CN110741444B - 熔盐反应堆 - Google Patents
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Abstract
一种装置，该装置被适配为用于通过核裂变产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管和/或该芯容器具有入口和出口，该装置进一步包括具有可裂变材料的熔融燃料盐以及熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及氧化还原元素，该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势或者大于该内管材料和该芯容器材料的还原电势，其中该熔融慢化剂盐位于该芯容器中并且该熔融燃料盐位于该内管中，或者其中该熔融燃料盐位于该芯容器中并且该熔融慢化剂盐位于该内管中。本发明还涉及使用该装置来控制核裂变过程的方法以及熔盐用于慢化在裂变反应过程中产生的裂变中子的用途，该熔盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种氘氧化物或其组合以及氧化还原元素。
Description
技术领域
本发明涉及熔盐核裂变反应堆，该反应堆包括反应堆芯，该反应堆芯包括带有可裂变材料的熔融燃料盐、带有用于中子慢化的慢化剂材料的熔融慢化剂盐。在下文中，此类反应堆将简称为熔盐反应堆或MSR。本发明还涉及在核裂变反应堆中使用该熔融慢化剂盐来控制核裂变过程的方法。
本发明更具体地涉及用于MSR的慢化剂材料、用于慢化MSR的方法、以及慢化剂材料在MSR中的用途。
现有技术
核裂变产生典型地在从100keV至2MeV的能量范围内的高能中子。发生裂变事件的概率取决于中子能量。在所谓的快速反应堆中，由裂变产生的未慢化的中子直接与其他核进行相互作用。热和超热核裂变反应堆依赖于慢化剂来降低能量以提高裂变概率。核裂变反应堆因此能通过两种不同的原理来运行，即快速反应堆以及热和超热反应堆。
在快速反应堆中，高能中子直接与裂变材料进行相互作用以产生能量、裂变产物和高能中子。快速反应堆不依赖于存在慢化剂，因而在本专利中将不作考虑。
在热和超热反应堆中，由裂变产生的高能中子与慢化剂交换能量并且最终与裂变材料发生相互作用以产生能量、裂变产物和更多的高能中子。第二代和第三代轻水反应堆(LWR)是此类反应堆的典型实例并且是商业核反应堆系列的中坚力量。水冷反应堆具有的固有缺点在于冷却水必须保持在非常高的压力下才能达到合理的高工作温度。在这样的构造中由各种故障造成的蒸气和气体爆炸已经造成了核工业中一些最严重的事故。类似的缺点对于用作慢化剂的水也存在。
无论关于裂变燃料的设计选择如何，都必须通过与热和超热核裂变反应堆中的慢化剂材料相互作用来使高能中子减速。对于第二代和第三代核反应堆，裂变材料以固态形式，作为空心管之内的金属混合物或金属氧化物，被保持在裂变载体中。裂变材料一直处于固态并且因此是固定的。较新的第三代和第四代裂变反应堆典型地是基于固态陶瓷氧化物燃料但是还包括新型设计，在该新型设计中裂变材料为固态且固定的(例如卵石床反应堆)；液态且固定的(稳定盐反应堆)；或液态且循环的(熔盐反应堆)。
无论与燃料相关的设计选择如何，适当的慢化剂材料通常应为中子与裂变原子之间的相互作用提供以下特征：
·应存在较高的通过散射进行相互作用的概率。这等同于中子在多次相互作用之间的短平均自由程并且影响慢化剂和反应堆芯的大小。
·应包括轻重量的慢化剂原子。在散射事件中中子将能量传递给慢化用材料并且被减速。原子越轻，每次相互作用传递的能量就越大。
·应存在低的中子吸收概率。吸收在慢化剂中减少了可用于裂变的中子流量并且增加了材料活化的严重程度。因此，在慢化剂中具有低吸收度典型地是有利的。
理想的慢化剂应提供多种附加的特征：
·它在工作条件下应为液态。使用处于液态的慢化剂提供了使用固态慢化剂不可获得的冷却可能性。这还改进了在中子辐射下的使用寿命并且能够实现化学再处理。
·它应可以在高温下工作。反应堆芯中的高工作温度具有与外冷却回路交换更多能量的潜能，并且因此承载了具有更高反应堆效率的可能性。更高的温度还产生了更高的涡轮机效率，并且能够实现不同的工业过程的热生产。
·它应允许低工作压力。低工作压力降低了为减轻由事故造成的风险所需的安全特征的复杂度。这还降低了对结构和工程学的要求。
·慢化剂材料应可以足够量、稳定的供应以及可预测的价格水平在世界市场上获得。
·所使用的材料不应具有附加的化学或环境风险。
上文列出的这些要求将可能性限制在了轻原子氢、氘、锂、铍和碳中，而这些元素中没有单一的元素满足上文列出的所有要求。
下面的表1总结了各种现有技术的慢化剂材料的慢化特性。ζ为将高能中子降低到热能等级所需的散射事件的平均数量，MFP是以cm计的弹性散射的平均自由程，并且Σabs是对每米吸收的中子数量的度量。
表1.各种现有技术的慢化剂材料的慢化效果。
在上文表1中的信息产生了以下结论：水(H2O)是非常紧密的慢化剂。氘化水(D2O)、铍(Be)和石墨(C)是在低中子吸收方面特别良好的慢化剂。这并不意外，因为这反映在商业和研究型反应堆的当前使用中。此外，由于需要大的慢化剂尺寸，纯锂(Li)是不适合的。纯钠(Na)没有实际意义上的慢化作用。化学计量比的化合物2 7LiF:1BeF2为良好的慢化剂。氧化镁(MgO)没有慢化作用。作为陶瓷材料的实例将MgO包括在此。7LiOH是紧密的慢化剂并且具有低吸收度。
熔盐反应堆(molten salt reactor)是基于溶解在熔盐(molten salt)中的临界浓度的裂变材料。熔盐可以具有7LiF作为基础，以及一定含量的裂变元素的氟化物盐和其他组分。这通常称为燃料盐。20世纪50年代和60年代特别是在橡树岭国家实验室(OakRidge National Laboratory)已经对MSR进行了研究，但是一直没有成功商业化。MSR具有超过其他反应堆类型(包括现今正在商用的那些)的若干优点。MSR能够从钍增殖裂变233U、能够产生比铀/钚反应堆低得多的超铀锕系废料水平、能够在高温下工作、能够避免挥发性放射性裂变产物在固态燃料棒中累积并且与在常规反应堆中可能的情况相比能够燃烧更大量的裂变材料。
在20世纪50年代和60年代中遇到的若干缺点导致MSR无法商业化。一个缺点在于，所使用的大多数类型的MSR采用石墨作为中子慢化剂。
石墨由以六角形晶格排列的碳原子组成并且出于至少三个原因而被用作中子慢化剂。首先，具有12u(统一原子质量单位)质量的碳原子与重为1u的中子相比是相当轻的。其结果是，在每次与碳原子的弹性散射事件中发生碰撞的中子能够失去相当大量的能量。另外，石墨是相当致密的并且碳的散射横截面是可接受的，使得碰撞频繁。包括慢化剂的密度和慢化效率两者的品质值(value-of-merit)是减速效力SDP，定义为
SDP＝ζ*N*σs，
其中ζ是使快速中子热化所需的散射事件的平均数量，N是原子密度，并且σs是微观的弹性散射横截面。对于石墨，SDP为0.060。应注意，SDP越高越好。其次，天然碳的微观吸收横截面是特别低的。第三，石墨是丰富的、相当廉价的、且对于用在反应堆中而言具有有利的热特性和结构特性。
然而，作为慢化剂，石墨具有若干缺点，包括以下这些：
-需要相当大体积的石墨才能获得所希望的中子慢化水平，这导致大的反应堆芯。
-固态石墨受到中子辐射的损伤，因为高能中子撞击并损伤石墨的晶体结构。这点与结构材料的腐蚀一起代表了当前对石墨慢化的反应堆芯而言限制使用寿命的因素。
-在生产足够的纯度、均匀度和密度的反应堆级别石墨中涉及相当大的困难并且因此还有相当大的成本。
-在MSR芯中的石墨被高能中子活化，产生具有5730年半衰期的14C，从而要求将退役的石墨作为高级别核废料储存相当长的时间。
-在高温下，当与空气接触时石墨燃烧并且具有复杂的温度扩展反应活性系数(temperature expansion reactivity coefficients)，这些系数有定向依赖性并且随着石墨的辐射而变化。
从纯反应堆物理视点来看，ZrHx是非常良好的慢化剂。由于锆组分具有相当小的(总)微观横截面，ZrHx的慢化特性主要受构成氢核的单独质子影响。具有1u原子质量的氢使得可以与入射中子交换的能量最大化。其结果是，由于ZrHx具有大于5g/cm3的密度，即使对于低x值而言，氢的密度也非常高。因此，ZrHx展现出出色的减速效力。例如，在x＝1.8的氢分数下，ZrHx具有2.91的减速效力。最近已经在US 2013/083878(还作为WO 2013/077941A2公开)中描述了在MSR中使用ZrHx作为慢化剂。
然而，尽管它有卓越的慢化特性，ZrHx尚未广泛用于反应堆应用。这是由于若干原因。首先，ZrHx具有复杂的结构表现，这取决于氢含量和温度两者。公知的是，当暴露于对于熔盐反应堆而言正常的工作空间内的温度时，在x＝1.6附近只有很小的范围ZrHx不经历相变。其次，ZrHx中的氢含量也取决于温度。因此，在稳态运行中，当由于中子和伽玛加热在慢化剂之内将存在温度梯度时，在ZrHx中存在氢梯度，从而使预测其结构表现更为复杂。在由负荷跟踪或意外情形造成的较大温度波动下，氢将在慢化剂中重新定位并且被放出或潜在地在表面被吸收，再次改变ZrHx中氢的量。
关于ZrHx作为慢化剂的另外的缺点包括以下这些：
-ZrHx在空气存在下在高温下燃烧。
-当与熔盐接触时，ZrHx发生放热反应，从而潜在地释放可燃的氢气。
-当与水在高温下接触时，ZrHx产生可燃的氢气和氧气。
-为了从熔盐中分离ZrHx，需要特殊的包覆材料，这些包覆材料具有i)高可靠性，ii)低可透过性，以及iii)可以维持(潜在地由氢气释放造成的)高的背压。
-ZrHx相当昂贵，并且至少比石墨更昂贵。这部分是由于在生产核级别锆时锆和铪的高成本的分离过程，这种分离过程是必需的因为铪具有大的中子捕捉横截面。
-为了使ZrHx慢化剂之内的氢重定位最少，需要繁杂的冷却方案来随时控制温度。
因此，在现有技术中总体上希望提供一种具有替代性慢化剂材料的MSR。
