CN109074875A - 改进的熔融燃料反应堆冷却和泵构造 - Google Patents

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查尔斯·格雷戈里·弗里曼
马克·A·哈弗斯塔德
克里斯托弗·J·约翰斯
布莱恩·C·凯莱赫
凯文·克雷默
杰弗里·F·拉特科夫斯基
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Abstract

描述了熔融燃料盐反应堆的构造，其包括共享主冷却剂环路的一部分但允许被动冷却来自反应堆的衰变热的辅助冷却系统。此外，描述了用于使熔融燃料循环通过反应堆芯和一个或更多个容器内热交换器的不同泵构造。

Description

改进的熔融燃料反应堆冷却和泵构造
相关申请
本申请在2017年5月1日作为PCT国际专利申请提交，并要求2016年5月2日提交的美国临时申请第62/330,726号的优先权的权益，所述临时申请特此通过引用并入。
引言
与固体燃料相比，在核反应堆中利用熔融燃料以产生功率提供了显著的优点。例如，与固体燃料反应堆相比，熔融燃料反应堆通常提供更高的功率密度，而同时由于相对高的固体燃料制造成本而具有降低的燃料成本。
已经使用与其他氟化物盐例如UF6和UF3混合的四氟化铀(UF4)开发了适合于在核反应堆中使用的熔融氟化物燃料盐。熔融氟化物盐反应堆已经在600℃和860℃之间的平均温度运行。铀的二元、三元和四元氯化物燃料盐以及其他可裂变元素已经在标题为MOLTENNUCLEAR FUEL SALTS AND RELATED SYSTEMS AND METHODS的、共同转让(co-assign)的美国专利申请序号14/981,512中描述，该申请特此通过引用并入本文中。除了含有PuCl3、UCl4、UCl3F、UCl3、UCl2F2和UClF3中的一种或更多种的氯化物燃料盐之外，本申请还公开了具有改变的量的37Cl的燃料盐、溴化物燃料盐例如UBr3或UBr4、氯化钍(例如ThCl4)燃料盐以及用于在熔融燃料反应堆中使用燃料盐的方法和系统。氯化物盐反应堆的平均操作温度预计在300℃和600℃之间，但可以甚至更高，例如>1000℃。
附图简述
构成本申请的一部分的以下附图例证了所描述的技术，并且不意指以任何方式限制如所要求保护的本发明的范围，该范围应基于本文中所附的权利要求。
图1以框图形式例证了熔融燃料反应堆的一些基本部件。
图2A和图2B例证了主冷却环路(primary cooling loop)和辅助冷却系统(ACS)的布局的实施方案。
图3A-图3C例证了熔融燃料反应堆设计的实施方案，其具有用于每个主热交换器(primary heat exchanger)的泵以驱动燃料盐流。
图4例证了熔融燃料反应堆设计的可选择的实施方案，其类似于图3A-图3C的实施方案但是设置有内部反射器(inner reflector)。
图5、图6和图7例证了可选择的泵构造的实施方案，其中叶轮被底部安装(bottommount)。
图8例证了泵构造的又一实施方案，其中单个叶轮812A位于反应堆芯804内。
图9例证了又一泵构造，其中叶轮直接地位于主热交换器的两个区段(section)之间。
详细描述
本公开内容描述了熔融燃料核反应堆的各种构造和部件。为了本申请的目的，将描述使用氯化物燃料的熔融燃料反应堆的实施方案，所述氯化物燃料例如是一种或更多种燃料盐例如PuCl3、UCl3和/或UCl4与一种或更多种非裂变盐(non-fissile salt)例如NaCl和/或MgCl2的混合物。然而，将理解的是，可以使用现在已知或以后开发的任何类型的燃料盐，并且不管所使用的燃料的类型如何，本文描述的技术都可以同样适用。例如，燃料盐可以包括一种或更多种非裂变盐，例如但不限于NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3和/或NdCl3。注意，反应堆内燃料的最小操作温度和最大操作温度可以根据所使用的燃料盐而变化，以便在整个反应堆内将盐保持在液相内。最小温度可以低至300℃-350℃，并且最大温度可以高达1400℃或更高。类似地，除了另外明确讨论之外，在本公开内容中，热交换器通常将以简单的、单程、壳管式热交换器的方式提供，该壳管式热交换器具有一组管，并且在壳内的任一端具有管板。然而，将理解的是，通常可以使用任何设计的热交换器，尽管一些设计可以比其他设计更合适。例如，除了壳管式热交换器之外，板式热交换器、板壳式热交换器、印刷电路式热交换器和板翅式热交换器也可以是合适的。
图1以框图形式例证了熔融燃料反应堆的一些基本部件。通常，熔融燃料反应堆100包括反应堆芯104，该反应堆芯104包含在操作温度为液体的可裂变燃料盐106。可裂变燃料盐包括当暴露于低能热中子或高能中子时能够经历裂变的任何核素的盐。此外，为了本公开内容的目的，可裂变材料包括任何裂变材料、任何增殖性材料或者裂变材料和增殖性材料的组合。燃料盐106可以完全填充芯104或者可以不完全填充芯104，并且所示的实施方案被例证为具有在芯104中的燃料盐106的位置(level)上方的任选的顶部空间102。可以基于正在使用的特定燃料盐106的特性和类型来选择反应堆芯104的尺寸，以便实现和维持处于持续的临界状态的燃料，在此期间，由在燃料中中子的持续产生而产生的热导致熔融燃料在其处于反应堆芯中时的温度升高。临界指的是其中中子的损失速率(loss rate)等于或小于反应堆芯中的中子的产生速率的状态。通过在芯104周围提供一个或更多个反射器108A、108B、108C以将中子反射回到芯中来改进反应堆100的性能。反射器可以由现在已知或以后开发的任何中子反射材料制成，例如石墨、铍、钢或碳化钨。熔融燃料盐106在反应堆芯104和位于芯104的外部的一个或更多个主热交换器110之间循环。循环可以使用一个或更多个泵112来驱动。
