CN110783004A - 一种高温球床堆铅基金属冷却剂及制备方法与换料方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温球床堆铅基金属冷却剂及制备方法与换料方法，所述铅基金属冷却剂包括以下质量百分比的组成：80%~81%的铅、11%~12%的铋、2%~3%的锡、1%~2%的锑、1%~2%的铜和1%~2%的杂质。所述方法包括将上述组成进行混合、高温熔化、冷却、重新熔化，充分混合后形成铅基金属冷却剂。所述换料方法包括将铅基金属冷却剂从高温球床堆的压力容器顶部导入，将高温球床堆的燃料球从压力容器底部进入，燃料球从压力容器顶部离开压力容器，并通过燃料输送管道又回到压力容器。相对于气体冷却的高温球床堆，铅基金属冷却的高温球床堆体积更小、冷却剂热工性能更好，从而使得铅基金属冷却的高温球床堆具备较好的经济性和安全性。

Description

一种高温球床堆铅基金属冷却剂及制备方法与换料方法
技术领域
本发明涉及核反应堆物理计算领域，具体涉及一种高温球床堆铅基金属冷却剂及制备方法与换料方法。
背景技术
铅基液态金属是指以Pb为主体的包含其它金属（如Bi、Ti）等构成的一种冷却介质，这种铅基液态金属具有热导率大、沸点高、熔点低、比热容大等优点（吴宜灿. 铅基反应堆研究进展与应用前景[J]. 现代物理知识，35-39,2018），因此，铅基金属常常被用于作为柱状燃料快中子堆的冷却剂，组件形式一般为六边形组件，现有研究表明随着六边形组件盒间距以及组件盒尺寸的增加，通道出口不同高度处均方根温度增大，冷却剂温度波动更加强烈（王立志. 铅基反应堆堆芯出口温度波动特性及影响因素研究[D]. 中国科学技术大学，2019.），因此采用六边形组件的铅基液体金属反应堆存在着出口温度波动剧烈的问题，因此可采用球床型的堆芯结构来避免这一问题。目前，采用球床型的堆芯结构的现有反应堆为高温气冷堆（姜胜耀，桂南，杨星团等. 球床式高温气冷堆球流及球床辐射理论与实验研究进展[J]. 原子能科学技术，1-10,2019.），高温气冷堆采用气体（例如氦气、二氧化碳等）作为冷却剂，功率为250 MW的高温气冷堆的堆芯高度为1680 cm、半径为250 cm（宋英明，马远乐，单文志等. 高温气冷堆堆芯中子时空动力学模拟计算[J]. 计算物理，26（6）911-916,2009.），采用气体（例如氦气、二氧化碳等）作为冷却剂的高温气冷堆的体积非常庞大。然而，如果在高温球床堆内使用铅基液态金属冷却剂，和使用气体作为冷却剂的高温球床堆相比，由于铅基金属冷却剂的热导率大、比热容大，因此只需要少量的铅基金属冷却剂就可以完成堆芯的冷却任务。
综上所述，铅基金属冷却的高温球床堆可以避免六边形组件带来的冷却剂温度剧烈波动问题，提高了安全性；此外，由于铅基金属冷却剂优良的热工性能，使得铅基金属冷却的高温球床堆可以有效减小堆芯的体积，堆芯体积的减小使得堆芯的造价减小，这增加了铅基金属冷却的高温球床堆的经济性。体积较小的铅基金属冷却的高温球床堆可以配置在很多地形较为狭小的厂址，这增加了铅基金属冷却的高温球床堆的灵活性。
发明内容
为了克服气体冷却的高温球床堆体积庞大这一缺陷，本发明提供了一种高温球床堆铅基金属冷却剂及制备方法与换料方法，该换料方法可以避免停堆，从而使得铅基金属冷却高温球床堆的满功率发电时间更长，进而获得更高的经济性。
本发明的目的可以通过如下技术方案之一实现的。
本发明提供了一种高温球床堆铅基金属冷却剂，所述铅基金属冷却剂包括以下质量百分比的组成：80%~81%的铅、11%~12%的铋、2%~3%的锡、1%~2%的锑、1%~2%的铜和1%~2%的杂质。
优选地，所述杂质包括硅，硅的含量不超过0.5%。
优选地，所述杂质包括镍，镍的含量不超过0.3%。
优选地，所述杂质包括锂，锂的含量不超过0.1%。
本发明还提供了制备所述的高温球床堆铅基金属冷却剂的方法，所述方法包括：将80%~81%的铅、11%~12%的铋、2%~3%的锡、1%~2%的锑、1%~2%的铜和1%~2%的杂质进行混合、高温熔化、冷却、重新熔化，充分混合后形成铅基金属冷却剂。
优选地，所述高温熔化的温度为600℃~800℃。
优选地，冷却的时间为6小时至48小时。
本发明还提供了所述的铅基金属冷却剂在高温球床堆中的换料方法，包括：将铅基金属冷却剂从高温球床堆的压力容器顶部导入，将高温球床堆的燃料球从压力容器底部进入，燃料球密度小于冷却剂，燃料球自动浮在冷却剂上方，发生核裂变反应后，燃料球从压力容器顶部离开压力容器，并通过燃料输送管道又回到压力容器。
优选地，燃料球从压力容器底部进入、从压力容器顶部离开，并通过燃料输送管道又回到压力容器，如此每天循环11次至19次。
优选地，所述压力容器为圆柱形，燃料球中的核燃料为二氧化铀。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