C.E.Teeter et al.:“The Catalog of nuclear reactor concepts”,Argonne National Library,USA,1965[C.E.Teeter等人：核反应堆概念目录，阿贡国家图书馆，美国，1965年],(Teeter等人)披露了直至1965年为止经过科学研究的大量不同熔盐反应堆概念。除了使用石墨或ZrHx作为慢化剂的不同概念之外，Teeter等人还披露了在悬浮液反应堆中使用氢氧化钠(NaOH)、7LiOH和7LiOD作为组合式慢化剂和冷却剂，旨在推进不同的运输工具并且尤其推进飞机和潜艇，并且所有都具有循环的慢化剂。要注意的是，在用于推进移动装置且因此被移动的(通常伴随快速和/或突然的运动)反应堆中，强制的慢化剂循环是必需的，以便提供足够的冷却来避免反应堆芯的过热。Teeter等人还提到关于氢氧化物且尤其NaOH作为慢化剂的若干令人沮丧的问题。据称非常难将铀化合物溶解在NaOH中，并且氢氧化物造成了如此之低的转化率，使得在需要小临界质量时内部增殖是不可行的。更重要地，另外据称氢氧化物和氘氧化物、尤其NaOD是非常具腐蚀性的，并且尤其循环氢氧化物和氘氧化物、尤其NaOD的更换导致关于腐蚀的问题。
G.P.Smith:“Corrosion of materials in fused hydroxides”,Oak Ridge National Laboratory,USA,1956[G.P.Smith：熔化氢氧化物中材料的腐蚀，美国，1956年]，(G.P.Smith)还强调使用氢氧化物、尤其NaOH时遇到的腐蚀问题并且提到这些问题是由氢氧根离子和/或碱金属离子造成的。G.P.Smith还称，当存在杂质时腐蚀尤其严重。此外，G.P.Smith称已经对至少31种单质金属和65种合金进行了研究，当经受熔化氢氧化物作用时全都展现出腐蚀。
因此这两个文件直接传授了反对在MSR中使用金属氢氧化物作为中子慢化剂。换言之，在本领域传授内容中存在明显的偏见：在裂变反应堆(尤其熔盐反应堆)中一般而言不使用金属氢氧化物、且具体而言不使用氢氧化钠和氢氧化锂作为慢化剂。
另外，在1964年6月17日公开的GB 960,720 A披露了可用作中子慢化剂的多种陶瓷物质，这些物质甚至在高温(1000℃-2000℃)下也保持固态。在GB960,720A中建议的物质包括CaZrO2H1.8、LiZr0.2O0.5H2/3和CeO3/4H1.5。这些物质全都是已经氢化的金属氧化物，即已经将氢气吸收到晶格中。然而，由于中子辐射造成的结构退化以及由此类慢化剂的中子活化引起的废料问题，固态慢化剂在MSR中是不利的。另外，固态慢化剂的冷却效果低或甚至可忽略，因此需要分开的冷却系统，这进而导致了大的反应堆芯。
造成MSR尚未商业化的第二个缺点在于不可溶的裂变产物将使MSR的泵和热交换器淤塞。因此，熔盐反应堆的最有用的设计要求附加的再处理工厂以从燃料盐中连续去除裂变产物。这进而使得MSR复杂、昂贵且要求广泛的开发工作。
第三个缺点、可能是造成MSR尚未商业化的最决定性的缺点是熔盐是高度腐蚀性的。这已经造成了对开发耐腐蚀金属合金的广泛研究。虽然事实上已经开发了一些适当的金属合金，如镍基超合金，但是这些合金极为昂贵并且在长时间之后通常仍然出现腐蚀。
基于碳和/或碳化物(例如碳化硅)的新复合材料在理论上具有化学耐受性以承受熔盐，但是从这样的材料构建复杂结构既非常有挑战性也非常昂贵。
出于上述原因中的至少一个，在20世纪60年代后期对熔盐反应堆的研究基本被放弃，而偏向钠快速反应堆或现今常用类型的传统裂变反应堆。
之后，唯一的关注点一直是将石墨和水作为裂变反应堆中的慢化剂。
最近，MSR重新赢得关注。然而，在这些关于慢化剂材料的新尝试中，关注点仍然几乎仅仅是在石墨上，例外是上述US 2013/083878，其中建议使用氢化物、尤其ZrHx作为慢化剂。
MSR的其他实例在US 2015/243376和US 2016/005497中披露。US 2015/243376披露了一种模块式裂变反应堆，该裂变反应堆具有芯反应堆储器，该芯反应堆储器包括储器壳体、熔盐和燃料组合。储器壳体包括衬在储器壳体内部的保护层；该保护层可以包含石墨或经涂覆的陶瓷材料。
US 2016/005497披露了一种核裂变反应堆，该核裂变反应堆具有芯，该芯具有中空燃料管阵列，每个中空燃料管包含一种或多种裂变同位素的熔盐。燃料管阵列浸没在冷却液池中。可以通过自然对流、机械搅拌、振荡式熔盐流或熔盐的沸腾来将热从每个燃料管中的熔盐传递到管外部。通常依赖耐腐蚀合金(例如镍合金)来进行对腐蚀的防护，但是建议在冷却剂盐中包括锆金属样品。
因此，本领域中至今仍然希望提供具有替代性慢化剂材料的MSR，该材料减轻了与使用石墨和ZrHx还有与使用水相关的缺点(因为水作为慢化剂带有其自身的缺点，最重要的是与保持燃料盐熔融所需的温度相比非常低的熔点)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种熔盐反应堆(MSR)中的慢化剂，该慢化剂减轻了上述问题并且允许构造小规模反应堆。
本发明的另一个目的是同时解决上述与熔盐反应堆中的腐蚀相关的问题。
根据本发明的第一个方面，这些目的和其他目的通过一种装置来实现，该装置被适配为用于通过核裂变产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管和/或该芯容器具有入口和出口，该装置进一步包括具有可裂变材料的熔融燃料盐以及熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及氧化还原元素，该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势或者大于该内管材料和该芯容器材料的还原电势，其中该熔融慢化剂盐位于该芯容器中并且该熔融燃料盐位于该内管中，或者其中该熔融燃料盐位于该芯容器中并且该熔融慢化剂盐位于该内管中。慢化剂材料被布置且适配为用于慢化在反应堆芯中发生的裂变反应过程中产生的裂变中子，并且包含至少一种金属氢氧化物、至少一种氘氧化物或其组合。慢化剂因此可以为金属氢氧化物和/或金属氘氧化物。在本发明的上下文中，这两个术语可以互换使用，使得尤其在化学反应的上下文中当单独提及“氢氧化物”或“氘氧化物”时应解释为“氢氧化物和/或氘氧化物”。
在一个实施方案中，该至少一种金属氢氧化物和/或该至少一种金属氘氧化物包含选自包括碱金属、碱土金属或碱金属和碱土金属组合的金属组的金属。相关的碱金属包括锂(Li)尤其7Li、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)。类似地，相关的碱土金属包括镁(Mg)、钙(Ca)、铍(Be)、锶(Sr)，钡(Ba)。在本发明中用作慢化剂的这些氢氧化物为液态，即熔盐，并且因此不由中子辐射引发结构损伤。对于氢氧化物、且尤其对于NaOH，从中子捕获产生的大多数同位素是稳定的(例如2H，或“D”以及17O)或快速衰减成稳定形式(例如24Na)。因此，不存在与退役相关的问题。
另外，氢氧化物且再次尤其是NaOH直至其沸点都是稳定的并且不分解成其他化合物。
此外，氢氧化物的结构表现(尤其在液态形式中)比(固态的)ZrHx容易预测得多。相变可以在固态NaOH中发生但不会在熔融NaOH中发生。最终，氢氧化物制造价格低廉且不需要复杂或繁杂的冷却方案。
此外，尤其当考虑到石墨和ZrHx的上述缺点时，提供包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合的慢化剂材料具有以下的其他优点：氢氧化物比石墨更高效地进行慢化，因为散射主要通过氢原子进行，氢原子以相对高的密度分布。例如NaOH展现出0.67的减速效力，这比石墨多出约十倍。因此，与石墨慢化剂相比，具有基于氢氧化物的慢化剂的MSR可以建造得更紧凑，从而减小反应堆芯的总尺寸。类似的结论对于其他氢氧化物(尤其金属为碱金属或碱土金属的其他氢氧化物)也是相关的。
因此，通过提供包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合的慢化剂材料，提供减轻了与现有技术慢化剂材料相关问题的MSR，该MSR制造简单且便宜、可以变得非常紧凑并且因此开创小规模开发的新可能性、并且在拆解该MSR时需要退役的材料较少。
该慢化剂材料进一步包含氧化还原元素。具体而言，熔融慢化剂盐与内管材料相接触，并且氧化还原元素也可以例如直接或经由熔融慢化剂盐与内管材料相接触。氧化还原元素还可以与芯容器材料相接触。适当时，氧化还原元素具有比内管材料和/或芯容器材料更大的还原电势。还原电势的确定对本领域技术人员而言是公知的。然而，本发明人已经发现，熔盐中、即在与本发明相关的条件下的还原电势可以容易地从标准电极电势估算。例如，标准电极电势可以在298.15K的温度下对于每种水性物质种类或汞齐中的物质种类在1mol/l的有效浓度下，对于气态反应物在101.325kPa(绝对压力)(1atm，1.01325巴)的分压下，对于每种纯的固体、纯的液体或对于水(溶剂)在为一的活度下进行估算。
本发明人另外已经发现，还原电势还可以从氧化还原元素以及内管材料和/或芯容器材料的电负性来估算。例如，在一个具体的实施方案中，内管材料包含金属，并且氧化还原元素是根据泡林标度(Pauling scale)具有比内管材料的金属和/或芯容器材料的金属的电负性的更低的电负性的金属。在这个实施方案的上下文中，氧化还原元素通常是呈其金属形式、即处于0氧化态的金属。此外，在本发明的上下文中，因为考虑到在氧化还原元素与内管材料和/或芯容器材料的相应值之间的关系，术语“还原电势”和“电负性”可以容易地彼此替代。一般而言，至少内管材料将与熔融慢化剂盐相接触并且在这个实施方案中内管材料将包含金属(例如金属合金)，例如由其制成。当内管材料“包含”金属时，应理解为内管总体上由金属制成，在适当时带有其他金属或材料的区段。当在这个实施方案中内管材料包含合金时，应理解为合金的电负性是合金所基于的金属(即构成合金的至少50％(w/w)的金属)的电负性。然而，合金还可以包含其他金属，即具有比合金的基础金属更低的电负性的金属。例如，合金可以基于具有铜、钴、铬、铁、锰等含量的镍。类似地，氧化还原元素并不限于单一的元素而是可以为金属混合物。
氧化还原元素不限于金属元素，而是氧化还原元素应提供比与熔盐(例如熔融慢化剂盐)相接触、直接接触或物理接触的一种或多种固态材料的还原电势更大的还原电势。任何适合的元素或材料都可以用作氧化还原元素。在一个具体的实施方案中，氧化还原元素包含或者为Sr、Ca、Li、Rb、K、Ba、Li2C2、Na、Mg、Th、U、Be、Al或Zr或其组合中的任何一者。在本发明的上下文中，当元素仅以其一个或两个字母的符号列出时，通常理解为它们是处于0氧化态。因此，当将金属用作氧化还原元素时，应理解它处于其金属形式，即处于零氧化态。然而，当元素表示为特定同位素时，例如232Th、233U，这些元素可以处于任何氧化态，并且尤其可以为盐的一部分。
