CN113936820A - 熔盐堆堆芯及熔盐堆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔盐堆堆芯及熔盐堆系统。熔盐堆堆芯包括堆芯活性区、反射层、冷却剂进口和冷却剂出口，反射层围绕堆芯活性区的外侧设置，反射层内设置有控制鼓；堆芯活性区设置有冷却剂管道区和燃料熔盐区，冷却剂管道区设置有多根冷却剂管道，冷却剂管道内流通有氦氙混合气或超临界二氧化碳；燃料熔盐区内填充有燃料熔盐；冷却剂管道区与燃料熔盐区的体积比为(6～9):10；冷却剂管道的顶端与冷却剂出口相连，所述冷却剂管道的底端与所述冷却剂进口相连。本发明的熔盐堆堆芯结构简单、提升了堆芯的换热效率、降低了堆芯的建造成本和建造门槛、运行更加安全，同时极大程度上提高了熔盐堆系统的电功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔盐堆堆芯及熔盐堆系统。
背景技术
核电具有能量密度大、工作性能稳定、环境适应性好等优势，可为深空、深海探测以及偏远地区的能源稳定供应提供有力保障。不同于常规大型商业堆，小型反应堆在建设周期、建设成本风险、运行安全性以及部署灵活性方面更具优势。小型反应堆已受到世界各国广泛关注，特别是核能发达的国家，如美国与俄罗斯。美国从上世纪六十年代开始已启动空间堆研究项目，发展了多种空间堆，包括SNAP系列空间堆、710空间堆和SP-100空间堆等；2000年后，提出了普罗米修斯计划，推出了用于木星探索的200KWe的空间堆；2015年，美国国家航空和宇宙航行局NASA启动了Kilopower计划，设计的空间堆在1kWe到10kWe之间可调，采用斯特林电机，热管冷却。俄罗斯在空间堆发展方面几乎与美国同步，提出了Romashka、BUK、TOPAZ等系列小型堆。
小型堆根据用途可分为空间堆、深海堆、车载堆、动力堆等，功率为千瓦到兆瓦级。为推动小型堆的应用，在确保辐射安全的情况下，应尽可能降低小型堆的重量与体积。理论上，各种类型反应堆，如传统轻水堆、重水堆以及6种四代先进反应堆(铅冷堆、钠冷快堆、高温气冷堆、超临界水堆、熔盐堆以及气冷快堆)均可设计成小型堆，但性能各异。
其中，熔盐堆是唯一一种采用液态燃料的反应堆，无需制作燃料元件，可在线加料、在线提取燃料进行后处理，可维持低堆芯初始剩余反应性运行，具有独特的经济与安全特性。目前，国内外已设计出热功率为50kW的热管熔盐堆，其中热管采用钠作为冷却剂。但是，单根热管的导热功率受工质、热管几何结构等限制，导出功率限值为10～20kW，对于功率为兆瓦级的小型堆堆芯而言，需布置上百根热管才能导出堆芯热量，且热管冷端需要连接换热器，将热量交换至热电转换系统工质(如:气态冷却剂)，热电转换系统工质经过热电转换系统进行发电，堆系统内包括多个传热回路、堆芯结构复杂，造成堆芯建造成本高、可实现性差，同时也影响堆芯的安全性。为了避免堆芯系统过于复杂，只能减少热管根数，为了使堆芯内热量及时传导出去，堆芯功率只能设计到千瓦级。另外，为了简化堆芯系统以及反应堆系统的结构，热管堆多采用温差发电元件，其热电转换效率仅为4～7％，热损失率高达93～96％。为了解决上述问题，当前急需开发一种结构简单、导热效率高的熔盐堆堆芯，以及高发电功率的熔盐堆系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术中热管堆堆芯结构复杂、换热效率低、建造成本高、门槛高、安全性差，以及熔盐堆系统发电功率低的缺陷，提供一种熔盐堆堆芯及熔盐堆系统。本发明的熔盐堆堆芯结构简单、提升了堆芯的换热效率、降低了堆芯的建造成本和建造门槛、运行更加安全，同时极大程度上提高了熔盐堆系统的电功率。
本发明采用氦氙混合气体或超临界二氧化碳的冷却剂换热系统，冷却剂气体吸热后可采用直接闭式布雷顿循环进行热电转换，堆系统仅需一个换热回路，大幅简化了熔盐堆系统结构。本发明的熔盐堆系统可将小型模块化熔盐堆的发电功率从千瓦级提升至兆瓦，对小型模块化熔盐堆功率的提升取得了质的飞越。
本发明是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堆堆芯，其包括堆芯活性区、反射层、冷却剂进口和冷却剂出口，所述反射层围绕所述堆芯活性区的外侧设置，所述反射层内设置有控制鼓；
