CN109273121A - 一种熔盐燃料多堆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔盐燃料多堆系统。本发明的所述熔盐燃料多堆系统包括反应堆模块、换热模块、泵模块、燃料处理模块；其中，所述反应堆模块包括I类反应堆模块和II类反应堆模块，其使用同一种熔盐燃料在其中流动；并且所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为串联和/或并联布置。所述I类反应堆模块工作在过慢化区和最佳栅格点附近，用于产能、增殖。其包含一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化。所述II类反应堆模块工作在欠慢化区和无慢化区，用于增殖和嬗变。其属于次临界堆，包含一套中子源系统，来驱动反应堆。本发明的熔盐燃料多堆系统充分利用液态燃料的流动性，可在同一个系统内实现产能、增殖、嬗变等功能。

Description

一种熔盐燃料多堆系统
技术领域
本发明涉及核能利用领域，具体涉及一种熔盐燃料多堆系统。
背景技术
熔盐堆作为六种第四代反应堆中唯一的液体燃料反应堆，在固有安全性、经济性、核燃料可持续发展及防核扩散等方面具有独特优势。熔盐堆采用溶解在氟化锂、氟化钠等氟化盐中的钍或铀的液态融合物作为燃料，在高温熔融的液态下，即作为核燃料、又作为载热剂，把燃料和载热剂融合为一体，与传统的固态堆有显著的不同。熔盐堆根据不同目的，堆型结构可以做相应的调整，既可设计为热谱也可设计为快谱。
鉴于熔盐堆设计的灵活性，为了得到更好的中子性能及工程的可行性，历史上出现了几种典型的熔盐堆设计。“单流”熔盐堆，只有一种熔盐，后处理简单；“双流”熔盐堆，熔盐分为燃料熔盐和增殖熔盐，增加了反应堆增殖性能，但是，后处理难度加大；“单流分区”熔盐堆，将堆芯分为内、外两个慢化比不同的区域，增加了反应堆增殖性能；堆芯只有一种熔盐，后处理简单。
以上熔盐堆设计的共同特点是：设计变更都在同一个堆芯内完成。即在同一个堆芯内，既要考虑反应堆反应性变化又要考虑核燃料增殖，具有一定的限制性。同时，也没有充分利用熔盐堆液体燃料的流动性。另一方面，传统乏燃料嬗变，需要先从乏燃料中分离出需要嬗变的核素，然后制成合适的燃料再加入到反应堆中进行嬗变，过程非常复杂和繁琐。
因此，急需一种可以同时考虑产能、增殖、嬗变的系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于为了克服现有熔盐堆设计中存在的诸多问题，因而提供了一种新型熔盐燃料多堆系统。本发明的熔盐燃料多堆系统充分利用液态燃料的流动性，可在同一个系统内实现产能、增殖、嬗变等功能。
本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题。
本发明提供了一种熔盐燃料多堆系统，所述熔盐燃料多堆系统包括反应堆模块、换热模块、泵模块、燃料处理模块；其中，所述反应堆模块包括I类反应堆模块和II类反应堆模块，其使用同一种熔盐燃料在其中流动；并且所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为串联和/或并联布置。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，所述I类反应堆模块工作在过慢化区和最佳栅格点附近，用于产能、增殖。其包含一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化。
本发明一具体实施方式中，所述的I类反应堆模块用于产能。
本发明一具体实施方式中，所述的I类反应堆模块的堆芯活性区半径可为2.5m，高度可为5.0m。
本发明一具体实施方式中，所述I类反应堆模块的热功率可为2.0GW。
本发明一具体实施方式中，所述I类反应堆模块的转化比可为0.9。
本发明一具体实施方式中，所述I类反应堆模块的熔盐体积占总体积的比例可为19％。
本发明一具体实施方式中，当本发明所述的熔盐燃料多堆系统稳态运行时，所述I类反应堆模块1堆芯有效增殖系数可为1.01。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，所述II类反应堆模块工作在欠慢化区和无慢化区，用于增殖和嬗变。其属于次临界堆，包含一套中子源系统，来驱动反应堆。
本发明一具体实施方式中，所述的II类反应堆模块用于增殖。
本发明一具体实施方式中，所述II类反应堆模块的堆芯活性区半径可为2.2m，高度可为4.4m。
本发明一具体实施方式中，所述II类反应堆模块的热功率可为1.0GW。
本发明一具体实施方式中，所述II类反应堆模块的增值比可为1.2。
本发明一具体实施方式中，所述II类反应堆模块的熔盐体积占总体积的比例可为44％。
本发明一具体实施方式中，当本发明所述的熔盐燃料多堆系统稳态运行时，所述II类反应堆模块1堆芯有效增殖系数可为0.98。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，上述各个模块均不需进行数量限定，可采用本领域常规设置。其中，所述的I类反应堆模块和II类反应堆模块的数量可根据产能或者嬗变、增殖等需求调节，当需要加大产能(大功率输出)，则增加I类反应堆模块；当需要加大嬗变或者增殖，则增加II类反应堆模块。
