CN111739665B - 一种石墨球慢化熔盐堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨球慢化熔盐堆，其包括容纳于包壳中的反射层，该反射层限定活性区，活性区包括第一区域和第二区域，液态燃料熔盐自下而上流动充满第一区域和第二区域，起到慢化作用的多个石墨球仅堆积在第一区域中。根据本发明的石墨球慢化熔盐堆，使用液态熔盐作为燃料，石墨球作为慢化剂，其一方面继承了熔盐堆的优点，降低了换料成本和技术难度，另一方面简化了制作过程，因为石墨球形状简单，制作设备小型化，入堆和出堆更加灵活，操作技术难度也大大下降。

Description

一种石墨球慢化熔盐堆
技术领域
本发明涉及核反应堆，更具体地涉及一种石墨球慢化熔盐堆。
背景技术
第四代核反应堆共有六种堆型：气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)、熔盐堆(MSR)、钠冷快堆(SFR)、超临界水冷堆(SCWR)、超高温气冷堆(VHTR)。熔盐堆作为六种堆型之一，其在固有安全、核燃料循环、小型化、核资源的有效利用和防止核扩散等方面有其突出的优点。其中包括使用熔盐作为冷却剂的美国橡树岭国家实验室的先进高温堆(AHTR)，UC伯克利的球床先进高温堆(PB-AHTR)，以及使用熔盐作为燃料的MSRE、MSBR，和2011年中国科学院启动的钍基熔盐堆核能系统(TMSR)先导专项提出的钍基熔盐堆等。
在换料方面，AHTR使用的是直径1.244cm的燃料棒，直接插入在石墨基体中，由于燃料棒数量巨大，换料成本较高。PB-AHTR采用的在线换料是通过燃料球在熔盐中的流动实现的，因为无法控制燃料球在堆芯中的位置，所以在换料前需要逐个测量球的燃耗，而且单球逐个换料的方式机构复杂，不利于反应堆的安全运行。
在慢化方面，MSRE采用四棱柱体堆芯石墨组件，侧面开田径场型凹槽作为燃料盐流道，MSBR采用与MSRE类似的四棱柱石墨组件，不同的是除了外围的矩形熔盐流道外，石墨柱中心还有圆形的熔盐流道。这两种反应堆均采用的四棱柱石墨棒，体积庞大，制作技术要求较高，同时入堆和出堆的技术难度要求也比较高。
发明内容
为了解决现有技术中的换料难度大且制作难度高等问题，本发明提供一种石墨球慢化熔盐堆。
根据本发明的石墨球慢化熔盐堆，其包括容纳于包壳中的反射层，该反射层限定活性区，活性区包括第一区域和第二区域，液态燃料熔盐自下而上流动充满第一区域和第二区域，起到慢化作用的多个石墨球仅漂浮在第一区域中。
优选地，该液态燃料熔盐为包含裂变和可裂变核素232Th和/或233U的氟盐或氯盐体系的燃料盐。特别地，其中232Th和/或233U的含量及233U的丰度视堆芯的具体功率而定。例如233U的丰度范围由0.71％到国家允许的范围。
优选地，该氟盐体系包括LiF-BeF2-ThF4-UF4、LiF-CaF2-ThF4-UF4、LiF-NaF-KF-ThF4-UF4、LiF-BeF2-UF4、LiF-CaF2-UF4、LiF-NaF-KF-UF4等。更优选地，该氟盐体系中的UF4摩尔百分比(mol％)大于0.01。
优选地，该氯盐体系包括LiCl-BeCl2-ThCl4-UCl4、LiCl-CaCl2-ThCl4-UCl4、LiCl-NaCl-KCl-ThCl4-UCl4等。
优选地，多个石墨球中的每一个具有基本相同的外径。
优选地，石墨球的密度在2.0-2.7g/cm3的范围之内。石墨球的总数量及堆积高度视反应堆能谱的慢化要求而定。石墨球的直径由石墨球和液态燃料熔盐的体积比决定。在石墨球和液态燃料熔盐的混合物中，石墨球随机堆积成球床，对整个燃料区起到慢化作用。应该理解，石墨球的直径视工艺水平、冷却能力和经济状况而定，只要这三项允许，任何值都可以。
优选地，反射层包括第一反射层、第二反射层和侧反射层，其中，第一反射层位于活性区的上方，第二反射层位于活性区的下方，侧反射层位于第一反射层、活性区和第二反射层外侧，第一反射层中形成有多个第一熔盐通道，第二反射层中形成有多个第二熔盐通道，液态燃料熔盐通过该第二熔盐通道进入活性区并通过该第一熔盐通道流出活性区。