在另一个方面中，本发明涉及熔盐用于慢化在包含裂变材料的反应堆芯中发生的裂变反应过程中产生的裂变中子的用途，该熔盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及选自由Sr、Ca、Li、Rb、K、Ba、Li2C2、Na、Mg、Th、U、Be、Al或Zr或其组合组成的组的氧化还原元素。在仍另外的方面中，本发明涉及熔盐用于慢化在具有金属区段并包含裂变材料的反应堆芯中发生的裂变反应过程中产生的裂变中子的用途，该熔盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及氧化还原元素，其中该氧化还原元素是根据泡林标度具有电负性的金属，该金属的电负性低于该反应堆芯的该金属区段的电负性。
在另外的方面，本发明涉及在本发明装置中控制核裂变过程的方法。因而，这些方法包括提供根据本发明的装置的步骤并且可以进一步包括以下步骤：
-向该内管中引入熔融燃料盐，该熔融燃料盐包含碱金属的氟化物和裂变元素，
-向该芯容器中引入熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及氧化还原元素，该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势或者大于该内管材料和该芯容器材料的还原电势，
-提供与该内管的该入口和该出口处于流体连通的热交换器，以便限定热交换回路，该热交换回路用于从在该热交换回路中循环的该熔融燃料盐中去除热量，
-在该热交换回路中循环该燃料盐，以便控制在该内管中该燃料盐的温度。当将熔融燃料盐引入到内管中时，该内管应具有入口和出口。
在另一个方面，该方法进一步包括以下步骤：
-向该内管中引入熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及氧化还原元素，该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势，
-向该芯容器中引入熔融燃料盐，该熔融燃料盐包含碱金属的氟化物和裂变元素，
-提供与该入口和该出口处于流体连通的热交换器，以便限定热交换回路，该热交换回路用于从在该热交换回路中循环的该熔盐中去除热量，
-在该热交换回路中循环该熔盐，以便控制在该芯容器中该燃料盐的温度。这个方面可以使用本发明装置的任何实施方案。具体而言，该内管不要求入口和出口，使得慢化剂盐在内管中是固定的。还可以在本发明的装置中进行本发明的任何一种方法，其中该氧化还原元素是位于该内管材料的表面上或位于该内管材料和该芯容器材料的表面上的牺牲材料；在这种情况下，熔融慢化剂盐不需要包含作为悬浮液或呈溶解或熔融形式的氧化还原元素，因为氧化还原元素存在于该装置中。然而，还可以使该装置具有氧化还原元素作为位于表面上的牺牲材料，同时应用其中具有作为悬浮液或以溶解或熔融形式存在的氧化还原元素的熔融慢化剂盐。
这两个方法方面的任何实施方案一般都可以在本发明装置的任何实施方案中进行。类似地，本发明的用途方面的任何实施方案都可以在本发明装置的任何实施方案中进行。然而，这些用途方面并不限于本发明的装置，并且该用途可以按希望在任何适当的反应堆中进行。
MSR将典型地包含熔盐之上(例如熔融燃料盐之上和/或熔融慢化剂盐之上)的覆盖气体。覆盖气体应是化学惰性的，并且优选的覆盖气体包括稀有气体(例如氩气)，但是覆盖气体可以包含控制熔体的氧化还原电势和/或含氧酸性(oxoacidity)的化学物质种类(如H2O、H2、HF等)。例如，在对应的实施方案和方面中，与将气体(例如H2O)鼓泡穿过熔融慢化剂盐和/或穿过熔体燃料盐一起，可以改变和控制覆盖气体的组成。
本发明装置具有熔融燃料盐和熔融慢化剂盐。然而，该装置还可以包含具有不同功能的另外的熔盐。该装置例如可以包含熔融冷却剂盐。在本发明中可以使用任何燃料盐组成。例如，熔融燃料盐可以包含任何可裂变元素，例如裂变锕系元素或可以转变为裂变元素的元素，例如钍。在一个优选的实施方案中，燃料盐具有碱金属(例如锂)氟化物基础、钍和裂变元素，例如具有裂变元素氟化物盐和钍含量的7LiF，以及任选地其他组分。燃料盐优选具有共晶组成，例如78摩尔百分比的7LiF基础和22摩尔百分比的ThF4，以组成为LiFAnFn的锕系盐作为补充，其中An为裂变锕系元素，并且n为3或4。
燃料盐可以在燃料含量方面进行描述。在本发明的上下文中，“燃料含量”是裂变锕系元素级分的阳离子摩尔分数，以单位“cmol％”表达，即裂变锕系元素(例如233U、235U、239Pu和241Pu)的总量除以燃料盐中所有锕系元素的总量。因此，燃料盐可以用以下等式代表：
燃料盐＝a NaF+b AnF4
其中Na代表任何碱金属，而An代表一种或多种锕系元素；对于a＝22％且b＝78％，混合物为共晶。确切地说，AnF4的An可以包含钍和裂变元素，其中裂变元素(尤其233U、235U、239Pu和241Pu)的摩尔含量是燃料含量并且优选在锕系元素(即An)的2cmol％至10cmol％的范围内。
燃料盐优选包含钍，并且在裂变锕系元素(例如233U、235U和239Pu)的裂变期间产生的中子将把非裂变的232Th转化为裂变的233U。当使用术语“燃料含量”时，这一般是指在裂变反应引发时的组成。由氧化还原元素提供的改进的腐蚀耐受性允许该装置的更长的使用寿命，从而通过本发明提供可行的基于钍的核反应堆。在没有腐蚀耐受性的情况下，预期在可能基于所生成的233U来运行之前，熔盐就使该装置降解。
该装置的燃料盐包含可裂变材料。在本发明的上下文中，“可裂变材料”是可以经受来自热中子的核裂变的材料，例如“裂变”材料或可以例如通过吸收中子而转化为裂变材料的材料。因而例如235U、239Pu和232Th是可裂变材料，而233U、235U、239Pu和233U是裂变材料。
本发明装置包含在熔融慢化剂盐中的慢化剂材料。类似地，本发明涉及带有慢化剂的熔盐的用途，它还用在本发明的方法中。慢化剂材料包含或者是金属氢氧化物、金属氘氧化物或金属氢氧化物和金属氘氧化物的组合。当被引入到本发明的装置中时，慢化剂可以具有任何适合的形式。例如，慢化剂可以为熔盐，或慢化剂可以呈固体形式。熔融氢氧化物和氘氧化物盐是极具腐蚀性的，并且迄今为止，将其用作核裂变反应中的慢化剂一直都是不实际的。已知的是向熔盐添加金属组分，以便操控氧化还原电势并且降低由熔盐导致的腐蚀。例如，在MSR的上下文中，已经将金属铍添加到熔融氟-锂-铍(FLiBe)中以降低氧化还原电势并且几乎消除了腐蚀。然而据信，熔盐中的氢氧化物与大多数金属反应，这根据反应(A)将氢氧化物还原成H2：
反应(A)2NaOH+2/x Me->Na2O+2/x MeOx/2+H2
预期所形成的氢气将扩散离开熔盐，从而将损失氢气，并且因此还将损失慢化效果。已经观察到镍、钴、铜及其合金(Williams et al.,1956,Naval Research Laboratory[Williams等人，1956年，海军研究实验室],78:5150-5155)参与或造成进一步的附加的反应：
反应(B)MeOx+x H2->Me+x H2O
反应(C)Na2O+1/2H2->NaOH+Na
反应(D)H2O+Na->NaOH+1/2H2
反应(B)、反应(C)和反应(D)已经被解释为阐明为什么镍基合金对由熔融NaOH导致的降解具有一定的固有耐受性。然而，通过添加不同于镍、铜或钴的金属进行进一步保护预期仅仅造成根据反应(A)形成氢气。因此，通过向(金属)氢氧化物或氘氧化物的熔盐添加金属，预期将损失熔盐的慢化效果。本发明人现在已经出人意料地发现，当熔融慢化剂盐包含如上定义的氧化还原元素时，该氧化还原元素将为容器材料提供所希望的腐蚀防护而没有损失慢化作用。在不受理论束缚的情况下，本发明人相信添加氧化还原元素，例如以金属氢氧化物和氧化还原元素的总量的最高达10％(w/w)的氧化还原元素量，将造成形成反应(A)至反应(D)中的平衡，这有利地防止了由于扩散而移除氢气。本发明人进一步相信，所形成的任何H2还将与相应容器材料中存在的金属形成氢化物，这进一步造成了保留慢化剂作用。据信，这种作用尤其在熔盐的高温下得到促进，其中H2被认为是“被迫”进入存在的任何金属中。本发明人相信，可以在芯容器材料、内管材料或者芯容器材料和内管材料两者中形成氢化物。具体而言，熔融慢化剂盐存在于内管之内或在内管所处的芯容器中，使得氢化物可以存在于能够提供慢化作用的内管材料中。因此，本发明允许基于氢氧化物和/或氘氧化物的慢化剂盐控制核裂变过程。当内管材料还有芯容器材料包含基于镍、铜、钴及其混合物(例如由其制成)时，添加氧化还原元素的作用尤其明显，因为这些金属进一步反应(B)、反应(C)、反应(D)。因此，在一个优选的实施方案中，内管材料以及任选地还有芯容器材料是镍基合金，例如哈氏合金。在本发明的上下文中，镍基合金是具有至少50％镍的合金。对于钴基和铜基合金也是这种情况。
在某一个实施方案中，内管材料与氧化还原元素的泡林电负性之间的差异是在0.8至1.2的范围内，例如内管材料是基于镍，而氧化还原元素是基于碱金属或碱土金属。在另一个实施方案中，内管材料与氧化还原元素的泡林电负性之间的差异是在0.3至0.8的范围内。在仍另一个实施方案中，内管材料与氧化还原元素的泡林电负性之间的差异是或低于0.3，例如内管材料是基于镍，而氧化还原元素是过渡金属。本发明人已经出人意料地观察到，当泡林电负性差异较低(例如是或低于0.3)时，这足以提供腐蚀防护并且与使用较大电负性差异时相比，进一步有利地使在熔融慢化剂盐中形成总体上较少的H2。
本发明不限于在熔融慢化剂盐中使用氧化还原元素，并且熔融燃料盐也可以包含氧化还原元素。对于熔融慢化剂盐描述的任何氧化还原元素可以用于熔融燃料盐。本发明装置的反应堆芯进一步包含如上所述的氧化还原元素。氧化还原元素可以存在于与该装置一起使用的任何熔盐中，例如燃料盐、作为熔盐的慢化剂或者冷却剂盐(如果存在)。当使用多于两种熔盐时，每种熔盐可以具有相同或不同的氧化还原元素。
本发明人已经观察到，当基于氢氧化物或氘氧化物的慢化剂盐组成氧化还原元素的最高达10％(w/w)时，可以维持氢氧化物或氘氧化物的慢化作用(见例如图6)。因此，在一个具体的实施方案中，氧化还原元素的浓度在1g/kg至100g/kg包括氧化还原元素的熔融慢化剂盐的总重量的范围内。如果浓度高于100g/kg，则没有获得足够的慢化效果，即氢/氘的量过低。具体而言，如果浓度高于100g/kg，氢氧化物将与氧化还原元素反应从而降低氧化还原元素相对于其余盐的浓度。然而，即使氧化还原元素的量降低，也不会重新获得慢化作用。
