CN108417277A - 一种堆本体系统及氯盐堆系统 - Google Patents

一种堆本体系统及氯盐堆系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种堆本体系统，包括反应性控制系统、控制系统驱动机构管座、堆容器顶盖吊耳、堆容器顶盖密封装置、冷却剂进口,冷却剂出口，换热器结构，堆芯活性区反射层，堆芯活性区，主泵，堆芯支撑结构、下封头，以及堆本体支撑部分，所述反应性控制系统通过燃料盐上升区插入堆芯，所述燃料盐上升区设置在所述堆芯活性区顶部上升通道。本发明实施例还提供了一种氯盐堆系统，为熔盐堆的小型化快速部署提供了一种可能的设计方案，本系统具有单次投资小，灵活并快熟部署的优势。

Description

一种堆本体系统及氯盐堆系统
技术领域
本发明涉及一种熔盐堆技术，特别涉及以氯盐为燃料和冷却介质的一体化熔盐堆技术。
背景技术
熔盐堆（MSR-Molten Salt Reactor）的概念源自于美国20世纪50～70年代橡树岭国家实验室（ORNL- Oak Ridge National Laboratory）建造或设计的空间熔盐实验堆（ARE-Aircraft Reactor Experiment）、熔盐实验堆（MSRE-Molten Salt ReactorExperiment）、熔盐增殖堆（MSBR- Molten Salt Breeding Reactor）等实验堆。2001—2003年期间，ORNL、桑地亚国家实验室（SNL- Sandia National Laboratories）和加州大学伯克利分校（UCB- University of California, Berkeley）共同发展了先进高温堆（AHTR- TheAdvanced High-Temperature Reactor）的概念，后正式命名为氟盐冷态高温堆（FHR-Fluoride salt cooled High temperature Reactor）。
熔盐堆燃料循环方式简单，可在线换料，具有非能动排盐罐设计，且排盐罐设计有非能动余热冷却装置，不会出现类似压水堆的堆芯熔毁等事故，即使最严重事故下，也不会对外界环境造成严重放射性后果，这是熔盐堆的液态流动类型燃料所具有的固有安全特性。
液态燃料熔盐堆容易实现小型化及快速部署，采用氯盐作为燃料盐避免了复杂氚控的问题，同时堆芯无燃料组件，由反射层材料（如石墨、铅、铍、氧化铍、铅、铅铋等单一材料或多种材料）包围成容纳液态燃料的堆芯活性区。堆本体内置一回路所有设备如换热器和一回路泵等，可将放射性包容在整个堆本体中。换热器尺寸较小，便于模块化生产及组装，整个小型化的反应堆本体系统可以在工厂生产并通过空投、公路运输，现场快速安装，在节省部署时间方面具有显著优势。目前设计的小型化反应堆通常为压水堆类型，其设计压强较大，因此其反应堆容器壁以及管道壁均较厚，其体积和质量较大，而采用高温熔盐作为燃料盐，其压力边界材料较薄，且高温热电效率较高。
发明内容
本发明提供一种可行的小型化堆芯结构及一体化堆本体结构：为了克服现有熔盐堆回路系统复杂，系统相对庞大，不利于快速部署的特点。
本发明提供了一种堆本体系统，其特征在于，包括反应性控制系统、控制系统驱动机构管座、堆容器顶盖吊耳、堆容器顶盖密封装置、冷却剂进口, 冷却剂出口， 换热器结构，堆芯活性区反射层，堆芯活性区，主泵，堆芯支撑结构、下封头，以及堆本体支撑部分，所述反应性控制系统通过燃料盐上升区插入堆芯，所述燃料盐上升区设置在所述堆芯活性区顶部上升通道。