主热交换器110将热从熔融燃料盐106传递至主冷却剂114，主冷却剂114通过主冷却剂环路115循环。在实施方案中，主冷却剂可以是另一种盐，例如NaCl-MgCl2或铅。例如，在实施方案中，主冷却剂是42MgCl2+58NaCl盐。包括Na、NaK、超临界CO2和铅铋共晶的其他冷却剂也是可能的。在实施方案中，反射器108在每个主热交换器110和反应堆芯104之间，如图1中所示。例如，在实施方案中，具有2米(m)的直径和3m的高度的圆柱形反应堆芯104被竖直地定向，使得圆柱体的平端分别在顶部上和底部上。整个反应堆芯104被完全地封装在反射器108中，在反射器108之间设置有用于燃料盐106流入和流出反应堆芯104的通道。
尽管图1例证了一个热交换器110，但是取决于实施方案，可以使用任何数目的热交换器110，热交换器110围绕芯104的外部被间隔开。例如，预期具有两个、四个、六个、八个、十个、十二个和十六个主热交换器的实施方案。
如上文所讨论的，可以使用任何设计的热交换器，但是通常，热交换器110将根据壳管式热交换器来讨论。在壳管式热交换器实施方案中，燃料盐可以流过管，所述管被容纳在填充有主冷却剂的壳内。燃料盐经由壳中的一个或更多个管板进入管，以防止燃料盐与主冷却剂混合。这被称为管侧燃料(tube-side fuel)或壳侧冷却剂(shell-side coolant)构造。可选择地，燃料盐可以流过壳并且主冷却剂可以流过管，这被称为管侧冷却剂或壳侧燃料构造。
热交换器部件的盐接触表面可以被包覆以防止腐蚀。其他保护选项包括保护性涂层、松配合衬垫(loose fitting liner)或压配合衬垫。在实施方案中，管的内表面上的包层(cladding)是钼，钼与基础热交换器管材料共挤出。对于其他燃料盐接触表面(管板的外表面和壳的外表面)，包层材料是钼合金。镍和镍合金是其他可能的包层材料。在需要焊接的情况下，可以使用钼-铼合金。与主冷却盐(primary cooling salt)接触的部件可以用合金200(Alloy 200)或任何其他相容的金属包覆，例如符合美国机械工程师学会压力容器规范(American Society of Mechanical Engineers’pressure vessel code)的材料。管主要材料可以是316不锈钢或任何其他相容的金属。例如，在实施方案中，合金617是壳和管板材料。
在管侧燃料实施方案中，燃料盐流过热交换器110的管并离开进入到燃料盐出口通道中。热交换器110的壳内的主冷却剂从行进穿过管的燃料盐中移除热，并且然后加热的冷却剂被传递到功率产生系统120。
如图1中所示，来自主热交换器110的加热的主冷却剂114被传递到功率产生系统120，用于产生某种形式的功率，例如热功率、电功率或机械功率。反应堆芯104、主热交换器110、泵112、熔融燃料循环管道(包括未示出的其他辅助部件，例如止回阀、截止阀、法兰、排放罐等)和熔融燃料在操作期间循环通过的任何其他部件可以被称为燃料环路116。同样，主冷却剂环路115包括主冷却剂循环通过的那些部件，包括主热交换器110、主冷却剂循环管道(包括未示出的其他辅助组件，例如冷却剂泵113、止回阀、截止阀、法兰、排放罐等)。
熔融燃料反应堆100还包括至少一个容纳燃料环路116的安全壳容器(containment vessel)118，以防止熔融燃料盐106在存在从燃料环路部件之一的泄漏的情况下的释放。注意，并非所有主冷却剂环路115都在安全壳容器118内。
在实施方案中，燃料盐流由泵112驱动，使得燃料盐循环通过燃料环路116。在所示的实施方案中，对于每个主热交换器110存在一个泵112。可以使用更少或更多的泵。例如，在可选择的实施方案中，多个较小的泵可以用于每个热交换器110。在实施方案中，泵112可以在燃料环路116内的某个位置包括叶轮。在实施方案中，包含叶轮的燃料环路的通道或部件还用作泵壳体或主体，使得叶轮的旋转驱动燃料盐围绕燃料环路流动。叶轮可以具有任何设计，例如开放式、半开放式或闭合式，并且叶轮叶片可以是任何构造，例如向后弯曲的、向前弯曲的或放射状的(radial)。还可以在叶轮位置处或叶轮位置附近设置一个或更多个扩散器叶片(diffuser vane)，以帮助导引由叶轮的旋转驱动的流。叶轮可以附接至旋转轴，该旋转轴将叶轮连接至马达，该马达可以位于燃料环路和安全壳容器的外部。该实施方案的实例可以在下文讨论的图6A-图6C中找到。其他泵构造也是可能的。
概括地说，本公开内容描述了改进参照图1描述的反应堆100的性能的多种改变和部件构造。
辅助冷却系统(ACS)
在实施方案中，可以提供ACS用于辅助冷却主冷却剂。ACS可以共享主冷却剂环路的一些部件，并且被设计成在某些事件期间或在某些情况下接管冷却。在实施方案中，ACS可以包括一个或更多个独立的ACS环路(即，独立于其他ACS环路)，其中每个ACS环路将其流动路径中的一些与主冷却剂环路共享。
共同构成ACS的主要部件是：管道，例如具有镍包层的316不锈钢管道；安全壳隔离阀；辅助热交换器；风管(air duct)；支撑结构；以及测试和诊断仪器(instrumentationand diagnostics)。
图2A和图2B例证了适于在熔融燃料核反应堆中使用的主冷却环路和ACS的布局的实施方案。在所示的实施方案中，熔融燃料反应堆202被示出连接至四个主冷却剂回路。辅助冷却系统被集成到四个独立的并行的主冷却剂回路中。每个回路包括主冷却支路(primary cooling leg)210和ACS支路212以及共享的反应堆冷却剂入口和出口部分204，该部分204将主冷却剂导入和导出反应堆202。因为它是共享的，所以反应堆入口和出口部分204被认为是主冷却剂环路和ACS环路两者的一部分。
