CN112259263A - 一种三流道熔盐堆堆芯结构及三流道熔盐堆系统 - Google Patents

一种三流道熔盐堆堆芯结构及三流道熔盐堆系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三流道熔盐堆堆芯结构及三流道熔盐堆系统。该三流道熔盐堆堆芯结构，其包括燃料流道、慢化流道和冷却流道；所述燃料流道用于容纳燃料盐，所述冷却流道用于容纳冷却剂，所述慢化流道用于容纳慢化剂；其中，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道之间互不连通，且轴线互相平行；所述燃料流道嵌套于所述慢化流道中，所述慢化流道嵌套于所述冷却流道中。本发明的熔盐堆系统既可以实现较高的堆芯出口温度，也可以提高功率密度实现紧凑设计，同时还可以实现连续的在线添料、在线后处理和在线更换慢化剂，堆芯寿期长，成本低。

Description

一种三流道熔盐堆堆芯结构及三流道熔盐堆系统
技术领域
本发明涉及一种三流道熔盐堆堆芯结构及三流道熔盐堆系统。
背景技术
在现有液态燃料熔盐堆设计中，燃料盐一般是指裂变燃料、可转换材料和载体盐的混合物。在高温熔融液态下，燃料盐既作为核燃料，也作为冷却剂，在熔盐堆的内部和外部进行循环。由于燃料盐会吸收很多热量，且传热慢，使得液态燃料熔盐堆的工作温度通常只能设计或运行在650℃左右，无法实现更高的温度(如≥950℃)。同时，为了防止熔盐堆过热，核燃料的摩尔份额一般都比较低(一般在0.5％～12％，至多为28％)，导致熔盐堆的功率密度无法得到有效提升。因此，仅采用燃料盐一种流体无法达到工艺加热用的最佳温度(如1000℃)。
为了解决上述问题，已有采用双流体原理(即一种液体作为核燃料，另一种液体作为冷却剂)的熔盐堆设计，如双流体熔盐堆(Dual Fluid Reactor，DFR)和稳定熔盐堆(Stable Salt Reactors，SSR)，可以实现高的功率密度和很高的出口温度(如1000℃)。但是DFR因采用液态熔融铅作为冷却剂，存在如下技术难题：1)液态铅的不透明性对检查和检测堆芯核心部件及燃料处理(遥控装卸料等)提出挑战；2)铅冷却剂密度太大，过大的流速会对泵造成极大的负荷；3)液态熔融铅在高温和高速流动工况下对结构材料的腐蚀和侵蚀。而SSR由于其燃料盐是不流动的，无法实现连续的在线后处理和在线添料，熔盐堆的优势无法完全体现。无论DFR还是SSR，均属于快堆范畴，它们的燃料装量多，对材料的辐射损伤严重，中子泄漏率大，屏蔽体质量大。同时，受制于燃料技术、材料性能与腐蚀控制等领域的发展现状，快堆的部署、研发与应用更加困难。与快堆相比，热堆或超热堆更容易实现快速部署和应用。
然而，现有液态燃料熔盐热堆或超热堆的堆芯设计或为单流(单一燃料盐作为核燃料和冷却剂)，或为双流(指的是燃料盐和增殖盐分开布置，通常是燃料盐在堆芯内层，增殖盐在堆芯外层，例如专利文献CN108172318A)，它们的燃料盐仍需同时兼任核燃料和冷却剂，无法实现较高的功率密度或出口温度。
专利文献CN111627572A公开了模块化熔盐堆堆芯及熔盐堆，其包括开设有多个燃料孔道和多个冷却孔道的石墨基体，其燃料孔道和冷却孔道互不连通，能够实现较高的出口温度。然而由于其结构的设计缺陷，不仅堆芯结构占地面积大，而且其反应堆难以长时间的运行，无法进行在线添料或在线后处理，在达到服役寿命时，无论是核燃料还是慢化剂，都必须先停堆后整体更换，运行成本高。