进一步的，所述主泵为4个，所述反应性控制系统包括9根控制棒，其中五根所述控制棒作为第一套停堆系统，其余4根所述控制棒作为第二套停堆系统。
进一步的，所述堆本体系统设计功率设为5-20Mwe，堆芯进口温度为400 - 650℃，堆芯出口温度为650 - 1000℃。
进一步的，堆本体材料以及堆内管道和其他构件为镍基合金或钛合金或钼合金等。
进一步的，反应堆设计功率5-20 MWe，燃料盐选择71UCl4-17UCl3-12NaCl, Cl-37的富集度为90%，U-235的富集度为19.75%，堆芯进出口温度分别为650℃和730℃，堆本体材料采用镍基合金。
进一步的，还包括堆内支撑结构及流量分配的结构件和下降环腔，所述结构件将堆芯活性区与所述下降环腔隔开。
进一步的，所述换热器结构为内置式，所述换热器结构包括换热器和换热管，所述换热器为管壳式换热器，所述换热管采用直管。
进一步的，所述换热器为四台，布局在堆芯顶部，所述换热器高度约为1.6m，单个所述换热器直径为1m。
本发明实施例还提供了一种氯盐堆系统，包括如上所述的堆本体系统和发电系统，所述发电系统包括布雷顿循环系统、发电机以及发电系统支撑部分。
进一步的，燃料盐通过所述堆芯活性区流入所述燃料盐上升区，到达上腔室；然后向下进入所述换热器结构的管侧通过热交换将热量转移给所述发电系统的空气介质，所述燃料盐经过所述换热器结构之后，继续下行进入所述下降环腔。
进一步的，所述下降环腔沿周向划分为四个封闭区域，防止流体沿周向流动，分别由所述主泵进行驱动燃料盐在环腔内自上而下流动，最后燃料盐流入堆芯底部所述下腔室均匀混合，所述燃料盐在运行过程如此往复循环。
本发明的积极进步效果在于：本发明为熔盐堆的小型化快速部署提供了一种可能的设计方案，本系统具有单次投资小，灵活并快熟部署的优势。具体优势可以提现为（1）现有压水堆设计上通常系统复杂度高，本发明提供的设计方案中，堆芯活性区无压水堆燃料类型的燃料元件。（2）现有压水堆通常采用汽轮机发电机，其缺点是尺寸大，效率较低，本发明提供一种空气布雷顿循环发电系统或超临界二氧化碳发电系统，其系统设计尺寸有较大幅度减小。（3）现有压水堆设计压力较高，其安全壳的设计以及管道壁设计均较厚，设计成本相对较高，本发明所使用的合金堆容器厚度较薄，降低了质量和体积。（4）现有压水堆通常为回路式布局设计，其整体体积较大，占地面积较大，本发明提供了一种一体化的堆本体设计，与发电系统无管道式连接，整体设计尺寸大幅减小，具有运输灵活、快速安装以及有限体积内部署的可能性。
本发明公开了一种一体化氯盐堆系统，采用一体化堆本体设计，采用液态氯盐作为燃料，同时兼做主冷却剂。CL-IMSR的反应堆容器内不仅包容了核燃料和反应性控制系统，而且还将一回路的其他部件,包括泵、换热器、熔盐管道等容纳在其内部。 与传统熔盐堆相比,CL-IMSR一体化堆容器体型较大，但系统安全壳和厂房尺寸显著减小，整个系统的总尺寸大大减小；一体化反应堆本体与热电转换系统直接耦合;热电转换系统可基于高效率的布雷顿循环等,可高度集成至小型尺寸;堆本体以及发电系统均可满足公路集装箱装载运输以及铁路运输。一体化反应堆系统与小型热电转换系统形成一套完整的模块化反应堆系统，可快速部署于特殊用途场所提供电能或热能。
附图说明
图1为本发明堆本体示意图。
图2为本发明堆本体发电系统示意图。
图3为本发明堆本体和发电系统俯视图。
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施方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