主冷却环路具有在正常操作期间将热能从反应堆202内的主热交换器206传输至功率产生系统(未示出)的功能，所述主热交换器206可以在反应堆的安全壳容器内。主冷却环路由反应堆入口和出口部分204以及主冷却支路210构成。在所示的实施方案中，主冷却支路210包括热交换器206和维持用于反应堆202的正常冷却操作所需的冷却剂管理设备。在所示的实施方案中，每个主冷却支路210包括两个热交换器206、冷却剂泵220、以蒸气发生器214的形式的功率回收系统、排放罐(drain tank)216和冷却剂补充罐218以及其他。还可以提供蒸气再热器226。功率回收系统将来自加热的主冷却剂的热能转换成电功率、热功率或机械功率。许多类型的功率回收系统是已知的，并且可以使用现在已知或以后开发的任何系统。
在所示的具体实施方案中，蒸气发生器214将来自加热的主冷却剂的能量传递至水流以产生蒸气，由所述蒸气产生电功率、热功率或机械功率，例如通过使用蒸气以运行蒸气涡轮循环来发电。排放罐216被设置在回路管道中的低点处以允许盐从回路中排出，从而允许回路中的部件的维修(servicing)、修理或更换。补充罐218用作膨胀室，并且包含额外的冷却剂以在整个操作温度范围内保持回路中冷却剂的期望的水平和压力，即使主冷却剂的体积可以在该温度范围内波动。
在一些非正常操作情况下，ACS环路具有经由完全被动的物理过程将热能从主热交换器传输至大气空气的功能。在所示的实施方案中，ACS环路由反应堆入口和出口部分204以及ACS支路212构成。ACS支路212包括辅助热交换器(AHX)222和风管224。风管224允许冷却的环境空气流动至AHX 222并将加热的空气排放到大气中，以便从在ACS环路中流动的主冷却剂中移除热。AHX 222被放置成当ACS启动时产生浮力驱动的冷却剂盐的自然循环。如上所述，AHX 222可以是任何合适的空气冷却的热交换器设计，包括但不限于翅片式热交换器、翅片风扇热交换器、板壳式热交换器或壳管式热交换器。
在实施方案中，ACS 200可以在正常反应堆操作期间被旁路，使得尽可能多的由反应堆202产生的热可用于产生功率。在可选择的实施方案中，ACS 200可以连续使用，无论反应堆的操作条件如何。在又一个实施方案中，回路可以以这样的方式设计，所述方式使得ACS 200在正常操作期间仅具有减少的主冷却剂的流量，或以其他方式导致减少的到空气的热传递的量，但是在非正常操作期间导致较大的流量和/或热传递。例如，在实施方案中，在功率损失(loss of power)期间，风管224可以自动地打开或者可以更完全地打开，以增加通过AHX 222的空气流量。
如上所述，在实施方案中，ACS 200可以被设计成在操作中是完全被动的。也就是说，由ACS 200提供的冷却发生在没有外部提供的功率或控制的情况下。在这样的设计中，在强制流动损失事件期间，主冷却剂流可以通过由反应堆220产生的热驱动，例如当反应堆处于亚临界时由反应堆中的燃料盐产生的衰变热。此外，在实施方案中，冷却回路202可以被设计成使得在功率损失的情况下，将流从主环路导引至ACS环路。例如，在功率损失的情况下，反应堆入口和出口部分204与主冷却支路210之间的阀可以自动地关闭，迫使冷却剂流过ACS环路。在所示的实施方案中，提供止回阀228，所述止回阀228防止来自ACS环路的流循环进入主冷却支路210中。
注意，即使ACS 200可以能够在紧急情况下完全被动地操作，但在非紧急情况下，ACS 200也可以是可控制的以在期望时增加或接管来自主冷却剂环路206的冷却任务。这可能发生在不需要或不期望功率产生但是操作者仍然需要操作反应堆202的时候，例如在启动、停机、低功率需求期间或测试期间。因此，ACS 200可以提供操作的灵活性，同时用作紧急除热系统。
在实施方案中，主冷却剂是熔融盐，例如42MgCl2+58NaCl，并且所有面向盐的表面由适合于用作冷却剂盐的材料制成或涂覆有该材料。例如，管道可以是在其内表面上具有镍包层的316不锈钢，并且具有在启动期间用于熔化冷冻的盐的微量加热系统(traceheating system)。在实施方案中，可以提供止回阀以当ACS 200启动时控制冷却剂流入反应堆202中，以避免过度冷却燃料。隔离阀230可以被提供以用作用于非正常操作情况的安全壳边界的一部分。
图2A和图2B中所例证的实施方案使用四个独立的ACS环路。ACS环路可以被定尺寸为冗余，使得如果它们中的任何一个发生故障，系统仍然提供足够的冷却，以将所有结构、系统和部件保持在设计限制内。
直接反应堆辅助冷却系统(DRACS)
如上文所讨论的，在电源故障的情况下，燃料盐通过主热交换器的自然循环可以防止过多的热能在燃料盐中的积聚。然而，还可以提供直接反应堆辅助冷却系统(DRACS)。在实施方案中，在电源故障期间，DRACS可以负责从反应堆中移除足够量的热能，以防止损坏任何部件。DRACS可以包括一个或更多个专用的二级热交换器(secondary heatexchanger)，所述二级热交换器将来自燃料盐的热能传递至主冷却剂，并且随后经由ACS传递到大气。这样的DRACS热交换器设计的实例可以在2016年11月15日提交的题目为“THERMAL MANAGEMENT OF MOLTEN FUEL NUCLEAR REACTORS”的美国临时专利申请序号62/422,474中找到，该临时申请特此通过引用并入本文中。
