CN109074876A - 改进的熔融燃料反应堆热管理构造 - Google Patents

改进的熔融燃料反应堆热管理构造 Download PDF

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Abstract

描述了熔融燃料盐反应堆的构造，其允许通过主冷却剂主动冷却反应堆的安全壳容器。此外，描述了自然循环的反应堆构造，其中反应堆芯是基本上平截头体形状，使得反应堆芯的热中心低于主热交换器的出口。描述了热交换器构造，其中焊接部件远离反应堆芯以减少由来自反应堆的中子通量造成的损坏。还描述了径向回路反应堆构造。

Description

改进的熔融燃料反应堆热管理构造
相关申请
本申请于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来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，该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，但是可以甚至更高，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，该范围应基于本文所附的权利要求。
图1以框图形式图示出了熔融燃料反应堆的一些基本部件。
图2A-图2C图示出了仅使用自然循环来使燃料盐围绕燃料环路(fuel loop)循环的反应堆的实施方案的不同视图。
图3图示出了用于使裂变反应堆芯自然循环的改进的构造的实施方案，其中反应堆芯在底部处比在顶部处大。
图4图示出了截头圆锥形反应堆芯设计(frustoconical reactor core design)的另一个实施方案。
图5图示出了适合于使反应堆芯自然循环的十边形棱锥体(decagonal pyramid)(10个侧面的棱锥体)反应堆芯的平截头体。
图6A-图6C图示出了将安全壳容器的主动冷却集成到主冷却剂环路(primarycoolant loop)中的反应堆设计的实施方案。
图7是用于主动容器冷却的方法的实施方案的流程图。
图8图示出了具有壳侧燃料热交换器构造的反应堆的实施方案。
图9图示出了图8的反应堆的可选择的实施方案。
图10图示出了具有壳侧燃料、U形管热交换器构造的反应堆的实施方案，其中单个管板位于反应堆芯的上方。
图11图示出了具有壳侧燃料、U形管热交换器构造的反应堆的实施方案，其中单个管板在反应堆内但被横向地安装在远离反应堆芯的位置。
图12A和图12B图示出了被称为径向环路反应堆(radial loop reactor)的可选择的反应堆设计。
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以框图形式图示出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易裂变材料、任何增殖性材料(fertilematerial)或易裂变材料与增殖性材料的组合。燃料盐106可以或者可以不完全填充芯104，并且所示的实施方案被图示为具有在芯104中的燃料盐106的水平(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，以便实现和维持燃料处于持续的临界状态，在此期间，由在燃料中的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、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(primary heatexchanger)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(primary coolant)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。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图示出了一个热交换器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(Alloy200)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(AmericanSociety 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通过其循环或接触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中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可以包括在燃料环路116内的某个位置处的叶轮，该叶轮在旋转时驱动燃料盐围绕燃料环路的流动。叶轮可以被附接至旋转轴，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。
截头圆锥形反应堆芯构造
在典型的燃料盐中，较高温度的熔融盐比较低温度的盐密度小。例如，在一种燃料盐(71mol％UCl4-17mol％UCl3-12mol％NaCl)中，对于300℃的温度上升(例如，627℃上升至927℃)，计算出燃料盐密度下降18％，从3660kg/m3下降至3010kg/m3。在实施方案中，合意的是，反应堆芯和主热交换器被配置成使得通过燃料环路的燃料循环可以通过由芯中较高温度的盐和燃料环路116中其他地方较低温度的盐之间的温度差产生的密度差来驱动。这种循环可以被称为自然循环，因为在稳态运行期间，循环流由于燃料盐的密度差异而自然地发生。
图2A-图2C图示出了仅使用自然循环来使燃料盐围绕燃料环路循环的反应堆的实施方案。这种构造可以消除对燃料盐泵的需要，并且没有示出泵。这降低了反应堆200的复杂性，然而，仅依靠自然循环可能会限制可以被移除的热量，并且从而限制反应堆200的总功率输出。
图2A图示出了包括大致圆柱形反应堆芯204的反应堆200，该反应堆芯204是由在顶部的上部反射器208A、在底部的下部反射器208B以及环绕该芯的周边的横向反射器或内部反射器208C界定的体积。与图1一样，流动路径设置在反应堆芯204的顶部和底部，以允许燃料盐围绕横向反射器208C流动。在该自然循环实施方案中，在稳态裂变期间，加热的燃料盐在横向反射器208C的顶部上流动到热交换器210。燃料盐然后向下循环通过热交换器210，并且冷却的燃料盐经由在底部反射器208B和横向反射器208C之间的一个或更多个流动路径返回到反应堆芯204。在所示的实施方案中，横向反射器208B设置有在热交换器210下方被成形为凸起的导流器(flow guide)，该导流器将冷却的燃料盐流动路径收缩回到反应堆芯204中。可以使用任何类型的导流器形状。
