CN114651311A - 熔融燃料反应堆和用于熔融燃料反应堆的孔环板 - Google Patents

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Abstract

一种熔融燃料反应堆，包括反应堆堆芯，该反应堆堆芯具有带有纵向轴线的基本上正圆圆柱体形状。至少一个入口被配置为将燃料盐引导到反应堆堆芯中。至少一个出口被配置为将燃料盐从反应堆堆芯引出，并且入口和出口至少部分地限定了燃料盐相对于反应堆堆芯的流动回路。孔环板设置在反应堆堆芯内并靠近至少一个入口。所述孔环板被配置为调节从所述至少一个入口进入所述反应堆堆芯的燃料盐的流。所述孔环板绕所述纵向轴线周向延伸并具有在沿所述纵向轴线的方向上限定的高度。所述孔环板包括多个孔口，所述多个孔口被配置为允许燃料盐的流通过所述孔口。

Description

熔融燃料反应堆和用于熔融燃料反应堆的孔环板
引言
本申请于2020年12月22日作为PCT国际专利申请提交，并要求2020年2月25日提交的标题为“MOLTEN FUEL REACTORS AND ORIFICE RING PLATES FOR MOLTEN FUELREACTORS”的美国临时申请第62/981,374号以及2019年12月23日提交的标题为“LOWPOWER,FAST SPECTRUM MOLTEN CHLORIDE REACTOR”的美国临时申请第62/953,065号的优先权和权益，这些美国临时申请据此通过引用以其全文并入本文。
引言
与固体燃料相比，在核反应堆中利用熔融燃料发电具有显著的优势。例如，与固体燃料反应堆相比，熔融燃料反应堆通常提供更高的平均堆芯功率密度，同时降低了燃料成本，这是因为固体燃料制造成本相对较高。
已经使用与其他氟化物盐混合的四氟化铀(UF4)以及使用钍的氟化物盐研制出了适用于核反应堆的熔融氟化物燃料盐。熔融氟化物盐反应堆已经在600℃和860℃之间的平均温度下运行。铀的二元、三元和四元氯化物燃料盐以及其他可裂变元素已经在标题为“MOLTEN NUCLEAR FUEL SALTS AND RELATED SYSTEMS AND METHODS”的共同转让的序列号为14/981,512的美国专利申请中进行了描述，在此该申请通过引用并入本文。除了含有UCl4、UCl3F、UCl3、UCl2F2和UClF3中的一种或更多种的氯化物燃料盐之外，本申请还公开了含有修正量37Cl的燃料盐、溴化物燃料盐(如UBr3或UBr4)、氯化钍燃料盐以及用于在熔融燃料反应堆中使用这些燃料盐的方法和系统。氯化物盐反应堆的平均工作温度预计在300℃至800℃之间，但也可能会更高，例如>1000℃。
熔融燃料反应堆和用于熔融燃料反应堆的孔环板
本文描述了熔融燃料反应堆和用于熔融燃料反应堆的孔环板。孔环板设置在反应堆堆芯的低功率区内，并靠近将燃料盐引导到反应堆堆芯的入口通道。孔环板被定向成基本上与燃料盐的流正交，并且被配置为平衡和分配进入活性堆芯区的燃料盐的流。通过调节反应堆堆芯内的燃料盐流，提高了燃料盐流的稳定性，进而提高了反应堆的温度均匀性和性能。孔环板与正圆圆柱形反应堆堆芯同轴，并被配置为沿着反应堆堆芯的侧面引导燃料盐，引导燃料盐通过板以提供在方位角方向上的流分布，并允许燃料盐在板下面流动以减少或防止反应堆堆芯中的中心线再循环(centerline recirculation)。
通过阅读下面的详细描述和参阅相关的附图，这些和各种其他特征以及本文描述的熔融燃料反应堆和孔环板所表现出来的优势将是明显的。另外的特征在下面的描述中阐述，并且部分地从描述中将是明显的，或者可以通过技术实践了解。该技术的优点和特征将通过书面描述和权利要求书以及附图中的结构来实现和获得。
应当理解的是，前面的引言和以下的详细描述两者都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步的说明。
附图简述
以下附图构成本申请的一部分，示出了所描述的技术，且并不意味着以任何方式限制所要求保护的技术的范围，所要求保护的范围应基于所附的权利要求。
图1以框图的形式图示了熔融燃料反应堆的一些基本部件。
图2是反应堆堆芯系统的一个可能的物理实施方式的透视截面图。
图3是图2所示的反应堆堆芯系统的燃料盐流动回路的透视图。
图4是图3所示的燃料盐流动回路的示例性孔环板和入口通道的局部放大透视图。
图5是图4中所示的孔环板的局部放大透视图。
图6是图4所示的燃料盐流动回路的燃料盐流动矢量图。
图7是图3所示的燃料盐流动回路的燃料盐流动矢量和温度图。
图8是另一孔环板以及另一燃料盐流动回路的入口通道的局部透视图。
图9是另一孔环板以及另一燃料盐流动回路的入口通道的局部透视图。
图10是反应堆堆芯系统的另一种可能的物理实施方式的正视图。
图11是图10所示的反应堆堆芯系统的燃料盐流动回路的局部透视图。
详细描述
本公开描述了熔融燃料反应堆和用于熔融燃料反应堆的孔环板。孔环板设置在反应堆堆芯的低功率区内，并靠近将燃料盐引导到反应堆堆芯的入口通道。孔环板被定向为基本上与燃料盐的流正交，并且被配置为平衡分配进入活性堆芯区的燃料盐的流。通过调节反应堆堆芯内的燃料盐流，提高了燃料盐流的稳定性，从而提高了反应堆的温度均匀性和性能。
在一些方面，孔环板与正圆圆柱体反应堆堆芯同轴。孔环板具有顶部实心部分，该顶部实心部分起到导流叶片的作用，以沿着限定反应堆堆芯的侧部反射器引导燃料盐，并减少或防止反射器再循环。一个或更多个孔口在板内形成，允许燃料盐流过板并在反应堆堆芯内提供沿方位角方向的流分布。此外，板被配置为允许燃料盐在板下面流动，以减少或防止反应堆堆芯中的中心线再循环，并支持燃料盐从入口通道排出。在一些方面，孔环板的高度近似等于入口通道的高度。然而，在入口通道和反应堆堆芯之间形成边界的侧部反射器的内下角(inside lower corner)是弯曲的，以便燃料盐可以在孔环板上方流动。在一些方面，弯曲角的半径约为入口通道的高度的三分之一。此外，孔环板与入口通道间隔开，以便在板的上游能够平衡多个入口通道之间的燃料盐流。