本发明提供了一种高温球床堆铅基金属冷却剂及制备方法与换料方法，相对于气体冷却的高温球床堆，铅基金属冷却的高温球床堆体积更小、冷却剂热工性能更好，从而使得铅基金属冷却的高温球床堆具备较好的经济性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例中用铅基金属冷却的高温球床堆的压力容器截面图；
图1中：1-压力容器； 2-燃料球； 3-铅基金属冷却剂。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供一种高温球床堆铅基金属冷却剂，所述铅基金属冷却剂包括以下质量百分比的组成：81%的铅、12%的铋、3%的锡、2%的锑、1%的铜和1%的杂质。
所述杂质包括硅，硅的含量为0.5%；所述杂质包括镍，镍的含量为0.3%；所述杂质包括锂，锂的含量为0.1%。
本实施例还提供了制备所述的高温球床堆铅基金属冷却剂的方法，所述方法包括：将81%的铅、12%的铋、3%的锡、2%的锑、1%的铜和1%的杂质进行混合、在高温炉中以680℃的高温熔化、冷却12个小时、再将上述所有金属放入高性能熔炼炉中开展重新熔化，充分混合后形成铅基金属冷却剂。
本实施例还提供了所述的铅基金属冷却剂在高温球床堆中的换料方法，包括：将铅基金属冷却剂3从高温球床堆的压力容器1顶部导入，将高温球床堆的燃料球2从压力容器1底部进入，燃料球2密度小于冷却剂，燃料球2自动浮在铅基金属冷却剂3上方，发生核裂变反应后，燃料球2从压力容器1顶部离开压力容器1，并通过燃料输送管道又回到压力容器1。
铅基金属冷却剂3从顶部导入压力容器1，将燃料球2从压力容器1底部送入，使得铅基金属冷却剂3能够冷却燃料球2，燃料球2的温度高于铅基金属冷却剂3，这是因为燃料球2内部产生的核裂变反应产生了热量导致燃料球2温度上升，因此需要铅基金属冷却剂3以对流等方式带走燃料球2的热量，避免燃料球2因为温度过高而损坏。
为了实现更深的燃耗深度，燃料球2从压力容器1底部进入、从压力容器1顶部离开，并通过燃料输送管道又回到压力容器1，如此循环18次/天，这使得多次通过铅基金属冷却剂3冷却的高温球床堆的压力容器1后，燃料球2内部的核燃料充分地发生了核反应，进而有效地消耗燃料球2内部的核燃料。
如图1所示，所述压力容器1为圆柱形，压力容器1的高为500 cm、压力容器1的直径为150 cm。在装入铅基金属冷却剂3后，铅基金属冷却剂充满了圆柱形压力容器，随后在压力容器1中装入燃料球2，燃料球2直径为5.2 cm。即在压力容器1之内，除了燃料球2，其它空间全部被铅基金属冷却剂填充。燃料球2中的核燃料为二氧化铀。由于燃料球2的密度低于铅基金属冷却剂3，因此，燃料球2浮在压力容器3的上半空间内。
以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温球床堆铅基金属冷却剂，其特征在于，所述铅基金属冷却剂包括以下质量百分比的组成：80%~81%的铅、11%~12%的铋、2%~3%的锡、1%~2%的锑、1%~2%的铜和1%~2%的杂质。
2.根据权利要求1所述的高温球床堆铅基金属冷却剂，其特征在于，所述杂质包括硅，硅的含量不超过0.5%。
3.根据权利要求1所述的高温球床堆铅基金属冷却剂，其特征在于，所述杂质包括镍，镍的含量不超过0.3%。
4.根据权利要求1所述的高温球床堆铅基金属冷却剂，其特征在于，所述杂质包括锂，锂的含量不超过0.1%。
5.制备权利要求1至4任一项所述的高温球床堆铅基金属冷却剂的方法，其特征在于，所述方法包括：将80%~81%的铅、11%~12%的铋、2%~3%的锡、1%~2%的锑、1%~2%的铜和1%~2%的杂质进行混合、高温熔化、冷却、重新熔化，充分混合后形成铅基金属冷却剂。
6.根据权利要求5所述的制备高温球床堆铅基金属冷却剂的方法，其特征在于，所述高温熔化的温度为600℃~800℃。
7.根据权利要求5所述的制备高温球床堆铅基金属冷却剂的方法，其特征在于，冷却的时间为6小时至48小时。
8.权利要求1至4任一项所述的铅基金属冷却剂在高温球床堆中的换料方法，其特征在于，包括：将铅基金属冷却剂从高温球床堆的压力容器顶部导入，将高温球床堆的燃料球从压力容器底部进入，燃料球密度小于冷却剂，燃料球自动浮在冷却剂上方，发生核裂变反应后，燃料球从压力容器顶部离开压力容器，并通过燃料输送管道又回到压力容器。
9.根据权利要求8所述的铅基金属冷却剂在高温球床堆中的换料方法，其特征在于，燃料球从压力容器底部进入、从压力容器顶部离开，并通过燃料输送管道又回到压力容器，如此每天循环11次至19次。
10.根据权利要求8所述的铅基金属冷却剂在高温球床堆中的换料方法，其特征在于，所述压力容器为圆柱形，燃料球中的核燃料为二氧化铀。
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