CN108399957A - 一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，包括：用于存储核燃料的核燃料操作系统；用于控制核燃料的裂变并产生核热的核热产生系统，其具有反应堆主容器以及在反应堆主容器中与核燃料进行热交换的氟盐；核热传输系统，一回路和二回路之间通过一二回路换热器传递热量，二回路具有通过管道与一二回路换热器相连的用于存储换热介质的高温熔盐储罐和低温熔盐储罐；以及利用核热进行热利用的核热利用系统，核燃料操作系统与核热产生系统连接以将核燃料装入核热产生系统并将核燃料从核热产生系统卸载；核热传输系统分别与核热产生系统和核热利用系统连接以将核热从核热产生系统传输至核热利用系统。该反应堆同时满足经济性和安全性需求。

Description

一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆

技术领域

本发明涉及熔盐堆，更具体地涉及一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆。

背景技术

流动球床氟盐冷却高温反应堆，又被称为氟盐冷却高温球床堆，在第四代核能系统熔盐堆的基础上发展而来，具体使用包覆燃料颗粒的石墨基体球形燃料元件(燃料球)在堆芯堆积形成球床，流动熔盐将热量带出堆芯。

氟盐冷却高温球床堆通常使用在线换料模式：燃料球利用浮力从堆芯容器底部进入堆芯，经过一段时间的燃烧后，利用浮力上升至堆芯容器顶部，利用卸料装置离开堆芯，这也对设计提出了较大的挑战。流动球床氟盐冷却高温示范堆，其设计受安全性的约束，而设计的难点在于经济性。需要在保证安全性达到经济性指标。其具体设计中，热工水力设计需要堆芯流动场和温度场设计满足将核热从燃料球导出的要求，并通过熔盐回路系统将热量传输至发电系统的；堆芯设计需满足堆芯燃料球运动的需要，保持负反应性温度系数，保证反应性控制系统足够的价值，同时使燃料球达到高卸料燃耗以保持经济性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆。

本发明所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，包括：用于存储核燃料的核燃料操作系统；用于控制核燃料的裂变并产生核热的核热产生系统，其具有反应堆主容器以及在反应堆主容器中与核燃料进行热交换的氟盐；核热传输系统，其包括供氟盐通过的一回路、供换热介质通过的二回路和一二回路换热器，其中，一回路和二回路之间通过一二回路换热器传递热量，二回路具有通过管道与一二回路换热器相连的用于存储换热介质的高温熔盐储罐和低温熔盐储罐；以及利用核热进行热利用的核热利用系统，其中，核燃料操作系统与核热产生系统连接以将核燃料装入核热产生系统并将核燃料从核热产生系统卸载；核热传输系统分别与核热产生系统和核热利用系统连接以将核热从核热产生系统传输至核热利用系统。

反应堆主容器包括间隔开设置的外壁和堆芯围筒，其中，外壁和堆芯围筒之间的环形空间形成为与一回路连通的熔盐下降环腔，堆芯围筒的朝向下敞开的开口形成为与熔盐下降环腔连通的熔盐下腔室，堆芯围筒的朝向上敞开的开口形成为与一回路连通的熔盐上腔室；在熔盐上腔室和熔盐下腔室之间，堆芯围筒的内部的空间形成为堆芯。

堆芯包括紧贴于堆芯围筒的径向向内的一侧设置的侧反射层和位于侧反射层的内部的堆芯活性区，该堆芯活性区包括位于中部的堆芯活性区圆柱区、位于堆芯活性区圆柱区的顶部的堆芯活性区上圆台、以及位于堆芯活性区圆柱区的底部的堆芯活性区下圆台，在堆芯活性区上圆台的径向外侧与侧反射层的径向内侧之间形成有上反射层，在堆芯活性区下圆台的径向外侧与侧反射层的径向内侧之间形成有下反射层。

核热产生系统还具有设置于堆芯活性区中的用于调节核燃料的裂变的反应性控制系统，其包括交替地分布在堆芯活性区内的控制棒系统和控制刀片系统。

控制棒系统包括多根竖直地插入堆芯中的通道中的控制棒，该控制棒为金属包裹的中子吸收体以通过调节中子通量来调节反应堆运行功率。

控制刀片系统包括多根直接竖直地插入堆芯中的控制刀片，该控制刀片为金属吸收体板以通过调节中子通量来调节反应堆运行功率。

上反射层和下反射层中形成有若干熔盐通道，其连通熔盐上、下腔室和堆芯活性区以调节堆芯流场。

核燃料操作系统包括：用于将核燃料从核热产生系统的底部送入核热产生系统的燃料球装料机构；用于将核燃料从核热产生系统的顶部移出核热产生系统的燃料球卸料机构；用于存储未使用过的待利用核燃料的新燃料球储罐；用于存储使用过的待利用核燃料的旧燃料球储罐；以及用于存储不再使用的待废弃核燃料的乏燃料球储罐。