图2B是图2A的反应堆的一半的截面图，其示出了用于燃料盐的流动路径。在所示的实施方案中，为了建模的目的，反应堆芯204的半径为1米(m)，并且高度为3m。实心的上部和下部的底部反射器208A、208B界定了燃料盐的上下范围。反射器之间的空间产生流动路径，其可选择地被称为通道或管道，允许燃料盐从反应堆芯在内部反射器上、通过主热交换器、在内部反射器下并且回到反应堆芯的底部中进行循环。一个或更多个导流挡板(flowdirecting baffle)或导向叶片可以设置在燃料环路的燃料盐管道中，以便获得更均匀的流并且均匀地分布燃料盐通过燃料环路的流动，并且以便减少燃料环路中的停滞区。
在芯中加热的燃料盐将漂浮上升并围绕内部反射器208C流动，通过热交换器210，然后通过由内部反射器208C和下部反射器208B的凸出形状界定的返回通道。在实施方案中，反射器可以是铅填充的容器，并且导向结构(例如，叶片212)是具有不锈钢的热特性的固体。所图示的轮廓和导向结构被设置以促进在热交换器的入口处的良好流动，并且减少燃料环路内再循环单元(recirculation cell)的出现和影响。
图2C图示出了在用于代表性燃料盐(71mol％UCl4-17mol％UCl3-12mol％NaCl)的一组代表性操作条件下，用于图2B中所示的实施方案的温度和流动建模结果。从建模中发现的是，最高温度是在芯204的中心的顶部处的约1150℃，并且最低温度是在热交换器210的出口处的约720℃。温度结果表明，在该模型的条件下，产生了自然循环单元，其中致密的、冷的燃料盐流入反应堆芯204的底部，从而将较轻的、热的燃料盐置换到热交换器210中。在芯204的中心正在进行的裂变对冷却的燃料盐进行再加热并且驱动循环单元，直到裂变被中断，例如通过引入慢化剂(moderator)或燃料盐的降解。
在可选择的实施方案中，反应堆可以使用泵和自然循环两者以在正常功率产生操作期间移动燃料盐通过燃料环路。在这样的实施方案中，自然循环在减小实现目标流速所需的泵的尺寸以及在一个或更多个泵失去动力的情况两者中仍然是有益的，因为即使没有主动泵送燃料盐通过燃料环路，循环以及因此冷却也将继续。
增加自然循环的强度的一种方法是通过将高温反应堆芯204选择性地定位在主热交换器210下方。这通过将最致密的盐，例如由主热交换器输出的冷却的盐，定位在燃料环路116中物理上高于最高温度(因此最小密度)的盐的位置处来增强密度差对循环的影响，所述最高温度的盐可以在反应堆芯的“热中心”处找到。
出于本公开内容的目的，“热中心”指的是基于芯的形状和尺寸在反应堆芯内的位置，在所述位置中在不存在通过反应堆的流动的情况下，由反应堆芯中正在进行的核裂变反应产生最多的热。该点在图2B中被标识，其位于在竖直和水平两者上圆柱形反应堆芯的中心处。在亚临界均质燃料盐中，由衰变热引起的热中心的位置可以通过使用由反应堆芯204界定的燃料盐体积的质心来大致估计。然而，这仅仅是一种近似，因为反射器208和其他部件的构造和形状将对反应堆芯204内的裂变反应以及因此对热中心的位置产生一定影响。
在其最简单的实施方案中(未示出)，被设计成使用自然循环的反应堆可以将主热交换器完全地定位在反应堆芯上方。然而，这种竖直堆叠的设计由于在核裂变期间在燃料盐中产生气体以及可能需要更大的安全壳容器而被复杂化。气体释放进入热交换器增加了热交换器的气塞(vapor lock)的机会，并且通常增加了复杂性并降低了热交换器的效率。由于该原因，在反应堆芯中盐的典型工作表面水平处或在其下方具有热交换器的反应堆具有某些益处。
图3图示出了用于使裂变反应堆芯自然循环的改进的构造的实施方案，其中反应堆芯在底部处比在顶部处大。在所示的实施方案中，反应堆芯304具有大致截头圆锥形的形状。截头圆锥形指的是圆锥的形状，其中顶端被平行于圆锥的基部的平面截头。图3是类似于图2A-图2C的反应堆芯300的一半的截面图。反应堆芯304被上部反射器308A、下部反射器308B和将反应堆芯与主热交换器310分开的内部反射器308C包围。与图2B中的反应堆一样，不存在顶部空间，并且整个反应堆，即反应堆芯304、通道和主热交换器310，填充有燃料盐。在反射器308A、308B、308C之间的空间产生通道，该通道允许燃料盐从反应堆芯304在内部反射器308C上、通过主热交换器310、在内部反射器308C下并且回到反应堆芯304的底部进行循环。截头圆锥形状具有将燃料盐的质心并且因此热中心324在反应堆芯304中向下移动的作用，并且要求热中心低于反应堆芯的顶部和底部之间的中点。给定主热交换器相对于反应堆芯的固定位置，这种对形状的改变，其中反应堆芯的底部大于顶部，如在圆锥的平截头体或棱锥的平截头体中出现的，将改进燃料盐在燃料环路中的自然循环。
图4图示出了截头圆锥形反应堆芯设计的另一个实施方案。图4是类似于图2A-图2C和图3的反应堆芯400的一半的截面图。反应堆芯404被上部反射器408A、下部反射器408B和将反应堆芯与竖直定向的主热交换器410分开的内部反射器408C包围。在反射器408A、408B、408C之间的空间产生通道，该通道允许燃料盐从反应堆芯404在内部反射器408C上、通过主热交换器410、在内部反射器408C下并且回到反应堆芯404的底部进行循环。再次，截头圆锥形状具有使燃料盐的质心和热中心424在反应堆芯中向下移动的作用。
图2A-图2C、图3和图4大致按相同的比例绘制，并且三者的比较说明了它们各自的热中心的近似位置的差异。在图2B中，热中心大致在反应堆芯的中心处，该中心几乎与主热交换器的底部齐平。在图3和图4中，热中心位于反应堆芯中显著较低的位置，并且明显在主热交换器的底部下方。对于热交换器的底部，其意指其中最冷的熔融盐将在系统中所处于的位置，其是热交换器的出口。例如，在管壳式热交换器中，热交换器的底部将在下部管板处。
通过使用在底部处比顶部处大的反应堆芯，如图3和图4所示的，对于任何给定的热交换器构造，其中热交换器的顶部与反应堆芯中的燃料盐水平齐平或低于该燃料盐水平，可以改变热中心相对于循环环路中最冷的燃料盐位置的位置。这还允许控制自然循环的量。在实施方案中，确定反应堆中自然循环的强度的一个性能因素是在反应堆芯的顶部和底部之间的竖直距离A即反应堆芯中的盐的深度(在图3和图4中标识为距离A)与反应堆芯的热中心在热交换器的底部下方的距离(在图3和图4中标识为距离B)的比率。在实施方案中，B/A的比率是正的，即热中心在热交换器的底部下方。B/A的比率越大，自然循环单元将越强。在实施方案中，B/A的比率在0.01和0.45之间。在又一个实施方案中，该比率在0.1和0.4之间。
被成形为圆锥的平截头体的反应堆芯只是反应堆芯形状的一个实例，所述反应堆芯形状为在底部处比顶部处大并且因此增强了通过主热交换器的自然循环。其他形状是可能的，特别是因为反应堆芯的形状基本上由上部反射器、下部反射器和内部反射器界定。例如，平截头体不必是精确地圆锥形的，而是可以是具有任意数目的平面或弯面的棱锥的平截头体，例如，三个侧面的棱锥体(3-sided pyramid)、四个侧面的(或正方形)棱锥体、五个侧面的(或五边形)棱锥体、六个侧面的(或六边形)棱锥体，等等，直到任意数目的侧面的棱锥体，每个具有被截头的顶端。