本发明实施例提供一种氯盐堆系统，其中包括堆本体系统和发电系统，堆本体系统如图1所示，由反应性控制系统1，堆容器顶盖支撑测量管座及控制系统驱动机构管座2，堆容器顶盖吊耳3，堆容器顶盖密封装置4，冷却剂进口5, 冷却剂出口7， 换热器结构6，堆芯活性区反射层9，堆芯活性区10，主泵11，堆芯支撑结构12以及，下封头13，堆本体支撑部分14组成。本发明实施例中主泵可以为2-8个，进一步的可以设置为四个主泵11，堆容器顶盖密封装置4主要是堆容器顶盖密封法兰。
其中反应性控制系统1包括控制棒，控制棒的数量可以设置为7-11根，控制棒通过堆芯活性区10顶部上升通道燃料盐上升区18插入堆芯。本发明实施例中采用9根控制棒1组合形成两套停堆系统，其中五根作为第一套停堆系统，其余4根作为第二套停堆系统，由于剩余反应性较低，因此两套停堆系统足以保证反应堆在停堆状态下具有较深的次临界深度，以保证反应堆在任何情况下均能维持在足够的次临界状态。
本发明通过设置一体化的堆本体系统可快速部署的模块化设计，设计功率范围5-20MWe，堆芯活性区设计尺寸1.2米，一次装料连续运行不小于10年。堆芯进口温度为400 -650℃，堆芯出口温度为650 - 1000℃。堆本体材料以及堆内管道和其他构件应采用耐高温耐腐蚀耐辐照的合金材料，本发明实施例优选为镍基合金、钛合金，钼合金等。Cl-37的富集度范围为24 - 90%，U-235富集度范围为15 - 93%，堆本体直径小于3m，堆本体高度小于10m。采用控制棒对反应堆反应性进行控制，控制棒可选择B4C， 不锈钢等中子吸收材料，控制棒数量和堆芯中的布置可依据实际堆芯设计方案进行调整。
进一步的，本实例中反应堆设计功率5-20 MWe，单次装料可连续发电10年，中间过程无需换料。燃料盐选择71UCl4-17UCl3-12NaCl, Cl-37的富集度为90%，U-235富集度为19.75%。堆芯进出口温度分别为650℃和730℃，堆本体材料采用耐高温耐腐蚀耐辐照的镍基合金。 Cl-37的富集度是优化后的较佳值，U-235的富集度为民用富集度20%的上限以下的一个值，选择较佳值19.75%，在降低富集成本，且在缩小反应堆尺寸上均具有明显改善。
一体化堆本体系统与发电系统直接耦合，发电系统如图2所示，可使用高效率的空气布雷顿循环系统2-20、发电机2-19以及发电系统支撑部分2-21构成，或采用超临界二氧化碳循环加发电机构成，其中超临界二氧化碳与通常功率规格的汽轮机相比，其整个二氧化碳循环发电系统的总尺寸只需2-3m即可，因此发电系统可高度集成至小型尺寸;反应堆本体与发电系统均采用无管道式布局，整体所占空间较小，具有小型化的特点;堆本体以及发电系统均可满足公路集装箱装载运输以及铁路运输甚至通过空投的方式运输至现场，核燃料则使用地面运输至现场。系统最大程度地缩小了整个系统的高度尺寸及直径尺寸，使得反应堆小型化在局限空间内的使用以及快速部署成为可能。图3为包含堆本体以及四套发电系统在内的俯视图。
本实例中采用一种堆内支撑结构及流量分配的结构件17，将堆芯活性区10与下降环腔16隔开，形成一种中间圆柱形燃料盐上升区18，燃料盐通过堆芯活性区10流入燃料盐上升区18，到达上腔室19，然后向下进入换热器结构6的管侧通过热交换将热量转移给图2中发电系统的空气介质，燃料盐经过换热器结构6之后，继续下行进入下降环腔16，下降环腔16沿周向划分为四个封闭区域，防止流体沿周向流动，分别由四台主泵11进行驱动燃料盐在环腔内自上而下流动，最后燃料盐流入堆芯底部下腔室15均匀混合，燃料盐在运行过程如此往复循环。
