

本实施例的熔盐堆堆芯的燃料组件3和反射层2的组件为正四棱柱，其中燃料组件3的结构如图18所示，长方体的侧棱被内弧面切割，切割正四棱柱的底面边长5.5cm，熔盐通道4的体积占活性区1的体积的6％。正四棱柱的对边距为20cm，单个长方体的高为1m，共5层，反射层2的厚度为30cm。本实施例的燃料组件3和反射层2的组件的排列方式、卡合与固定方式与实施例1相似。

实施例4

本实施例的熔盐堆堆芯的燃料组件3和反射层2的组件为正六棱柱，其中燃料组件3的结构如图19所示，正六棱柱的侧棱被内弧面切割，切割底面边长6cm，熔盐通道4的体积占活性区1的体积的6％。正六棱柱的对边距为20cm，正六棱柱的高为1m，共5层，反射层2的厚度为30cm。本实施例的燃料组件3和反射层2的组件的排列方式、卡合与固定方式与实施例1相同。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔盐堆堆芯，其特征在于，其包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区由燃料组件阵列组装而成；所述活性区的熔盐通道的体积占所述活性区的体积的2％-25％；所述活性区包括中心区域和边缘区域，所述中心区域与所述边缘区域的体积比为1/15-1/8；所述中心区域的单个熔盐通道的体积占所述边缘区域的单个熔盐通道的体积的40％-50％；

其中，所述燃料组件为削棱的柱体，所述柱体为正六棱柱或正四棱柱，所述削棱为被弧削侧棱；当所述柱体为正六棱柱时，所述削棱的数量为一个、间隔着的两个、或间隔着的三个侧棱；当所述柱体为正四棱柱时，所述削棱的数量为1-4。

2.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述被弧削侧棱为用内弧面或外弧面切割所述正六棱柱或所述正四棱柱的侧棱。

3.如权利要求2所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述外弧面进行切割时形成的所述熔盐通道的横截面为圆形，所述圆形的熔盐通道的孔道直径为3-6cm；

和/或，在所述中心区域的所述熔盐通道的孔道直径为3-4.6cm，在所述边缘区域的所述熔盐通道的孔道直径为4.6-6cm。

4.如权利要求2所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述切割在轴向上为同等幅度或不同幅度；

所述切割在轴向上为同等幅度时，所述燃料组件形成的熔盐通道的孔道为等径；

所述切割在轴向上为不同幅度时，所述燃料组件形成的熔盐通道的孔道为变径；

和/或，所述切割的尺寸小于所述柱体的底面边长的2/3。

5.如权利要求4所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述变径的变化范围为由4.6-6cm变化至3-4.6cm；

和/或，位于所述熔盐堆堆芯的顶层的燃料组件之间的熔盐通道的孔道直径由下至堆芯的顶层逐渐变小，位于所述熔盐堆堆芯的底层的所述燃料组件之间的熔盐通道的孔道直径由上至堆芯的底层逐渐变小。

6.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件的柱体为正六棱柱时，一个或两个侧棱被切割的所述正六棱柱位于所述活性区与所述反射层相邻的区域；

所述燃料组件为正四棱柱时，一个、两个或三个侧棱被切割的所述正四棱柱位于所述活性区与所述反射层相邻的区域。

7.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述熔盐通道的体积占所述活性区的体积的5％-20％，较佳地为6％；

和/或，所述中心区域与所述边缘区域的体积比为1/14。

8.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述燃料组件的材质为石墨；

所述反射层的组件的材质为石墨；

所述正六棱柱的对边距为5-30cm，较佳地为20cm；

所述正六棱柱的高为1-5m；

所述正四棱柱的对边距为5-30cm，较佳地为20cm；

所述正四棱柱的高为1-5m；

和或，所述反射层的厚度为20-60cm，较佳地为30cm。

9.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，沿所述燃料组件的轴向方向采用Y型抓钩结构固定；

沿所述反射层的组件的轴向方向采用Y型抓钩结构固定；

所述活性区的顶层的所述燃料组件的上底面的对边之间设有与上固定板卡合的凹槽；

和/或，所述活性区的底层的所述燃料组件的下底面的对边之间设有与下固定板卡合的凹槽。

10.如权利要求9所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，采用所述Y形抓钩结构时，所述燃料组件的两端设置有Y型凹体或凸体；

采用所述Y形抓钩结构时，所述反射层的组件的两端设置有Y型凹体或凸体；

和/或，所述凹槽的形状为条形，所述凹槽的个数为3个。