例如，图5图示出了十边形棱锥体(10个侧面的棱锥体)的平截头体，其将是用于使反应堆芯自然循环的合适的形状。此外，形状不必是轴向对称的。也就是说，反应堆芯可以被成形为梯形棱柱体(trapezoidal prism)，该梯形棱柱体具有基部、顶部、一组平行的竖直侧面和相对的一组倾斜的平面侧面。在又一个替代方案中，棱柱体的侧面中的一些可以是弯曲的，而不是平面的。反应堆芯还可以被成形为双曲线体，如在一些核设施常见的冷却塔那样，或者是不规则形状。任何这样的平截头体形状都是合适的，只要反应堆芯的基部的面积大于顶部的面积或者燃料盐的大部分质量在反应堆芯的顶部和底部之间的中点下方，使得热中心低于反应堆芯中燃料盐的水平和反应堆芯的底部之间的中点。与以下的热交换器相结合，平截头体形状的反应堆芯显著改进了在相同高度的圆柱形芯上的功率产生操作期间燃料盐的自然循环：所述热交换器具有在反应堆芯中燃料盐的水平处或在该燃料盐的水平下方的入口以及在热中心上方的出口。
集成的主动容器冷却
图6A-图6C图示出了将安全壳容器的主动冷却集成到主冷却剂环路中的反应堆设计的实施方案。图6A图示出了熔融盐反应堆600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。图6B是通过反应堆的中心和两个相对的热交换器的截面图。图6C是透视截面图，其示出了关于热交换器设计和主冷却剂的按路线发送(routing)的更多细节。在图6B和图6C中，设置支架以示出经历由于冷却剂流或燃料盐流引起的主动冷却的安全壳容器618的区段(section)。
在所示的实施方案中，反应堆芯604和热交换器610在安全壳容器618内。主安全壳容器618由衬垫(liner)或一组衬垫界定，所述衬垫产生顶部敞开的容器(open-toppedvessel)。冷却的主冷却剂从顶部进入和离开容器618，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600中，使得进入的主冷却剂首先冷却安全壳容器618的至少一部分。在所示的实施方案中，在主冷却剂入口通道630中紧邻安全壳容器618的内表面被按路线发送一段距离之后，冷却剂然后被按路线发送到主热交换器610的底部。冷却剂离开主热交换器610的顶部，并且然后被按路线发送离开安全壳容器618并到达功率产生系统(未示出)。
在所示的实施方案中，燃料盐被位于热交换器610上方的八个单独的叶轮612A驱动通过燃料环路。每个叶轮612A通过旋转轴612B被连接至位于反应堆600上方的马达(未示出)。盐通过燃料环路的流动由短划线606示出，而主冷却剂的流动由点线614示出。
所图示设计的另一方面是，离开热交换器610的冷却的燃料盐在进入反应堆芯604之前沿着安全壳容器的一部分被按路线发送。这将另外的主动冷却集成到安全壳容器中。如实施方案所示，安全壳容器在任何点都不紧邻反应堆芯。事实上，图6A-图6C的安全壳容器618仅紧邻三个部件：用于冷却的主冷却剂的入口通道630、将冷却的燃料盐返回到反应堆芯604的冷却的燃料盐通道632以及下部反射器608B。还要注意的是，下部反射器608B本身被进入反应堆芯604的冷却的燃料盐的流所冷却，该冷却的燃料盐的流然后间接地冷却安全壳容器618的邻近下部反射器的部分。因此，安全壳容器618仅邻近通过与冷却的主冷却剂或冷却的燃料盐的接触已经被主动冷却的部件。
在操作中，主冷却剂环路不仅用来移除来自熔融燃料盐的热，而且还直接移除来自安全壳容器的热并保持安全壳容器的温度。注意，如图示的系统允许通过独立控制燃料盐的流动和主冷却剂的流动来独立控制燃料温度和安全壳容器温度两者。通过调节这两种流动，操作者可能能够将芯温度和安全壳容器温度两者选择性地保持在独立的水平。此外，通过按路线发送流并在不同位置设置绝热部(insulation)，不同部件之间的热传递特性可以被调整以根据需要提供或多或少的冷却。
图7是用于主动容器冷却的方法的实施方案的流程图。在所示的实施方案中，集成的主动冷却可以被视为方法700，该方法700用于通过经由主冷却剂环路直接从熔融盐和至少一部分的安全壳容器两者中移除热来主动地冷却熔融燃料盐核反应堆中的安全壳容器。在第一直接安全壳容器冷却操作702中，在主冷却剂适当地进入燃料盐热交换器之前，安全壳容器的至少第一部分被该冷却剂冷却。这是通过以下实现的：在将冷却的主冷却剂按路线发送到主热交换器之前，将邻近安全壳容器的至少一部分的内表面的该冷却的主冷却剂按路线发送。这用来主动地冷却安全壳容器的该部分。在实施方案中，冷却剂入口通道及其在该部分中与安全壳容器的热接触可以被设计成增强冷却剂和该容器之间的热传递。
第一直接安全壳容器冷却操作702还可以包括通过将主冷却剂按路线发送通过反应堆头部来冷却反应堆头部。在实施方案中，该按路线发送可以被用于特别地冷却反应堆的上部反射器。这可以使用随后流到热交换器的相同冷却剂、随后与主冷却剂流结合的冷却剂的侧流或者使用完全分离的冷却剂流来完成。
在所示的实施方案中，在第二直接安全壳容器冷却操作704中，在冷却的燃料盐进入反应堆芯之前，安全壳容器的至少第二部分被离开主热交换器的冷却的燃料盐冷却。这可以通过将邻近安全壳容器的第二部分的内表面的冷却的燃料盐按路线发送来实现，如图6A-图6C中所示。类似于冷却剂入口通道，冷却的燃料盐通道及其在该部分中与安全壳容器的热接触可以被设计成增强冷却的燃料盐和该容器之间的热传递。
还可以执行第三间接冷却操作706。在第三操作中，冷却的燃料盐可以被按路线发送到邻近与安全壳容器的某第三部分接触的中子反射器的表面，从而冷却中子反射器并且间接地冷却与中子反射器接触的安全壳容器的第三部分。在该操作706中，取决于实施方案，反射器可以是下部反射器，例如如图6A-图6C中所示的反射器608B，或者是邻近安全壳容器的一部分的横向反射器。
主热交换器的壳侧燃料构造
在上文以任何细节所描述的情况下，已经根据壳管式热交换器讨论了主热交换器，其中燃料盐流过管并且主冷却剂穿过壳并围绕管流动。如所提及的，这可以被称为“管侧燃料”或可选择地“壳侧冷却剂”构造。然而，可以通过移动到壳侧燃料构造来获得反应堆的整体操作的改进。
已经确定的是，在其中金属部件在长的时间段暴露于高剂量辐射的环境中，预测焊接部件(welded component)的劣化比预测未焊接材料的劣化更困难。焊缝是弱的，并且在高剂量下可能会随着时间的推移而经历辐射损伤和劣化。因此，为了降低风险并提高特定设计中固有的可预测性的水平，将焊接部件尽可能远离高中子通量区域或从设计中完全消除焊接部件是有帮助的。
一个难以消除的焊接部件是管壳式热交换器中的管板。由于管板中的焊缝阻止燃料盐与主冷却剂的混合，因此焊缝随时间劣化的减少是设计因素。
反应堆设计中的改进是将热交换器设计转换为壳侧燃料设计，并且尽可能远离反应堆芯的中心移动相对的管板，同时保持在安全壳容器内。与图2A-图2C、图3、图4和图6A-6C中的设计相比，这减少了由管板接收的相对剂量。
图8图示出了具有壳侧燃料热交换器构造的反应堆的实施方案。在该实施方案中，反应堆800的一半如图4A-图6中所示。反应堆芯804被上部反射器808A、下部反射器808B和将反应堆芯与主热交换器810分开的内部反射器808C包围。在反射器808A、808B、808C之间的空间产生通道，该通道允许燃料盐(由短划线806图示)从反应堆芯804在内部反射器808C上、通过主热交换器810的壳侧、在内部反射器808C下并且回到反应堆芯804的底部进行循环。挡板812设置在壳中，以迫使燃料盐遵循围绕热交换器的管的迂回路径行进。