本发明一具体实施方式中，所述的I类反应堆模块和II类反应堆模块的数量比可为1:1，更具体可均为一个。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，所述I类反应堆模块和II类反应堆模块使用同一种熔盐燃料在其中流动，实现产能、增殖、嬗变；所述的熔盐燃料的熔盐成分包括LiF、BeF2、ThF4和UF4中的两种或多种，例如LiF-BeF2-ThF4-UF4。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，当所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为串联布置时，所述串联布置即指上一个反应堆模块流出的熔盐燃料直接流到下一个反应堆模块。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，当所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为并联布置时，所述并联布置即指熔盐燃料汇合后同时流入多个反应堆模块，从多个反应堆模块流出后再次汇合。
本发明所述的熔盐燃料多堆系统中，所述的换热模块、所述的泵模块、所述的燃料处理模块均为本领域常规所述，不需进行特别限定。
在本发明一具体实施方式中，所述的换热模块可设为一个或两个。
在本发明一具体实施方式中，所述的泵模块可设为一个或两个。
在本发明一具体实施方式中，所述的燃料处理模块可设为一个。
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。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明提供的熔盐反应堆系统，充分利用液态燃料的流动性，同一种熔盐燃料在不同反应堆模块中流动，同时实现产能、增殖、嬗变。
2、本发明采用多堆系统，不同反应堆模块在设计时，可以分开考虑，方便于设计。即根据设计目标不同，不同反应堆模块可以工作在不同慢化区间。
3、本发明采用多堆系统，在系统模块空间布置上及功能需求上，具有一定的灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例1中的熔盐燃料多堆系统(串联式)示意图。
图2为本发明实施例2中的熔盐燃料多堆系统(并联式)示意图。
附图标记说明
1、I类反应堆模块、2、II类反应堆模块、3、换热模块、4、泵模块、5、燃料处理模块。
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验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例以热功率为2.0GW+1.0GW的熔盐燃料多堆系统为例。
如图1所示的串联式熔盐燃料多堆系统，该熔盐燃料多堆系统包括2个I类反应堆模块、2个换热模块3、2个泵模块4、1个后处理模块5。反应堆模块分为I类反应堆模块1，II类反应堆模块2。2个反应堆模块使用同一种熔盐燃料，并在不同模块中流动，即I类反应堆模块1流出的熔盐燃料直接流到下一个II类反应堆模块2中。I类反应堆模块主要用于产能。II类反应堆模块主要用于增殖。
I类反应堆模块1，热功率为2.0GW，转化比为0.9。堆芯活性区半径为2.5m，高度为5.0m；熔盐体积占总体积的比例为19％(最佳栅格点即最佳熔盐体积占总体积的比例为15％)。稳态运行时，I类反应堆模块1堆芯有效增殖系数为1.01，需要设置一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化。
II类反应堆模块2，热功率为1.0GW，增殖比为1.2。堆芯活性区半径为2.2m，高度为4.4m；熔盐体积占总体积的比例为44％，工作在欠慢化区，堆芯能谱偏硬。稳态运行时，II类反应堆模块2堆芯有效增殖系数为0.98，需要设置一套中子源系统，来驱动反应堆。
本实施例采用的熔盐为LiF-BeF2-ThF4-UF4，其摩尔比为70.0％-17.5％-0.2％-12.3％。
实施例2
本实施例以热功率为2.0GW+1.0GW的熔盐燃料多堆系统为例。
如图2所示的并联式熔盐燃料多堆系统，该熔盐燃料多堆系统包括2个I类反应堆模块、1个换热模块3、1个泵模块4、1个燃料处理模块5。反应堆模块分为I类反应堆模块1，II类反应堆模块2。2个反应堆模块使用同一种熔盐燃料，并在不同模块中流动，即分别进入I类反应堆模块1和II类反应堆模块2中，经过各自反应堆模块，流出汇总后，流入换热模块3。I类反应堆模块主要用于产能。II类反应堆模块主要用于增殖。
I类反应堆模块1，热功率为2.0GW，转化比为0.9。堆芯活性区半径为2.5m，高度为5.0m；熔盐体积占总体积的比例为19％(最佳栅格点即最佳熔盐体积占总体积的比例为15％)。稳态运行时，I类反应堆模块1堆芯有效增殖系数为1.01，需要设置一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化。
II类反应堆模块2，热功率为1.0GW，增殖比为1.2。堆芯活性区半径为2.2m，高度为4.4m；熔盐体积占总体积的比例为44％，工作在欠慢化区，堆芯能谱偏硬。稳态运行时，II类反应堆模块2堆芯有效增殖系数为0.98，需要设置一套中子源系统，来驱动反应堆。
本实施例采用的熔盐为LiF-BeF2-ThF4-UF4，其摩尔比为70.0％-17.5％-0.2％-12.3％。

Claims (10)

1.一种熔盐燃料多堆系统，所述熔盐燃料多堆系统包括反应堆模块、换热模块、泵模块、燃料处理模块；其中，所述反应堆模块包括I类反应堆模块和II类反应堆模块，其使用同一种熔盐燃料在其中流动；并且所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为串联和/或并联布置。