如本文所用，术语“轴向”和“纵向”是指基本上平行于反应堆堆芯和孔环板的中心线延伸的方向和定向。此外，术语“径向(radial)”和“径向上(radially)”指的是基本上垂直于反应堆堆芯和孔环板的中心线延伸的方向和定向。此外，如本文所使用的，术语“周向(circumferential)”和“周向上(circumferentially)”指的是绕反应堆堆芯和孔环板的中心线沿弧形延伸的方向和定向。
本公开描述了熔融燃料核反应堆的各种构造和部件。为了本申请的目的，将描述使用氯化物燃料的熔融燃料反应堆的示例。然而，应当理解，可以使用任何类型的燃料盐，现在已知的或以后开发的，而且不论使用什么类型的燃料，本文所述的技术都同样适用，例如，具有U、Pu、Th或任何其他锕系元素中的一种或更多种的盐。注意，反应堆内的燃料的最低和最高操作温度可以根据所使用的燃料盐而定，以便使整个反应堆内的盐保持处于液相。最低温度可低至300℃-350℃，最高温度可高达1400℃或更高。
图1以框图的形式图示了熔融燃料反应堆100的一些基本部件。通常，熔融燃料反应堆100包括反应堆堆芯102，堆芯102包含在操作温度下为液体的可裂变燃料盐104。可裂变燃料盐包括在暴露于低能热中子或高能中子时能够发生裂变的任何核素的盐。此外，就本公开的目的而言，可裂变材料包括任何裂变材料、任何增殖性材料、或裂变和增殖性材料的组合。燃料盐104可以完全充满堆芯102或可以不完全充满堆芯102，并且所示的示例被示出为在堆芯102中在燃料盐104的水平之上具有可选的顶部空间106。反应堆堆芯102的尺寸可以基于所使用的特定燃料盐104的特性和类型来选择，以便实现并保持燃料处于持续的临界状态，在此期间，因燃料中的中子的持续产生而产生的热导致当熔融燃料处于反应堆堆芯102中时熔融燃料的温度上升。通过在堆芯102周围提供一个或更多个反射器108以将中子反射回堆芯，改进了反应堆100的性能。如图所示，反应堆100可包括上反射器110、下反射器112和至少一个径向侧部反射器114。此外，反射器108可以屏蔽位于堆芯102的径向外侧的部件。熔融燃料盐104在反应堆堆芯102和位于堆芯102外部的一个或更多个主热交换器118之间的燃料回路116中循环。可以使用一个或更多个泵120来执行该循环。
主热交换器118将热从熔融燃料盐104传递到循环通过主冷却剂回路124的主冷却剂122。在一个示例中，主冷却剂可以是另一种盐，例如NaCl-MgCl2、铅或其他液态金属。其他冷却剂也是可能的，包括Na、NaK、Na混合物、超临界CO2、液态铅和铅铋共晶。在该示例中，径向侧部反射器114在上反射器110和下反射器112之间延伸，并且如图1所示，被定位在每个主热交换器118和反应堆堆芯102之间。在一个方面，反应堆堆芯102基本上具有直径为2米(m)且高度为3m或更大的正圆圆柱体形状，并且沿着纵向轴线126竖直定向，使得圆柱体的平端部分别位于顶部和底部，并且分别邻近上反射器110和下反射器112。径向侧部反射器114基本上平行于纵向轴线126并且至少部分地限定反应堆堆芯102的内径128。
整个反应堆堆芯102被反射器108包围，在反射器108之间提供用于燃料盐104流入反应堆堆芯102的径向通道(例如，入口通道130)和从反应堆堆芯102流出的径向通道(例如，出口通道132)。在一个方面，八个侧部反射器114和主热交换器118围绕反应堆堆芯102和绕纵向轴线126周向间隔开，其中每个主热交换器118都设置有泵120，以驱动燃料盐104的循环并产生燃料回路116。在替代示例中，可以根据需求或需要使用其他不同数量的侧部反射器114和主热交换器118。例如，可考虑具有2个、3个、4个、5个、6个、8个、12个和16个反射器和主热交换器的示例。此外，在一些示例中，对燃料盐104的循环可以自然驱动(例如，经由由燃料回路内的温差产生的密度差而进行燃料循环)。该构造可以避免对燃料盐泵120的需要。此外，应该理解，虽然入口通道130在图1中示出为邻近下反射器112，但是根据需求或需要，燃料回路116可以倒转过来，并且入口通道130可以邻近上反射器110。
在图1所示的实施例中，在正常(发电)操作中，燃料盐104从反应堆堆芯102泵送通过主热交换器118，冷却的燃料盐104返回到反应堆堆芯102。来自主热交换器118的加热的主冷却剂122被传递到动力产生系统134，用于产生某种形式的动力，例如，热力、电力或机械动力。反应堆堆芯102、主热交换器118、泵120、熔融燃料循环管道(包括未示出的其他辅助部件，例如止回阀、关闭阀、法兰、排放罐等)以及熔融燃料在运行期间循环通过或接触的任何其他部件可称为燃料回路116。同样地，主冷却剂回路124包括那些主冷却剂循环通过的部件，包括主热交换器118、主冷却剂循环管道(包括未示出的其他辅助部件，例如冷却剂泵136、止回阀、关闭阀、隔离阀、法兰、排液箱等)。
熔融燃料反应堆的面向盐的元件可以被形成为和/或被包覆以防止腐蚀。其他保护选项包括保护涂层、松配合的衬里或压配合的衬里。基于至少部分由燃料选择决定的操作条件，可以使用任何合适的耐高温和耐腐蚀性钢，例如但不限于316不锈钢、HT-9、钼合金、锆合金(例如ZIRCALOYTM)、SiC、石墨、铌合金、镍或其合金(例如HASTELLOYTM)、或高温铁素体、马氏体、不锈钢等。
熔融燃料反应堆100还包括至少一个容纳燃料回路116的安全壳容器(containment vessel)138，以防止在燃料回路部件之一发生泄漏的情况下释放出熔融燃料盐104。安全壳容器138通常由两个部件制成：下部容器部分140，其采取整体的、顶部开放的容器的形式，没有任何类型的穿透；和上部盖部分142，其被称为容器头，其覆盖容器部分140的顶部。进入反应堆100的所有的点都是从顶部穿过容器头142。