核裂变反应堆可以在其功率密度(P)方面进行描述，功率密度是指由于核裂变和放射性衰减每单位体积-时间的在芯内燃料盐中产生的热量的(平均)量。当反应堆中的中子总数从一代到下一代保持稳定(创造的新中子与损失的中子一样多)，裂变链式反应是自维持的并且反应堆的条件被称为“临界”。由于在MSR中的热生产是由链式反应驱动的并且因为在反应堆芯中不存在固态燃料，所以功率密度的理论上限是非常高的，比在正常运行中所希望的高得多。功率密度因此可以被认为是设计选择而不是设计特征。反应堆芯功率密度取决于燃料盐的循环时间、存留分数、物理特性以及最终取决于入口/出口温度差。MSR中燃料盐功率密度的品质因数以如下方式给出：
其中f是燃料存留时间分数，τc是循环时间，c燃料和ρ燃料分别是熔融燃料盐的比热容和密度，并且ΔT是入口温度与出口温度之间的差。
一般而言，更高的功率密度能够实现更小的芯体积。然而，对于给定的功率输出和芯体积，功率密度应保持得尽量低，以减少来自衰减产物的存留热生产以及对芯的辐射损伤(这减少了反应堆的使用寿命)。因此，确定特定的燃料功率密度是使芯体积最小化与使反应堆控制和使用寿命最大化之间的折中。
反应堆芯体积取决于反应堆形状因子F。形状因子是多少芯体积由燃料组成并且由此多少芯体积对热生产有贡献的度量。在热反应堆中，形状因子是慢化剂效率的品质因数。一般而言，慢化越好，形状因子越小，并且因此，由于本发明使得在MSR中可以使用基于氢氧化物/氘氧化物的慢化剂，即由于由氧化还原元素提供的腐蚀防护，与使用其他慢化剂(例如石墨)的MSR相比可以大大改进形状因子。在下文中，我们将一般的热反应堆的形状因子定义为总芯体积与芯内燃料盐体积之比：
其中V芯是芯容器的总体积并且V芯，燃料是燃料的体积，例如内管的体积或芯容器体积减去内管体积，这取决于熔融燃料盐的位置。因而，慢化剂对燃料的芯内体积比通过R＝F-1与形状因子相关(不考虑包覆层)。在一个实施方案中，可以为柱状的芯容器包含熔融慢化剂盐，并且熔融燃料盐被包含在内管中，该内管包括在此实施方案中被称为“燃料棒”的以六角形图案排列(例如在图3中描绘的)的管件，形状因子F可以根据下式估算：
其中l是相邻棒之间的距离，δ是燃料棒包覆层厚度、即内管材料的厚度，并且r棒是燃料棒的半径。
反应堆芯的总体积(不包括燃料罩层(blanket)和遮蔽物)通过以下适用于一般MSR的品质值给出：
其中f是燃料存留时间分数，τc是循环时间，c盐和ρ盐分别是熔融燃料盐的比热容和密度。因而，对于给定的功率密度和功率，形状因子越小，芯体积越小。由此，本发明的装置可以被制造得比现有技术的MSR更小，而保持高功率，因为使用金属氢氧化物/氘氧化物作为慢化剂可以获得小得多的形状因子。这适用于当使用氧化还原元素时或当将电流施加到熔盐上时。
燃料盐和慢化剂通常是彼此分开的，虽然也可以设想，可以将它们彼此混合。一般而言，熔盐(例如燃料盐和/或慢化剂材料)被包含(例如包围)在容器中。例如，慢化剂可以存在于芯容器中或内管中。可以选择任何适合的材料用于这两种容器之一。然而，优选的是，芯容器材料和/或内管材料包含金属或为金属性的。例如，在一个实施方案中，该装置具有由一种或多种耐腐蚀金属或合金(如镍基合金，例如哈氏合金)制成的芯容器。一般而言，该装置的任何材料可以由耐腐蚀金属(例如哈氏合金)制成。相同的合金对于内管也是同样相关的。据信，容器的面对熔融慢化剂盐的具有氧化还原元素的金属性区段参与上述基于氢化物的作用，并且金属作为容器材料是优选的。
还可设想的是，可以通过在熔盐(例如熔融慢化剂盐和/或熔融燃料盐)上施加电流(例如直流电或交流电)来获得腐蚀防护。例如，内管材料和/或芯容器材料可以包含金属或可以为金属性的，并且内管材料可以用作阳极，而且芯容器材料可以用作阴极，反之亦然。还可能的是将金属阳极和阴极插入熔盐中。这样的阳极例如可以由金或铂制成或涂覆有金或铂，但是其他金属也是可设想的。
一般而言，典型地在核裂变反应堆中以比裂变材料(例如熔盐)更大的体积需要慢化剂，并且另外裂变材料(例如熔融燃料盐)应尽量均匀分布在慢化剂中以便使慢化剂维持(即慢化)核裂变过程。这进一步意味着，熔融慢化剂盐将必然与包围它的容器具有大接触表面，除非将熔融慢化剂盐与熔融燃料盐混合。大接触表面增加了容器材料被氢氧化物或氘氧化物的腐蚀。然而，将氧化还原元素添加到熔融慢化剂盐降低了腐蚀效果，并且由此提供的较大表面积的可用性使上述氢化物维持效果最大化。
在一个实施方案中，氧化还原元素是碱金属。碱金属将必然熔化并且还可能溶解在熔盐中，由此确保氧化还原元素的更好的混合。改进的混合在腐蚀防护中是有利的，因为氧化还原元素高效地混合到慢化剂盐中。在一个具体的实施方案中，慢化剂材料是碱金属氢氧化物或氘氧化物盐，并且氧化还原元素是相同的碱金属。例如，慢化剂可以是NaOH/NaOD并且氧化还原元素可以是Na，慢化剂可以是KOH/KOD并且氧化还原元素可以是K，等等。包含不同碱金属的金属氢氧化物/氘氧化物的混合物也是可能的。当慢化剂盐包含特定的金属离子(例如钠、钾、镁、钙)时，该特定的金属在其金属形式中(即作为氧化还原元素)可以有利地溶解在熔盐中，而仍然维持其作为氧化还原元素的功能。由此确保了甚至更好的混合。
氧化还原元素可以分布在熔融慢化剂盐中，或者氧化还原元素可以被附着到内管材料和/或芯容器材料的表面或者为该表面的一部分。因而，氧化还原元素可以具有比慢化剂盐的熔点更低的熔点，例如氧化还原元素可以是碱金属，将该氧化还原元素熔融(例如溶解)在熔融慢化剂盐中。氧化还原元素还可以具有比熔盐的温度(例如熔点)更高的熔点，并且可以作为颗粒材料在熔盐中的悬浮液存在。例如，颗粒可以具有在0.1mm至10mm范围内的尺寸。作为颗粒材料在熔盐中的悬浮液或者作为熔盐中的熔融或溶解材料使用的氧化还原元素可以以在1g/kg熔盐至100g/kg熔盐(即包括氧化还原元素的熔融慢化剂盐)的范围内的量存在。颗粒状氧化还原元素是有利的，因为它允许熔盐中的氧化还原元素混合并由此到达表面以防护腐蚀。此外，当氧化还原元素处于颗粒形式时，添加附加的氧化还原元素得以简化。当氧化还原元素包含在0.1mm至10mm范围内、尤其0.5mm至2mm范围内尺寸的颗粒时，氧化还原元素颗粒将提供与熔融慢化剂盐接触的表面积，该表面积对于控制根据反应(A)到反应(D)的反应而言是最优的，从而在使H2的产生最小化的同时造成足够的腐蚀防护。在一个特定的实施方案中，氧化还原元素作为具有比熔融慢化剂盐更高熔点的材料存在，例如碱土金属、过渡金属、镧系和/或锕系元素，并且氧化还原元素作为具有在0.1mm至10mm范围内、尤其在0.5mm至2mm范围内的颗粒以在1g/kg至100g/kg包括氧化还原元素的熔融慢化剂盐总重量的范围内的浓度存在。在另一个特定的实施方案中，与基于镍基合金的内管材料一起使用氧化还原元素。
在本发明装置的一个实施方式中，将氧化还原元素附着到表面或为表面的一部分。这通常是指牺牲材料。然而，牺牲材料还可以是指牺牲阳极或电镀阴极保护系统。在本发明的上下文中，术语“牺牲材料”、“牺牲阳极”和“电镀阴极保护系统”可以互换使用，并且代表典型地位于材料(例如内管材料或芯容器材料)表面上用于对相应材料提供针对熔盐的腐蚀防护的固体结构。在这些实施方案中，氧化还原元素将具有高于熔融慢化剂盐温度的熔点。因此，氧化还原元素可以包含或者为Sr、Ca、Ba、Li2C2、Mg、Th、U、Be、Al或Zr或其组合中的任何一者。牺牲材料、牺牲阳极或电镀阴极保护系统可以具有所希望的任何形状或形式，例如作为块或片等等放置在待保护的表面上。块或片的厚度典型地可以为最高达10mm或更大。在一个特定的实施方案中，内管材料或芯容器材料的面向熔融慢化剂盐的表面在面积的10％至90％范围内的表面区段上配备有氧化还原元素。氧化还原元素典型地将具有在0.5mm至5mm范围内的厚度。
当氧化还原元素为牺牲材料、牺牲阳极或电镀阴极保护系统时，氧化还原元素的质量不限于并且可以构成金属氢氧化物和氧化还原元素的组合质量的较大比例。然而，优选的是，氧化还原元素(即牺牲材料、牺牲阳极或电镀阴极保护系统)的体积分数在熔融慢化剂盐和氧化还原元素的组合体积的1％(V/V)至20％(V/V)的范围内。
牺牲材料和牺牲阳极具有以下优点：在反应堆芯中仅占据有限空间量以及简单、相当低廉且替换相当容易。电镀阴极保护系统具有以下的附加优点：与牺牲元素相比，在反应堆芯中占据甚至更小的空间量，因为此类系统中的大部分或所有元件可以被放置在反应堆芯之外。
氧化还原元素吸引并且经受与熔盐的化学反应，从而造成氧化还原元素优先于待保护材料被腐蚀并且因此还保护其他元件免于腐蚀，尤其在反应堆芯中与熔盐相接触的那些元件。另外，这样的保护系统可以被确定大小以匹配反应堆芯的大小，使得仍然可能提供具有非常紧凑的反应堆芯结构的MSR。
氧化还原元素可能逐渐用掉，因为它优先于待保护材料而降解，例如氧化还原元素参与反应(A)至反应(D)。因此优选的是，如果在适当时还希望针对熔融燃料盐进行防护，氧化还原元素为与熔盐的金属构成部分(例如金属氢氧化物或金属氘氧化物的金属构成部分或者燃料盐的金属构成部分)相同的金属。金属构成部分还可以被称为金属部分，并且这两个术语可以互换使用。应理解，这些金属构成部分呈氧化形式，例如呈盐的形式。这简化了相应盐的后续处理，因为没有由于氧化还原元素的降解而将另外的元素添加到盐中。
熔融氢氧化物部分解离成水和氧化物，并且这些物质种类的相对浓度定义了熔体的“含氧酸性”。含氧酸性的概念类似于水溶液中的酸性，其中水解离成水合氢离子和氢氧根离子：
水在熔体中的浓度越大，含氧酸性越大。我们使用pO2-或pH2O来定义熔体的酸性和碱性，即为类似于水中的pH标度的概念：
pO2-＝-log[O2-]
pH2O＝-log[H2O]
可以通过将熔体的氧化还原电势和含氧酸性维持在一定数值范围内(其中发生容器材料的有限的溶解)来控制熔融氢氧化物中的腐蚀。对于许多金属和合金(包括镍基合金)而言，这通常是具有还原性电势的酸性熔体(即熔融氢氧化物的还原电势，该还原电势低于与熔融氢氧化物接触的材料的还原电势)，但是尚不足够还原性而无法形成氢气或氢化物。在227℃下在NaOH-KOH共晶中镍的电势-含氧酸性图在图7中示出(J.Goret and B.Trémillon,Electrochim.Acta[J.Goret和B.Trémillon，电化学学报].12(1967)1065–1083)；从这个图中可以看到，在足够低的电势下和/或通过使用酸性熔体(即低pH2O值)可以避免可溶的镍酸根阴离子NiO2 2-的形成。在不受理论束缚的情况下，发明人相信，可以通过多价可溶化合物的相对量来控制熔盐中的电势，并且可以通过穿过盐使气体鼓泡(例如在氢氧化物的情况下H2O)或者通过添加固定量的强氧化物供体(例如Na2O)来控制含氧酸性。另外，可设想的是，可以通过控制覆盖气体的组成来控制含氧酸性，例如可以控制H2O的分压。在本发明的上下文中，本发明人进一步将氧化还原元素定义为可以通过、例如用上述方法来控制熔融氢氧化物的氧化还原电势和/或熔融氢氧化物的含氧酸性的化学物质种类。