因此，需要设计一种寿命长、运行成本低的熔盐堆系统，其能够实现高的出口温度(大于950℃)，且能够在不停堆情况下进行在线添料、后处理和更换慢化剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服液态燃料熔盐热堆无法同时实现出口温度高、寿命长、运行成本低且能够在无需停堆情况下进行在线添料、在线后处理和更换慢化剂的缺陷，而提供一种三流道熔盐堆堆芯结构及三流道熔盐堆系统。本发明的熔盐堆系统既可以实现较高的堆芯出口温度，也可以提高功率密度实现紧凑设计，同时还可以实现连续的在线添料、在线后处理和在线更换慢化剂，堆芯寿期长，成本低。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
本发明提供了一种三流道熔盐堆堆芯结构，其包括燃料流道、慢化流道和冷却流道；所述燃料流道用于容纳燃料盐，所述冷却流道用于容纳冷却剂，所述慢化流道用于容纳慢化剂；
其中，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道之间互不连通，且轴线互相平行；
所述燃料流道嵌套于所述慢化流道中，所述慢化流道嵌套于所述冷却流道中。
本发明中，所述燃料盐为核燃料与载体盐的混合物，且所述核燃料占所述燃料盐的摩尔分数较佳地为0.1～45％，更佳地为1～15％，例如为5.1％～14.6％，较多的核燃料能够实现较高的出口温度。
其中，所述核燃料较佳地为钍、铀、钚和超铀元素的一种或多种。
其中，所述载体盐较佳地为氟盐或氯盐，更佳地为氟盐。
本发明中，所述燃料流道的管壁的材料可为本领域常规的耐高温耐辐照材料，较佳地为碳化硅。所述燃料流道的管壁的厚度较佳地为0.2～1.0cm，例如为0.2cm。
本发明中，所述慢化剂可为本领域常规的可流动的慢化剂，较佳地为石墨球或重水。
其中，所述石墨球的材料可为本领域常规的石墨材料。所述石墨球的直径较佳地为2～30cm，更佳地为2～6cm。所述石墨球的密度较佳地大于1.70g/cm3，更佳地为1.70～2.50g/cm3，例如为1.85g/cm3。
本发明中，所述慢化流道的管壁的材料可为本领域常规的耐高温耐辐照材料。所述慢化流道的管壁的厚度较佳地为0.2～2.5cm。
本发明一优选实施方式中，所述慢化剂为石墨球，所述慢化流道的管壁的材料为碳化硅，所述慢化流道的管壁的厚度为0.2～1.0cm。
本发明另一优选实施方式中，所述慢化剂为重水，所述慢化流道的管壁的材料为从内向外的碳化硅层-隔热材料层-碳化硅层；其中，所述隔热材料层的材料较佳地为8YSZ(钇稳定氧化锆，含8mol％的Y2O3)、ZrO2、Al2O3或SiO2；所述隔热材料层的厚度较佳地为0.1～1.5cm；所述碳化硅层的厚度较佳地为0.1～0.5cm。
本发明中，所述冷却剂可为本领域常规的冷却剂，一般为氟盐或氯盐，较佳地为氟盐，例如为摩尔比为67:33的LiF和BeF2。
本发明中，所述冷却流道的管壁的材料可为本领域常规的耐高温耐辐照材料，较佳地为碳化硅。
本发明中，通过对所述三流道熔盐堆堆芯结构中的所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道之间的排布关系的设置，使得所述燃料盐无需具备冷却剂的作用，能够实现较高的出口温度。
本发明一优选实施方式中，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道的轴线重合。
其中，较佳地，所述燃料盐和所述慢化剂的体积比为1:(1～19)，例如为1:4.4。
其中，较佳地，所述三流道熔盐堆堆芯结构的高度为120～250cm，例如为170cm。
其中，较佳地，所述三流道熔盐堆堆芯结构的直径为120～250cm，例如为170cm。
其中，较佳地，所述三流道熔盐堆堆芯结构包含包壳。所述包壳可为本领域常规，所述包壳的厚度较佳地为1～5cm。