核热利用系统是使用超临界水循环或蒸汽朗肯循环或联合循环的发电系统。

核热利用系统包括三回路、二三回路换热器和发电机，其中，二回路和三回路之间通过二三回路换热器传递热量，发电机与三回路连接。

本发明通过核热产生系统产生并控制核热；通过核燃料操作系统存储核燃料、将核燃料装入核热产生系统、并将核燃料从核热产生系统卸载；通过核热利用系统对核热进行利用；通过核热传输系统将核热从核热产生系统传输至核热利用系统；其中，核热传输系统提供换热介质与氟盐传递热量，其回路中具有用于存储换热介质的高温熔盐储罐和低温熔盐储罐，从而可以在反应堆运行功率通常保持不变的情况下，根据需要随时调节核热利用系统。总之，根据本发明的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆具有安全系数高、建设周期短、高输出温度和高效发电等优点，同时满足经济性和安全性需求。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆的结构示意图；

图2是图1的核热产生系统的反应堆主容器的结构示意图；

图3是图2的堆芯活性区的俯视图；

图4示出了图3中的控制棒通道；

图5是图2的放大图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆包括核燃料操作系统1、核热产生系统2、核热传输系统3、和核热利用系统4，其中，核燃料操作系统1用于存储核燃料并将核燃料装入核热产生系统2以及将核燃料从核热产生系统2卸载；核热产生系统2控制核燃料的裂变并产生核热；核热传输系统3将核热传输至核热利用系统4；核热利用系统4利用核热进行发电或其它热利用。

核燃料操作系统1具备将燃料球从堆芯下部送入核热产生系统2、将燃料球从核热产生系统2上部移出核热产生系统2以及存储新燃料球和使用过的燃料球的功能，其中，新燃料球利用浮力从底部进入堆芯，经过一段时间的燃烧后，利用浮力上升至顶部后离开堆芯。具体地，核燃料操作系统1包括燃料球装料机构、燃料球卸料机构、新燃料球储罐、旧燃料球储罐和乏燃料球储罐。燃料球装料机构具备将燃料球从核热产生系统2下部送入核热产生系统2的功能。燃料球卸料机构具备将燃料球从核热产生系统2上部移出核热产生系统2的功能。新燃料球储罐、旧燃料球储罐和乏燃料球储罐分别存储新燃料球、使用过的燃料球(还将被送入核热产生系统2继续使用)和乏燃料球(不会被送入核热产生系统2继续使用)。旧燃料球储罐和乏燃料球储罐都具备将衰变余热排出的功能。

如图2所示，核热产生系统2具有反应堆主容器21、容纳于反应堆主容器21中以产生核热的核燃料、以及在反应堆主容器21中与核燃料进行热交换的冷却剂。其中，核燃料堆积在反应堆主容器21中形成为堆芯。在本实施例中，冷却剂为氟盐，其从堆芯流过，将核热从堆芯带走。优选地，氟盐为LiF与BeF₂的混合熔盐。

如图2所示，反应堆主容器21为圆柱形的金属压力容器，包括间隔开设置的外壁211和堆芯围筒212，其中，外壁211和堆芯围筒212之间的环形空间形成为熔盐下降环腔211a。堆芯围筒212的朝向上敞开的开口形成为熔盐上腔室212a，堆芯围筒212的朝向下敞开的开口形成为熔盐下腔室212b。在熔盐上腔室212a和熔盐下腔室212b之间，堆芯围筒212的内部的空间形成为堆芯213，在堆芯213中，堆芯活性区由球形燃料元件(即燃料球)随机堆积，形成球床。该堆芯213包括紧贴于堆芯围筒212的径向向内的一侧设置的侧反射层213a。在侧反射层213a的内部，该堆芯213包括位于中部的堆芯活性区圆柱区213b、位于堆芯活性区圆柱区213b顶部的堆芯活性区上圆台 213c、和位于堆芯活性区圆柱区213b底部的堆芯活性区下圆台213d。堆芯活性区上圆台213c的朝向上敞开的开口形成为堆芯出口，堆芯活性区下圆台 213d的朝向下敞开的开口形成为堆芯入口。在堆芯活性区上圆台213c的径向外侧与侧反射层213a的径向内侧之间形成有上反射层213e，在堆芯活性区下圆台213d的径向外侧与侧反射层213a的径向内侧之间形成有下反射层213f。