优选地，在侧反射层中形成有控制棒通道，控制棒容纳于该控制棒通道中移动。反应堆临界和次临界运行通过控制棒在控制棒通道中的上下移动来调节。具体地，通过测量或者计算出控制棒每移动1个单位距离引起的反应堆的堆芯的反应性的变化量，从而得出反应性大于等于1时(反应堆处于临界状态)，控制棒的插入深度，那么当插入深度大于这个值时，反应堆就处于次临界。
优选地，第一反射层的中央形成有供堆芯卸料用的石墨塞通道，石墨塞设置于该石墨塞通道中。
优选地，第二反射层的中央形成有进球通道，石墨球通过该进球通道进入活性区中。
根据本发明的石墨球慢化熔盐堆，使用液态熔盐作为燃料，石墨球作为慢化剂，其一方面继承了熔盐堆的优点，降低了换料成本和技术难度，另一方面简化了制作过程，因为石墨球形状简单，制作设备小型化，入堆和出堆更加灵活，操作技术难度也大大下降。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的石墨球慢化熔盐堆的横剖面图；
图2是根据本发明的一个优选实施例的石墨球慢化熔盐堆的纵剖面图；
图3是根据本发明的石墨球慢化熔盐堆的活性区能谱图；
图4是根据本发明的石墨球慢化熔盐堆在不同LiF:BeF2:UF4比例时活性区有效增值因子图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1-图2所示，根据本发明的一个优选实施例的石墨球慢化熔盐堆包括容纳于包壳1中的反射层2，该反射层2限定活性区3，活性区3包括第一区域I和第二区域II，液态燃料熔盐4充满第一区域I和第二区域II，起到慢化作用的多个石墨球5仅堆积在第一区域I中，即石墨球5漂浮在活性区3的上部的第一区域I中，第二区域II形成为无石墨球区域。
包壳1的材料为适用于堆芯结构材料，需具有较高的强度、耐腐蚀性、高熔点、低中子毒性等特点，如哈氏合金材料等。包壳1的大小与厚度视具体堆芯体积、堆芯温度、功率、反应性温度系数而定。
反射层2由中子反射材料石墨构成，其包括第一反射层21、第二反射层22和侧反射层23，其中，第一反射层21位于活性区3的上方，第二反射层22位于活性区3的下方，侧反射层23位于第一反射层21、活性区3和第二反射层22外侧。第一反射层21中形成有多个第一熔盐通道211，第二反射层22中形成有多个第二熔盐通道221，液态燃料熔盐4通过该第二熔盐通道221进入活性区3并通过该第一熔盐通道211流出活性区3，从而实现液态燃料熔盐4的从下而上的流动。应该理解，第一熔盐通道211和第二熔盐通道221的数量及直径由堆芯的大小、功率及热工水力参数决定。
第一反射层21的中央形成有供堆芯卸料用的石墨塞通道，石墨塞6设置于该石墨塞通道中。在本实施例中，该石墨塞通道为正对活性区3的圆台，石墨塞6为圆柱状石墨塞。应该理解，石墨塞6的直径由石墨球5的直径大小和卸料速度来确定。
第二反射层22的中央形成有进球通道222，石墨球5通过该进球通道222进入活性区3中，多个第二熔盐通道221围绕着进球通道222设置。
在侧反射层23中形成有控制棒通道231，控制棒7容纳于该控制棒通道中移动。在侧反射层23中形成有中子源通道，中子源8容纳于该中子源通道中。另外，在侧反射层23中还形成有试验通道9和停堆系统。
在本实施例中，活性区3为圆柱状。
在本实施例中，液态燃料熔盐4为液态LiF-BeF2-UF4燃料盐，其中，LiF、BeF2和UF4的摩尔百分比(mol％)分别为66.97:33.02:0.01；65.3:32.2:0.5；65.3:32.2:1.0；65.3:32.2:1.5；65.3:32.2:2.0；65.3:32.2:2.5。
在本实施例中，共有10228个石墨球5随机堆积在第一区域I中，其占空比为60％。
图3为石墨球慢化熔盐堆堆芯中子能谱图，其中，0.01-I表示燃料盐LiF:BeF2:UF4＝66.97:33.02:0.01时第一区域I的能谱图；0.5-I表示燃料盐LiF:BeF2:UF4＝65.3:32.2:0.5时第一区域I的能谱图；1-I表示燃料盐LiF:BeF2:UF4＝65.3:32.2:1.0时第一区域I的能谱图；1.5-I表示燃料盐LiF:BeF2:UF4＝65.3:32.2:1.5时第一区域I的能谱图；2-I表示燃料盐LiF:BeF2:UF4＝65.3:32.2:2.0时第一区域I的能谱图；2.5-I表示燃料盐LiF:BeF2:UF4＝65.3:32.2:2.5时第一区域I的能谱图；第二区域II同理。从图中可以看出，由于慢化剂的作用，石墨球所在区域比无石墨球所在区域的能谱明显要热；随着UF4摩尔百分比(mol％)的升高，不管是石墨球所在区域还是只有燃料盐的区域，能谱都将越来越硬；使用者可根据自身需要选择对应的燃料盐配比分数及能谱软硬程度。