其中，较佳地，所述冷却流道的管壁的厚度为0.2～1.0cm。
其中，较佳地，所述燃料流道、慢化流道和冷却流道的轴向横截面为同心圆。
其中，较佳地，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道形成一个堆芯单元，由轴心至外分布有多个同轴，尺寸逐步扩大的所述堆芯单元，所述堆芯单元的数量优选为2～40个，例如为6个。
本领域技术人员应知晓，所述燃料流道、所述慢化流道、所述冷却流道中可流动区域的厚度之间的比例应满足临界安全要求和热工水力要求。其中，所述三流道熔盐堆堆芯结构中心的所述燃料流道的内径较佳地为4～15cm，例如为4cm，其余的所述燃料流道的可流动区域的厚度较佳地为0.5～15.0cm，例如为2cm。所述慢化流道的可流动区域的厚度较佳地为1.0～25.0cm，例如为8cm。所述冷却流道的可流动区域的厚度较佳地为1.0～10.0cm，例如为3cm。
本发明另一优选实施方式中，所述燃料流道和所述慢化流道的轴线重合，所述冷却流道内嵌套有若干个所述慢化流道。
其中，所述冷却流道内嵌套有30～450个所述慢化流道，例如为112个。
其中，较佳地，所述三流道熔盐堆堆芯结构的高度为80～250cm，例如为160cm。
其中，较佳地，所述三流道熔盐堆堆芯结构的直径为80～250cm，例如为160cm。
其中，较佳地，所述燃料盐和所述慢化剂的体积比为1:(1～49)，例如为1:8.4。
其中，较佳地，所述冷却流道的管壁的厚度为3～6cm，例如为3cm。
其中，较佳地，所述慢化流道和所述燃料流道的轴向横截面为同心圆。
其中，较佳地，所述慢化流道呈四边形阵列布置于所述冷却流道内。
本领域技术人员应知晓，所述燃料流道、所述慢化流道、所述冷却流道中可流动区域的厚度之间的比例应满足临界安全要求和热工水力要求。其中，相邻的所述慢化流道的轴线间隔较佳地小于50cm，更佳地为5～50cm，例如为13.1cm。所述燃料流道的内径较佳地为4～30cm，例如为4cm。所述慢化流道的可流动区域的厚度较佳地为1.0～25.0cm，例如为4cm。所述冷却流道的内径较佳地为68～244cm，例如为154cm。
本发明还提供了一种三流道熔盐堆系统，其包括如前所述的三流道熔盐堆堆芯结构。
其中，较佳地，所述燃料流道与熔盐处理厂形成燃料盐回路，可实现在线添料和在线后处理。更佳地，所述燃料盐回路中连接有燃料盐储罐，所述燃料盐储罐用于提供所述燃料盐。更佳地，所述燃料流道的两端连接有燃料盐腔室。
其中，较佳地，所述慢化流道与慢化剂处理装置形成慢化剂回路。更佳地，所述慢化剂回路中连接有慢化剂储罐，所述慢化剂储罐用于提供所述慢化剂。更佳地，若所述慢化剂为石墨球，所述慢化剂处理装置为检测装置；若慢化剂为重水，所述慢化剂处理装置为换热器。更佳地，所述慢化流道的两端连接有慢化剂腔室。
其中，较佳地，所述冷却流道与换热器形成冷却剂回路。更佳地，所述冷却剂回路中连接有冷却剂储罐，所述冷却剂储罐用于提供所述冷却剂。更佳地，所述冷却流道的两端连接有冷却剂腔室。
本发明一优选实施方式中，所述燃料盐腔室、所述慢化剂腔室和所述冷却剂腔室之间用耐高温耐辐照材料隔开(例如镍基耐腐蚀合金等)。
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。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供的三流道熔盐堆具有独立的燃料流道、慢化流道和冷却流道，既可以实现较高的堆芯出口温度(最高可达1150℃)，也可以提高功率密度实现紧凑设计，同时还可以实现连续的在线添料、在线后处理和在线更换慢化剂，堆芯寿期长，成本低。本发明的三流道熔盐堆在不停堆的情况下，也可运行10年～30年。堆芯结构占地面积小。燃料盐体积比满足从热谱到超热谱的应用，核燃料富集度低于20％，满足防核扩散需求。