所述堆芯活性区设置有冷却剂管道区和燃料熔盐区，所述冷却剂管道区设置有多根冷却剂管道，所述冷却剂管道内流通有冷却剂，所述冷却剂为氦氙混合气或超临界二氧化碳；所述燃料熔盐区内填充有燃料熔盐；所述冷却剂管道区与所述燃料熔盐区的体积比为(6～9):10；所述冷却剂管道的顶端与所述冷却剂出口相连，用于将所述冷却剂导出所述熔盐堆堆芯，所述冷却剂管道的底端与所述冷却剂进口相连，用于将所述冷却剂导入所述熔盐堆堆芯。
本发明中，所述冷却剂管道的排列方式较佳地为竖直、等间距排布。
本发明中，所述冷却剂管道的直径较佳地为2～5cm，更佳地为3～4cm，例如3.2cm。
发明人在研究中发现，冷却剂管道直径太小，导出相同堆芯功率的热量，需要增加冷却剂管道根数，增加了堆芯结构的复杂程度，增加了设备加工难度；冷却剂管道直径太大，相同冷却剂流速下，换热效率会大幅降低，影响熔盐堆堆芯的电功率。
本发明中，所述冷却剂管道的根数可为本领域常规地能满足所述体积比即可，较佳地为80～150根，更佳地为120～130根，例如121根。
本发明中，所述冷却剂管道的材料可为本领域常规的耐高温、耐腐蚀材料，较佳地为碳化硅。
本发明中，所述冷却剂管道的壁厚可为本领域常规，较佳地为1～3mm。
本发明中，所述冷却剂在所述冷却剂管道内的流速较佳地为25m/s～45m/s。
本发明优选的上述冷却剂流速能进一步提升换热效率，进而提高熔盐堆系统的发电功率。
本发明中，所述冷却剂管道区还设置有汇集管道，所述冷却剂管道的顶端与所述汇集管道相连，用于将所述冷却剂汇集后导出所述熔盐堆堆芯。
本发明中，所述冷却剂管道区还设置有分配管道，所述冷却剂管道的底端与所述分配管道相连，用于将外界的冷却剂导回所述熔盐堆堆芯。
本发明中，所述冷却剂出口和所述冷却剂进口较佳地设置在所述熔盐堆堆芯的侧壁，更佳地，设置在所述熔盐堆堆芯的同侧的侧壁，并沿竖直方向排列。
冷却剂出口和冷却剂进口同侧、竖直方向设置更有利于热电系统的布置。
本发明中，所述冷却剂较佳地为所述氦氙混合气。氦氙混合气的运行压力较超临界二氧化碳更低，对熔盐堆堆芯和熔盐堆系统的设备耐压性要求更低。
本发明中，所述氦氙混合气中氙气所占摩尔比较佳地为7～30％，更佳地为7～15％，例如9％。
本发明中，所述氦氙混合气的运行压力较佳地为2～7MPa。
本发明中，所述冷却剂为所述超临界二氧化碳时，所述超临界二氧化碳的运行压力较佳地为10～30MPa。
发明人实验中发现，超临界二氧化碳的运行温度为650℃时，热电转换效率随运行压力增加而增加，10MPa时为43％，30MPa时约为50％。
本发明中，所述冷却剂管道区与所述燃料熔盐区的体积比较佳地为(7～9):10，例如8:10或9:11。
发明人经过大量研究发现，上述的冷却剂管道系统和燃料熔盐区的体积比过小时，如要载出相同堆芯功率的热量，在确保堆芯出口的冷却剂温度相同的情况下，冷却剂流速要提高1～3倍，导致冷却剂压降增大，增大了热电转换系统的工程难度将大幅增加。当上述体积比过大时，堆芯活性区内冷却剂的份额增大，燃料熔盐份额减少，堆芯不能临界，无法实现反应堆的运行。
本发明中，所述堆芯活性区的形状可为本领域常规，较佳地为圆柱形。
本发明中，所述堆芯活性区的直径可为本领域常规，较佳地为50～70cm，更佳地为60cm。
本发明中，所述堆芯活性区的高度可为本领域常规，较佳地为50～70cm，更佳地为60cm。
本发明中，所述燃料熔盐可为本领域常规，一般地为熔盐和燃料的混合熔融物。
其中，所述熔盐可为本领域常规，较佳地为FLiBe熔盐或FLi熔盐。
所述FLiBe熔盐较佳地包括如下摩尔比的组分：60～80％的LiF、10～30％的BeF和8～20％的UF4，更佳地为70～75％的LiF、15～20％的BeF和10～15％的UF4，例如71.7％的LiF、16％的BeF和12.3％的UF4。
所述FLi熔盐较佳地包括如下摩尔比的组分：60～80％的LiF和10～40％的UF4，例如72％的LiF和28％的UF4。
其中，所述燃料可为本领域常规，较佳地为富集铀。
所述富集铀中U-235的富集度较佳地为50％～95％，例如93％。
本发明中，所述反射层的材料可为本领域常规的可反射核裂变中子的材料，较佳地为氧化铍。
本发明中，所述反射层的厚度可为本领域常规，较佳地为10～20cm，例如14cm。