冷却剂流过热交换器810的管侧，但是在进入热交换器的底部之前，首先沿着邻近安全壳容器818的侧壁和一部分的底部的冷却剂入口通道830的长度向下流动。因此，所示的反应堆800使用上文参照图7描述的主动冷却方法700的实施方案，其中反应堆容器818的一部分由冷的主冷却剂直接冷却，并且下部反射器808B由返回至反应堆芯804的冷的燃料盐直接冷却。
主冷却剂通过流过下部管板831而进入热交换器810的管，所述下部管板831被图示为与反应堆芯的底部齐平。取决于实施方案，下部管板831可以处于或低于下部反射器808B的水平。冷却剂在位于图8中反应堆芯804和安全壳容器818上方一定距离的上部管板832处离开热交换器的管。冷却剂的流动还由短划线814图示。
图8图示出了在热交换器的壳内的区域834，该区域834在反应堆芯804中的盐的水平上方。该区域除了穿透管之外可以是实心的，或者可以是填充有惰性气体的顶部空间。
可以设置一个或更多个泵(未示出)来帮助燃料盐循环、主冷却剂循环或两者。例如，叶轮可以被设置在反应堆芯804的顶部处的加热的燃料盐入口通道或(如下文更详细地讨论的)反应堆芯804的底部处的冷却的燃料出口通道中的一种或两者中。同样，叶轮可以被设置在冷却剂入口通道830中，以帮助控制主冷却剂流。
图9图示出了图8的反应堆的可选择的实施方案。在所示的实施方案中，对于相同的元件，附图标记对应于图8的附图标记。图9图示出了用于管板931、932的可选择的构造，其减少了，甚至进一步减少了焊接管板暴露于来自燃料盐的中子通量。在所示的实施方案中，在管组的管处，至少部分地穿透在热交换器910的任一端处的上部反射器908A和下部反射器908B。在又一个实施方案中，管板被消除以有利于反射器908A、908B，于是反射器908A、908B起到管板防止燃料盐从壳侧泄漏到管侧上的冷却剂中的作用。
还要注意，图9图示出了在热交换器910和冷却剂入口通道930之间的第二横向反射器908D。这可以提供另外的反射，或者可以简单地是慢化剂或其他保护以减少堆芯904外部的中子通量。
主热交换器的U形管构造
反应堆设计的另一个改进是将热交换器设计转换为壳侧燃料设计，并使用U形管热交换器。在该设计中，U形管交换器的单个管板位于反应堆芯上方和安全壳容器外部，并且因此与图2A-图2C、图3、图4和图6A-图6C中的设计相比处于相对减少的剂量环境中。
图10图示出了具有壳侧燃料、U形管热交换器构造的反应堆的实施方案，其中单个管板位于反应堆芯的上方。在该实施方案中，反应堆1000的一半如图8和图9中所示。反应堆芯1004被上部反射器1008A、下部反射器1008B和界定反应堆芯并将其与主热交换器1010分开的内部反射器1008C包围。在反射器1008A、1008B、1008C之间的空间产生通道，该通道允许燃料盐(由短划线1006图示)从反应堆芯1004在内部反射器1008C上、通过主热交换器1010的壳侧、在内部反射器1008C下并且回到反应堆芯1004的底部进行循环。挡板1012设置在壳中，以迫使燃料盐遵循围绕热交换器的管的迂回路径行进。冷却剂流过热交换器1010的U形管，使得冷却剂通过单个管板1032从顶部进入管和离开管。上部管板1032在图10中位于反应堆芯1004和安全壳容器1018上方一定距离处，并且因此相对于如上所讨论的其他设计，其对辐射的暴露减少。冷却剂的流动还由短划线1014图示。
图10图示出了在热交换器的壳内的区域1034，该区域1034在反应堆芯1004中的盐的水平上方。再次，该区域除了穿透管之外可以是实心的，或者可以是填充有惰性气体的顶部空间。如果是实心的，则其可以填充有反射器材料(reflector material)，其中管组穿透该反射器材料。
再次，可以设置一个或更多个泵，或至少它们的叶轮(未示出)，以帮助燃料盐和/或冷却剂循环。例如，叶轮可以被设置在反应堆芯1004的顶部处的加热的燃料盐入口通道或反应堆芯1004的底部处的冷却的燃料出口通道中的一种或两者中。
在又一个实施方案中，诸如管板1032的焊接部件可以用中子吸收材料的板来屏蔽中子。中子吸收材料可以邻近管板被置于面对反应堆芯1004的一侧上。这样的管板、中子吸收材料组合可以用于上文讨论的任何实施方案中。中子吸收材料可以是涂层、另外的层或者与管板邻近或与管板间隔开的独立结构部件。
U形管热交换器设计的又一个实施方案将热交换器旋转90度，使得冷却剂相对于安全壳容器横向地进入和离开热交换器。
图11图示出了具有壳侧燃料、U形管热交换器构造的反应堆的实施方案，其中单个管板在反应堆内但被横向地安装在远离反应堆芯的位置。在该实施方案中，反应堆1100的一半如图4A-图6中所示。反应堆芯1104被上部反射器1108A、下部反射器1108B和将反应堆芯与主热交换器1110分开的内部反射器1108C包围。在反射器1108A、1108B、1108C之间的空间产生通道，该通道允许燃料盐(由短划线1106图示)从反应堆芯1104在内部反射器1108C上、通过主热交换器1110的壳侧、在内部反射器1108C下并且回到反应堆芯1104的底部进行循环。挡板1112设置在壳中，以迫使燃料盐遵循围绕热交换器的管的迂回路径行进。冷却剂流过热交换器1110的U形管，使得冷却剂从反应堆1000的顶部进入管和离开管。在所示的实施方案中，冷却剂在紧挨安全壳容器1118的通道中进入反应堆，并且向下流动，并且然后横向地流过管板1132的下部并流入热交换器1110中。冷却剂然后从管板1132的上部部分流出，并流出安全壳容器1118的顶部。冷却剂的流动由短划线1114图示。因为管板1132相对于上文讨论的设计离反应堆芯更远，所以对辐射的暴露减少。注意，该设计也是如上文描述的主动冷却的安全壳容器的另一个实施方案。
在又一个实施方案中，U形管可以是水平定向的(未示出)，这与图11中所示的竖直定向的U形管相反。这种定向可以在热传递方面提供益处，同时仍然将管板定位成远离高通量环境。
在实施方案中，通过在管板和燃料盐之间设置第二内部中子反射器(未示出)，管板1132被进一步保护免受中子损伤。在该实施方案中，管在与燃料盐接触之前穿透第二内部中子反射器。这用来使管板与由燃料盐发出的中子进一步远离。在可选择的实施方案中，管板1132通过中子慢化剂与燃料盐分离，所述中子慢化剂由一定量的具有相对大的中子吸收横截面的材料制成，该材料例如钢合金或包含Ag、In、Cd、Bo、Co、Hf、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu的其他材料。例如，可以使用高硼钢、Ag-In-Cd合金、碳化硼、二硼化钛、二硼化铪、硝酸钆或用作控制棒或中子吸收剂的现在已知或以后开发的任何其他材料。在实施方案中，反射器或吸收剂可以仅仅是在管板1132的盐接触侧上的适当的材料的涂层。
径向环路反应堆