在实施方案中，除了任何主热交换器之外，DRACS系统在反应堆池(reactor pool)中还具有专用的DRACS热交换器。DRACS还可以包括完全独立于主冷却剂环路的专用的DRACS冷却剂环路。在实施方案中，DRACS可以被定尺寸为能够在主冷却剂环路已经完全不起作用的情况下从反应堆中移除预期的衰变热。除了主热交换器之外，本文描述的反应堆的实施方案可以提供一个或更多个DRACS热交换器。DRACS热交换器可以位于比反应堆芯和主热交换器的热中心(thermal center)更高的位置，以便更好地利用自然循环，自然循环在强制流动损失事件期间更为重要。例如，在实施方案中，DRACS热交换器在燃料盐的流中设置在主热交换器上方。在正常操作期间，可以使用或可以不使用单独的DRACS热交换器来提供冷却。
在可选择的实施方案中，上部反射器可以并入DRACS热交换器。在该实施方案中，DRACS热交换器可以被容纳在上部反射器内。这可以使用还用作反射器或中子吸收器的冷却剂，如在2016年9月30日提交的、标题为NEUTRON REFLECTOR ASSEMBLY FOR DYNAMICSPECTRUM SHIFTING的美国专利申请序号15/282,814中更详细地描述的。在实施方案中，冷却剂在操作温度可以是固体，但是，在反应堆芯的顶部达到某个较高温度后，冷却剂可以熔化，此时DRACS可以开始操作。例如，可以使用铅和铅的合金，例如铅-铋合金(例如，铅铋共晶44.5Pb-55.5Bi)和铅-铜合金(例如，铜铅合金(molybdockalkos))。
熔融燃料泵构造
图3A-图3C例证了熔融燃料反应堆设计的实施方案，其具有用于每个主热交换器的泵以驱动燃料盐流。在所示的实施方案中，八个主热交换器310围绕中心反应堆芯304被间隔开。图3A是从反应堆300的顶部向下看的平面图。图3B是通过反应堆300和两个相对的热交换器310的中心的横截面图。图3C例证了熔融燃料反应堆300的八交换器构造的透视图，该构造被部分地剖面以示出不同的内部部件，包括泵的叶轮、轴和马达。
反应堆芯304在顶部由容器头部319界定并且在底部由中子反射器308B界定，所述容器头部319可以是反射器或并入反射器。在横向上，反应堆芯304由八个热交换器310的壳界定。在操作中，来自反应堆芯304的加热的燃料盐被泵送通过热交换器，其在热交换器中被冷却，并且冷却的燃料盐返回芯304。
在所示的实施方案中，反应堆芯304和热交换器310在安全壳容器318内。主安全壳容器318由衬垫或一组衬垫界定，所述衬垫产生顶部敞开的容器(open-topped vessel)。冷却的主冷却剂从顶部进入和离开容器318，这允许安全壳容器是整体的并且不具有穿透部(penetration)。主冷却剂环路被集成到反应堆300中，使得进入的主冷却剂首先冷却安全壳容器318的至少一部分。在所示的实施方案中，在主冷却剂入口通道330中紧邻安全壳容器318的内表面被按路线发送(route)一段距离之后，冷却剂然后被按路线发送到主热交换器310的底部。冷却剂离开主热交换器310的顶部，并且然后被按路线发送离开安全壳容器318并到达功率产生系统(未示出)。
在所示的实施方案中，燃料盐被位于上部通道中的热交换器310上方的八个单独的叶轮312A驱动通过燃料环路。在叶轮312A的位置，通道的侧面用作壳体或泵主体，其被成形为与叶轮312A互补，以便获得有效的流动。在所示的实施方案中，叶轮312A在热交换器的上部管板332和从反应堆芯304的顶部开始的通道的水平部分之间。
每个叶轮312A通过旋转轴312B被连接至位于反应堆300上方的马达312C。这将泵的电子部件从高中子通量和高温的区域移除。一个或更多个进入端口(access port)可以设置在容器头部319中，使得叶轮312A可以被移除并且维修或更换。
叶轮312A和轴312B可以由任何适合于高温和高中子通量燃料盐环境的材料制成，所述环境将存在于主热交换器310的燃料入口处的燃料环路中。例如，面向燃料的部件可以由以下形成：一种或更多种钼合金、一种或更多种锆合金(例如，ZIRCALOYTM)、一种或更多种铌合金、一种或更多种镍合金(例如，HASTELLOYTMN(哈氏合金N))或高温铁素体钢、马氏体钢或不锈钢及类似材料。叶轮312A和轴312B可以被包覆在面向燃料盐的表面上以防止腐蚀。其他保护选项包括保护性涂层。在实施方案中，包层可以是钼，钼与基础叶轮或轴材料共挤出。可选择的包层材料包括钼合金、镍和镍合金以及钼-铼合金。
图4例证了熔融燃料反应堆设计的可选择的实施方案，其类似于图3A-图3C的实施方案但是设置有内部反射器408C。在所示的实施方案中，内部反射器408C被设置成将反应堆芯404与热交换器410分开。这减少了通过热交换器的部件以及通过叶轮412A和轴412B的中子通量。在其他方面，反应堆400在操作和构造上类似于图3A-图3C的反应堆。
图5、图6和图7例证了可选择的泵构造的实施方案，其中叶轮被底部安装。在底部安装的叶轮构造中，叶轮位于主热交换器下方的冷却的燃料盐出口通道中的燃料环路中，其中出口通道充当用于叶轮的壳体或主体。在这种构造中，叶轮处于比如在上文图3A-图3C和图4中所示的顶部安装的构造更低的温度环境中。取决于实施方案，在叶轮和紧邻叶轮的轴的部分上减少的磨损可以证明总体设计中的另外的复杂性。
图5例证了具有反应堆芯504的反应堆500，反应堆芯504由上部反射器508A、下部反射器508B和内部反射器508C界定。在所示的实施方案中，下部反射器508B横向延伸并向上延伸到安全壳容器518的侧面，用于增加的保护。主热交换器510被配置成具有壳侧冷却剂流(由虚线514示出)，冷却剂通过冷却剂入口通道530进入并且被加热的冷却剂从冷却剂出口通道536离开。在所示的实施方案中，燃料从反应堆芯504流动(由虚线506示出)，流过内部反射器508C上方的上部通道，并且通过入口管板532进入热交换器510中。在穿过管组(tube set)后，现在冷却的燃料离开下部管板531，并且经由内部反射器508C下方的下部通道流回到反应堆芯504中。