本发明中，所述控制鼓可为本领域常规的用于控制核裂变反应的结构，一般地，所述控制鼓包括一弧形的可转动的碳化硼层。在反应堆运行时，碳化硼层转向堆芯活性区反面，减少中子吸收；当需要停止反应堆运行时，碳化硼层转向堆芯活性区吸收中子，降低堆芯反应性。
本发明中，所述控制鼓的数量可为本领域常规，较佳地为6个。
所述控制鼓的排布方式较佳地为等间距排布。
本发明的熔盐堆堆芯，当四个控制鼓B4C层转向堆芯活性区时，堆芯有效增殖系数Keff将降至小于1，实现堆芯停堆，因此可允许2个控制鼓出现故障，以防控制鼓出现故障不能正常停堆。
其中，所述碳化硼层的厚度可为本领域常规，较佳地为5～10mm，例如8mm。
其中，所述碳化硼层的弧度可为本领域常规，较佳地为40～80°，更佳地为50～70°，例如60°。
本发明中，所述反射层外侧还设置有屏蔽层，用于屏蔽伽马射线和中子，减少放射性泄漏。
其中，所述屏蔽层的结构可为本领域常规，较佳地由内向外依次包括中子屏蔽层和伽马屏蔽层。
所述中子屏蔽层的材料可为本领域常规的能屏蔽中子的材料，较佳地为碳化硼。
所述中子屏蔽层的厚度可为本领域常规，较佳地为1～5cm，更佳地为2～4cm。
所述伽马屏蔽层的材料可为本领域常规的能屏蔽射线的材料，较佳地为钨。
所述伽马屏蔽层的厚度可为本领域常规，较佳地为1～5cm，更佳地为2～4cm。
本发明中，较佳地，所述反射层和所述屏蔽层之间还设置有裂变气体收集区，所述裂变气体收集区为真空结构。
其中，裂变气体收集区的厚度较佳地为2～5cm，例如3cm或4cm。
裂变气体收集区用于收集反应堆运行过程中产生的裂变气体，例如Xe和Ke，这些裂变气体不溶于燃料熔盐，会自动向裂变气体收集区聚集。一方面，裂变气体具有高中子吸收截面，可有效降低堆芯中子向外泄漏，进而减少中子屏蔽材料的使用，降低堆芯重量和尺寸；另一方面，裂变气体吸收中子后，会转化成稳定核，降低裂变气体的放射性，进而降低了裂变气体的处置难度。
本发明中，所述反射层外侧较佳地还设置有结构材料层，用于固定所述熔盐堆堆芯。
其中，所述结构材料层的材料可为本领域常规，较佳地为不锈钢。
其中，所述结构材料层的厚度可为本领域常规，较佳地为1～5cm，更佳地为2～4cm。
本发明中，所述熔盐堆堆芯还设置有加料管道，所述加料管道的一端设置在燃料熔盐区，用于补充燃料熔盐。
本发明还提供一种熔盐堆系统，其包括如上所述的熔盐堆堆芯和热电转换系统；所述冷却剂出口与所述热电转换系统的入口相连，所述冷却剂进口与所述热电转换系统的出口相连。
本发明中，所述热电转换系统可为本领域常规，一般地包括透平、发电机和压缩机；所述透平的入口与所述冷却剂出口相连，所述透平与所述发电机相连，所述冷却剂经所述透平进行绝热膨胀向外界做功，带动所述发电机发电；所述透平的出口与所述压缩机的入口相连；所述压缩机的出口与所述冷却剂进口相连。
本发明中，较佳地，所述热电转换系统还包括回热器，用于回收所述透平的出口流出的冷却剂的热量并加热所述压缩机的出口流出的冷却剂。
本发明中，较佳地，所述热电转换系统还包括冷却剂泵，所述冷却剂泵的入口与所述冷却剂出口相连，所述冷却剂泵的出口与所述透平的入口相连。冷却剂泵可用于将熔盐堆堆芯内流出的冷却剂泵入透平内。
本发明中，所述熔盐堆系统较佳地还包括废热去除系统，所述废热去除系统包括换热器和空气散热器，所述换热器和所述空气散热器内均流通有工作介质，所述换热器用于移除进入所述压缩机的冷却剂的热量，所述空气散热器用于将移除的热量排至空气中。
其中，所述空气散热器的结构可为本领域常规，一般地包括工作介质流道和鳍型散热片，所述工作介质流道与所述鳍型散热片交叉设置，所述工作介质流道内流通有导热液体。
其中，所述导热液体可为本领域常规，较佳地为轻水和/或硅油。
冷却剂从熔盐堆堆芯导出的热量大约仅有45％转换为电能，剩余的热量需要废热去除系统进行移除。空气散热器中的工作介质将冷却剂中的废热通过鳍型散热片散至空气中，对进入压缩机前的冷却剂进一步降温。
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)本发明的气体冷却剂在熔盐堆堆芯内进行热量交换后成为高温气体，可实现直接闭式布雷顿循环，直接闭式布雷顿循环的热电转换效率可高达45％左右。
(2)本发明简化了熔盐堆堆芯结构，从而使得堆芯内可布置更多的冷却剂管道、提升了换热效率，可将相同体积的小型模块化熔盐堆系统的发电功率由千瓦级提升至兆瓦级。
(3)熔盐堆堆芯和熔盐堆系统的结构的简化降低了建造门槛和成本，提升了运行安全性。