图12A和12B图示出了被称为径向环路反应堆的可选择的反应堆设计。图12A是反应堆1200的平面图，并且图12B是沿图12A上所指示的线A-A的截面图。在所图示的径向环路反应堆1200的实施方案中，反应堆芯1204由上部反射器1208A、下部反射器1208B和呈管的形状的横向反射器或内部反射器1208C界定。反射器1208在芯安全壳容器1218A内，该芯安全壳容器1218A被位于安全壳容器1218A的顶部的八根加热的燃料盐出口管1209和在反应堆芯1204的底部的水平处穿透安全壳容器的八根冷却的燃料盐返回管1211穿透。每组的出口管1209、热交换器1210和返回管1211可以被称为热交换器支路(heat exchanger leg)。
八个主热交换器1210被示出为呈围绕芯安全壳容器1218A的对角构造，尽管取决于实施方案可以使用更多或更少的主热交换器1210。还应当注意的是，热交换器支路可以是竖直的，或者可以是比所示的或多或少地对角线的。
在所示的实施方案中，加热的燃料盐从反应堆芯1204通过出口管1209并通过热交换器1210循环。热交换器冷却燃料盐，然后该燃料盐经由返回管1211返回到反应堆芯1204的底部。
在所示的实施方案中，反应堆芯2204的形状是圆柱形的，但是该形状可以被修改成如上文描述的基本上截头圆锥形的反应堆芯或基本上平截头体形状的反应堆芯，以改进在操作期间燃料盐的自然循环。词语“基本上”在这里被用于表示反应堆芯的形状可以不是对于底部和顶部具有完全平坦的表面并且具有完全平坦的或圆锥形的侧面的完美的平截头体。例如，图3和图4图示出了基本上平截头体形状的反应堆芯，即使导流凸起或其他形状被设置在顶部和底部的中心处以及反应堆芯的侧面上。
在实施方案中(未示出)，一个或更多个泵(或至少这样的泵的叶轮部件)被设置在返回管和出口管1211、1209中的一个或两者中。在又一个实施方案中(未示出)，还可以在返回管和出口管1211、1209中的一个或两者中设置截止阀以及排放龙头(drain tap)，以允许八个热交换器支路中的任何一个独立地与反应堆芯1204切断并排出燃料盐，以便于维护。在实施方案(未示出)中，一个或更多个排放罐可以设置在热交换器、芯安全壳容器1218A或热交换器支路的水平下方，用于接收排放的燃料盐。在可选择的实施方案中，每个热交换器支路可以包括在入口管中的泵，该泵在燃料盐被排放时将热交换器排空燃料盐；将燃料盐返回到反应堆芯1204而不是排放罐。这种布局的一个益处是，可以调节环路支路和热交换器的角度以对将被定位在热交换器的底部的燃料泵位置(泵未示出)提供另外的灵活性。此外，在该实施方案中，不需要从下方穿过/靠近热交换器或容器穿透部的泵轴。
如图12D中所示，可以在整个反应堆芯组件周围，也就是说在反应堆1200的燃料环路中的所有部件周围，设置第二安全壳容器1218B。在实施方案中，第二安全壳容器具有足以容纳至少所有包含在反应堆中的燃料盐的容积。可以进一步增加尺寸以提供安全限度，并且定尺寸为足够大以容纳一定体积的冷却剂和反应堆中的全部体积的燃料盐。如所示的，安全壳容器可以完全地包围径向环路反应堆1200，可以部分地包围反应堆，或者可以仅仅是在反应堆1200下方的具有足够尺寸的大容器。在该实施方案中，主冷却剂从第二安全壳容器1218A的上方循环通过主热交换器1210。
径向环路反应堆1200允许主热交换器1210的尺寸不受反应堆芯1204的高度的限制。此外，由于热交换器在芯安全壳容器1218A的外部，因此它们可以更容易地维修和控制，以及更远离反应堆芯，并且因此接收减少剂量的辐射。
尽管有所附的权利要求，但本公开内容也由以下项目限定：
1.一种熔融盐核反应堆，包括：
基本上平截头体形状的反应堆芯，所述反应堆芯包含可裂变燃料盐，所述反应堆芯具有加热的燃料盐出口、冷却的燃料盐入口和在所述冷却的燃料盐入口上方的热中心；
至少一个热交换器，所述至少一个热交换器在位于所述反应堆芯的加热的燃料盐出口下方的热交换器燃料盐入口处接收加热的燃料盐，将来自所述燃料盐的热传递至冷却剂，并且在被流体地连接至所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口的热交换器燃料盐出口处排出冷却的燃料盐；并且
其中所述反应堆芯的所述热中心处在所述热交换器燃料盐出口下方的水平；并且
其中当所述反应堆处于临界状态时，在强制流动损失的情况下，所述热中心的位置引起自然循环。
2.如项目1所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯具有一深度，所述深度是在所述反应堆芯中的燃料盐的顶部水平和所述反应堆芯中的燃料盐的底部之间的距离，所述反应堆还包括：
其中在所述热中心的所述热交换器燃料盐出口下方的距离与所述热中心的所述反应堆芯的深度的比率在0.1和0.45之间。
3.如项目1或2所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯的形状选自圆锥的平截头体、棱锥的平截头体、梯形棱柱体或双曲线体。
4.如项目1或从属于项目1的任何项目所述的熔融盐核反应堆，还包括：
安全壳容器，所述安全壳容器容纳所述反应堆芯和所述至少一个热交换器。
5.如项目1或从属于项目1的任何项目所述的熔融盐核反应堆，还包括：
由马达驱动的至少一个叶轮，所述叶轮位于所述热交换器燃料盐入口和所述反应堆芯的加热的燃料盐出口之间的通道中，并且适于将燃料盐流驱动入所述热交换器中。
6.如项目1或从属于项目1的任何项目所述的熔融盐核反应堆，其中当所述反应堆处于亚临界状态时，在强制流动损失的情况下，所述热中心的位置引起自然循环。
7.如项目1或从属于项目1的任何项目所述的熔融盐核反应堆，还包括：
至少一个导流挡板，所述至少一个导流挡板在所述反应堆芯和所述至少一个热交换器之间引导燃料盐流。
8.如项目1或从属于项目1的任何项目所述的熔融盐核反应堆，还包括：
上部中子反射器，所述上部中子反射器界定所述反应堆芯的顶部；
下部中子反射器，所述下部中子反射器界定所述反应堆芯的底部；以及
至少一个内部中子反射器，所述至少一个内部中子反射器界定所述反应堆芯的侧面，所述至少一个内部中子反射器位于所述至少一个热交换器和所述反应堆芯之间。
9.如项目8所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯的加热的燃料盐出口是在所述上部中子反射器和至少一个内部中子反射器之间的管道。
10.如项目8或9所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口是在所述下部中子反射器和至少一个内部中子反射器之间的管道。
11.如项目1或从属于项目1的任何项目所述的熔融盐核反应堆，其中所述至少一个热交换器是壳管式热交换器，其中所述燃料盐流过所述壳管式热交换器的管。
12.如项目1-10所述的熔融盐核反应堆，其中所述至少一个热交换器是壳管式热交换器，其中所述燃料盐流过所述壳管式热交换器的壳。
13.如项目4或从属于项目4的任何项目所述的熔融盐核反应堆，其中进入的冷的冷却剂在所述冷却剂流入所述至少一个热交换器中之前冷却所述安全壳容器的第一部分。