广义地说，本公开描述了改进参照图1描述的反应堆100的性能的多个改变和部件构造。例如，当燃料回路116内的燃料盐104的流从入口通道130进入反应堆堆芯102时，该流急剧转向(例如，大约90°)，以向上方向流过堆芯102。与堆芯区的直径相比，燃料盐104的流的方向和引入通道的相对横截面的这种变化会导致类似喷射流的再循环涡流和流动行为的形成，这会降低熔融燃料反应堆100的性能。这些再循环涡流在加热的涡流中间导致相对稳定的流，并且通过浮力，燃料盐可以移动通过反应堆堆芯，并在燃料回路116内引起不稳定的流和可能的反应性不稳定性。对于具有正圆圆柱体形状和高流速的反应堆堆芯，这些涡流可沿着侧部反射器114的内壁形成，并且靠近入口通道130的下角。
在一些已知的反应堆构造中，反应堆堆芯和入口通道的形状和尺寸已经被修改为减少燃料回路中的急剧角。例如，反应堆堆芯可以采用具有改进的入口通道的较像沙漏形的形状。然而，这些反应堆堆芯增加了反应堆堆芯的体积，从而需要更多的燃料盐。在其它已知的反应堆构造中，水平板(例如相对于纵向轴线)横跨反应堆堆芯定位。然而，这个板靠近活性堆芯并且吸收大量中子，因此也增加了所需的燃料盐的量。因此，如下文进一步描述的流量调节器布置在反应堆堆芯102内，并在堆芯的低功率区内靠近入口通道130。流调节器确保当流转向反射器108的下边缘内的角时，进入活性堆芯的燃料盐流被均匀分布，没有类喷射行为或主要的再循环。在本文所述的示例中，流调节器是孔环板，该孔环板设计成优化流，并从而优化燃料盐104在流过堆芯时的热分布。在附加的或可选的示例中，流调节器可以采取可选的形式，例如定向挡板、管束、蜂窝状物、多孔材料等。流调节器还减少了对反应堆几何形状的影响，使得不会增加操作所需的燃料盐体积。
应当理解，在图1中描述的熔融燃料反应堆100可以采取许多不同的形式。例如，反应堆100可以是用于产生如上所述的动力的熔融氯化物快反应堆。在其他示例中，反应堆100可以是不产生动力而只产生热的反应堆。根据需求或需要，该反应堆可用于研究燃料盐104。
图2是反应堆堆芯系统200的一个可能的物理实施方式的透视截面图。在该示例中，反应堆堆芯系统200包括单个熔融盐泵组件202，以使燃料盐循环通过中央活性堆芯204并进入四个单独的流动通道206，流动通道206限定了燃料盐的流动回路208。将在下面的图3中更详细地描述流动回路208。泵组件202包括泵马达210、泵法兰212和泵叶轮214。叶轮214的旋转驱动燃料盐的流向上通过堆芯204，并在流动通道206内向下并沿着反应堆容器216的内表面。在替代实例中，流动方向可以根据需求或需要而改变方向。反应堆容器216可以包括在外表面上的翅片218，以帮助从反应堆容器216传递热。因此，在该示例中，不提供主冷却剂回路，并且不从反应堆堆芯系统200产生能量。
在反应堆容器216内，一个或更多个反射器围绕活性堆芯204。在该示例中，下反射器220设置在堆芯204的底侧上，并且一个或更多个侧部反射器222围绕堆芯204的横向侧。另外，容器头224在堆芯204的顶侧处充当反射器。在其他示例中，上反射器可设置为邻近容器头224。反应堆堆芯系统200还包括一个或更多个独立旋转的控制滚筒226。在该示例中，有四个控制滚筒226，控制滚筒226是由反射器材料制成的圆柱体，其局部面由中子吸收器228制成。侧部反射器222限定了用于每个控制滚筒226的接收空间，使得控制滚筒226可以被插入靠近活性堆芯204的反应堆容器216中。控制滚筒226可以在反射器222内独立地旋转，使得中子吸收器228更接近或更远离活性堆芯204。这控制了被反射回堆芯204的中子的量，从而可用于裂变。当吸收器228旋转到靠近堆芯204时，中子被吸收而不被反射，并且反应堆的反应性降低。通过控制滚筒226的旋转，反应堆可以根据需求或需要保持在临界、亚临界或超临界状态。
此外，孔环板230设置在活性堆芯204内，并且靠近来自流动通道206的燃料盐的入口流，邻近下反射器220。孔环板230配置成调节进入活性堆芯204的燃料盐的流，以减少或消除下部活性堆芯区内的燃料盐流再循环。孔环板230将在下面进一步详细描述。
图3是反应堆堆芯系统200(如图2所示)的燃料盐流动回路208的透视图。图4是示例性孔环板230和燃料盐流动回路208的入口通道232的局部放大透视图。图5是孔环板230的局部放大透视图。同时参考图3-图5，来自图2的反应堆堆芯系统的部件已被移除，以详细说明燃料盐流动回路208和孔环板230。流动回路208充满燃料盐，流动方向由箭头234示出。流动回路208由基本上为正圆圆柱体形状的活性堆芯204和绕侧部反射器222(如图2所示)形成的流动通道206限定。
在该示例中，四个流动通道206围绕活性堆芯204在周向上间隔开，并且包括径向延伸的入口通道232和径向延伸的出口通道236，入口通道232配置为将燃料盐引导到活性堆芯204的下部部分，出口通道236被配置为将燃料盐引导出活性堆芯204的上部部分。每个入口通道232和出口通道236与轴向通道237流动连通地联接，轴向通道237基本上平行于活性堆芯204，但通过一个或更多个反射器(未示出)与堆芯分隔开。如图3所示，四个流动通道206中的每一个是离散的并且彼此间隔开的。应当理解，可以根据需求或需要利用任何其他数量的离散的流动通道。在一些示例中，每个流动通道206的一部分(例如，入口通道、出口通道和/或轴向通道)可以彼此流动连通地联接，使得燃料盐流可以在进入活性堆芯204之前能够平衡。此外，在一个方面，燃料盐流动回路208可包括围绕活性堆芯204延伸约360°的单个流动通道，使得燃料盐流在进入堆芯之前能够平衡。在出口通道236的上游设置导向叶片238，以便调节从泵组件202(如图2所示)流出的燃料盐流。