附图说明
图1为实施例1的熔盐堆堆芯结构示意图；
图2为实施例2的熔盐堆系统示意图；
图3为对比例1热管堆系统部分结构示意图。
附图标记：
1-堆芯活性区；11-冷却剂管道区；111-冷却剂管道；112-汇集管道；113-分配管道；12-燃料熔盐区；2-反射层；21-控制鼓；211-碳化硼层；3-裂变气体收集区；4-屏蔽层；41-中子屏蔽层；42-伽马屏蔽层；5-结构材料层；6-冷却剂出口；7-冷却剂进口；8-热电转换系统；81-透平；82-发电机；83-压缩机；84-回热器；85-冷却剂泵；9-废热去除系统；91-换热器；92-空气散热器；921-工作介质流道；922-鳍型散热片；a-热管；b-热管堆屏蔽层；c-第二换热回路；d-燃料熔盐；e-热管堆堆芯。
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所示，熔盐堆堆芯的冷却剂管道区11包括冷却剂管道111、汇集管道112和分配管道113，冷却剂管道111的顶端与汇集管道112连通，冷却剂管道111的底端与分配管道113连通；汇集管道112与冷却剂出口6相连，分配管道113与冷却剂进口7相连；冷却剂管道111内流通有冷却剂，冷却剂为氦氙混合气，其中氙气所占摩尔比为9.1％，冷却剂管道111的根数为121根，冷却剂管道111的内径为3.2cm，冷却剂管道111的材料为SiC，壁厚为1mm，冷却剂在冷却剂管道111内的平均流速为30m/s左右。
熔盐堆堆芯由内向外依次包括堆芯活性区1、反射层2、裂变气体收集区3、屏蔽层4和结构材料层5。
堆芯活性区1包括如上的冷却剂管道区11和燃料熔盐区12，燃料熔盐区12填充有燃料熔盐；熔盐采用摩尔比为71.7％LiF、16％BeF2和12.3％UF4，燃料为富集度为93％的铀，燃料熔盐的体积为60L。堆芯活性区1的直径为60cm，堆芯活性区1的高度为60cm。冷却剂管道区11与燃料熔盐区12的体积比为9:11。
反射层2的材料为氧化铍，厚度为14cm，其中均匀设置有6个控制鼓21，控制鼓21内设置有弧形的碳化硼层211，碳化硼层211的弧度为60°，碳化硼层211的厚度为8mm。堆芯临界有效增殖系数Keff为1.03，当四个控制鼓21B4C层转向堆芯活性区1时，堆芯有效增殖系数Keff将降至0.995，实现堆芯停堆，因此可允许2个控制鼓21出现故障。
屏蔽层4包括由内至外的中子屏蔽层414和伽马屏蔽层424。伽马屏蔽层424的材料为钨，厚度为2cm；中子屏蔽层414的材料为碳化硼，厚度为2cm。
反射层2和屏蔽层4之间有一裂变气体收集区3，裂变气体收集区3内为真空结构，厚度为3cm。
结构材料层5的材料为不锈钢，厚度为2cm。
熔盐堆堆芯还设置有加料管道，加料管道的一端设置在燃料熔盐区12中，可进行在线加料。
实施例2
如图3所示，熔盐堆系统包括实施例1的熔盐堆堆芯、热电转换系统8和废热去除系统9。熔盐堆堆芯的冷却剂出口6与热电转换系统8入口相连，冷却剂进口7与热电转换系统8的出口相连。
热电转换系统8包括透平81、发电机82、压缩机83、回热器84和冷却剂泵85，透平81的入口与冷却剂出口6相连，透平81与发电机82相连，冷却剂出口6流出的冷却剂温度为700℃，气体压强为2MPa，经透平81进行绝热膨胀向外界做功，带动发电机82发电；透平81的出口与压缩机83的入口相连，冷却剂流经压缩机83进行绝热压缩提升压强至2MPa；压缩机83的出口与冷却剂进口7相连，回热器84用于回收透平81的出口流出的冷却剂的热量并加热压缩机83的出口流出的冷却剂至560℃。换热器91采用印刷电路板式换热器，换热效率可高达95％。经换算，热电转换的效率高达45％，熔盐堆系统的发电功率为8MW，调整堆芯内的中子通量和冷却剂流速，本实施例熔盐堆系统的发电功率在5～11MW之间可调。
废热去除系统9包括换热器91和空气散热器92，换热器91用于移除进入所述压缩机83的冷却剂的热量，空气散热器92包括垂直设置的工作介质流道921和鳍型散热片922，其中流动的工作介质为轻水，用于将移除的热量排至空气中。
堆芯容器85cm×85cm，热电转换器60cm×60cm，废热去除系统960cm×30cm，总系统尺寸约100cm×250cm，总重量约15吨，其中堆芯容器5吨，满足40'GP的标准集装箱尺寸及运载限制，可采用车载形式为偏远地区进行移动供电。40'GP标准集装箱尺寸与限重为12032mm(长)×2352mm(宽)×12302mm(高)，载重28吨限制。