在一个实施方案中，将氧化还原元素随时间(例如在装置的使用寿命中)添加到相应的熔盐中。例如，可以对于该装置定义替换率。替换率可以表达与氧化还原元素或存在的熔融慢化剂盐的量相比的所添加的氧化还原元素的量，并且替换率因此将具有时间单位-1，例如年-1、月-1等。
在另一个实施方案中，以高于95％或甚至高于98％的纯度来提供慢化剂材料。由此，在其他情况下可能提高慢化剂材料的腐蚀特性的杂质的存在被最小化或甚至完全避免。
用在本发明的装置中的这些盐可以不含水，例如这些盐可以是无水的。然而，盐可以包含水作为不可避免的杂质。在本发明的上下文中，仅包含不可避免的水杂质的盐被称为“熔化盐”，例如熔化氢氧化物或熔化氘氧化物。在一个实施方案中，水不存在于反应堆芯中(即芯容器中或内回路中)。金属(例如碱金属，如钠和钾)的氢氧化物盐可以带有大量的结晶水，并且在一个特定的实施方案中慢化剂盐是无水盐和带有结晶水的盐的混合物，以提供具有最高达10％(w/w)、例如5％(w/w)水的慢化剂盐。不受理论束缚，本发明人进一步相信，添加水(即以最高达5％(w/w))强化了通过添加如上所述的氧化还原元素获得的效果。当盐中存在水时，它可以进一步增加慢化作用，并且本发明人已经观察到，低水含量(即相对于金属氢氧化物的量最高达5％(w/w))与存在氧化还原元素的组合对于用在熔融慢化剂盐中而言是相容的，并且提供了与无水盐相比提高的慢化作用。另外，在盐中存在水将对如上所述的含氧酸性有贡献，从而当盐包含水时获得针对腐蚀的进一步防护。
在进一步的实施方案中，本发明的方法包括将气体鼓泡穿过熔盐(例如穿过熔融慢化剂盐和/或穿过熔融燃料盐)的步骤。例如可以将H2O以在相对于熔融慢化剂盐的体积为每小时0％(V/V)至5％(V/V)的范围内的量鼓泡穿过熔融慢化剂盐。气体(例如H2O)的其他量可以在每小时0.01％(V/V)至1％(V/V)的范围内、例如每小时0.1％(V/V)至0.5％(V/V)。将H2O的体积对环境压力和温度进行标准化。所需H2O的实际量取决于待保护免受腐蚀的材料，并且可以由技术人员确定，例如从B.L.Trémillon,Chemistry in Non-AqueousSolvents,Springer Netherlands,Dordrecht[非水溶剂中的化学过程，施普林格荷兰多德雷赫特],1974.doi:10.1007/978-94-010-2123-4。鼓泡穿过熔盐的气体可以是纯气体，例如H2O，但它也可以包含载气，尤其惰性载气，例如稀有气体如氩气。活性气体(例如H2O)的量可以自由选择，但是一般将是在1％(V/V)至50％(V/V)的范围内。在一个特定的实施方案中，将气体鼓泡穿过熔盐(即熔融慢化剂盐和/或熔融燃料盐)并且同时控制覆盖气体的分压和组成。例如，可以将与覆盖气体组成相同的气体(例如带有载气)鼓泡穿过熔盐。在仍另一个实施方案中，通过控制覆盖气体的组成和压力来控制含氧酸性。具体而言，可以通过控制H2O在覆盖气体中的分压来控制含氧酸性。当控制分压时，可以将H2O与稀有气体(例如氩气)在覆盖气体中混合。鼓泡穿过熔融慢化剂盐的水量还可以以每时间每体积熔融慢化剂盐的质量为单位表达，并且这个量可以在0g/L/小时至100g/L/小时、例如0.01g/L/小时至10g/L/小时、或0.1g/L/小时至1g/L/小时的范围内。还可以将气体(例如H2O)鼓泡穿过熔融燃料盐，相同的量是相关的。
本发明人已经出人意料地发现，当通过将气体(尤其H2O)鼓泡穿过熔盐(即熔融慢化剂盐和/或熔融燃料盐)来控制含氧酸性时，腐蚀防护不要求上文定义的氧化还原元素。对应地，可以通过控制组成(例如关于H2O在稀有气体中的分压)控制含氧酸性以提供腐蚀防护，而无需氧化还原元素。H2O在覆盖气体中的分压应在0巴至0.1巴、例如0.01巴至0.05巴的范围内。在具体的实施方案中，通过将气体鼓泡穿过这种或这些熔盐与控制覆盖气体组成(例如关于H2O在覆盖气体中的分压)相组合地控制含氧酸性。当熔融燃料盐在本发明装置的内管中时，控制覆盖气体是尤其相关的。因而，在另一个方面，本发明涉及一种控制核裂变过程的方法，该方法包括以下步骤：
-提供一种装置，该装置被适配为用于通过核裂变来产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管和/或该芯容器具有入口和出口，
-向该内管中引入熔融燃料盐，该熔融燃料盐包含碱金属的氟化物和裂变元素，
-向该芯容器中引入熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，
-提供与该内管的该入口和该出口处于流体连通的热交换器，以便限定热交换回路，该热交换回路用于从在该热交换回路中循环的该熔融燃料盐中去除热量，
-在该热交换回路中循环该燃料盐，以便控制在该内管中该燃料盐的温度，以及
-将气体(例如H2O)鼓泡穿过该慢化剂盐。替代性地，将气体鼓泡穿过燃料盐。当将气体鼓泡穿过该燃料盐以提供腐蚀防护时，在考虑到该燃料盐的组成(例如氟化物的含量)的情况下选择该气体的组成。
在仍另一个方面，本发明涉及一种控制核裂变过程的方法，该方法包括以下步骤：
-提供一种装置，该装置被适配为用于通过核裂变来产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管和/或该芯容器具有入口和出口，
-向该内管中引入熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，
-向该芯容器中引入熔融燃料盐，该熔融燃料盐包含碱金属的氟化物和裂变元素，
-提供与该入口和该出口处于流体连通的热交换器，以便限定热交换回路，该热交换回路用于从在该热交换回路中循环的该熔盐中去除热量，
-在该热交换回路中循环该熔盐，以便控制在该芯容器中该燃料盐的温度，以及
-将气体(例如H2O)鼓泡穿过该慢化剂盐。替代性地，将气体鼓泡穿过燃料盐。当将气体鼓泡穿过该燃料盐以提供腐蚀防护时，在考虑到该燃料盐的组成(例如氟化物的含量)的情况下选择该气体的组成。
在这两个不依赖于氧化还原元素的方面，所有其他特征可以是与使用氧化还原元素的方面一样的。MSR典型地将包含覆盖气体，例如氩气，并且优选的是，MSR包括与覆盖气体处于流体连通的阀，该阀允许可以控制覆盖气体的压力。该阀还可以允许用其他的惰性气体(例如氩气)来补充覆盖气体。此外，该阀还可以允许将H2O(例如气态H2O)添加到覆盖气体中。对于这两个方面，本发明人已经出人意料地发现，当将H2O鼓泡穿过不包含氧化还原元素的熔融慢化剂盐和/或燃料盐时，容器材料受到保护免于由熔盐造成的腐蚀影响。这对于腐蚀性的氢氧化物/氘氧化物盐而言是非常相关的。一般而言，将H2O以在相对于熔融慢化剂盐或熔融燃料盐的体积为每小时0％(V/V)至5％(V/V)、例如0.01％(V/V)至1％(V/V)或0.1％(V/V)至0.5％(V/V)的范围内的量鼓泡穿过熔融慢化剂盐。
通过另外提供具有包含氧化还原元素的反应堆芯的MSR，提供了如下的MSR，它减轻了与源自慢化剂材料和熔融中至少一者的腐蚀相关的问题。由此，MSR的使用寿命和在避免由于腐蚀引起的反应堆芯的任何泄露方面的MSR安全性二者都大大提高。
在一个实施方案中，该装置具有内管，该内管不包括入口和出口，以便包围该熔融慢化剂盐。可以使用内回路中的任何适合的端口将慢化剂盐引入到内回路中，然后关闭该接口，使得慢化剂盐不能离开内回路并且不再能添加慢化剂盐。由此慢化剂材料是固定的。换言之，在这个实施方案中的慢化剂材料在如下意义上是不循环的：它不经受任何强制循环，但是可以经受被动的或对流性的循环。具体而言，内管可以为分开的单元，该单元插入到盛放燃料盐的芯容器中。由此，提供了具有简单反应堆芯结构的MSR，尤其因为可以省去用于循环慢化剂材料的元件，如泵和相关的管路。在这个实施方案中，带有慢化剂盐的内管可以被设计为具有预定的使用寿命。在使用寿命接近结束时，可以简单地将内管从燃料盐中提出并且可以将具有慢化剂盐的新的替换内管引入熔盐中。只要将内管移除，慢化作用也将被移除并且核裂变过程将停止。一旦将替换内管引入，核裂变过程可以重新开始。由于慢化剂盐的氢氧化物可以例如与内管材料和/或氧化还原元素反应，可以形成H2。然而，在不受理论束缚的情况下，本发明人相信在高的熔盐温度下，任何气态H2将被驱入内管材料和/或氧化还原元素的金属中称为氢化物。由此，避免了累积过高的压力并且确保的内管的整体性，因为避免了爆炸和类似情况。然而，还可能的是，在任何实施方案中，该内管具有泄压阀，用于释放在内管中的气态累积物。
这些容器(例如内管和芯容器)可以按所希望地具有任何形状。例如，用于燃料盐的容器，无论是内管还是芯容器，都可以具有入口和出口，从而允许燃料盐从入口流动到出口。类似地，用于慢化剂材料的容器(例如内管)还可以具有入口和出口。在另一个实施方案中，用于慢化剂材料的容器具有开口，该开口同时用作入口和出口。
燃料盐中的核裂变将产生热，并且优选的是，该装置还包括热交换系统，用于将热从燃料盐容器传输出来，例如传输到涡轮机等用于发电。具体而言，如果没有从熔融燃料盐中移除热量，则熔融燃料盐将膨胀到一个点，在这个点核裂变反应将停止。因而，在本发明的方法方面，通过控制内管中或芯容器中燃料盐的温度来控制核裂变过程，以便将温度保持在相应燃料盐的临界温度范围之内。可以选择任何热交换系统用于该装置。一般而言，熔融燃料盐的温度是在700℃至900℃的范围内，例如以便发生核反应，并且冷却剂被选择为在500℃至1000℃以上范围内的温度下工作。在一个特定的实施方案中，在该入口处的温度在400℃至800℃的范围内，并且其中在该出口处的温度在600℃至1000℃的范围内。显而易见，入口处的温度低于出口处的温度。在一个优选的实施方案中，将燃料盐例如从内管循环到热交换系统以冷却燃料盐。在另一个实施方案中，将熔融慢化剂盐定位在内管中并且循环至热交换器，使得慢化剂盐进而冷却熔融燃料盐以将其保持在临界温度之内。
在仍另一个实施方案中，该装置包括具有熔融冷却剂盐的分开的冷却剂回路。还可设想的是，可以将熔融金属(例如碱金属)用作冷却剂。热交换系统因此可以包括与熔融燃料盐处于热接触的冷却剂回路，从而允许从燃料盐向冷却剂盐传递热量。可以选择任何盐用于冷却剂盐。在一个特定的实施方案中，冷却剂是组成为46.5％的LiF、11.5％的NaF和42％的KF的盐，虽然其组成也可以变化。冷却剂回路具有用于低温冷却剂的入口和用于经加热的冷却剂的出口。