在图5中，燃料流叶轮512A位于主热交换器510的燃料盐出口下方，所述主热交换器510被配置成具有壳侧冷却剂流。叶轮512A被附接至轴512B，轴512B被连接至在容器头部(未示出)和上部反射器508A上方的顶部安装的马达512C。在该实施方案中，轴512B穿过热交换器510。这可以增加热交换器510的复杂性。在实施方案中，叶轮512A和轴512B被集成到热交换器510中，由此通过将热交换器/叶轮和轴组件作为一个单元移除来实现维修。在可选择的实施方案(未示出)中，轴512B可以不穿透热交换器，而是被定位成使得它邻近热交换器510但在热交换器510之外。
图6例证了类似于图5的反应堆600。在所示的实施方案中，反应堆600具有反应堆芯604，反应堆芯604由上部反射器608A、下部反射器608B和内部反射器608C界定。再次，下部反射器608B横向延伸并向上延伸到安全壳容器618的侧面，用于增加的保护。主热交换器610被配置成具有壳侧冷却剂流(由虚线614示出)，冷却剂通过冷却剂入口通道630进入并且被加热的冷却剂从冷却剂出口通道636离开。在所示的实施方案中，燃料从反应堆芯604流动(由虚线606示出)，流过内部反射器608C上方的上部通道，并且通过入口管板632进入热交换器610。在穿过管组后，现在冷却的燃料离开下部管板631，并且经由内部反射器608C下方的下部通道流回到反应堆芯604中。
在图6中，叶轮612A仍然位于主热交换器610下方的燃料盐出口通道下方，并且被附接至轴612B。然而，在图6中，轴612B向下延伸，并且通过电磁耦合器650被耦合至位于安全壳容器618外部的底部安装的马达612C。在该实施方案中，轴612B不穿透安全壳容器618。这可以增加安全壳容器的结构的复杂性，但是将安全壳容器618保持为整体的容器。
图7例证了类似于图5的反应堆700。在所示的实施方案中，反应堆700具有反应堆芯704，反应堆芯704由上部反射器708A、下部反射器708B和内部反射器708C界定。再次，下部反射器708B横向延伸并向上延伸到安全壳容器718的侧面，用于增加的保护。主热交换器710被配置成具有壳侧冷却剂流(由虚线714示出)，冷却剂通过冷却剂入口通道730进入并且被加热的冷却剂从冷却剂出口通道736离开。在所示的实施方案中，燃料从反应堆芯704流动(由虚线706示出)，流过内部反射器708C上方的上部通道，并且通过入口管板732进入热交换器710中。在穿过管组后，现在冷却的燃料离开下部管板731，并且经由内部反射器708C下方的下部通道流回到反应堆芯704中。
在图7中，叶轮712A位于反应堆芯704中。在该实施方案中，每个冷却的燃料盐通道设置有位于反应堆芯704的底部附近的叶轮712A。与图6一样，叶轮712A具有轴712B，轴712B向下延伸并通过电磁耦合器750耦合至位于安全壳容器718外部的底部安装的马达712C。在该实施方案中，轴712B不穿透安全壳容器718。
在可选择的实施方案中，可以提供更少或更多的泵来代替用于每个主热交换器的单独的和独立的泵。例如，在图7的反应堆700的可选择的实施方案中，单个叶轮718A可以设置在反应堆芯704的底部，其从两个或更多个热交换器710的冷却的燃料出口抽吸流。
图8例证了泵构造的又一实施方案，其中单个叶轮812A位于反应堆芯804内。在所示的实施方案中，单个叶轮840围绕反应堆800的中心轴线旋转。在所示的实施方案中，叶轮840包括多个叶片842、叶片842从其横向延伸的毂(hub)844以及藕合至毂844的轴812B。在旋转轴812B后，毂和叶片也旋转并驱动燃料盐在反应堆800内的循环，如由箭头806所示。在所示的实施方案中，叶片842从毂844延伸到邻近反应堆芯的侧面的点，在这种情况下，由内部反射器808C界定。在所示的实施方案中，反应堆芯的侧面设置有用于叶片842的端部的互补的壳体表面，以便更有效地驱动熔融燃料流过反应堆芯804。
一个或更多个扩散器848可以设置在每个上部通道中，以在盐循环进入热交换器810时使盐的流动更均匀。扩散器可以像燃料环路内某处的导流挡板(flow directingbaffle)一样简单，或者可以是更复杂的一组挡板、孔板或其他静态元件。
在可选择的实施方案(未示出)中，叶轮是如参照图6和图7所讨论的底部安装的，并且轴846从毂向下延伸，而不是向上延伸，并且通过反应堆安全壳容器818下方的电磁耦合旋转。
图9例证了又一泵构造，其中叶轮直接位于主热交换器的两个区段之间。在所示的实施方案中，反应堆900被设置成具有上部反射器908A、下部反射器908B和包围(enclose)反应堆芯904的一个或更多个热交换器910，所有这些都容纳在安全壳容器918内。取决于实施方案，内部反射器(未示出)可以设置在或可以不设置在反应堆芯904和热交换器910之间、热交换器910和冷却剂入口通道930之间或两种情况。在所示的实施方案中，燃料盐循环通过热交换器910的壳，如由虚线906所示的，并且冷却剂穿过管组的管，如由虚线914所示的。
热交换器910被中间壁928分成两个区段910A和910B。该管组连续贯穿作为冷却剂入口的下部管板931到达作为冷却剂出口的上部管板932并且从作为冷却剂入口的下部管板931延伸到作为冷却剂出口的上部管板932。在所示的实施方案中，加热的燃料盐流过热交换器910的上部区段910A中的管组，该管组对反应堆芯904开放。壳的相对侧的至少一部分也是开放的，这允许燃料盐流入包含叶轮912A的泵通道912D。
如上所述，叶轮912A经由轴912B连接至马达(未示出)。叶轮912A的旋转驱动燃料盐进入热交换器壳的下部区段910B中，通过管组，并通过另一个开口离开壳的底部进入反应堆芯904。还可以提供一个或更多个挡板929，以按路线发送燃料盐的流通过管组。