本发明实施例中换热器结构6为一种小型内置式换热器结构6，该换热器为管壳式换热器，换热管采用直管，可以降低沿程阻力，本发明实施例中换热器结构6选择换热器为四台，布局在堆芯顶部，换热器高度约为1.6m，单个换热器直径1m。
本发明实施例提供一种氯盐堆系统，其中包括堆本体系统和发电系统，这两部分是整个一体化熔盐堆的最主要模块，其尺寸均在普通运输类型卡车的限制尺寸以内，直径均小于2.4m，可以在工厂内生产完毕直接通过空运或者公路运输至现场。
将堆本体系统以及发电系统量大模块运输至现场之后，通过机械吊装的方式将堆本体系统整体安装并固定于地下堆坑，然后将发电系统与堆本体系统进出口进行法兰连接，并对发电系统模块进行固定，这样整个堆本体系统以及发电系统安装完成，然后将液态燃料盐注入到堆芯活性区10中，即可实现启堆运行并产生电力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种堆本体系统，其特征在于，包括反应性控制系统、控制系统驱动机构管座、堆容器顶盖吊耳、堆容器顶盖密封装置、冷却剂进口, 冷却剂出口， 换热器结构，堆芯活性区反射层，堆芯活性区，主泵，堆芯支撑结构、下封头，以及堆本体支撑部分，所述反应性控制系统通过燃料盐上升区插入堆芯，所述燃料盐上升区设置在所述堆芯活性区顶部上升通道。
2.根据权利要求1所述的一种堆本体系统，其特征在于，所述主泵为4个，所述反应性控制系统包括9根控制棒，其中五根所述控制棒作为第一套停堆系统，其余4根所述控制棒作为第二套停堆系统。
3.根据权利要求1所述的一种堆本体系统，其特征在于，所述堆本体系统设计功率设为5-20Mwe，堆芯进口温度为400 - 650℃，堆芯出口温度为650 - 1000℃。
4.根据权利要求1所述的一种堆本体系统，其特征在于，反应堆设计功率5-20 MWe，燃料盐选择71UCl4-17UCl3-12NaCl, Cl-37的富集度为90%，U-235的富集度为19.75%，堆芯进出口温度分别为650℃和730℃，堆本体材料采用镍基合金。
5.根据权利要求1所述的一种堆本体系统，其特征在于，还包括堆内支撑结构及流量分配的结构件和下降环腔，所述结构件将堆芯活性区与所述下降环腔隔开。
6.根据权利要求1所述的一种堆本体系统，其特征在于，所述换热器结构为内置式，所述换热器结构包括换热器和换热管，所述换热器为管壳式换热器，所述换热管采用直管。
7.根据权利要求6所述的一种堆本体系统，其特征在于，所述换热器为四台，布局在堆芯顶部，所述换热器高度约为1.6m，单个所述换热器直径为1m。
8.一种氯盐堆系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的堆本体系统和发电系统，所述发电系统包括布雷顿循环系统、发电机以及发电系统支撑部分。
9.根据权利要求8所述的一种氯盐堆系统，其特征在于，燃料盐通过所述堆芯活性区流入所述燃料盐上升区，到达上腔室；然后向下进入所述换热器结构的管侧通过热交换将热量转移给所述发电系统的空气介质，所述燃料盐经过所述换热器结构之后，继续下行进入所述下降环腔。
10.根据权利要求9所述的一种氯盐堆系统，其特征在于，所述下降环腔沿周向划分为四个封闭区域，防止流体沿周向流动，分别由所述主泵进行驱动燃料盐在环腔内自上而下流动，最后燃料盐流入堆芯底部所述下腔室均匀混合，所述燃料盐在运行过程如此往复循环。
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