熔融慢化剂材料优选与燃料盐分开。例如，可以将慢化剂包含在内管中，该内管位于带有燃料盐的芯容器中，或者燃料盐可以在内管中，使得熔融慢化剂盐位于芯容器中。在一个特定的实施方案中，该装置具有两组内管，其中一组盛放熔融慢化剂盐而另一组盛放熔融燃料盐。
内管可以由所希望的任何适合的材料制成，并且在燃料盐与熔融慢化剂盐之间的热传递一般是不重要的。一般希望的是，内管在(例如带有燃料盐的)芯容器的尽可能大的体积中分布，并且因此内管对芯容器体积的表面积越大越好。在熔融慢化剂盐中或者在熔融慢化剂盐和燃料盐两者中存在氧化还原元素允许内管相对于芯容器体积的更大表面积，因为氧化还原元素降低了腐蚀。类似地，当将熔融慢化剂盐包含在位于熔融燃料盐中的内管中时，内管的材料在材料两侧暴露于熔盐。因此，尤其有利的是，燃料盐和熔融慢化剂盐两者都包含氧化还原元素，因为与不使用氧化还原元素相比，这允许内管相对于燃料盐体积的更大的表面积。
当该装置包含冷却剂回路时，类似的结论也是相关的。为了使从燃料盐到冷却剂的热传递最大化，冷却剂回路的表面积与燃料盐体积之比应尽可能大。具体而言，冷却剂回路的材料应能够将热从熔融燃料盐传递出来，并且因此金属优选用作冷却剂回路的材料。在某一个实施方案中，熔融燃料盐和熔融慢化剂盐在其相应的容器中被包围在总体上柱状的容器中，并且冷却剂回路位于柱状容器的外表面上。由此，冷却剂材料一般将与燃料盐中生成的中子互不干涉，并且可以自由选择冷却剂材料。
芯容器的总体积典型地将是在每100MWe为1m3至5m3的范围内。使用带有氧化还原元素的熔融慢化剂盐的另一个优点是，与基于与使用熔融燃料盐不同的其他原理的裂变反应堆相比，可以实现更高的能量密度，但是尤其与先前的MSR设计相比也可以实现更高的能量密度。
熔融慢化剂盐与熔融燃料盐之间的体积比(以R表示)可以自由选择。然而，该比率在一定程度上将取决于燃料盐的组成，例如关于一种或多种裂变元素的浓度。例如，对于具有2cmol％燃料含量的熔融燃料盐，熔融慢化剂盐与熔融燃料盐之比可以在1至1.5的范围内。对于具有4cmol％燃料含量的熔融燃料盐，熔融慢化剂盐与熔融燃料盐之比可以在0.5至2的范围内。总体而言，盐的体积将以基于相应容器的体积的绝对值来表达。例如在芯容器中内管的体积可以为芯容器体积减去内部管道的体积的0.5至2倍。内管体积可以从内管的直径和长度来计算，并且在一个特定的实施方案中，内管的长度(例如当内管用于熔融燃料盐时)可以在1m至4m的范围内。在一个实施方案中，内管包括直径在0.2cm至30cm范围内的管道。对于具有2coml％燃料的燃料含量的熔融燃料盐而言，直径典型地将是在1cm至5cm范围内。对于具有4coml％燃料的燃料含量的熔融燃料盐而言，直径典型地将是在0.3cm至20cm范围内。内管的周长典型地为圆形。然而，内管不限于圆形并且其他形状也是可设想的。内管的圆形周长是优选的，因为这种形状将使内管的与熔盐(即在内管任一侧上的熔盐)接触的表面积最小化。
内管可以具有任何所希望的形状。具体而言，内管将包含对于具有所希望长度的内管而言适合的角度或弯曲区段，以装配在芯容器之内。例如，内管可以包含曲折结构，例如具有单一入口和单一出口的曲折结构。曲折结构可以是平面式的，或者可以在三维中延伸。在另一个实施方案中，内管的入口包括歧管，该歧管将来自入口的流动划分到多个管道中，例如2至1000个或更多个管道，这些管道可以在芯容器中间隔开、例如规则地间隔开。类似地，内管可以具有带有歧管的出口，该歧管将来自多个管道(例如2至1000个)的流动汇集到单一的出口管道中。在一个实施方案中，内管具有单一入口和单一出口，并且内部管道形成在三维延伸且提供内管的这些区段之间的规则间距的曲折形式。无论内管的设计如何，内管的管道或区段之间的间距将是在0.5cm至10cm的范围内。例如，当熔融燃料盐具有2coml％燃料时，间距将是在1cm至3cm范围内。当熔融燃料盐具有4coml％燃料时，间距将是在0.5cm至6cm范围内。对应地，内部管道之间的间距可以是在0.5cm至10cm范围内。一般而言，当内管中包含熔融燃料盐时，内部管道的直径(在此实施方案中也可以称为“燃料棒”)是与棒之间的间距相关的，还受到慢化剂盐的特定选择(例如关于其金属组分以及氢氧化物/氘氧化物比)影响。燃料棒的直径和其间距可以由技术人员计算。
在结合本发明的情况下与这些金属中的每一种相关的优点将从以下详细说明中显现。
在多个实施方案中，该至少一种金属氢氧化物是具有形式X(OH)n的熔化金属氢氧化物，其中X是金属且n是等于或大于1的整数，和/或选自包括NaOH、LiOH、7LiOH、RbOH、KOH、Be(OH)2、Mg(OH)2、Ca(OH)2和Al(OH)3的组。在类似的实施方案中，该至少一种金属氘氧化物是具有形式X(OD)n的熔化金属氘氧化物，其中X是金属且n是对应于金属氧化态的整数，即n等于或大于1，并且该金属氘氧化物可以选自包括7Li富集的LiOD、RbOD、NaOD、Be(OD)2和Mg(OD)2的组。
在一个实施方案中，将慢化剂材料与可裂变材料和熔盐分开。在本发明中可以使用任何保持慢化剂与熔盐分开的手段。例如，可以借助于由对慢化剂材料有耐受性的材料(尤其金属或金属合金)制成的元件或涂覆有该材料的元件来将慢化剂与熔盐分开。
由此将慢化剂材料从反应堆芯的其余部件、并且尤其从该装置的位于反应堆芯包覆层之外的部件隔离开，其方式为避免了慢化剂材料的任何腐蚀作用、尤其对外部部件(如芯储器、泵和热交换器)的腐蚀作用而同时保持慢化作用不受影响。
通过这些实施方案中的任何一种，提供了如下装置：通过该装置优化了被选做慢化剂材料的氢氧化物和/或氘氧化物的慢化效果。
通过这些实施方案中的任何一种，提供了如下装置：通过该装置关于反应堆芯(例如芯容器)和/或可裂变材料的体积优化了被选做慢化剂材料的氢氧化物和/或氘氧化物的慢化效果，并且因此通过该装置优化了慢化剂材料的量以及因此还有芯容器的尺寸。
在另一个实施方案中，反应堆芯进一步包括冷却剂和/或与慢化剂材料不同的反射体。优选的反射体材料是石墨或铍。由此，提供了一种装置，在该装置中慢化剂材料可以容易地并且用简单的反应堆结构保持固定，并且慢化剂材料的腐蚀作用可以用简单的反应堆结构来容易地进行控制。
根据本发明的装置是熔盐反应堆。根据本发明的熔盐反应堆可以是燃烧器型的熔盐反应堆或者废料燃烧器型的熔盐反应堆。根据本发明的熔盐反应堆可以是增殖器型、增殖燃烧型或MSR型的熔盐反应堆。在一个实施方案中，该熔盐反应堆可以用于供应能量以推进运输工具，例如可以将该熔盐反应堆搭载在船只上。在另一个实施方案中，该熔盐反应堆为固定设施的一部分。
应注意的是，本发明涉及在权利要求中所述的特征的所有可能的组合。尤其，在本发明的一个特定方面的上下文中提及的任何特征都等同地与本发明的任何其他方面相关，其中该特征提供了与明确提及它的方面相同的优点。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明的这个和其他方面，这些附图示出了本发明的一个或多个实施方案。
图1示出本发明的装置的侧视图；
图2示出本发明的装置的俯视图；
图3示出本发明的装置的细节俯视图；
图4示出现有技术的熔盐反应堆的细节俯视图；
图5示出反应堆倍增系数以及燃料和NaOH慢化剂的热反应活性系数的等高曲线图；
图6示出NaOH慢化剂中Na的作用；
图7示出在NaOH-KOH中镍的电势-含氧酸性图。
如图所示，层和区域的大小出于说明性目的被放大，并且因此被提供用于展示本发明的实施方案的总体结构。相同的附图标记始终指代相同的元件。
具体实施方式
现在下文将参照这些附图对本发明进行更全面地描述，在附图中示出了本发明的当前优选实施方案。然而，本发明可以被实施为许多不同的形式并且不应被解释为限于在此提出的这些实施方案；而是，这些实施方案被提供用于获得彻底性和完整性、并且向技术人员充分地传达本发明的范围。
优选的慢化剂材料
如上所述，本发明建议将氢氧化物和/或氘氧化物作为慢化剂材料。金属氢氧化物是优选的。该至少一种金属氢氧化物或氘氧化物例如可以包含选自包括以下项的金属组的金属：碱金属，锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)，碳(C)，硅(Si)和氟(F)。进一步优选的是具有形式X(OH)n的熔化金属氢氧化物和具有形式X(OD)n的熔化金属氘氧化物。熔化金属氢氧化物是通常写作XOH或X(OH)n的化合物，其中X是碱金属或其他金属并且OH是氢氧根离子。对于单价原子整数n等于1，而对于更高价原子为>1的整数。熔化金属氢氧化物的有效的慢化作用在于化合物中存在相对较多的氢。熔化金属氢氧化物具有宽的工作温度窗口(从熔点到沸点的范围典型地从300℃到1300℃)。液态熔盐在接近大气压下是可泵送的并且因此不要求加压容纳。熔化金属氢氧化物慢化剂可以由单一化合物如NaOH或者由2种或更多种金属氢氧化物的混合物组成、与其他流体混合或者嵌入固态材料中。尤其有用的金属氢氧化物是LiOH、7LiOH、NaOH和氢氧化铷(RbOH)。类似地，尤其有用的金属氘氧化物是LiOD、7LiOD、NaOD和RbOD。
金属氢氧化物如氢氧化钾(KOH)和氢氧化铯(CsOH)以及金属氘氧化物如KOD和CsOD，由于其非常高的中子吸收度，作为附加使用的氢氧化物或氘氧化物是有用的，用于在熔化金属氢氧化物慢化剂包含两种或更多种金属氢氧化物和/或金属氘氧化物的混合物的实施方案中调节慢化剂材料的中子吸收度。
铷(Rb)和钠(Na)在其天然形式下都是优异的。7Li富集到99.95％或更高的锂(Li)具有与Na可比的中子学性能(更高度富集的Li超越Na)，而钾(K)和铯(Cs)在中子学性能方面性能较差，但是值得注意的，因为可以将其添加到其他碱金属氢氧化物以改变混合物的某些物理和化学特性，如熔点。其中NaOH具有作为工业化学品广为人知的优点。
下表2总结了根据本发明建议的各种慢化剂材料的慢化特性。
表2.各种氢氧化物的慢化效果。
在上文表2中的信息产生了以下结论。NaOH是紧密的慢化剂并且吸收度与H2O和聚乙烯是可比的。RbOH是紧密的慢化剂并且具有相当低吸收度。由于高吸收度，KOH和CsOH都不太适合作为慢化剂。
NaOH或氢氧化钠，通常称为烧碱或苛性钠，是公知的工业产品，用在肥皂、食物生产中、作为下水道清洁剂、用在铝生产中等等。在室温和大气压力下，NaOH是固态的但是在318℃的温度下熔融并在1388℃下沸腾。这使其成为非常灵活的中子慢化剂，因为它在固态或液态都可以使用。另外，可以设计被动安全特征，其中需要固态NaOH的主动冷却来保持慢化剂在反应堆芯中就位。在(由于功率偏离或丧失主动冷却)过热事件中，NaOH将熔融并且从芯流出，有效地终止裂变链式反应。