在一些示例中，被配置为控制燃料盐的流的限流装置240可位于流动通道206中的一个或更多个中。如图所示3，限流装置240位于活性堆芯204和反应堆容器之间的四个燃料盐流动通道206之一的顶部处。尽管仅示出了一个限流装置240，但在替代示例中，其他流动通道206中的一些或所有可以配备有这样的装置。限流装置240可以包括阀、闸阀、闸门、夹管阀等，并允许通过通道206降低燃料盐的流动速率。此外，至少部分地在泵组件202内为燃料盐提供膨胀体积242。膨胀体积242允许加热的燃料盐在反应堆操作期间膨胀并进入体积。体积242可以充满惰性气体，并具有覆盖气体管理系统(cover gas managementsystem)(未示出)以控制膨胀体积242内的气体的压力并根据需求或需要清洁气体。
孔环板230设置在活性堆芯204内并靠近入口通道232。孔环板230绕活性堆芯204的纵向轴线244周向延伸，并包括顶端246和底端248。如本文所设想的，孔环板230可以是圆形的或基本上圆形的，由此环板230由多个线性部分形成，多个线性部分在联接在一起时形成环形形状。当孔环板230在活性堆芯204内时，孔环板230的轴向轴线与活性堆芯204的纵向轴线244对齐，使得堆芯204和板230同轴。顶端246和底端248沿着纵向轴线244的方向延伸，使得孔环板230基本上平行于活性堆芯204的纵向轴线244。顶端246和底端248限定孔环板230的高度H1。孔环板230具有多个第一孔口250，这些第一孔口250被配置为允许燃料盐的流通过板，并且孔口250的数量越多，允许流过板的燃料盐就越多。在该示例中，第一孔口250围绕孔环板230在周向上间隔开并且相对于纵向轴线244在径向方向上延伸。在一个方面，孔口250大约每隔4°间隔一个。第一孔口250的形状基本上是圆形的，然而，可以理解，孔的形状可以具有使孔环板230能够起到本文所述的作用的任何其他形状(例如，椭圆形、矩形等)。
在该示例中，孔环板230位于入口通道232的下游，并且相对于活性堆芯204至少部分地覆盖入口通道232。在一个方面，孔环板230的底端248直接邻近下反射器220(如图2所示)。在其他方面，孔环板230的底端248可以偏离开下反射器220并且高出下反射器220的上方，从而在底端248和下反射器220之间形成间隙。另外，孔环板230具有内径向表面252和相对的外径向表面254。外径向表面254面向入口通道232。内径向表面252与由反射器形成的活性堆芯204的内周向周界256轴向对齐。即，内径向表面252具有直径258，该直径258近似等于堆芯204的内径260。堆芯204的内径260至少部分地由侧部反射器222(如图2所示)形成。由于孔环板230具有厚度T1，所以外径向表面254的直径大于堆芯204的内径260。
入口通道232和出口通道236相对于活性堆芯204的纵向轴线244沿径向方向延伸。然而，入口通道232与活性堆芯204的周向周界256径向偏离262。因此，在孔环板230的入口通道232和径向外表面254之间形成径向方向上的上游间隙264。间隙264使得每个入口通道232能够在孔环板230的上游彼此流动连通，并增加围绕活性堆芯204的周界256的流分布。通过允许来自每个入口通道232的燃料盐流在进入活性堆芯204之前得到平衡(因为每个入口通道中的流动速度可能不同)，减少或防止堆芯204内的流动不平衡。
入口通道232在活性堆芯204处具有周界266。周界266具有高度H2和宽度W2。在该示例中，孔环板230的高度H1近似等于入口通道232的高度H2。孔环板230的这种尺寸和形状通常将完全覆盖入口通道232，然而，入口通道232和活性堆芯204的交叉边缘268是倒圆的并具有半径270。在该示例中，侧部反射器222限定入口通道232和活性堆芯204之间的流动回路208的边界。因此，侧部反射器222具有下内角272(如图2所示)，该下内角272具有倒圆表面并且该倒圆的表面对应于半径270。在一个方面，入口通道232的宽高比(例如，宽度与高度的比)至少部分地限定半径270。例如，对于宽高比约为1的入口通道几何形状，半径270可约为入口通道232高度H2的三分之一。在图4所示的示例中，入口通道232相对较窄(例如，宽度W2大于高度H2)，因此，半径270大于高度H2的三分之一，使得边缘268的倒角半径增大。
在操作中和在燃料盐在流动回路208内流动期间，孔环板230的位置使得离开入口通道232的燃料盐能够在板230上方流动，经由第一孔口250通过板230，以及在板230下方流动，以便进入活性堆芯204。第一孔口250与孔环板230的顶端246偏离开，从而形成实心部分274。实心部分274诱导至少一部分燃料盐在孔环板230上方流动，并且实心部分274越大，被引导到板230上方的流越多。另外，底端248具有多个第二孔口276，该第二孔口276部分地限定在板230中，并且被配置为允许燃料盐在板的底部下流动。在该示例中，第二孔口276围绕孔环板230在周向上间隔开并且相对于纵向轴线244在径向方向上延伸。第二孔口276的形状基本上是半圆形的，然而，应理解，孔口的形状可以具有使孔环板230能够起到本文所述的作用的任何其他形状(例如，椭圆形、矩形等)。
在该示例中，第一孔口250形成一排孔口，其中，中心线沿着板230的高度H1定位。第一孔口250的尺寸和形状相似，并且周向间隔相等。第二孔口276也形成一排孔口，其中，中心线沿着板230的高度H1定位，但与成排的第一孔口250偏离开，使得它们不轴向重叠。第二孔口276的尺寸和形状相似，并且周向间隔相等。该排第一孔口250与该排第二孔口276周向偏离开，使得第一孔口250位于第二孔口276之间，以及反之第二孔口276位于第一孔口250之间。在其他示例中，孔口250、276可以根据需求或需要具有不同的尺寸和/或形状。孔口250、276还可以根据需要在孔环板230的周向和/或轴向上具有不同的尺寸(例如，圆形孔口的直径)，以便为感兴趣的目标条件提供期望的流分布校正。