对比例1
热管堆堆芯e内热管a的根数为37根，堆芯运行温度为600～700℃，需采用第二换热回路c将热管a导出的热量传递给热电转换系统的He-Xe气体冷却剂，然后在热电转换系统中实现热电转换，第二换热回路c与热管堆堆芯e之间设置有热管堆屏蔽层b。热管堆系统的尺寸与实施例2相同，热管堆堆芯e的热功率根据热管a内工作介质的流速和反应堆内的中子通量的调整，可达到5kW～50kW，热电转换系统采用布雷顿循环，热电转换效率可达45％左右，本对比例热管堆系统的发电功率可达2.25kW～22.5kW。
Claims (10)
1.一种熔盐堆堆芯，其特征在于，其包括堆芯活性区、反射层、冷却剂进口和冷却剂出口，所述反射层围绕所述堆芯活性区的外侧设置，所述反射层内设置有控制鼓；
所述堆芯活性区设置有冷却剂管道区和燃料熔盐区，所述冷却剂管道区设置有多根冷却剂管道，所述冷却剂管道内流通有冷却剂，所述冷却剂为氦氙混合气或超临界二氧化碳；所述燃料熔盐区内填充有燃料熔盐；所述冷却剂管道区与所述燃料熔盐区的体积比为(6～9):10；所述冷却剂管道的顶端与所述冷却剂出口相连，用于将所述冷却剂导出所述熔盐堆堆芯，所述冷却剂管道的底端与所述冷却剂进口相连，用于将所述冷却剂导入所述熔盐堆堆芯。
2.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述冷却剂管道的直径为2～5cm，较佳地为3～4cm，例如3.2cm；
和/或，所述冷却剂管道的根数为80～150根，较佳地为120～130根，例如121根；
和/或，所述冷却剂管道的材料为碳化硅；
和/或，所述冷却剂管道的壁厚为1～3mm；
和/或，所述冷却剂在所述冷却剂管道内的流速为25m/s～45m/s；
和/或，所述冷却剂管道区与所述燃料熔盐区的体积比为(7～9):10，例如8:10或9:11。
3.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述冷却剂管道区还设置有汇集管道，所述冷却剂管道的顶端与所述汇集管道相连，用于将所述冷却剂汇集后导出所述熔盐堆堆芯；
和/或，所述冷却剂管道区还设置有分配管道，所述冷却剂管道的底端与所述分配管道相连，用于将外界的冷却剂导回所述熔盐堆堆芯；
和/或，所述冷却剂出口和所述冷却剂进口设置在所述熔盐堆堆芯的侧壁，较佳地设置在所述熔盐堆堆芯的同侧的侧壁，并沿竖直方向排列。
4.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述氦氙混合气中氙气所占摩尔比为7～30％，较佳地为7～15％，例如9％；
和/或，所述氦氙混合气的运行压力为2～7MPa。
5.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述超临界二氧化碳的运行压力为10～30MPa。
6.如权利要求1所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述燃料熔盐为熔盐和燃料的混合熔融物，所述熔盐为FLiBe熔盐或FLi熔盐，所述FLiBe熔盐较佳地包括如下摩尔比的组分：60～80％的LiF、10～30％的BeF和8～20％的UF4，更佳地为70～75％的LiF、15～20％的BeF和10～15％的UF4，例如71.7％的LiF、16％的BeF和12.3％的UF4；所述FLi熔盐较佳地包括如下摩尔比的组分：60～80％的LiF和10～40％的UF4，例如72％的LiF和28％的UF4；
和/或，所述燃料为富集铀，所述富集铀中U-235的富集度较佳地为50％～95％，例如93％；
和/或，所述反射层的材料为氧化铍；
和/或，所述反射层的厚度为10～20cm，例如14cm；
和/或，所述控制鼓包括一弧形的可转动的碳化硼层；所述碳化硼层的厚度较佳地为5～10mm，例如8mm；所述碳化硼层的弧度较佳地为40～80°，更佳地为50～70°，例如60°；
和/或，所述控制鼓的数量为6个；
和/或，所述控制鼓的排布方式为等间距排布；
和/或，所述反射层外侧还设置有屏蔽层用于屏蔽伽马射线和中子，所述屏蔽由内向外依次包括中子屏蔽层和伽马屏蔽层；