即使使用NaOH作为中子慢化剂在过去已经被否定，但基于如上所述的液态NaOH的腐蚀特性，上文列出的与作为慢化剂材料的一般氢氧化物相关的优点在与NaOH相关时尤其突出，并且本发明且尤其所建议的用于腐蚀控制和材料选择的措施消除了这些顾虑。
优选的氧化还原元素
示例性的标准电极电势提供在表3中，其中标准电极电势是在298.15K的温度下对于每种水性物质种类或汞齐中的物质种类在1mol/l的有效浓度下，对于气态反应物在101.325kPa(绝对压力)(1atm，1.01325巴)的分压下，对于每种纯的固体、纯的液体或对于水(溶剂)在为一的活度下。应理解的是，标准电极电势的更低的负值对应于在本发明上下文中反应活性更高的材料。因而，例如内管材料可以为镍，并且可以选择在还原剂一列中在镍之上的任何元素作为氧化还原元素。
表3-标准电极电势
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在一个优选的实施方案中，内管材料包含金属，并且氧化还原元素是根据泡林标度具有比内管材料的金属的电负性的更低的电负性的金属。在表4中提供了一系列金属性元素的泡林电负性。例如，内管的金属且任选地还有芯容器的金属可以为哈氏合金(即镍基合金)，并且氧化还原元素可以为碱金属或碱土金属。
表4-所选元素的泡林电负性
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因而，基于表3和表4以及鉴于反应(A)至反应(D)，内管和/或芯容器的优选材料包括镍、铜和钴，并且氧化还原元素的优选金属包括碱金属、碱土金属、过渡金属、镧系元素和/或锕系元素。
燃料盐组成
燃料盐(缩写为FS)一般由非锕系载体部分(因为其热力学特性而选择)以及确保反应堆临界性的锕系分量组成。锕系分量Ani可以进一步被分成燃料分量和添加的增殖性(fertile)分量。通过预定义的燃料向量来描述燃料盐向量Fi，该燃料向量包含初始的钚分量(典型地废核燃料(SNF)，即核废料)以及附加的分量(在化学再处理之后添加的一些)。通过向量Ai来定义添加的(增值性)部分，该向量由于其在反应堆燃耗过程中的作用而被选择并且典型地将由添加的钍和铀组成。锕系组成是由各种燃料向量定义的并且通过以下品质因数来体现：
-FPu是燃料钚(阳离子摩尔)分数；
-ATh是所添加的增殖性向量的燃料钍(阳离子摩尔)分数；
-FA是所添加的增值性(阳离子摩尔)分数。
在此，前两个分数分别是指燃料向量和所添加的增殖性向量的阳离子摩尔分数。燃料盐是由各种燃料向量、载体盐向量CSi、以及以下燃料盐的品质因数定义的：
-FSPu是燃料盐钚(阳离子摩尔)分数；
-FSTh是燃料盐钍(阳离子摩尔)分数；
-FSCS是载体盐(阳离子摩尔)分数。
在此“分数”是指合并的燃料盐的阳离子摩尔分数。在这些定义下，燃料盐向量可以写为：(FS)i＝FSCS CSi+(1-FSCS)Ani。根据下式将锕系向量分开：Ani＝(1-FA)Fi+FA·Ai。在此Fi的FPu由钚同位素组成并且Ai的ATh由钍组成。我们注意到，在这些盐参数之间存在以下关系：
FSPu＝(1-FSCS)(1-FA)FPu；FSTh＝(1-FSCS)FA·ATh
示例性的燃料盐包含以下的燃料盐向量：CSi＝NaF；Ai＝ThF4。这种燃料总结在表5中。
表5-优选的燃料盐组成
| 级分 | cmol％ | 动机 |
| FSCS | 78 | 共晶点 |
| FPu | 80 | 化学再处理 |
| f238U | 97.5 | 化学再处理 |
| ATh | 100 | 废料燃烧 |
| FA | ≈90 | 优化研究 |
| f238Pu | 0.5 | 工业废料标准 |
| f239Pu | 69 | 工业废料标准 |
| f240Pu | 25 | 工业废料标准 |
| f241Pu | 2 | 工业废料标准 |
| f242Pu | 1 | 工业废料标准 |
| f241Am | 2.5 | 工业废料标准 |
| SPu | ≈2 | - |
| STh | ≈20 | - |
优选的本发明装置
本发明优选的装置100展示在图1中，其中是从侧面描绘该装置。特定地，图1示出了装置100，该装置具有带有熔融慢化剂盐2的芯容器20，该芯容器20包围带有熔融燃料盐1的内管。内管具有与入口歧管61处于流体连通的两个入口6，该入口歧管进而与燃料棒10处于流体连通。燃料棒10与出口歧管62连通，该出口歧管将流动(在此情况下为熔融燃料盐1的流动)汇集到单一出口7。流动的方向用符号“>”表示。入口6和出口7与热交换器(未示出)的入口和出口处于流体连通以提供热交换回路。内管材料和芯容器材料优选由镍基合金制成。装置100可以进一步包括附加的安全特征8，该安全特征除了常用的现有技术的盐塞(salt plug)系统之外还包括溢流系统。这种安全系统防止了熔毁，阻止由于人类操作员失误造成的意外事故，在超出工作条件范围的情况下自动关闭，并且在失去工作电源的情况下可以将燃料剩余量冲刷到芯储器之下的被动冷却且亚临界的排放槽。
反应堆尺寸由两个条件来确定：燃料和慢化剂两者的循环时间和温度负反馈。在实践中，工作功率密度可以通过反应堆芯中的物理反馈机制来调节。具体而言，熔盐和慢化剂的温度负反馈意味着，可以通过调节外部能量流入来控制功率密度。由于芯循环可以将经延迟的中子从链式反应中载离，出于最优的反应堆控制和安全原因，穿过反应堆芯的质量流速应保持恒定。与改变内芯流动相比，更希望的是通过改变穿过外部热交换系统的质量流量来控制能量产生。为了获得最大程度的反应堆控制，穿过反应堆的质量流速应选择为使得与无循环相比在反应堆的反应活性上的变化实际上尽可能小。以此方式，在泵故障的情形下，反应堆芯中正在衰变的前体的浓度将仅仅略微高于正常工作时。
图2示出了在图1中所示的装置100的截面的俯视图。因而，燃料棒10以六角形图案分布在芯容器中，该芯容器具有带有外部包覆层5的柱状横截面。外部包覆层还可以被称为罩层或遮蔽物。六角形图案叠加在装置100的横截面上，但是该图案并不旨在代表任何特定的材料。
图3和图4展示并对比了本发明的优选装置(图3)和将石墨3用作慢化剂的现有技术MSR(图4)的燃料棒10的封装。所叠加的六角形图案示出，与石墨慢化的MSR中可以获得的情况相比，金属氢氧化物/氘氧化物慢化剂如何允许燃料棒10的致密得多的封装，从而提供小得多的形状因子F。
图5分别示出反应堆倍增系数以及燃料盐和NaOH慢化剂的热反应活性系数的等高曲线图。倍增系数需要高于某一阈值以确保反应堆可以达到临界。另外，出于最优的反应堆控制和(内在的)安全原因，反应活性系数应略微为负。与所有三个条件相容的配置空间9的区域允许确定反应堆大小的范围。特定地，燃料含量SPu为2cmol％并且燃料棒的半径r棒可以在1cm至5cm的范围内，而参数l在0.5cm至1.5cm的范围内。
图6示出溶解在作为慢化剂的NaOH之内的作为氧化还原元素的Na的量对中子倍增系数(在Y轴上示出)的依赖性；误差条是一个标准偏差。特定地，图6展示了由于在NaOH中用钠原子替代氢原子以及因而有效地稀释慢化剂盐并降低其慢化能力而对裂变链式反应造成的不利影响。显而易见，从中子学观点来看，氧化还原元素在慢化剂盐中存在上限；实践中，氧化还原元素的量不应高于100g/kg。氧化还原元素的量越低，慢化效果越好，但是为了提供针对腐蚀的防护，慢化剂应包含至少1g/kg的氧化还原元素。
现有技术实例
由于碳的慢化能力低于氢氧化钠，石墨慢化的反应堆一般显示出比氢氧化钠慢化的反应堆更大的形状因子。为了进行参照，我们现在提供模拟的具有相同几何形状和表5的燃料盐组成的石墨慢化反应堆(图4)的一组实例。
具有小棒的MSR
燃料棒半径r棒＝2cm。包覆层厚度δ在0.05至0.5cm的范围内并且参数l(相邻棒之间的间距的一半)在范围l＝3.0至6.0cm内。在这些范围内，形状因子在F＝5至15的大致范围内，并且芯体积在V＝8m3至45m3的范围内。芯半径和高度在H＝2.0m至3.6m，R＝1.1m3至2.0m3的范围内，同时燃料棒的总数在600至800的范围内。
具有大棒的MSR
燃料棒半径r棒＝6cm。包覆层厚度δ在0.05至0.5cm的范围内并且参数l(相邻棒之间的间距的一半)在范围l＝10.0至14.0cm内。在这些范围内，形状因子在F＝6至10的大致范围内，并且芯体积在V＝8m3至32m3的范围内。芯半径和高度在H＝2.0m至3.2m，R＝1.1m3至2.0m3的范围内，同时燃料棒的总数在50至120的范围内。
示例性的本发明装置
我们参考图5，该图中示出了对于具有在图1和图2中描绘的几何形状并且在SPu＝2cmol％下NaOH慢化的反应堆的最优配置区(由反应堆临界性和燃料和慢化剂温度负反馈来限定)。对于这个钚分数，所允许的棒半径在r棒＝1至5cm的大致范围内。我们注意到，这个范围随着钚分数的增长而变宽。我们继续给出反应堆网格元件大小的子范围。反应堆芯的总体大小取决于反应堆的功率密度、形状因子和总功率输出。为了给出芯大小的范围，因此需要为这三个参数指定范围。我们将总功率输出定为300MW。在燃料盐中功率密度的合理范围是P＝100至200kW/l，而形状因子的范围在上文给出。
小棒
燃料棒半径r棒＝1cm。包覆层厚度δ在0.05cm至0.5cm的范围内并且参数l(相邻棒之间的间距的一半)在范围l＝0.5至1.5cm内。在这些范围内，形状因子在F＝2.5至10的大致范围内，并且芯体积在V＝4m3至30m3的范围内。芯半径和高度在H＝1.5m至3.0m，R＝0.9m3至1.8m3的范围内，同时燃料棒的总数在8,000至12,000的范围内。
大棒
燃料棒半径r棒＝5cm。包覆层厚度δ在0.05cm至0.5cm的范围内并且参数(相邻棒之间的间距的一半)在范围l＝1.0至2.5cm内。在这些范围内，形状因子在F＝1.6至2.5的大致范围内，并且芯体积在V＝2m3至8m3的范围内。芯半径和高度在H＝1.2m至2.0m，R＝0.7m3至1.2m3的范围内，同时燃料棒的总数在300至700的范围内。
因此，通过使用基于金属氢氧化物的慢化剂以及氧化还原元素，获得了小得多且更高效的MSR。通过在熔融慢化剂盐上施加电流设想了同样的内容，其中还获得了腐蚀防护。
本领域技术人员认识到，本发明无论如何都不受限于上文描述的优选实施方案。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。
可替代地，所披露的实施方案的变化可以由技术人员在实践所要求保护的发明时通过学习附图、披露内容、以及所附权利要求来理解并实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他的要素或步骤，并且不定冠词“a或an”并不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的这种单纯事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。