图6是图4所示的燃料盐流动回路208的燃料盐流动矢量图。图7是图3所示的燃料盐流动回路208的燃料盐流动矢量和温度图。同时参考图6和图7，某些部件已在上面描述，因此不必进一步描述。通过燃料盐模拟，孔环板230使得燃料盐流在进入活性堆芯204时能够被平衡和分配，以便提高反应堆性能。例如，流的一部分从入口通道232沿向上方向引导，并减少或防止流沿着活性堆芯204的内周界256的再循环。流的一部分被引导通过孔环板230，以在方位角方向上分配流。另外，一部分流被引导在孔环板230之下，以减少或防止靠近活性堆芯204的中心线再循环。
首先转到图6，矢量图示出了通过孔环板230的燃料盐流动速度。孔环板230使得燃料盐能够穿过板230(例如，经由孔口250)，以便在方位角方向上提供流分布，使得燃料盐能够越过板230并向上到达反射器壁，以减少或防止流再循环，并且使得燃料盐能够到达板230下方，以减少或防止中心线再循环，并且使得燃料盐能够从入口通道232排出。通常，燃料盐的最大流动速度通过越过孔环板230的顶部而保持。模拟的反应堆具有被认为低的且一般在1米/秒左右的燃料盐流动速度。因为流动速度低，所以更多的流会由于流动再循环不是很大而被引导通过孔环板230。
此外，基本上保持孔环板230上游和下游的燃料盐流动速度。在该示例中，横跨孔环板230上的压降小于或等于大约10千帕斯卡(kPa)。在其他示例中，压降小于或等于约25kPa。通常，孔环板230上的压降在总燃料盐流动回路压力的约5％-10％之间。通过减小孔环板230上的压降，燃料盐在流动回路208内的流动速度得到改善，且活性堆芯204的性能得到提高。此外，减小孔环板230上的压降增加了引起燃料盐流动的泵组件202(如图2所示)的效率。本文所述的孔环板230能够使各种参数(例如，高度、孔口的尺寸、孔口间距、实心部分尺寸等)得到调节，使得板230能够提高反应堆的性能。
现在转到图7，矢量图示出了通过整个流动回路208的燃料盐流动速度，因为减少或防止了流动再循环，孔环板230使得燃料盐能够更有效地在整个回路208中保持其速度。例如，如果堆芯内的压力分布不均匀且中心处的流动压力增大，则会在堆芯两侧引起再循环。相反，如果两侧流动压力增大，则会在堆芯的中心处引起再循环。此外，由于减少或防止了流动再循环，所以活性堆芯204内的燃料盐的温度分布得到改善。因此，孔环板230改善了熔融燃料反应堆的性能。
图8是另一孔环板300以及另一燃料盐流动回路304的入口通道302的局部透视图。在该示例中，流动回路304包括反应堆堆芯306，反应堆堆芯306基本上是正圆圆柱体形状，入口通道302靠近底部。入口通道302连接到通道308，该通道308包括热交换器(未示出)并且位于反射器(现示出)的与反应堆堆芯306相对的一侧上(当前所示的)。该示例中的流动回路304具有将燃料盐引导到反应堆堆芯306中的八个入口通道302。入口通道302的宽高比(例如，宽度与高度的比)不像上面参照图2-图7描述的入口通道那样严格，但是，燃料盐流动速度明显更高(例如，大约7米/秒)。因此，入口通道302和反应堆堆芯306之间的边缘310具有半径312，该半径312约为入口通道302的高度的三分之一。
在该示例中，孔环板300具有由实心部分形成的顶端314和具有部分限定在板300内的多个第二孔口318的底端316。然而，在该示例中，板300的底端316高出下反射器(未示出)上方纵向偏离距离320。该偏离距离320允许更多的燃料盐在孔环板300之下通过，以避免中心线再循环并支持在较高流动速度下的排出。另外，在板300内限定了多个完整的第一孔口322。在该示例中，第一孔口322形成为两排，这两个排在周向上彼此偏离。由于具有两排孔口322，更多的燃料盐可以通过板300，以在反应堆堆芯306中提供流分布。
在一个方面，孔环板300的构造可如下所述。将板300的原始高度设置为近似等于入口通道302的高度，并且在板300内设置四排孔口。因此，孔口的直径可以至少在一定程度上基于入口通道302的高度。然后移除顶排孔口以在顶端314处形成实心部分。在该示例中，由于燃料盐的较大的流速，实心部分比上述示例大，因此由于再循环较大，更多的流被引导到反应堆堆芯304的侧部。在底端316处，形成半个孔口318的板被切断，并且这形成了偏离距离320，其中板300的最终高度小于入口通道302的高度。通过增加孔环板300下面的流的量，减少或防止了对于高流动速度的来自板300本身的流再循环。位于中间的多个第一孔口322可以是两排尺寸均匀的孔眼。在其它方面，孔环板300可以形成有多排孔口，这些孔口的尺寸从底排到顶排逐渐减小(例如，底排中的孔口最大且顶排中的孔口最小)，并且在一些示例中，在底部处不包括高出的间隙且在顶部不包括无孔口排。
图9是另一孔环板400以及另一燃料盐流动回路404的入口通道402的局部透视图。在该示例中，流动回路404包括反应堆堆芯406，反应堆堆芯406基本上是正圆圆柱体形状，入口通道402靠近顶部。因此，在该示例中，当与上述示例相比较时，流动回路404是倒转过来的，燃料盐被向下泵送通过反应堆堆芯406，并且燃料盐在底部离开反应堆堆芯406并从顶部进入。因此，入口通道402邻近上反射器(未示出)设置。在该示例中，通过反转流动方向，泵被设置在流动回路404的冷侧上，这增加了泵效率。
类似于上面在图8中描述的示例，入口通道402连接到通道408，通道408包括热交换器(未示出)并且位于反射器的与反应堆堆芯406相对的一侧上(当前所示)。流动回路404具有将燃料盐引导到反应堆堆芯406中的八个入口通道402。入口通道402的宽高比(例如，宽度与高度的比)不像上面参照图2-图7描述的入口通道那样严格，但是，燃料盐流动速度明显更高(例如，大约7米/秒)。因此，入口通道402和反应堆堆芯406之间的边缘410具有半径412，该半径412约为入口通道402高度的三分之一。