和/或，所述反射层外侧还设置有结构材料层，用于固定所述熔盐堆堆芯；
和/或，所述熔盐堆堆芯还设置有加料管道，所述加料管道的一端设置在燃料熔盐区，用于补充燃料熔盐。
7.如权利要求6所述的熔盐堆堆芯，其特征在于，所述反射层和所述屏蔽层之间还设置有裂变气体收集区，所述裂变气体收集区为真空结构；所述裂变气体收集区的厚度较佳地为2～5cm，例如3cm或4cm；
和/或，所述中子屏蔽层的材料为碳化硼；
和/或，所述中子屏蔽层的厚度为1～5cm，较佳地为2～4cm；
和/或，所述伽马屏蔽层的材料为钨；
和/或，所述伽马屏蔽层的厚度为1～5cm，较佳地为2～4cm；
和/或，所述结构材料层的材料为不锈钢；
和/或，所述结构材料层的厚度为1～5cm，较佳地为2～4cm。
8.一种熔盐堆系统，其特征在于，其包括如权利要求1～7中任一项所述的熔盐堆堆芯和热电转换系统；所述冷却剂出口与所述热电转换系统的入口相连，所述冷却剂进口与所述热电转换系统的出口相连。
9.如权利要求8所述熔盐堆系统，其特征在于，所述热电转换系统包括透平、发电机和压缩机；所述透平的入口与所述冷却剂出口相连，所述透平与所述发电机相连，所述冷却剂经所述透平进行绝热膨胀向外界做功，带动所述发电机发电；所述透平的出口与所述压缩机的入口相连；所述压缩机的出口与所述冷却剂进口相连；所述热电转换系统较佳地还包括回热器，用于回收所述透平的出口流出的冷却剂的热量并加热所述压缩机的出口流出的冷却剂；所述热电转换系统较佳地还包括冷却剂泵，所述冷却剂泵的入口与所述冷却剂出口相连，所述冷却剂泵的出口与所述透平的入口相连；
和/或，所述熔盐堆系统还包括废热去除系统，所述废热去除系统包括换热器和空气散热器，所述换热器和所述空气散热器内均流通有工作介质，所述换热器用于移除进入所述压缩机的冷却剂的热量，所述空气散热器用于将移除的热量排至空气中。
10.如权利要求9所述的熔盐堆系统，其特征在于，所述空气散热器包括工作介质流道和鳍型散热片，所述工作介质流道与所述鳍型散热片交叉设置，所述工作介质流道内流通有导热液体；所述导热液体较佳地为轻水和/或硅油。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117153435A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-01 | 华能核能技术研究院有限公司 | 一种热管集成高温反应堆 |
| US12012827B1 (en) | 2023-09-11 | 2024-06-18 | Natura Resources LLC | Nuclear reactor integrated oil and gas production systems and methods of operation |
| US12018779B2 (en) | 2021-09-21 | 2024-06-25 | Abilene Christian University | Stabilizing face ring joint flange and assembly thereof |
| GB2628904A (en) * | 2024-03-08 | 2024-10-09 | Rolls Royce Submarines Ltd | Nuclear fission power plant |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997011468A2 (de) * | 1995-09-20 | 1997-03-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Kühlkreislauf |
| US20030157386A1 (en) * | 2002-02-20 | 2003-08-21 | Ion America Corporation | Load matched power generation system including a solid oxide fuel cell and a heat pump and an optional turbine |
| JP2005302948A (ja) * | 2004-04-09 | 2005-10-27 | Furukawa Sky Kk | 放熱器 |