图4为不同LiF:BeF2:UF4比例时堆芯活性区有效增值因子图，从图中可以看出，除第一种情况(LiF:BeF2:UF4＝66.97:33.02:0.01)外，其他五种情况都达到了临界。也就是说，熔盐中的UF4摩尔百分比(mol％)不能太低，优选大于0.01。
根据本发明的石墨球慢化熔盐堆，由于液态燃料熔盐4具有高的比热容、高熔点和较低的蒸汽压，使得石墨球慢化熔盐堆具有良好的经济性和固有安全性；反应堆运行时，石墨球5的装卸、更换更加方便，降低运行成本，进一步发展可以使用钍铀循环、钍钚循环燃料，解决铀资源匮乏及能源问题；与四棱柱石墨组件相比，石墨球制作简单，生产、贮存、装运更加灵活，降低了生产成本。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，该石墨球慢化熔盐堆包括容纳于包壳中的反射层，该反射层限定活性区，活性区包括第一区域和第二区域，液态燃料熔盐自下而上流动充满第一区域和第二区域，起到慢化作用的多个石墨球仅漂浮在第一区域中。
2.根据权利要求1所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，该液态燃料熔盐为包含裂变和可裂变核素232Th和/或233U的氟盐或氯盐体系的燃料盐。
3.根据权利要求2所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，该氟盐体系包括LiF-BeF2-ThF4-UF4、LiF-CaF2-ThF4-UF4、LiF-NaF-KF-ThF4-UF4、LiF-BeF2-UF4、LiF-CaF2-UF4、或LiF-NaF-KF-UF4。
4.根据权利要求2所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，该氯盐体系包括LiCl-BeCl2-ThCl4-UCl4、LiCl-CaCl2-ThCl4-UCl4、或LiCl-NaCl-KCl-ThCl4-UCl4。
5.根据权利要求1所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，多个石墨球中的每一个具有基本相同的外径。
6.根据权利要求1所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，石墨球的密度在2.0-2.7g/cm3的范围之内。
7.根据权利要求1所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，反射层包括第一反射层、第二反射层和侧反射层，其中，第一反射层位于活性区的上方，第二反射层位于活性区的下方，侧反射层位于第一反射层、活性区和第二反射层外侧，第一反射层中形成有多个第一熔盐通道，第二反射层中形成有多个第二熔盐通道，液态燃料熔盐通过该第二熔盐通道进入活性区并通过该第一熔盐通道流出活性区。
8.根据权利要求7所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，在侧反射层中形成有控制棒通道，控制棒容纳于该控制棒通道中移动。
9.根据权利要求7所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，第一反射层的中央形成有供堆芯卸料用的石墨塞通道，石墨塞设置于该石墨塞通道中。
10.根据权利要求7所述的石墨球慢化熔盐堆，其特征在于，第二反射层的中央形成有进球通道，石墨球通过该进球通道进入活性区中。
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