在该示例中，由于流动回路404被反向，所以孔环板400具有带有部分限定在板400内的多个第二孔口416的顶端414和形成有实心部分的底端418。板400的顶端414比上反射器(未示出)下方低纵向偏离距离420。另外，在板400内限定了完整的多个第一孔口422。在该示例中，第一孔口422形成为两个排，这两个排在周向上彼此偏离。在该流动回路404中，孔环板400增加反应堆堆芯406中的燃料盐流分布，并减少和/或防止如上所述的流再循环。此外，孔环板400抵消来自在向上方向上的燃料盐加热的浮力。例如，孔口416、422的尺寸和间距可以不同于图8中描述的示例。另外，局部实心部分424可以在板400的顶端414上形成在孔口416之间。在一些示例中，局部实心部分424可以一直延伸到上反射器。在一个方面，将孔口416、422的尺寸与入口通道402的高度相关联的孔环板400的构造可以类似于上面参照图8描述的板300。
图10是反应堆堆芯系统500的另一种可能的物理实施方式的正视图。在该示例中，反应堆堆芯系统500可以是示范性反应堆，该示范性反应堆是被设计成允许对反应堆的设计和技术进行有效测试和评估的核反应堆，或者是根据需求或需要的商用反应堆。示范性反应堆和商业反应堆都会产生热量，但是，运行期间产生的热量的消散包括在商业反应堆中产生可用功率，而在示范性反应堆中可用功率的产生可能发生也可能不发生。
反应堆堆芯系统500是池型反应堆，具有没有底部穿透的封闭容器502，该容器包含反应堆燃料盐504、燃料泵组件506、反射器508、热交换器510和控制元件(未示出)。熔融燃料盐504填充容器502内的未被部件(例如，反射器508、泵组件506和热交换器510)、屏蔽元件或燃料置换元件占据的所有空间。这形成中央“活性”临界堆芯区512以及将活性堆芯512与泵组件506和热交换器510连接的燃料通道514。反应堆控制元件(未示出)通过容器头516进入并定位在围绕活性堆芯512的径向反射器区内。多个燃料回路并行运行以循环燃料盐504，并且在损失强制流的情况下，反应堆堆芯系统500能够将燃料盐安全地保持在容器502中，并且通过稳健的自然循环移除衰变热。
系统500的临界“活性堆芯”区512包括开放的中心圆柱形室518，该中心圆柱形室518由环形导流管520和降液导管522限定。降液导管522限定在导流管520的外部(例如，在导流管520和反射器508之间)。在操作中，泵组件506将燃料盐504向上驱动出活性堆芯512并通过热交换器510。冷却剂流524被引导通过交换器头526，以从活性堆芯512中提取热量。燃料盐504从热交换器510的底部流出并进入导流管520和反射器508之间的环形降液导管522，再次进入活性堆芯512。燃料盐504在浸入式导流管520的底部附近过渡，浸入式导流管520的底部将室518内的向上流动的燃料盐504与降液导管522内的向下流动的燃料盐504分开。
此外，孔环板528设置在活性堆芯512内，并且在降液导管522和活性堆芯512的室518之间靠近燃料盐504的过渡部。孔环板528被配置成调节围绕浸入式导流管520的底部移动的燃料盐504的流，以便减少或消除下部活性堆芯区内的燃料盐流再循环。下面将进一步详细描述孔环板528。
图11是反应堆堆芯系统500(如图10所示)的燃料盐流动回路530的局部透视图。流动回路530充满燃料盐，流动方向由箭头532示出。流动回路530至少部分地由导流管520和反射器508限定。在活性堆芯512中，燃料盐从降液导管522转大约180°到达室518。孔环板528设置在活性堆芯512内，靠近导流管520的底端。孔环板528具有多个布置成排的孔口534和顶部实心部分536，孔口534被配置成允许燃料盐的流通过板，顶部实心部分536在孔环板528上方引导至少一部分燃料盐流。另外，孔环板528的直径小于导流管520的直径，使得孔环板528从导流管520向内偏离。孔环板528的高度约等于或小于导流管520的底端在底部反射器508上方的高度。孔环板528联接到堆芯的底部并从堆芯的底部延伸。在一些示例中，孔环板528的顶部的一部分可根据需求或需要由导流管520支撑。
孔环板528使燃料盐流532在进入室518时能够被平衡和分配，从而提高反应堆性能。例如，流的一部分沿着导流管520的内表面在向上方向上引导，并且减少或防止沿着导流管520的流再循环。流的一部分被引导通过孔环板528，以在方位角方向上分配流。另外，一部分流被引导到孔环板528之下，以减少或防止靠近活性堆芯512的中心线再循环。孔口534和顶部实心部分536的间距、尺寸和构造可如本文所述进行调节，以平衡和分配燃料盐流。
通常，通过如上所述的孔环板设计，增加了反应堆堆芯内的燃料盐流平衡和分布，并减少和/或防止了流再循环。应理解，可以修改孔环板的一个或更多个设计参数，例如但不限于内环直径、环厚度、孔口直径、孔口角间距等，以使孔环板适合特定的反应堆堆芯设计和燃料盐流动速度。例如，可以调整孔口的尺寸和间距，以定制沿着反射器壁引导的流的量。实心部分的尺寸也可以改变沿着反射器壁引导的流的量。不完整型孔口的尺寸和间距和/或底部偏离可以改变引导在板下面并朝向堆芯中心线的流的量。孔口的尺寸和间距也改变了压降和堆芯内的流分布。例如，大直径孔口比小直径孔口使更多的流通过板。孔口的尺寸可以通过相对于入口通道的位置来修改(例如，靠近入口通道的直径较小，远离入口通道的直径较大)，和/或通过在板上的位置来修改(例如，底部的直径较小，并且顶部的直径较大)。孔环板的厚度可以改变板上的压降的量。
尽管有所附的权利要求，并且除了上面描述的示例之外，在以下编号的条款中还公开了进一步的示例：
1.一种熔融燃料反应堆，包括：
反应堆堆芯，所述反应堆堆芯至少部分地由上反射器、下反射器和至少一个侧部反射器限定，其中所述反应堆堆芯是基本上正圆圆柱体形状，并且其中，所述反应堆堆芯具有纵向轴线和内径；
至少一个入口，所述至少一个入口被配置为将燃料盐引导到反应堆堆芯中；
至少一个出口，所述至少一个出口被配置为将燃料盐引导出所述反应堆堆芯，其中所述至少一个入口和所述至少一个出口至少部分地限定燃料盐相对于所述反应堆堆芯的流动回路；和
孔环板，所述孔环板设置在所述反应堆堆芯内并靠近所述至少一个入口，其中所述孔环板被配置为调节从所述至少一个入口进入所述反应堆堆芯的燃料盐的流，其中所述孔环板绕所述纵向轴线周向延伸并具有在沿所述纵向轴线的方向上限定的高度，并且其中，所述孔环板包括多个孔口，所述孔口被配置为允许所述燃料盐的流通过所述孔口。