| US20090207963A1 (en) * | 2006-05-19 | 2009-08-20 | Vera Van Uitert-Zoet | Nuclear reactor |
| CN105355247A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-02-24 | 中国核动力研究设计院 | 采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统 |
| CN107945887A (zh) * | 2017-11-16 | 2018-04-20 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种一体化小型熔盐堆 |
| CN108206065A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-06-26 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种熔盐堆上腔室 |
| CN209496626U (zh) * | 2018-12-07 | 2019-10-15 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 堆芯结构及熔盐球床堆 |
| CN111627571A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-04 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 以石墨球为慢化剂的液态燃料熔盐堆以及石墨球更换方法 |
| CN111968764A (zh) * | 2020-08-22 | 2020-11-20 | 西安交通大学 | 再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法 |
| CN112669999A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-16 | 南京航空航天大学 | 一种液固双重燃料空间核反应堆电源 |
| CN112992389A (zh) * | 2021-02-09 | 2021-06-18 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种熔盐快堆 |
| CN113299408A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统 |
-
2021
- 2021-09-15 CN CN202111079829.1A patent/CN113936820B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997011468A2 (de) * | 1995-09-20 | 1997-03-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Kühlkreislauf |
| US20030157386A1 (en) * | 2002-02-20 | 2003-08-21 | Ion America Corporation | Load matched power generation system including a solid oxide fuel cell and a heat pump and an optional turbine |
| JP2005302948A (ja) * | 2004-04-09 | 2005-10-27 | Furukawa Sky Kk | 放熱器 |
| US20090207963A1 (en) * | 2006-05-19 | 2009-08-20 | Vera Van Uitert-Zoet | Nuclear reactor |
| CN105355247A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-02-24 | 中国核动力研究设计院 | 采用超临界二氧化碳的新型熔盐堆能量转换系统 |
