CN115461824A - 熔盐快速反应堆 - Google Patents

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尼古拉·格里戈里耶维奇·科多奇戈夫
尼古拉·根纳季耶维奇·阿布罗西莫夫
德米特里·谢尔盖耶维奇·梁赞诺夫
尤里·彼得罗维奇·苏哈列夫
谢尔盖·维亚切斯拉沃维奇·卡拉塞夫
德米特里·谢尔盖耶维奇·比林
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Abstract

本发明涉及核电领域，尤其涉及熔盐反应堆。通过解决感兴趣的问题所获得的技术成果是减少了反应堆运行期间缓发中子有效份额的损失，使得可以提供对次锕系元素的高效烧尽，并且还可以增加第一级回路的密封完整性和反应堆的可靠性。上述技术成果在具有循环燃料组合物的一体式熔盐快速反应堆中实现的，该一体式熔盐快速反应堆包括：容器，容器具有入口和出口第二级回路管道以及用于对熔盐冷却剂进行初始填充和补充的连接管道；第一级回路/第二级回路的热交换器；侧部反射器、上部反射器和下部反射器；具有壳体的堆芯和主循环管道，其中侧部反射器由下述部段制成的：第一级回路/第二级回路的热交换器布置在部段之间，使得第一级回路/第二级回路的热交换器与堆芯的壳体齐平。