附图说明
图1为实施例1的三流道熔盐堆堆芯的俯视图。
图2为实施例1的三流道熔盐堆堆芯的横剖图。
图3为实施例2的三流道熔盐堆堆芯的俯视图。
图4为实施例2的三流道熔盐堆堆芯的横剖图。
图5为实施例1的三流道熔盐堆系统的结构示意图。
附图标记说明
燃料流道1
慢化流道2
冷却流道3
熔盐处理厂11
燃料盐储罐12
慢化剂处理装置21
慢化剂储罐22
换热器31
冷却剂储罐32
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
如图1和图2所示，实施例1的三流道熔盐堆堆芯结构中，其包括燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3；燃料流道1用于容纳燃料盐，冷却流道3用于容纳冷却剂，慢化流道2用于容纳慢化剂；其中，燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3之间互不连通，且轴线互相平行；燃料流道1嵌套于慢化流道2中，慢化流道2嵌套于冷却流道3中。
燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3的轴线重合。燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3的轴向横截面为同心圆。燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3形成一个堆芯单元，由轴心至外分布有多个同轴，尺寸逐步扩大的堆芯单元，堆芯单元的数量为6个(图1和图2并未将全部的堆芯单元示出)。
燃料流道1、慢化流道2、冷却流道3中可流动区域的厚度之间的比例需满足临界安全要求和热工水力要求。其中，三流道熔盐堆堆芯结构中心的燃料流道1的内径为4cm，其余的燃料流道1的可流动区域的厚度为2cm。慢化流道2的可流动区域的厚度为8cm。冷却流道3的可流动区域的厚度为3cm。
其中，燃料流道1的管壁的材料为碳化硅。燃料流道1的管壁的厚度为0.2cm。慢化流道2的管壁的材料为碳化硅。慢化流道2的管壁的厚度为0.2cm。冷却流道3的管壁的材料为碳化硅。冷却流道3的管壁的厚度为0.2cm。
其中，燃料盐的成分为LiF-BeF2-ZrF4-UF4，UF4的摩尔份额为5.1％，Li-7丰度为99.995％，U-235富集度为19.75％。其中，慢化剂为石墨球。石墨球的直径为6cm。石墨球的密度为1.85g/cm3。冷却剂为摩尔比为67:33的LiF和BeF2。燃料盐和慢化剂的体积比为1:4.4。
其中，三流道熔盐堆堆芯结构的包壳的厚度为3.4cm。三流道熔盐堆堆芯结构的高度为170cm，直径为170cm。
如图5所示，实施例1的三流道熔盐堆系统中，包括如前所述的三流道熔盐堆堆芯结构(图5中仅以最中心的堆芯单元为示例)。
燃料流道1与熔盐处理厂11形成燃料盐回路，可实现在线添料和在线后处理。燃料盐回路中连接有燃料盐储罐12，燃料盐储罐12用于提供燃料盐。燃料流道1的两端连接有燃料盐腔室。
慢化流道2与慢化剂处理装置21形成慢化剂回路。慢化剂回路中连接有慢化剂储罐22，慢化剂储罐22用于提供慢化剂。慢化剂处理装置21为检测装置。慢化流道2的两端连接有慢化剂腔室。
冷却流道3与换热器21形成冷却剂回路。冷却剂回路中连接有冷却剂储罐32，冷却剂储罐32用于提供冷却剂。冷却流道3的两端连接有冷却剂腔室。
燃料盐腔室、慢化剂腔室和冷却剂腔室之间用镍基耐腐蚀合金隔开。
实施例2