14.如项目4或从属于项目4的任何项目所述的熔融盐核反应堆，其中从所述热交换器燃料盐出口排出的所述冷却的燃料盐在经由所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口进入所述反应堆芯之前冷却所述安全壳容器的第二部分。
15.一种用于主动地冷却在熔融燃料盐核反应堆中的安全壳容器和燃料盐的方法，包括：
使主冷却剂流入与所述安全壳容器的第一部分相邻的安全壳容器中，从而冷却所述第一部分；
使主冷却剂流入在所述安全壳容器内并与所述安全壳容器间隔开的热交换器中，所述热交换器排出冷却的燃料盐；
将排出的冷却的燃料盐按路线发送通过邻近所述安全壳容器的第二部分的通道，从而冷却所述第二部分；
将冷却的燃料盐按路线发送通过邻近中子反射器的通道，从而冷却所述中子反射器；以及
其中冷却的中子反射器邻近所述安全壳容器的第三部分，使得冷却所述中子反射器间接地冷却所述第三部分。
16.如项目15所述的方法，其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括：
使所述冷却剂流过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道，所述冷却剂入口管道被热连接至所述安全壳容器的所述第一部分。
17.如项目15或16所述的方法，其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括：
使所述冷却剂通过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道流动到邻近热交换器冷却的燃料盐出口的热交换器冷却剂入口。
18.如项目15或从属于项目15的任何项目所述的方法，其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括：
使所述冷却剂流过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道，所述冷却剂入口管道被热连接至所述安全壳容器的所述第一部分。
19.如项目15或从属于项目15的任何项目所述的方法，其中所述燃料盐是至少一种裂变盐和至少一种非裂变盐的混合物。
20.如项目15或从属于项目15的任何项目所述的方法，其中所述燃料盐包括以下裂变盐中的一种或更多种：UF6、UF4、UF3、ThCl4、UBr3、UBr4、PuCl3、UCl4、UCl3、UCl3F和UCl2F2。
21.如项目15或从属于项目15的任何项目所述的方法，其中所述燃料盐包括以下非裂变盐中的一种或更多种：NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3和/或NdCl3。
22.如项目15或从属于项目15的任何项目所述的方法，其中所述燃料盐是UCl4、UCl3以及NaCl和MgCl2中的一种或两种的混合物。
23.一种熔融燃料核反应堆，包括：
上部中子反射器，所述上部中子反射器界定反应堆芯的顶部；
下部中子反射器，所述下部中子反射器界定所述反应堆芯的底部；
至少一个内部中子反射器，所述内部中子反射器界定所述反应堆芯的侧面；
至少一个热交换器，所述至少一个热交换器在位于反应堆芯的加热的燃料盐出口下方的热交换器燃料盐入口处接收加热的燃料盐，将来自所述燃料盐的热传递至冷却剂，并且在被流体地连接至反应堆芯的冷却的燃料盐入口的热交换器燃料盐出口处排出冷却的燃料盐；
所述至少一个热交换器包括通过所述上部中子反射器、所述下部中子反射器、所述内部中子反射器或中子慢化剂中的一种与所述燃料盐分离的焊接部件。
24.如项目23所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板。
25.如项目24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板，所述冷却剂通过所述管板离开所述至少一个热交换器，并且所述管板通过所述上部中子反射器与所述燃料盐分离。
26.如项目24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板，所述冷却剂通过所述管板进入所述至少一个热交换器，并且所述管板通过所述下部中子反射器与所述燃料盐分离。
27.如项目24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板，所述冷却剂通过所述管板进入和离开所述至少一个热交换器。
28.如项目27所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过其进入和离开所述至少一个热交换器的所述管板位于所述反应堆芯上方。
29.如项目27或28所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过其进入和离开所述至少一个热交换器的所述管板通过所述上部中子反射器与所述燃料盐分离。
30.如项目27或28所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过其进入和离开所述至少一个热交换器的所述管板通过中子吸收剂与所述燃料盐分离。
31.一种径向环路熔融盐反应堆，包括：
反应堆芯安全壳容器；
在所述反应堆芯安全壳容器中的一个或更多个反射器，所述一个或更多个反射器界定所述反应堆芯安全壳容器内的反应堆芯体积(reactor core volume)；以及
在所述反应堆芯安全壳容器外部间隔开的多于一个热交换器支路，每个热交换器支路具有反应堆出口管、热交换器和反应堆入口管，所述反应堆出口管被配置成从所述反应堆芯体积接收加热的燃料盐，所述热交换器将热从所述加热的燃料盐传递至主冷却剂从而产生冷却的燃料盐，所述反应堆入口管被配置成将所述冷却的燃料盐返回到所述反应堆芯体积中。
32.如项目31所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
在所述反应堆芯体积内的可裂变燃料盐。
33.如项目30或31所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
容纳所述反应堆芯安全壳容器和所述多于一个热交换器支路的第二安全壳容器，所述第二安全壳界定足以容纳至少所有包含在反应堆芯安全壳容器和所述多于一个热交换器支路中的所述燃料盐的体积。
34.如项目30或从属于项目30的任何项目所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
在所述多于一个热交换器支路中的至少一个中的至少一个叶轮，所述至少一个叶轮被配置成将燃料盐流驱动通过所述多于一个热交换器支路中的至少一个。
35.如项目30或从属于项目30的任何项目所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
在所述多于一个热交换器支路中的每个中的叶轮，所述叶轮被配置成将燃料盐流驱动通过所述热交换器支路。
36.如项目30或从属于项目30的任何项目所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述热交换器是壳管式热交换器。