2.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述I类反应堆模块工作在过慢化区和最佳栅格点附近，用于产能、增殖；其包含一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化。
3.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述II类反应堆模块工作在欠慢化区和无慢化区，用于增殖和嬗变；其属于次临界堆，包含一套中子源系统，来驱动反应堆。
4.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述的I类反应堆模块用于产能；
和/或，所述的I类反应堆模块的堆芯活性区半径为2.5m，高度为5.0m；
和/或，所述I类反应堆模块的热功率为2.0GW；
和/或，所述I类反应堆模块的转化比为0.9；
和/或，所述I类反应堆模块的熔盐体积占总体积的比例为19％；
和/或，当本发明所述的熔盐燃料多堆系统稳态运行时，所述I类反应堆模块1堆芯有效增殖系数为1.01。
5.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述的II类反应堆模块用于增殖；
和/或，所述II类反应堆模块的堆芯活性区半径为2.2m，高度为4.4m；
和/或，所述II类反应堆模块的热功率为1.0GW；
和/或，所述II类反应堆模块的增值比为1.2；
和/或，所述II类反应堆模块的熔盐体积占总体积的比例为44％；
和/或，当本发明所述的熔盐燃料多堆系统稳态运行时，所述II类反应堆模块1堆芯有效增殖系数为0.98。
6.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述的熔盐燃料多堆系统中，当需要加大产能，则增加I类反应堆模块的数量；当需要加大嬗变或者增殖，则增加II类反应堆模块的数量；具体地，所述的I类反应堆模块和II类反应堆模块的数量比为1:1，更具体地均为一个；
所述的熔盐燃料多堆系统中，所述的熔盐燃料的熔盐成分包括LiF、BeF2、ThF4和UF4中的两种或多种，具体地为LiF-BeF2-ThF4-UF4。
7.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述的熔盐燃料多堆系统中，当所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为串联布置时，所述串联布置即指上一个反应堆模块流出的熔盐燃料直接流到下一个反应堆模块；
所述的熔盐燃料多堆系统中，当所述I类反应堆模块和II类反应堆模块之间为并联布置时，所述并联布置即指熔盐燃料汇合后同时流入多个反应堆模块，从多个反应堆模块流出后再次汇合。
8.如权利要求1所述的熔盐燃料多堆系统，其特征在于，
所述的换热模块设为一个或两个；
和/或，所述的泵模块设为一个或两个；
和/或，所述的燃料处理模块设为一个。
9.一种串联式熔盐燃料多堆系统，该熔盐燃料多堆系统包括2个I类反应堆模块、2个换热模块3、2个泵模块4、1个后处理模块5；反应堆模块分为I类反应堆模块1，II类反应堆模块2；2个反应堆模块使用同一种熔盐燃料，并在不同模块中流动，即I类反应堆模块1流出的熔盐燃料直接流到下一个II类反应堆模块2中；I类反应堆模块主要用于产能；II类反应堆模块主要用于增殖；I类反应堆模块1，热功率为2.0GW，转化比为0.9；堆芯活性区半径为2.5m，高度为5.0m；熔盐体积占总体积的比例为19％(最佳栅格点即最佳熔盐体积占总体积的比例为15％)；稳态运行时，I类反应堆模块1堆芯有效增殖系数为1.01，需要设置一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化；II类反应堆模块2，热功率为1.0GW，增殖比为1.2；堆芯活性区半径为2.2m，高度为4.4m；熔盐体积占总体积的比例为44％，工作在欠慢化区，堆芯能谱偏硬；稳态运行时，II类反应堆模块2堆芯有效增殖系数为0.98，需要设置一套中子源系统，来驱动反应堆；本系统采用的熔盐为LiF-BeF2-ThF4-UF4，其摩尔比为70.0％-17.5％-0.2％-12.3％。
10.一种并联式熔盐燃料多堆系统，该熔盐燃料多堆系统包括2个I类反应堆模块、1个换热模块3、1个泵模块4、1个燃料处理模块5；反应堆模块分为I类反应堆模块1，II类反应堆模块2；2个反应堆模块使用同一种熔盐燃料，并在不同模块中流动，即分别进入I类反应堆模块1和II类反应堆模块2中，经过各自反应堆模块，流出汇总后，流入换热模块3；I类反应堆模块主要用于产能；II类反应堆模块主要用于增殖；I类反应堆模块1，热功率为2.0GW，转化比为0.9；堆芯活性区半径为2.5m，高度为5.0m；熔盐体积占总体积的比例为19％(最佳栅格点即最佳熔盐体积占总体积的比例为15％)；稳态运行时，I类反应堆模块1堆芯有效增殖系数为1.01，需要设置一套反应性控制系统，用于控制反应堆反应性变化；II类反应堆模块2，热功率为1.0GW，增殖比为1.2；堆芯活性区半径为2.2m，高度为4.4m；熔盐体积占总体积的比例为44％，工作在欠慢化区，堆芯能谱偏硬；稳态运行时，II类反应堆模块2堆芯有效增殖系数为0.98，需要设置一套中子源系统，来驱动反应堆；本系统采用的熔盐为LiF-BeF2-ThF4-UF4，其摩尔比为70.0％-17.5％-0.2％-12.3％。
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