2.根据条款1所述的熔融燃料反应堆，其中所述孔环板具有与所述反应堆堆芯的内径对齐的内表面。
3.根据前述条款中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述至少一个入口包括第一入口和第二入口，其中在所述孔环板的上游形成间隙，使得所述第一入口和所述第二入口流动连通。
4.根据前述条款中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述至少一个入口具有沿纵向轴线方向限定的高度，并且其中，所述孔环板的高度大约等于所述至少一个入口的高度。
5.根据前述条款中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中在所述反应堆堆芯和所述至少一个入口之间限定边缘，并且其中，所述边缘是至少部分倒圆的。
6.根据条款5所述的熔融燃料反应堆，其中所述至少一个入口具有沿所述纵向轴线方向限定的高度，并且其中，所述边缘的半径约为所述至少一个入口的高度的三分之一。
7.根据前述条款中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述孔环板包括顶端和底端，其中所述顶端具有实心部分，使得所述多个孔口与所述孔环板的顶端偏离开。
8.根据前述条款中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述孔环板包括顶端和底端，其中所述多个孔口中的一个或更多个被部分地限定在所述底端中。
9.根据条款8所述的熔融燃料反应堆，其中所述底端与所述下反射器偏离开。
10.根据前述条款中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述至少一个入口邻近所述上反射器。
11.一种熔融燃料反应堆，包括：
上反射器；
下反射器；
至少一个径向反射器，所述至少一个径向反射器在所述上反射器和所述下反射器之间延伸；
反应堆堆芯，所述反应堆堆芯至少部分地由所述上反射器、所述下反射器和所述至少一个径向反射器限定，其中所述反应堆堆芯限定基本上平行于所述至少一个径向反射器的纵向轴线；
多个径向入口，所述多个径向入口邻近所述下反射器并绕所述纵向轴线周向间隔开；
多个径向出口，所述多个径向出口邻近所述上反射器并绕所述纵向轴线周向间隔开，其中燃料盐的流动回路被限定相对于所述多个径向入口和所述多个径向出口通过所述反应堆堆芯；和
孔环板，所述孔环板设置在所述反应堆堆芯内并靠近所述多个径向入口，其中所述孔环板包括多个径向孔口，并且其中，离开所述多个径向入口的燃料盐的流在所述孔环板上方流动，通过所述多个径向孔口，并在所述孔环板下方流动以进入所述反应堆堆芯。
12.根据条款11所述的熔融燃料反应堆，其中所述孔环板具有大于所述反应堆堆芯的内径的外径。
13.根据条款11或12中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，在所述孔环板和所述多个径向入口之间形成径向间隙。
14.根据条款11-13中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述至少一个径向反射器包括下角，所述下角限定了所述多个径向入口和所述反应堆堆芯之间的流动回路的边界，并且其中，所述下角具有弯曲表面。
15.根据条款11-14中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述孔环板的高度近似等于所述多个径向入口的高度。
16.根据条款11-15中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中所述孔环板上的所述燃料盐的流的压降在约5％-10％之间。
17.一种用于熔融燃料反应堆的孔环板，所述熔融燃料反应堆具有反应堆堆芯，所述反应堆堆芯是具有纵向轴线的基本上正圆圆柱体形状，其中所述孔环板包括：
圆板主体，所述圆板主体绕轴向轴线周向延伸，其中所述圆板主体包括在基本上平行于所述轴向轴线的方向上延伸的第一端和相对的第二端，并且其中，所述圆板主体被配置为设置在所述反应堆堆芯内，并且所述轴向轴线与所述纵向轴线对齐；和
多个径向孔口，所述多个径向孔口被限定在所述圆板主体中，并围绕所述轴向轴线周向间隔开。
18.根据条款17所述的孔环板，其中所述多个径向孔口与所述圆板主体的第一端偏离开。
19.根据条款18所述的孔环板，其中所述多个径向孔口包括至少一个第一排径向孔口和第二排径向孔口中，所述第一排径向孔口完整地限定在所述圆板主体内，所述第二排径向孔口部分地限定在所述圆板主体内，并且其中，所述第二排径向孔口设置在所述圆板主体的第二端处。
20.根据条款19所述的孔环板，其中，所述至少一个第一排径向孔口和所述第二排径向孔口彼此周向偏离开。
应理解，本公开内容并不限于本文所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到相关领域的普通技术人员所认可的等同物。还应理解的是，本文采用的术语仅用于描述特定的示例，并不意味着是限制性的。必须指出的是，在本说明书中使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”以及“该(the)”包括复数引用对象，除非上下文另有明确说明之外。
很明显，这里描述的系统和方法很好地适合于实现所提到的目的和优点，以及其中固有的目的和优点。本领域技术人员将认识到，本说明书中的方法和系统可以以多种方式实施，并且因此不受前述示例性示例和示例的限制。就这一点而言，本文描述的不同示例的任意数量的特征可以组合成一个单个示例，并且具有少于或多于本文描述的所有特征的替代示例是可能的。