如图3和图4所示，实施例2的三流道熔盐堆堆芯结构中，其包括燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3；燃料流道1用于容纳燃料盐，冷却流道3用于容纳冷却剂，慢化流道2用于容纳慢化剂；其中，燃料流道1、慢化流道2和冷却流道3之间互不连通，且轴线互相平行；燃料流道1嵌套于慢化流道2中，慢化流道2嵌套于冷却流道3中。
燃料流道1和慢化流道2的轴线重合，慢化流道2和燃料流道1的轴向横截面为同心圆。冷却流道3内嵌套有112个慢化流道2(图3和图4未将全部的燃料流道1和慢化流道2示出)。慢化流道2呈四边形阵列布置于冷却流道3内。
燃料流道1、慢化流道2、冷却流道3中可流动区域的厚度之间的比例需满足临界安全要求和热工水力要求。其中，相邻的慢化流道2的轴线间隔为13.1cm。燃料流道1的内径为4cm。慢化流道2的可流动区域的厚度为4cm。冷却流道3的内径为154cm。
其中，燃料流道1的管壁的材料为碳化硅。燃料流道1的管壁的厚度为0.2cm。慢化流道2的管壁的材料为碳化硅。慢化流道2的管壁的厚度为0.2cm。冷却流道3的管壁的材料为碳化硅。冷却流道3的管壁的厚度为3cm。
其中，燃料盐的成分为LiF-BeF2-ZrF4-UF4，UF4的摩尔份额为14.6％，Li-7丰度为99.995％，U-235富集度为19.75％。其中，慢化剂为石墨球。石墨球的直径为6cm。石墨球的密度为1.85g/cm3。冷却剂为摩尔比为67:33的LiF和BeF2。燃料盐和慢化剂的体积比为1:8.4。
其中，三流道熔盐堆堆芯结构的高度为160cm，直径为160cm。

Claims (10)

1.一种三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，其包括燃料流道、慢化流道和冷却流道；所述燃料流道用于容纳燃料盐，所述冷却流道用于容纳冷却剂，所述慢化流道用于容纳慢化剂；
其中，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道之间互不连通，且轴线互相平行；
所述燃料流道嵌套于所述慢化流道中，所述慢化流道嵌套于所述冷却流道中。
2.如权利要求1所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述燃料流道的管壁的材料为碳化硅；
和/或，所述燃料流道的管壁的厚度为0.2～1.0cm；
和/或，所述燃料盐为核燃料与载体盐的混合物；
其中，所述核燃料占所述燃料盐的摩尔分数较佳地为0.1～45％，更佳地为1～15％，例如为5.1％～14.6％；
其中，所述核燃料较佳地为钍、铀、钚和超铀元素的一种或多种；
其中，所述载体盐较佳地为氟盐或氯盐，更佳地为氟盐。
3.如权利要求1所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述慢化剂为石墨球或重水；
和/或，所述慢化流道的管壁的厚度为0.2～2.5cm。
4.如权利要求3所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述石墨球的直径为2～30cm，较佳地为2～6cm；
和/或，所述石墨球的密度大于1.70g/cm3，较佳地为1.70～2.50g/cm3，更佳地为1.85g/cm3；
和/或，所述慢化剂为石墨球，所述慢化流道的管壁的材料为碳化硅，所述慢化流道的管壁的厚度为0.2～1.0cm；
和/或，所述慢化剂为重水，所述慢化流道的管壁的材料为从内向外的碳化硅层-隔热材料层-碳化硅层；其中，所述隔热材料层的材料较佳地为8YSZ、ZrO2、Al2O3或SiO2；所述隔热材料层的厚度较佳地为0.1～1.5cm；所述碳化硅层的厚度较佳地为0.1～0.5cm。