37.如项目36所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述主冷却剂循环通过所述热交换器的壳侧。
38.如项目36所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐循环通过所述热交换器的壳侧。
39.如项目30或从属于项目30的任何项目所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐包括以下裂变盐中的一种或更多种：UF6、UF4、UF3、ThCl4、UBr3、UBr4、PuCl3、UCl4、UCl3、UCl3F和UCl2F2。
40.如项目30或从属于项目30的任何项目所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐包括以下非裂变盐中的一种或更多种：NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3和/或NdCl3。
41.如项目30或从属于项目30的任何项目所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐是UCl4、UCl3以及NaCl和MgCl2中的一种或两种的混合物。
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，并因此不应受前述示例性实施方案和实例的限制。在这点上，本文描述的不同实施方案的任何数量的特征可以组合成一个单独的实施方案，并且具有少于或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各种实施方案，但是可以作出各种改变和修改，这些改变和修改完全在本公开内容所预期的范围内。
可以作出对本领域技术人员将容易地想到它们并且被涵盖在本公开内容的精神中的许多其他改变。

Claims (41)

1.一种熔融盐核反应堆，包括：
基本上平截头体形状的反应堆芯，所述反应堆芯包含可裂变燃料盐，所述反应堆芯具有加热的燃料盐出口、冷却的燃料盐入口和在所述冷却的燃料盐入口上方的热中心；
至少一个热交换器，所述至少一个热交换器在位于所述反应堆芯的加热的燃料盐出口下方的热交换器燃料盐入口处接收加热的燃料盐，将来自所述燃料盐的热传递至冷却剂，并且在被流体地连接至所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口的热交换器燃料盐出口处排出冷却的燃料盐；并且
其中所述反应堆芯的所述热中心处在所述热交换器燃料盐出口下方的水平；并且
其中当所述反应堆处于临界状态时，在强制流动损失的情况下，所述热中心的位置引起自然循环。
2.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯具有一深度，所述深度是在所述反应堆芯中的所述燃料盐的顶部水平和所述反应堆芯中的所述燃料盐的底部之间的距离，所述反应堆还包括：
其中在所述热中心的所述热交换器燃料盐出口下方的距离与所述热中心的所述反应堆芯的所述深度的比率在0.1和0.45之间。
3.如权利要求1或2所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯的形状选自圆锥的平截头体、棱锥的平截头体、梯形棱柱体或双曲线体。
4.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，还包括：
安全壳容器，所述安全壳容器容纳所述反应堆芯和所述至少一个热交换器。
5.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，还包括：
由马达驱动的至少一个叶轮，所述叶轮位于所述热交换器燃料盐入口和所述反应堆芯的加热的燃料盐出口之间的通道中，并且适于将燃料盐流驱动入所述热交换器中。
6.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，其中当所述反应堆处于亚临界状态时，在强制流动损失的情况下，所述热中心的位置引起自然循环。
7.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，还包括：
至少一个导流挡板，所述至少一个导流挡板在所述反应堆芯和所述至少一个热交换器之间引导燃料盐流。
8.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，还包括：
上部中子反射器，所述上部中子反射器界定所述反应堆芯的顶部；
下部中子反射器，所述下部中子反射器界定所述反应堆芯的底部；以及
至少一个内部中子反射器，所述至少一个内部中子反射器界定所述反应堆芯的侧面，所述至少一个内部中子反射器位于所述至少一个热交换器和所述反应堆芯之间。
9.如权利要求8所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯的加热的燃料盐出口是在所述上部中子反射器和至少一个内部中子反射器之间的管道。
10.如权利要求8或9所述的熔融盐核反应堆，其中所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口是在所述下部中子反射器和至少一个内部中子反射器之间的管道。
11.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆，其中所述至少一个热交换器是壳管式热交换器，其中所述燃料盐流过所述壳管式热交换器的管。
12.如权利要求1、2、3-9或11所述的熔融盐核反应堆，其中所述至少一个热交换器是壳管式热交换器，其中所述燃料盐流过所述壳管式热交换器的壳。
13.如权利要求4所述的熔融盐核反应堆，其中进入的冷的冷却剂在所述冷却剂流入所述至少一个热交换器中之前冷却所述安全壳容器的第一部分。
14.如权利要求4所述的熔融盐核反应堆，其中从所述热交换器燃料盐出口排出的所述冷却的燃料盐在经由所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口进入所述反应堆芯之前冷却所述安全壳容器的第二部分。
15.一种用于主动地冷却在熔融燃料盐核反应堆中的安全壳容器和燃料盐的方法，包括：
使主冷却剂邻近所述安全壳容器的第一部分流入所述安全壳容器中，从而冷却所述第一部分；
使主冷却剂流入在所述安全壳容器内并与所述安全壳容器间隔开的热交换器中，所述热交换器排出冷却的燃料盐；
将排出的冷却的燃料盐按路线发送通过邻近所述安全壳容器的第二部分的通道，从而冷却所述第二部分；
将冷却的燃料盐按路线发送通过邻近中子反射器的通道，从而冷却所述中子反射器；以及
其中冷却的中子反射器邻近所述安全壳容器的第三部分，使得冷却所述中子反射器间接地冷却所述第三部分。
16.如权利要求15所述的方法，其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括：