尽管为了本公开的目的已经描述了各种示例，但是可以进行完全在本公开所设想的范围内的各种改变和修改。可以做出许多其他改变，这些改变对于本领域的技术人员来说很容易提出并且包含在本公开的精神中。

Claims (20)

1.一种熔融燃料反应堆，包括：
反应堆堆芯，所述反应堆堆芯至少部分地由上反射器、下反射器和至少一个侧部反射器限定，其中所述反应堆堆芯是基本上正圆圆柱体形状，并且其中，所述反应堆堆芯具有纵向轴线和内径；
至少一个入口，所述至少一个入口被配置为将燃料盐引导到所述反应堆堆芯中；
至少一个出口，所述至少一个出口被配置为将燃料盐引导出所述反应堆堆芯，其中所述至少一个入口和所述至少一个出口至少部分地限定燃料盐相对于所述反应堆堆芯的流动回路；和
孔环板，所述孔环板设置在所述反应堆堆芯内并靠近所述至少一个入口，其中所述孔环板被配置为调节从所述至少一个入口进入所述反应堆堆芯的燃料盐的流，其中所述孔环板绕所述纵向轴线周向延伸并具有在沿所述纵向轴线的方向上限定的高度，并且其中，所述孔环板包括多个孔口，所述孔口被配置为允许所述燃料盐的流通过所述孔口。
2.根据权利要求1所述的熔融燃料反应堆，其中，所述孔环板具有与所述反应堆堆芯的内径对齐的内表面。
3.根据前述权利要求中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述至少一个入口包括第一入口和第二入口，其中在所述孔环板的上游形成间隙，使得所述第一入口和所述第二入口流动连通。
4.根据前述权利要求中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述至少一个入口具有沿纵向轴线方向限定的高度，并且其中，所述孔环板的高度大约等于所述至少一个入口的高度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，在所述反应堆堆芯和所述至少一个入口之间限定边缘，并且其中，所述边缘是至少部分倒圆的。
6.根据权利要求5所述的熔融燃料反应堆，其中，所述至少一个入口具有沿所述纵向轴线方向限定的高度，并且其中，所述边缘的半径约为所述至少一个入口的高度的三分之一。
7.根据前述权利要求中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述孔环板包括顶端和底端，其中所述顶端具有实心部分，使得所述多个孔口与所述孔环板的所述顶端偏离开。
8.根据前述权利要求中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述孔环板包括顶端和底端，其中所述多个孔口中的一个或更多个被部分限定在所述底端中。
9.根据权利要求8所述的熔融燃料反应堆，其中，所述底端从所述下反射器偏离开。
10.根据前述权利要求中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述至少一个入口邻近所述上反射器。
11.一种熔融燃料反应堆，包括：
上反射器；
下反射器；
至少一个径向反射器，所述至少一个径向反射器在所述上反射器和所述下反射器之间延伸；
反应堆堆芯，所述反应堆堆芯至少部分地由所述上反射器、所述下反射器和所述至少一个径向反射器限定，其中所述反应堆堆芯限定基本上平行于所述至少一个径向反射器的纵向轴线；
多个径向入口，所述多个径向入口邻近所述下反射器并绕所述纵向轴线周向间隔开；
多个径向出口，所述多个径向出口邻近所述上反射器并绕所述纵向轴线周向间隔开，其中燃料盐的流动回路被限定相对于所述多个径向入口和所述多个径向出口通过所述反应堆堆芯；和
孔环板，所述孔环板设置在所述反应堆堆芯内并靠近所述多个径向入口，其中所述孔环板包括多个径向孔口，并且其中，离开所述多个径向入口的燃料盐的流在所述孔环板上方流动，通过所述多个径向孔口，并在所述孔环板下方流动以进入所述反应堆堆芯。
12.根据权利要求11所述的熔融燃料反应堆，其中，所述孔环板具有大于所述反应堆堆芯的内径的外径。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，在所述孔环板和所述多个径向入口之间形成径向间隙。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述至少一个径向反射器包括下角，所述下角限定了所述多个径向入口和所述反应堆堆芯之间的流动回路的边界，并且其中，所述下角具有弯曲表面。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述孔环板的高度近似等于所述多个径向入口的高度。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的熔融燃料反应堆，其中，所述孔环板上的所述燃料盐的流的压降在约5％-10％之间。
17.一种用于熔融燃料反应堆的孔环板，所述熔融燃料反应堆具有反应堆堆芯，所述反应堆堆芯是具有纵向轴线的基本上正圆圆柱体形状，其中所述孔环板包括：
圆板主体，所述圆板主体围绕轴向轴线周向延伸，其中所述圆板主体包括在基本上平行于所述轴向轴线的方向上延伸的第一端和相对的第二端，并且其中，所述圆板主体被配置为设置在所述反应堆堆芯内，并且所述轴向轴线与所述纵向轴线对齐；和
多个径向孔口，所述多个径向孔口被限定在所述圆板主体中，并围绕所述轴向轴线周向间隔开。
18.根据权利要求17所述的孔环板，其中，所述多个径向孔口与所述圆板主体的所述第一端偏离开。
19.根据权利要求18所述的孔环板，其中，所述多个径向孔口包括至少一个第一排径向孔口和第二排径向孔口，所述第一排径向孔口完整地限定在所述圆板主体内，所述第二排径向孔口部分地限定在所述圆板主体内，并且其中，所述第二排径向孔口设置在所述圆板主体的所述第二端处。
20.根据权利要求19所述的孔环板，其中，所述至少一个第一排径向孔口和所述第二排径向孔口彼此周向偏离开。
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