在本实施例中，外壁211和堆芯围筒212由哈氏合金材料形成。外壁211 的半径为189cm，高度为650cm，厚度为6cm。堆芯围筒212的半径为180cm，高度为650cm，厚度为3cm。

在本实施例中，堆芯活性区圆柱区213b、堆芯活性区上圆台213c、和堆芯活性区下圆台213d被统称为堆芯活性区。堆芯活性区圆柱区213b的直径为250cm，高度为292cm；堆芯活性区上、下圆台213c、213d的最小直径为 90cm，高度为139cm；堆芯入、出口的直径为90cm，高度为40cm；堆芯活性区上、下圆台213c、213d的母线与水平面夹角为60o。

沿着竖直方向，堆芯活性区内设置有反应性控制系统22，通过调节反应堆中的中子通量来调节反应堆运行功率，通常是利用中子吸收体在堆芯中的运动来完成调节。具体地，反应性控制系统22包括控制棒系统221(又称第一停堆系统)和控制刀片系统222(又称第二停堆系统)，如图3所示，控制棒系统221和控制刀片系统222交替地径向地分布在堆芯活性区内。其中，控制棒系统221利用控制棒221a竖直地插入堆芯中的通道221b中，每根控制棒221a和对应通道221b的截面近似矩形。通道221b的具体设置如图4所示，其在不阻碍球床流动的同时可以调节反应堆运行功率。控制棒221a为金属包裹的中子吸收体。控制刀片系统222通过将控制刀片222a直接插入堆芯燃料球床，调节反应堆运行功率。控制刀片222a为金属吸收体板，用于调节反应堆运行功率。优选地，可以在金属吸收体板上加装肋条222b增加其强度。

在本实施例中，反射层由侧反射层213a、上反射层213e、和下反射层213f 组成。反射层的材料为核石墨，用于散射从堆芯活性区泄漏出的中子，使其改变方向重新回到堆芯活性区。侧反射层213a的高度为650cm，外径为350cm，厚度为50cm。

沿着竖直方向，上反射层213e和下反射层213f中形成有若干熔盐通道 212c，其与熔盐上腔室212a和熔盐下腔室212b连通，调节堆芯流场，从而使得作为冷却剂的熔盐将堆芯热量顺利带走，图5示出了下反射层213f中形成的熔盐通道212c。优选地，熔盐下腔室212b中可设置有流量分配板，用于配合熔盐通道212c调节堆芯流场。堆容器内冷却剂走向如下：600℃的熔盐从反应堆主容器21的顶部进入熔盐下降环腔211a，进入熔盐下腔室212b，再经堆芯入口和下反射层213f中的熔盐通道212c进入堆芯活性区，熔盐在堆芯活性区由下向上流动带走核热，经堆芯出口和上反射层213e中的熔盐通道212c 进入熔盐上腔室212a，然后由熔盐上腔室212a两侧进入沿堆容器内壁的通道汇集进入核热传输系统3中，最后流回堆容器形成循环。

如图1所示，核热传输系统3包括一回路31、二回路32和一二回路换热器33，其中，一回路31和二回路32之间通过一二回路换热器33传递热量。一回路31具有通过管道与一二回路换热器33相连的一回路熔盐泵311。在本实施例中，加热到700℃的熔盐从核热产生系统2中被一回路熔盐泵311抽入一回路31，经过一二回路换热器33降温到600℃后流回核热产生系统2 中形成循环。也就是说，核热产生系统2的冷却剂就是一回路31的换热介质。二回路32具有通过管道与一二回路换热器33相连的熔盐泵321、322，其中使用二回路熔盐作为二回路32的换热介质。二回路还具有通过管道与一二回路换热器33相连的高温熔盐储罐323和低温熔盐储罐324，用于二回路熔盐的存储。反应堆运行时，二回路熔盐从低温熔盐储罐324进入一二回路换热器33，加热后进入高温熔盐储罐323存储。显然，由于二回路32中连接有高温熔盐储罐323和低温熔盐储罐324，可以在反应堆运行功率通常保持不变(通过一二回路换热器33的熔盐流量也保持恒定)的情况下，根据需要随时调节核热利用系统4(即发电系统)。

如图1所示，核热利用系统4是使用超临界水循环或蒸汽朗肯循环或联合循环(开式空气布雷顿联合朗肯循环)发电系统，具体包括三回路41、二三回路换热器42和发电机43，其中，二回路32和三回路41之间通过二三回路换热器42传递热量，发电机43与三回路41连接。三回路41具有通过管道与二三回路换热器42相连的泵411、冷却器412、以及与发电机43连接的汽轮机413。发电时，二回路熔盐从高温熔盐储罐323进入二三回路换热器 42，将能量传递至三回路41，降温后的熔盐进入低温熔盐储罐324存储。通过一二回路换热器33的熔盐流量根据发电系统的需求随发电量改变，可以根据电网需求随时调整，而无需改变反应堆堆芯核裂变功率和堆芯的运行条件。这样，可以在反应堆裂变功率不变的情况下，改变反应堆的输出功率。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，包括：