Description

熔盐快速反应堆
技术领域
本发明涉及核电工程领域，具体涉及熔盐反应堆。
背景技术
熔盐反应堆的主要问题之一是缓发中子有效份额的大量损失，这导致在受控核裂变链式反应过程中烧掉次锕系元素期间反应堆的受控性较差。在反应堆寿命开始时，βeff(S)＝0.0023。在寿命结束时，βeff仅由次锕系元素确定，并下降到βeff(E)＝0.0009。反应堆堆持续时间Tr应至少为10秒。这对插入电抗Δk/k施加了限制，不应大于0.0004。尽管如此，插入电抗应该大于βeff值，否则会发生瞬发中子反应堆的失控。因此，对于缓发中子有效份额的这种损失值Δβeff，有必要确保βeff(S)-Δβeff>0.0004和βeff(E)-Δβeff>0.0004。
已知在美国设计的MSRE核反应堆(В.Л.Блинкин,В.Н.Новиков.Жидкосолевые ядерные реакторы.-М.:Атомиздат(V.L.Blimkin,V.N.Novikov.熔盐核反应堆)，1978，第23页)具有第一级冷却剂设备的模块化构造，该模块化构造包括：燃料盐排放阀、防涡流叶片、反应堆容器、堆芯容器、燃料入口连接管道、石墨棒、定心网格、吸收棒、燃料出口连接管道、用于使石墨样品下降的通道、用于对控制棒进行驱动的柔性电缆、空气冷却系统、冷却套、用于吸收棒的通道、出口过滤器、燃料分配器、石墨棒支撑网格。
它的缺点是存在热中子谱，因此对于次锕系元素的利用该反应堆的使用效率极低。
此外，已知在美国设计的ТАРMSR核反应堆(Nuclear island rendering andShnematic.图1.Rendering of the TAP MSR.Жури(陪审团).TRANSATOMIC.Technicalwhite paper.2016年11月，v2.1，f.2)包括第一级回路泵、排放系统、第一级回路热交换器、中间回路泵、蒸汽生成器、由镍基合金制成的管道。
该反应堆的缺点是：使用热中子谱，这显着降低了次锕系元素“烧尽”的可能性；使用对次锕系氟化物具有低溶解度的LiF-BeF2型载体盐，禁止装载足够量的次锕系元素和种子燃料。
在法国设计的MSFR核反应堆(MSFR和欧洲项目EVOL，熔盐反应堆.研讨会-PSL-2017年1月Rrans-MSFR演示文稿，第11页)，其具有在反应堆容器中集成的第一级回路设备和围绕侧向反射器的第一级回路和第二级回路的高温热交换器，在大多数特征上最接近本解决方案，并被选为最接近的现有技术。
其缺点如下：在燃料组合物的循环期间，当燃料组合物穿过布置在堆芯外部的高温热交换器时，作为缓发中子源的裂变产物在相当长的时间位于堆芯外部，这减少了缓发中子有效份额并损害了反应堆的安全特征。
发明内容
技术目标是开发一种一体式熔盐快速反应堆(MSFR)，该一体式熔盐快速反应堆使用具有高溶解度的次锕系氟化物的基于LiF+NaF+KF(FLiNaK)载体盐的燃料组合物，从而可以定位最小尺寸内的放射性燃料组合物的容积，并从第一级回路中去除了大直径的长循环管道。
通过解决感兴趣的问题所取得的技术成果是减少了反应堆运行期间缓发中子有效份额的损失，从而可以提供次锕系元素的高效烧尽，以及提高第一级回路的密封完整性和反应堆的可靠性。
这一技术成果在具有循环燃料组合物的一体式熔盐快速反应堆中实现，该一体式熔盐快速反应堆包括：容器，容器具有入口和出口第二级回路管道以及用于对熔盐冷却剂进行初始填充和补充的连接管道；第一级回路/第二级回路的热交换器；侧部反射器、上部反射器和下部反射器、具有壳体的堆芯；主循环泵，其中侧部反射器由下述部段制成的：第一级回路/第二级回路的热交换器位于部段之间，使得第一级回路/第二级回路的热交换器与堆芯的壳体齐平。
下部反射器具有用于对第一级回路/第二级回路的热交换器进行安装的侧部切口，并且下部反射器具有安装在下部反射器上的具有开口的管板，管板用于使堆芯中燃料组合物消耗的分布曲线对齐；以及在堆芯的上部反射器中存在开口，以用于对控制和保护系统的操作元件进行安装以及将中子源安装在上部反射器中；以及在侧部反射器的上部部分制有开口，在上部部分的开口中安装有将堆芯与主循环泵的收集室连接的管道。
第一级回路/第二级回路的热交换器在上部部分连接到主循环泵的压力室，第一级回路/第二级回路的热交换器在下部部分连接到堆芯的歧管，以及在第一级回路/第二级回路的每个热交换器的上部部分中存在用于对熔盐冷却剂进行供应和移除的第二级回路的入口管道和出口管道。
侧部反射器的部段之间的第一级回路/第二级回路的热交换器与堆芯壳体齐平的布置减少了第一级回路管道的长度；并且，由于燃料循环时间的减少，缓发中子有效份额的损失减少，从而能够实现次锕系元素的显着烧尽效率。
侧部反射器的部段之间的第一级回路/第二级回路的热交换器的布置导致反应堆直径的减小，从而导致反应堆和整个反应堆建筑物的重量、尺寸和成本特性的减小。
反应堆整体概念，其中设备在容器内，在容器外不存在可能发生破裂的第一级回路的大直径管道，增加了第一级回路的密封完整性成都和反应堆的可靠性。
具体实施方式
图1至图5中解释了本发明的本质，其中：
图1示出了反应堆的3D模型；
图2示出了反应堆顶部视图的3D模型(未示出反应堆的盖件)；
图3示出了MSFR的构造。
图4示出了反应堆的A-A截面；
图5示出了反应堆的B-B截面。
在所提出的反应堆的技术方案中，使用了整体构造(图3)，其中低压反应堆的立式容器(10)中布置有：具有侧部反射器(2)、下部反射器(17)、上部反射器(18)的堆芯(1)，以及控制和保护系统的操作元件(OE CPS)(3)，第一级回路/第二级回路的热交换器(4)，中子源(NS)(5)，容器内的金属结构(IMS)(6)，组合保护系统(7)，主循环泵(MCP)的收集室(8)，歧管(9)。反应堆的实体边界是反应堆的设备与以下接口的接合点：第二级回路的入口管道和出口管道(11)，用于对熔盐冷却剂进行初始填充和补充的连接管道(12)，用于对气泡和保护气体进行供应和移除的管道(13)，CPS驱动器(14)、MCP驱动器(15)和NS驱动器(16)的电气端子，用于外部电源和测量电路的触点和端子。
堆芯(1)是具有快中子谱的腔型均质堆芯。
在反应堆容器(10)中，歧管(9)上焊接有堆芯壳体(19)、安装在系统的用于对熔盐冷却剂进行初始填充和补充的连接管道(12)。下部反射器(17)和侧部反射器(2)附接到壳体(19)。堆芯(1)的壳体(19)布置在焊接到反应堆容器(10)的支撑肋(20)上。
在堆芯(1)的下部部分，具有开口的管板(21)安装在下部反射器(17)上，该管板用于使堆芯中燃料组合物消耗的分布曲线对准。
反射器布置在堆芯的顶部、底部和侧部。侧部反射器(2)由部段制成。下部反射器(17)具有用于对热交换器(4)进行安装的侧部切口。在上部反射器(18)和堆芯(1)的壳体(19)的罩部(22)中制出开口，用于在该上部反射器和罩部中布置CPS OE(3)。上部反射器(18)具有用于将燃料组合物流分流至热交换环路的形状。在侧部反射器(2)的上部中，制出了开口，以用于容纳将堆芯(1)连接到MCP收集室(8)的管道(25)。
在侧部反射器(2)的部段之间的间隔中，布置了用于第一级回路/第二级回路的“盐-盐”型热交换器(4)。在热交换器(4)的上部部分中，热交换器与MCP压力室(23)连接；在热交换器的下部部分中，热交换器通过管道连接到堆芯(1)的歧管(9)。在每个热交换器(4)的上部部分中，布置有入口管道和出口管道(11)，该入口管道和出口管道用于对第二级回路的熔盐冷却剂进行供应和移除并穿过反应堆容器(10)中的连接管道。
组合保护系统(7)布置在反应堆的盖件(24)下方。组合保护系统(7)由金属和热绝缘材料组成并且用于保护反应堆盖件(24)的紧固元件、CPS驱动器(14)、MCP驱动器(15)和NS驱动器(16)免受热辐射和放射性辐射影响。
CPS OE(3)位于堆芯(1)中。每个操作元件都包含基于高浓缩碳化硼的吸收剂。
用于对中子源(5)进行布置的管道安装在上部反射器(18)和IMS板(6)的中央。
控制装置包括用于中子通量、能量分布控制、堆芯入口和出口处以及反应堆元件处的燃料组合物温度、反应堆中燃料组合物的压力和水平的第一级测量传感器。
实际上，在反应堆的运行期间，堆芯(1)中释放的所有热都被第一级回路/第二级回路的“盐-盐”热交换器(4)中的第二级回路的熔盐冷却剂移除。
反应堆操作如下。
来自第一级回路/第二级回路的热交换器(4)的温度约为650℃的燃料组合物经由管道进入位于堆芯(1)下方的歧管(9)。然后，燃料组合物通过穿孔的管板(21)并进入堆芯(1)。在从底部到顶部通过堆芯(1)时，燃料组合物被加热到约700℃的温度。在通过堆芯(1)后，燃料组合物被上部反射器(18)分流成几个流——热交换回路，并且燃料组合物通过侧部反射器(2)中的开口进入MCP收集室(8)。然后，燃料组合物进入MCP压力室(23)并在MCP压力室的压力下进入热交换器(4)的入口，并在通过该入口后被冷却到650℃，热被传递到第二级回路的熔盐冷却剂(图中未示出)。
因此，所提出的反应堆构造具有组合辐射和热保护、包括驱动器和操作元件的控制和保护系统组件、中子源、部段式侧部反射器，其中第一级回路/第二级回路的热交换器布置在侧部反射器的部段之间，与堆芯的壳体齐平，使得能够：
1.由于减少了堆芯外的燃料循环时间，因此减少了缓发中子有效份额的降低；
2.由于减少了缓发中子有效份额的损失，因此提高了反应堆的灵活性；
3.由于FLiNaK载体盐的选择和堆芯中快中子谱的实施，使得来自废核燃料中的大量次锕系元素烧尽。