图9例证了在热交换器910的壳内的区域934，该区域934在反应堆芯904中的燃料盐位置的上方。该区域除了穿透管(penetrating tube)之外可以是实心的，例如填充有反射器材料，或者可以是填充有惰性气体的顶部空间。
在图9所示的实施方案中，叶轮912A在热交换器内，即在热交换器910的壳内。其位于远离高中子通量的区域，并且也不暴露于反应堆900的最高温度。叶轮912A和轴912B可以集成到热交换器910中，使得全部作为组件被移除以用于维修或更换。在使用不同热交换器设计的可选择的实施方案中，热交换器可以类似地适于在热交换器内包括一个或更多个叶轮。例如，在板框式热交换器(plate and frame heat exchanger)中，叶轮可以位于板间传递路径的拐角端口(corner port)内，或可选择地，在热交换板的堆叠内的板可以设置有叶轮。
尽管有所附的权利要求，但本公开内容也由以下项目限定：
1.一种熔融燃料核反应堆，包括：
燃料环路，所述燃料环路包括反应堆芯和安全壳容器内的一个或更多个主热交换器，所述一个或更多个主热交换器被配置成将由核裂变产生的热传递至冷却剂；
主冷却剂环路，所述主冷却剂环路包括所述一个或更多个主热交换器和功率回收系统，所述功率回收系统被配置成使所述冷却剂循环以将能量从所述一个或更多个热交换器传递至所述功率回收系统；和
辅助冷却系统，所述辅助冷却系统包括一个或更多个辅助热交换器，所述一个或更多个辅助热交换器被配置成将来自所述冷却剂的能量传递到环境空气并且将所述空气排放到大气中；
其中所述辅助冷却系统被配置成使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。
2.如上述项目所述的熔融燃料核反应堆，其中由于在所述熔融燃料核反应堆中的所述冷却剂的密度的不同，在所述反应堆芯中的余热(excess heat)导致所述冷却剂流过所述辅助热交换器。
3.如上述项目中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中如果在所述反应堆芯中存在足够的余热以导致所述冷却剂流过所述辅助热交换器，则所述辅助冷却系统使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。
4.如项目1或从属于项目1的任一项目所述的熔融燃料核反应堆，其中所述燃料环路被封闭在所述安全壳容器和容器头部内，其中所述安全壳容器没有穿透部。
5.如项目4所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过所述容器头部中的穿透部流动至所述主热交换器和从所述主热交换器流动。
6.一种熔融燃料核反应堆，包括：
安全壳容器和容器头部；
反应堆芯，所述反应堆芯被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述反应堆芯具有上部区域和下部区域；
热交换器，所述热交换器被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述热交换器通过上部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域并且通过下部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域，所述反应堆芯、热交换器以及上部通道和下部通道形成燃料环路；以及
叶轮，所述叶轮被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述叶轮被附接至轴，所述轴通过位于所述安全壳容器和所述容器头部的外部的马达是可旋转的；
其中所述叶轮位于所述燃料环路内，使得当通过所述马达旋转时，使流体循环通过所述燃料环路。
7.如项目6所述的熔融燃料核反应堆，其中所述轴穿透所述容器头部，并且可旋转地将所述叶轮连接至位于所述容器头部上方的马达。
8.如项目6所述的熔融燃料核反应堆，其中所述轴被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内并且不穿透所述安全壳容器和所述容器头部，并且所述轴经由电磁耦合器可旋转地连接至所述马达。
9.如项目6、7或8中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述上部通道中。
10.如项目6、7或8中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述上部区域中。
11.如项目6、7或8中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述下部通道中。
12.如项目6、7或8中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述热交换器内。
13.如项目6、7或8中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述下部区域中。
14.如项目6-13中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述热交换器是封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内的多于一个的独立热交换器中的一个。
15.如项目10所述的熔融燃料核反应堆，其中所述多于一个的独立热交换器中的每个都设置有叶轮。
16.如项目10所述的熔融燃料核反应堆，其中仅存在一个被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内的叶轮。
17.如项目6-13中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述热交换器选自壳管式热交换器、板式热交换器、板壳式热交换器、印刷电路式热交换器和板翅式热交换器。