Claims (41)
1.一种被适配为用于通过核裂变产生能量的装置，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管和/或该芯容器具有入口和出口，该装置进一步包括具有可裂变材料的熔融燃料盐、熔融慢化剂盐以及氧化还原元素，其中该熔融慢化剂盐位于该芯容器中并且该熔融燃料盐位于该内管中，或者其中该熔融燃料盐位于该芯容器中并且该熔融慢化剂盐位于该内管中，其特征在于，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，
并且在于，该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势或者大于该内管材料和该芯容器材料的还原电势，和/或其中该氧化还原元素是控制熔融慢化剂盐和/或熔融燃料盐的含氧酸性的化学物质种类。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，该氧化还原元素是位于该内管材料的表面上或位于该内管材料和该芯容器材料的表面上的牺牲材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，该内管不包括入口或出口，以便包围该熔融慢化剂盐。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，该至少一种金属氢氧化物和/或该至少一种金属氘氧化物包含选自包括碱金属、碱土金属或碱金属和碱土金属的组合的金属组的金属。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，该氧化还原元素的浓度在1g/kg至100g/kg的该熔融慢化剂盐的范围内。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，该氧化还原元素的熔点高于该熔融慢化剂盐的熔点，并且其中该氧化还原元素作为具有在0.1mm至11mm范围内尺寸的颗粒的悬浮液存在。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，该熔融慢化剂盐包含最高达10％(w/w)的水。
8.熔融慢化剂盐和氧化还原元素用于慢化在包含裂变材料的熔盐反应堆芯中发生的裂变反应过程中产生的裂变中子的用途，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，并且该氧化还原元素选自由Sr、Ca、Li、Rb、K、Ba、Li2C2、Na、Mg、Th、U、Be、Al或Zr或其组合组成的组。
9.根据权利要求8所述的用途，其中，该至少一种金属氢氧化物和/或该至少一种金属氘氧化物包含选自包括碱金属、碱土金属或碱金属和碱土金属的组合的金属组的金属。
10.根据权利要求8所述的用途，其中，该氧化还原元素的浓度在1g/kg至100g/kg的该熔融慢化剂盐的范围内。
11.根据权利要求8所述的用途，其中，该氧化还原元素的熔点高于该熔融慢化剂盐的熔点，并且其中该氧化还原元素作为具有在0.1mm至11mm范围内尺寸的颗粒的悬浮液存在。
12.根据权利要求8所述的用途，其中，该熔融慢化剂盐包含最高达10％(w/w)的水。
13.熔融慢化剂盐和氧化还原元素用于慢化在具有金属区段并包含裂变材料的熔盐反应堆芯中发生的裂变反应过程中产生的裂变中子的用途，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，其中该氧化还原元素是根据泡林标度具有电负性的金属，该金属的电负性低于该反应堆芯的该金属区段的电负性。
14.根据权利要求13所述的用途，其中，该至少一种金属氢氧化物和/或该至少一种金属氘氧化物包含选自包括碱金属、碱土金属或碱金属和碱土金属的组合的金属组的金属。
15.根据权利要求13所述的用途，其中，该氧化还原元素的浓度在1g/kg至100g/kg的该熔融慢化剂盐的范围内。
16.根据权利要求13所述的用途，其中，该氧化还原元素的熔点高于该熔融慢化剂盐的熔点，并且其中该氧化还原元素作为具有在0.1mm至11mm范围内尺寸的颗粒的悬浮液存在。
17.根据权利要求13所述的用途，其中，该熔融慢化剂盐包含最高达10％(w/w)的水。
18.一种控制核裂变过程的方法，该方法包括以下步骤：
-提供一种装置，该装置被适配为用于通过核裂变产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该芯容器具有入口和出口，
-向该内管中引入熔融慢化剂盐和氧化还原元素，
-向该芯容器中引入熔融燃料盐，该熔融燃料盐包含碱金属的氟化物和裂变元素，
-提供与该芯容器的该入口和该出口处于流体连通的热交换器，以便限定热交换回路，该热交换回路用于从在该热交换回路中循环的该熔融燃料盐中去除热量，
-在该热交换回路中循环该熔融燃料盐，以便控制在该芯容器中该燃料盐的温度，
其特征在于，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，并且该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势，和/或该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，并且该氧化还原元素是控制熔融慢化剂盐的含氧酸性的化学物质种类。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在该入口处的温度在400℃至800℃的范围内，并且其中在该出口处的温度在600℃至1000℃的范围内。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，该燃料盐是共晶盐。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，该燃料盐包含钍。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，通过向该慢化剂盐补充该氧化还原元素来维持该氧化还原元素的浓度。
23.根据权利要求18所述的方法，该方法进一步包括将气体鼓泡穿过该熔融慢化剂盐和/或穿过该熔融燃料盐的步骤。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，该至少一种金属氢氧化物和/或该至少一种金属氘氧化物包含选自包括碱金属、碱土金属或碱金属和碱土金属的组合的金属组的金属。
25.根据权利要求18所述的方法，其中，该氧化还原元素的浓度在1g/kg至100g/kg的该熔融慢化剂盐的范围内。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，该氧化还原元素的熔点高于该熔融慢化剂盐的熔点，并且其中该氧化还原元素作为具有在0.1mm至11mm范围内尺寸的颗粒的悬浮液存在。
27.根据权利要求18所述的方法，其中，该熔融慢化剂盐包含最高达10％(w/w)的水。
28.根据权利要求18所述的方法，其中，控制熔融慢化剂盐的含氧酸性的化学物质种类是选自H2O、H2和HF及其混合物的气体。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，将该气体鼓泡穿过该慢化剂盐。
30.一种控制核裂变过程的方法，该方法包括以下步骤：
-提供一种装置，该装置被适配为用于通过核裂变产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管具有入口和出口，
-向该内管中引入熔融燃料盐，该熔融燃料盐包含碱金属的氟化物和裂变元素，
-向该芯容器中引入熔融慢化剂盐和氧化还原元素，
-提供与该内管的该入口和该出口处于流体连通的热交换器，以便限定热交换回路，该热交换回路用于从在该热交换回路中循环的该熔融燃料盐中去除热量，
-在该热交换回路中循环该燃料盐，以便控制在该内管中该燃料盐的温度，
其特征在于，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，并且该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势或者大于该内管材料和该芯容器材料的还原电势，和/或该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合，并且该氧化还原元素是控制熔融慢化剂盐的含氧酸性的化学物质种类。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，在该入口处的温度在400℃至800℃的范围内，并且其中在该出口处的温度在600℃至1000℃的范围内。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，该燃料盐是共晶盐。
33.根据权利要求30所述的方法，其中，该燃料盐包含钍。
34.根据权利要求30所述的方法，其中，通过向该慢化剂盐补充该氧化还原元素来维持该氧化还原元素的浓度。
35.根据权利要求30所述的方法，该方法进一步包括将气体鼓泡穿过该熔融慢化剂盐和/或穿过该熔融燃料盐的步骤。
36.根据权利要求30所述的方法，其中，该至少一种金属氢氧化物和/或该至少一种金属氘氧化物包含选自包括碱金属、碱土金属或碱金属和碱土金属的组合的金属组的金属。
37.根据权利要求30所述的方法，其中，该氧化还原元素的浓度在1g/kg至100g/kg的该熔融慢化剂盐的范围内。
38.根据权利要求30所述的方法，其中，该氧化还原元素的熔点高于该熔融慢化剂盐的熔点，并且其中该氧化还原元素作为具有在0.1mm至11mm范围内尺寸的颗粒的悬浮液存在。
39.根据权利要求30所述的方法，其中，该熔融慢化剂盐包含最高达10％(w/w)的水。
40.根据权利要求30所述的方法，其中，控制熔融慢化剂盐的含氧酸性的化学物质种类是选自H2O、H2和HF及其混合物的气体。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，将该气体鼓泡穿过该慢化剂盐。
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