使所述冷却剂流过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道，所述冷却剂入口管道被热连接至所述安全壳容器的所述第一部分。
17.如权利要求15或16所述的方法，其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括：
使所述冷却剂通过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道流动到邻近热交换器的冷却的燃料盐出口的热交换器冷却剂入口。
18.如权利要求15或16所述的方法，其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括：
使所述冷却剂流过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道，所述冷却剂入口管道被热连接至所述安全壳容器的所述第一部分。
19.如权利要求15或16所述的方法，其中所述燃料盐是至少一种裂变盐和至少一种非裂变盐的混合物。
20.如权利要求15或16所述的方法，其中所述燃料盐包括以下裂变盐中的一种或更多种：UF6、UF4、UF3、ThCl4、UBr3、UBr4、PuCl3、UCl4、UCl3、UCl3F和UCl2F2。
21.如权利要求15或16所述的方法，其中所述燃料盐包括以下非裂变盐中的一种或更多种：NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3和/或NdCl3。
22.如权利要求15或16所述的方法，其中所述燃料盐是UCl4、UCl3以及NaCl和MgCl2中的一种或两种的混合物。
23.一种熔融燃料核反应堆，包括：
上部中子反射器，所述上部中子反射器界定反应堆芯的顶部；
下部中子反射器，所述下部中子反射器界定所述反应堆芯的底部；
至少一个内部中子反射器，所述内部中子反射器界定所述反应堆芯的侧面；
至少一个热交换器，所述至少一个热交换器在位于反应堆芯的加热的燃料盐出口下方的热交换器燃料盐入口处接收加热的燃料盐，将来自所述燃料盐的热传递到至冷却剂，并且在被流体地连接至反应堆芯的冷却的燃料盐入口的热交换器燃料盐出口处排出冷却的燃料盐；
所述至少一个热交换器包括通过所述上部中子反射器、所述下部中子反射器、所述内部中子反射器或中子慢化剂中的一种与所述燃料盐分离的焊接部件。
24.如权利要求23所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板。
25.如权利要求24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板，所述冷却剂通过所述管板离开所述至少一个热交换器，并且所述管板通过所述上部中子反射器与所述燃料盐分离。
26.如权利要求24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板，所述冷却剂通过所述管板进入所述至少一个热交换器，并且所述管板通过所述下部中子反射器与所述燃料盐分离。
27.如权利要求24所述的熔融燃料核反应堆，其中所述焊接部件是管板，所述冷却剂通过所述管板进入和离开所述至少一个热交换器。
28.如权利要求27所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过其进入和离开所述至少一个热交换器的所述管板位于所述反应堆芯上方。
29.如权利要求27或28所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过其进入和离开所述至少一个热交换器的所述管板通过所述上部中子反射器与所述燃料盐分离。
30.如权利要求27或28所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过其进入和离开所述至少一个热交换器的所述管板通过中子吸收剂与所述燃料盐分离。
31.一种径向环路熔融盐反应堆，包括：
反应堆芯安全壳容器；
在所述反应堆芯安全壳容器中的一个或更多个反射器，所述一个或更多个反射器界定所述反应堆芯安全壳容器内的反应堆芯体积；以及
在所述反应堆芯安全壳容器外部间隔开的多于一个热交换器支路，每个热交换器支路具有反应堆出口管、热交换器和反应堆入口管，所述反应堆出口管被配置成从所述反应堆芯体积接收加热的燃料盐，所述热交换器将热从所述加热的燃料盐传递至主冷却剂从而产生冷却的燃料盐，所述反应堆入口管被配置成将所述冷却的燃料盐返回到所述反应堆芯体积中。
32.如权利要求31所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
在所述反应堆芯体积内的可裂变燃料盐。
33.如权利要求30或31所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
容纳所述反应堆芯安全壳容器和所述多于一个热交换器支路的第二安全壳容器，所述第二安全壳界定了足以容纳至少所有包含在反应堆芯安全壳容器和所述多于一个热交换器支路中的所述燃料盐的体积。
34.如权利要求30或31所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
在所述多于一个热交换器支路中的至少一个中的至少一个叶轮，所述至少一个叶轮被配置成将燃料盐流驱动通过所述多于一个热交换器支路中的至少一个。
35.如权利要求30或31所述的径向环路熔融盐反应堆，还包括：
在所述多于一个热交换器支路中的每个中的叶轮，所述叶轮被配置成将燃料盐流驱动通过所述热交换器支路。
36.如权利要求30或31所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述热交换器是壳管式热交换器。
37.如权利要求36所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述主冷却剂循环通过所述热交换器的壳侧。
38.如权利要求36所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐循环通过所述热交换器的壳侧。
39.如权利要求30所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐包括以下裂变盐中的一种或更多种：UF6、UF4、UF3、ThCl4、UBr3、UBr4、PuCl3、UCl4、UCl3、UCl3F和UCl2F2。
40.如权利要求30所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐包括以下非裂变盐中的一种或更多种：NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3和/或NdCl3。
41.如权利要求30所述的径向环路熔融盐反应堆，其中所述燃料盐是UCl4、UCl3以及NaCl和MgCl2中的一种或两种的混合物。
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