18.如项目12所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮和所述热交换器是作为单元通过所述容器头部从所述反应堆中可移除的组件。
19.如项目6-18中任一项所述的熔融燃料核反应堆，还包括：
在所述燃料环路中的至少一个扩散器。
20.一种熔融燃料核反应堆，包括：
安全壳容器和容器头部；
反应堆芯，所述反应堆芯被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述反应堆芯具有上部区域和下部区域；
多于一个热交换器，所述多于一个热交换器被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，每个热交换器具有被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域的燃料入口和被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域的燃料出口；以及
叶轮，所述叶轮在所述反应堆芯内，所述叶轮被附接至轴，所述轴通过位于所述安全壳容器和所述容器头部的外部的马达是可旋转的，
其中当通过所述马达旋转时，所述叶轮使燃料从所述反应堆芯循环通过所述多于一个热交换器。
21.如项目20所述的熔融燃料核反应堆，其中所述多于一个热交换器围绕所述反应堆芯分布。
22.如项目20或21中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述多于一个热交换器中的每个燃料入口通过相关联的上部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域，并且所述多于一个热交换器中的每个燃料出口通过相关联的下部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域。
23.如项目20-22中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述上部区域中。
24.如项目20-22中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述下部区域中。
25.如项目20-24中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述反应堆芯具有圆形水平横截面，所述圆形水平横截面在所述叶轮的位置处具有中心轴线，并且所述叶轮具有位于所述反应堆芯的所述中心轴线处的毂。
26.如项目20-25中任一项所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮包括一个或更多个叶片，所述叶片从所述毂延伸到邻近所述反应堆芯的侧面的点。
将清楚的是，本文描述的系统和方法很好地适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。本领域技术人员将认识到，本说明书中的方法和系统可以以许多方式实现，并且因此不应受前述示例性实施方案和实例的限制。在这点上，可以将本文描述的不同实施方案的任何数目的特征组合成一个单个实施方案，并且具有少于或者多于本文描述的所有特征的可选择的实施方案是可能的。
虽然为了本公开内容的目的已经描述了多种实施方案，但是可以作出多种改变和修改，这些改变和修改完全在本公开内容所预期的范围内。例如，电磁耦合器可以与顶部安装的马达一起使用以减少容器头部的穿透部的数目，在这种情况下，轴不需要穿透容器头部，例如，如图3A-图3C中所示出的。可以进行许多其他改变，这些改变将会容易地将它们自身建议至本领域技术人员，并且被包含在本公开内容的精神中。

Claims (26)

1.一种熔融燃料核反应堆，包括：
燃料环路，所述燃料环路包括反应堆芯和安全壳容器内的一个或更多个主热交换器，所述一个或更多个主热交换器被配置成将由核裂变产生的热传递至冷却剂；
主冷却剂环路，所述主冷却剂环路包括所述一个或更多个主热交换器和功率回收系统，所述功率回收系统被配置成使所述冷却剂循环以将来自所述一个或更多个热交换器的能量传递至所述功率回收系统；以及
辅助冷却系统，所述辅助冷却系统包括一个或更多个辅助热交换器，所述一个或更多个辅助热交换器被配置成将来自所述冷却剂的能量传递到环境空气并将所述空气排放到大气中；
其中所述辅助冷却系统被配置成使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。
2.如权利要求1所述的熔融燃料核反应堆，其中由于在所述熔融燃料核反应堆中的所述冷却剂的密度的不同，在所述反应堆芯中的余热导致所述冷却剂流过所述辅助热交换器。
3.如权利要求1或2所述的熔融燃料核反应堆，其中如果在所述反应堆芯中存在足够的余热以导致所述冷却剂流过所述辅助热交换器，则所述辅助冷却系统使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。
4.如权利要求1或从属于权利要求1的任一权利要求所述的熔融燃料核反应堆，其中所述燃料环路被封闭在所述安全壳容器和容器头部内，其中所述安全壳容器没有穿透部。
5.如权利要求4所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过所述容器头部中的穿透部流动至所述主热交换器和从所述主热交换器流动。
6.一种熔融燃料核反应堆，包括：
安全壳容器和容器头部；
反应堆芯，所述反应堆芯被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述反应堆芯具有上部区域和下部区域；