Claims (3)

1.一种具有循环燃料组合物的一体式熔盐快速反应堆，包括：容器，所述容器具有入口和出口第二级回路管道以及用于对熔盐冷却剂进行初始填充和补充的连接管道；第一级回路/第二级回路的热交换器；侧部反射器、上部反射器和下部反射器；具有壳体的堆芯；主循环泵；其特征在于，所述侧部反射器是由下述部段制成的：所述第一级回路/第二级回路的热交换器位于所述部段之间，使得所述第一级回路/第二级回路的热交换器与所述堆芯的所述壳体齐平。
2.根据权利要求1所述的熔盐快速反应堆，其特征在于，所述下部反射器具有用于对所述第一级回路/第二级回路的热交换器进行安装的侧部切口，并且所述下部反射器具有安装在所述下部反射器上的具有开口的管板，所述管板用于使所述堆芯中的燃料组合物消耗的分布曲线对齐；以及在所述堆芯的所述上部反射器中存在开口，以用于对控制和保护系统的操作元件进行安装以及将中子源安装在所述上部反射器中；以及在所述侧部反射器的上部部分中制有开口，在所述上部部分的开口中安装有将所述堆芯与所述主循环泵的收集室连接的管道。
3.根据权利要求1所述的熔盐快速反应堆，其特征在于，所述第一级回路/第二级回路的热交换器在上部部分连接至所述主循环泵的压力室，所述第一级回路/第二级回路的热交换器在下部部分连接至所述堆芯的歧管，以及在所述第一级回路/第二级回路的每个热交换器的上部部分中存在用于对熔盐冷却剂进行供应和移除的所述第二级回路的入口管道和出口管道。
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