| CN107945887A (zh) * | 2017-11-16 | 2018-04-20 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种一体化小型熔盐堆 |
| CN108206065A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-06-26 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种熔盐堆上腔室 |
| CN209496626U (zh) * | 2018-12-07 | 2019-10-15 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 堆芯结构及熔盐球床堆 |
| CN111627571A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-09-04 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 以石墨球为慢化剂的液态燃料熔盐堆以及石墨球更换方法 |
| CN111968764A (zh) * | 2020-08-22 | 2020-11-20 | 西安交通大学 | 再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法 |
| CN112669999A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-16 | 南京航空航天大学 | 一种液固双重燃料空间核反应堆电源 |
| CN112992389A (zh) * | 2021-02-09 | 2021-06-18 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种熔盐快堆 |
| CN113299408A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 何杰;夏晓彬;蔡军;潘登;彭玉;黄建平;张国庆;: "2MW液态钍基熔盐实验堆主屏蔽温度场分析", 核技术, no. 04, 10 April 2016 (2016-04-10), pages 1 - 7 * |
| 许鹏先;: "熔盐堆技术特点分析", 机械, no. 1, 25 June 2016 (2016-06-25), pages 5 - 6 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12018779B2 (en) | 2021-09-21 | 2024-06-25 | Abilene Christian University | Stabilizing face ring joint flange and assembly thereof |
| CN117153435A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-01 | 华能核能技术研究院有限公司 | 一种热管集成高温反应堆 |
| CN117153435B (zh) * | 2023-09-01 | 2024-06-04 | 华能核能技术研究院有限公司 | 一种热管集成高温反应堆 |
| US12012827B1 (en) | 2023-09-11 | 2024-06-18 | Natura Resources LLC | Nuclear reactor integrated oil and gas production systems and methods of operation |
| GB2628904A (en) * | 2024-03-08 | 2024-10-09 | Rolls Royce Submarines Ltd | Nuclear fission power plant |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113936820B (zh) | 2024-08-23 |
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