热交换器，所述热交换器被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述热交换器通过上部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域并且通过下部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域，所述反应堆芯、热交换器以及上部通道和下部通道形成燃料环路；以及
叶轮，所述叶轮被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述叶轮被附接至轴，所述轴通过位于所述安全壳容器和所述容器头部的外部的马达是可旋转的；
其中所述叶轮位于所述燃料环路内，使得当通过所述马达旋转时，使流体循环通过所述燃料环路。
7.如权利要求6所述的熔融燃料核反应堆，其中所述轴穿透所述容器头部，并且将所述叶轮可旋转地连接至位于所述容器头部上方的马达。
8.如权利要求6所述的熔融燃料核反应堆，其中所述轴被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内并且不穿透所述安全壳容器和所述容器头部，并且所述轴经由电磁耦合器可旋转地连接至所述马达。
9.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述上部通道中。
10.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述上部区域中。
11.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述下部通道中。
12.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述热交换器内。
13.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述下部区域中。
14.如权利要求6-13所述的熔融燃料核反应堆，其中所述热交换器是被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内的多于一个的独立热交换器中的一个。
15.如权利要求10所述的熔融燃料核反应堆，其中所述多于一个的独立热交换器中的每个都设置有叶轮。
16.如权利要求10所述的熔融燃料核反应堆，其中仅存在一个被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内的叶轮。
17.如权利要求6-13所述的熔融燃料核反应堆，其中所述热交换器选自壳管式热交换器、板式热交换器、板壳式热交换器、印刷电路式热交换器和板翅式热交换器。
18.如权利要求12所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮和所述热交换器是作为单元通过所述容器头部从所述反应堆中可移除的组件。
19.如权利要求6-18所述的熔融燃料核反应堆，还包括：
在所述燃料环路中的至少一个扩散器。
20.一种熔融燃料核反应堆，包括：
安全壳容器和容器头部；
反应堆芯，所述反应堆芯被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述反应堆芯具有上部区域和下部区域；
多于一个热交换器，所述多于一个热交换器被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，每个热交换器具有被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域的燃料入口和被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域的燃料出口；以及
叶轮，所述叶轮在所述反应堆芯内，所述叶轮被附接至轴，所述轴通过位于所述安全壳容器和所述容器头部的外部的马达是可旋转的，
其中当通过所述马达旋转时，所述叶轮使燃料从所述反应堆芯循环通过所述多于一个热交换器。
21.如权利要求20所述的熔融燃料核反应堆，其中所述多于一个热交换器围绕所述反应堆芯分布。
22.如权利要求20或21所述的熔融燃料核反应堆，其中所述多于一个热交换器的每个燃料入口通过相关联的上部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域，并且所述多于一个热交换器的每个燃料出口通过相关联的下部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域。
23.如权利要求20-22所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述上部区域中。
24.如权利要求20-22所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述反应堆芯的所述下部区域中。
25.如权利要求20-24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述反应堆芯具有圆形水平横截面，所述圆形水平横截面在所述叶轮的位置处具有中心轴线，并且所述叶轮具有位于所述反应堆芯的所述中心轴线处的毂。
26.如权利要求20-25所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮包括一个或更多个叶片，所述叶片从所述毂延伸到邻近所述反应堆芯的侧面的点。
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