5.如权利要求1所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述冷却剂为氟盐或氯盐，较佳地为氟盐，例如为摩尔比为67:33的LiF和BeF2；
和/或，所述冷却流道的管壁的材料为碳化硅。
6.如权利要求1所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道的轴线重合；
和/或，所述燃料盐和所述慢化剂的体积比为1:(1～19)，例如为1:4.4；
和/或，所述三流道熔盐堆堆芯结构的高度为120～250cm，例如为170cm；
和/或，所述三流道熔盐堆堆芯结构的直径为120～250cm，例如为170cm；
和/或，所述三流道熔盐堆堆芯结构包含包壳；所述包壳的厚度较佳地为1～5cm；
和/或，所述冷却流道的管壁的厚度为0.2～1.0cm；
和/或，所述燃料流道、慢化流道和冷却流道的轴向横截面为同心圆；
和/或，所述燃料流道、所述慢化流道和所述冷却流道形成一个堆芯单元，由轴心至外分布有多个同轴，尺寸逐步扩大的所述堆芯单元，所述堆芯单元的数量较佳地为2～40个，更佳地为6个。
7.如权利要求6所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述三流道熔盐堆堆芯结构中心的所述燃料流道的内径为4～15cm，其余的所述燃料流道的可流动区域的厚度为0.5～15.0cm，例如为2cm；
所述慢化流道的可流动区域的厚度为1.0～25.0cm，例如为8cm；
所述冷却流道的可流动区域的厚度为1.0～10.0cm，例如为3cm。
8.如权利要求1所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，所述燃料流道和所述慢化流道的轴线重合，所述冷却流道内嵌套有若干个所述慢化流道；较佳地，所述冷却流道内嵌套有30～450个所述慢化流道，例如为112个；
和/或，所述三流道熔盐堆堆芯结构的高度为80～250cm，例如为160cm；
和/或，所述三流道熔盐堆堆芯结构的直径为80～250cm，例如为160cm；
和/或，所述燃料盐和所述慢化剂的体积比为1:(1～49)，例如为1:8.4；
和/或，所述冷却流道的管壁的厚度为3～6cm；
和/或，所述慢化流道和所述燃料流道的轴向横截面为同心圆；
和/或，所述慢化流道呈四边形阵列布置于所述冷却流道内。
9.如权利要求8所述的三流道熔盐堆堆芯结构，其特征在于，相邻的所述慢化流道的轴线间隔小于50cm，较佳地为5～50cm，例如为13.1cm；
所述燃料流道的内径为4～30cm；
所述慢化流道的可流动区域的厚度为1.0～25.0cm，例如为4cm；
所述冷却流道的内径为68～244cm，例如为154cm。
10.一种三流道熔盐堆系统，其特征在于，其包括如权利要求1～9任一项所述的三流道熔盐堆堆芯结构；
其中，较佳地，所述燃料流道与燃料盐储罐连接；
其中，较佳地，所述慢化流道与慢化剂处理装置形成慢化剂回路；
更佳地，所述慢化剂回路中连接有慢化剂储罐；
更佳地，若所述慢化剂为石墨球，所述慢化剂处理装置为检测装置；若慢化剂为重水，所述慢化剂处理装置为换热器；
其中，较佳地，所述冷却流道与换热器形成冷却剂回路；更佳地，所述冷却剂回路中连接有冷却剂储罐；
其中，较佳地，所述燃料流道的两端连接有燃料盐腔室；所述慢化流道的两端连接有慢化剂腔室；所述冷却流道的两端连接有冷却剂腔室；更佳地，所述燃料盐腔室、所述慢化剂腔室和所述冷却剂腔室之间用镍基耐腐蚀合金隔开。
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