用于存储核燃料的核燃料操作系统(1)；

用于控制核燃料的裂变并产生核热的核热产生系统(2)，其具有反应堆主容器(21)以及在反应堆主容器(21)中与核燃料进行热交换的氟盐；

核热传输系统(3)，其包括供氟盐通过的一回路(31)、供换热介质通过的二回路(32)和一二回路换热器(33)，其中，一回路(31)和二回路(32)之间通过一二回路换热器(33)传递热量，二回路(32)具有通过管道与一二回路换热器(33)相连的用于存储换热介质的高温熔盐储罐(323)和低温熔盐储罐(324)；以及

利用核热进行热利用的核热利用系统(4)，

其中，核燃料操作系统(1)与核热产生系统(2)连接以将核燃料装入核热产生系统(2)并将核燃料从核热产生系统(2)卸载；核热传输系统(3)分别与核热产生系统(2)和核热利用系统(4)连接以将核热从核热产生系统(2)传输至核热利用系统(4)。

2.根据权利要求1所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，反应堆主容器(21)包括间隔开设置的外壁(211)和堆芯围筒(212)，其中，外壁(211)和堆芯围筒(212)之间的环形空间形成为与一回路(31)连通的熔盐下降环腔(211a)，堆芯围筒(212)的朝向下敞开的开口形成为与熔盐下降环腔(211a)连通的熔盐下腔室(212b)，堆芯围筒(212)的朝向上敞开的开口形成为与一回路(31)连通的熔盐上腔室(212a)；在熔盐上腔室(212a)和熔盐下腔室(212b)之间，堆芯围筒(212)的内部的空间形成为堆芯(213)。

3.根据权利要求2所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，堆芯(213)包括紧贴于堆芯围筒(212)的径向向内的一侧设置的侧反射层(213a)和位于侧反射层(213a)的内部的堆芯活性区，该堆芯活性区包括位于中部的堆芯活性区圆柱区(213b)、位于堆芯活性区圆柱区(213b)的顶部的堆芯活性区上圆台(213c)、以及位于堆芯活性区圆柱区(213b)的底部的堆芯活性区下圆台(213d)，在堆芯活性区上圆台(213c)的径向外侧与侧反射层(213a)的径向内侧之间形成有上反射层(213e)，在堆芯活性区下圆台(213d)的径向外侧与侧反射层(213a)的径向内侧之间形成有下反射层(213f)。

4.根据权利要求3所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，核热产生系统(2)还具有设置于堆芯活性区中的用于调节核燃料的裂变的反应性控制系统(22)，其包括交替地分布在堆芯活性区内的控制棒系统(221)和控制刀片系统(222)。

5.根据权利要求4所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，控制棒系统(221)包括多根竖直地插入堆芯(213)中的通道(221b)中的控制棒(221a)，该控制棒(221a)为金属包裹的中子吸收体以通过调节中子通量来调节反应堆运行功率。

6.根据权利要求4所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，控制刀片系统(222)包括多根直接竖直地插入堆芯(213)中的控制刀片(222a)，该控制刀片(222a)为金属吸收体板以通过调节中子通量来调节反应堆运行功率。

7.根据权利要求3所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，上反射层(213e)和下反射层(213f)中形成有若干熔盐通道(212c)，其连通熔盐上、下腔室(212a，212b)和堆芯活性区以调节堆芯流场。

8.根据权利要求1所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，核燃料操作系统(1)包括：

用于将核燃料从核热产生系统(2)的底部送入核热产生系统(2)的燃料球装料机构；

用于将核燃料从核热产生系统(2)的顶部移出核热产生系统(2)的燃料球卸料机构；

用于存储未使用过的待利用核燃料的新燃料球储罐；

用于存储使用过的待利用核燃料的旧燃料球储罐；以及

用于存储不再使用的待废弃核燃料的乏燃料球储罐。

9.根据权利要求1所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，核热利用系统(4)是使用超临界水循环或蒸汽朗肯循环或联合循环的发电系统。

10.根据权利要求9所述的小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，其特征在于，核热利用系统(4)包括三回路(41)、二三回路换热器(42)和发电机(43)，其中，二回路(32)和三回路(41)之间通过二三回路换热器(42)传递热量，发电机(43)与三回路(41)连接。