CN202662298U

CN202662298U - 一种新型钍基反应堆装置

Info

Publication number: CN202662298U
Application number: CN2012202816260U
Authority: CN
Inventors: 周涛; 侯周森; 陈娟; 程万旭; 刘梦影
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2022-06-14

Abstract

本实用新型属于核能发电装置技术领域，特别涉及了一种新型钍基反应堆装置。该装置包括了中子产生装置、堆芯分区装置和安全控制装置三个部分。依靠加速器产生质子来轰击铅质靶核产生中子，²³²Th吸收中子后进行衰变产生并积累易裂变核素²³³U，当²³³U的量积累到一定的量后会发生裂变。同时²³⁵U吸收经过钍燃料区的中子进行裂变，产生能量和中子。本实用新型能够实现钍燃料增值，从而解决我国核资源短缺的问题。本实用新型实现了钍燃料的增值，使用钍燃料产生的放射性物质更少。由于堆芯还使用了铀燃料，可以为钍燃料提供中子，也能减小加速器的工作负荷量。另外本实用新型还可以通过控制棒来进行控制，提高了反应堆的安全性。

Description

一种新型钍基反应堆装置

技术领域

本实用新型属于核能发电装置技术领域，特别涉及了一种新型钍基反应堆装置。

背景技术

目前，能源问题是人们最关注的问题之一，随着我国核能事业的快速发展，铀供应日趋紧张。我国是一个铀资源比较贫乏，而钍资源比较丰富的国家。以钍为燃料的反应堆，产生较少的具有高毒性和长寿命的放射性次锕系核素（MA）。以铀为燃料且装机容量为1 GW的核电站年卸出乏燃料量约为25 t。其中含有可循环利用的铀约23.75 t，钚约200 kg，中短寿命的裂变产物（FPs）约1000 kg；含有次锕系核素（MAs）约18 kg，长命裂变产物（LLFPs）约30 kg。这些核废物寿命长放射毒性大，对人类和环境构成长期危害。尤其是2011年3月11日，日本福岛核电事故的发生，向四周产生了高浓度放射性物质，更是将核能的安全性推向了至关重要的位置。

ADS是加速器驱动次临界洁净核能系统（Accelerator Driven Sub-critical System）的缩写，利用加速器加速的高能质子与重靶核（如铅）发生散裂反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂反应产生的中子作为中子源来驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应以便得到能量和利用多余的中子增殖核材料和嬗变核废物。和常规的反应堆相比，ADS驱动堆具有更好的安全性、防核扩散的能力、燃料增值和经济性等优点。但是目前ADS所使用的燃料主要是铀和MOX燃料，没有专门使用钍燃料的反应堆装置。另外ADS的安全控制也单纯靠切断加速器的电源来进行控制。因此ADS在燃料增值和安全性方面还需要进一步的研究和改善。

实用新型内容

针对现有技术不足，为实现钍燃料的增值，本实用新型提供了一种新型钍基反应堆装置。

一种新型钍基反应堆装置包括中子产生装置、堆芯分区装置、安全控制装置和铅；中子产生装置包括真空质子窗口和加速器；堆芯分区装置包括铅质靶核区、钍燃料区、铀燃料区、反射层、屏蔽层、导向管；安全控制装置为控制棒；

该装置在主筒仓内设置一个U形主管道，U形主管道两侧分别设置一个隔板，其中U形主管道与隔板间为热气体通道，隔板与主筒仓之间为冷却气体通道；U形主管道的外壁为一层保护壳；在U形主管道所构成的腔体中部设置一个圆柱形的铅质靶核区；在铅质靶核区的外侧设置一个外边为正六边形的钍燃料区，并将铅质靶核区紧密包裹；在钍燃料区的外侧，设置一个外边为正六边形的铀燃料区，并将钍燃料区紧密包裹；在铀燃料区的外侧设置一个外边为圆形的反射层，并将铀燃料区紧密包裹；在反射层的外侧设置一个圆筒形的屏蔽层，并将反射层紧密包裹；

铅质靶核区与其上方的真空质子窗口通过管道相连，真空质子窗口与腔体外的加速器通过管道相连；在铀燃料区上均匀设置多个导向管，控制棒放置于导向管中；在反射层上设置一个圆筒形的隔热层，在隔热层上部外侧设置一个圆筒形的热交换器；热交换器上设置水蒸气导管，其上端位于腔体外。

反射层采用聚乙烯材料，屏蔽层采用硼聚乙烯材料。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型实现了钍燃料的增值，从而能够解决我国铀资源短缺的问题。使用钍燃料产生的放射性物质更少，减少了核废物对人体和环境危害的影响，以及缓解了核废物处理问题。由于堆芯还使用了铀燃料，可以为钍燃料提供中子，也能减小加速器的工作负荷量。另外本实用新型还可以通过控制棒来进行控制，提高了反应堆的安全性。

附图说明

图1为一种新型钍基反应堆装置的正视图。

图2为一种新型钍基反应堆装置的俯视图。

图中标号：1-铅质靶核区；2-钍燃料区；3-铀燃料区；4-冷液铅或铅铋下降流；5-冷却气体通道；6-质子束；7-热交换器；8-液铅或铅铋水平线；9-真空质子窗口；10-水蒸气导管；11-主筒仓；12-热气体通道；13-保护壳；14-U形主管道；15-隔热层；16-热液铅或铅铋上升流；17-控制棒；18-加速器；19-反射层；20-屏蔽层；21-导向管。

具体实施方式

本实用新型提供了一种新型钍基反应堆装置，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

一种新型钍基反应堆装置包括中子产生装置、堆芯分区装置、安全控制装置和铅；中子产生装置包括真空质子窗口9和加速器18；堆芯分区装置包括铅质靶核区1、钍燃料区2、铀燃料区3、反射层19、屏蔽层20、导向管21；安全控制装置为控制棒17；

该装置在主筒仓11内设置一个U形主管道14，U形主管道14两侧分别设置一个隔板，其中U形主管道14与隔板间为热气体通道12，隔板与主筒仓11之间为冷却气体通道5；U形主管道14的外壁为一层保护壳13；在U形主管道14所构成的腔体中部设置一个圆柱形的铅质靶核区1；在铅质靶核区1的外侧设置一个外边为正六边形的钍燃料区2，并将铅质靶核区1紧密包裹；在钍燃料区2的外侧，设置一个外边为正六边形的铀燃料区3，并将钍燃料区2紧密包裹；在铀燃料区3的外侧设置一个外边为圆形的反射层19，并将铀燃料区3紧密包裹；在反射层19的外侧设置一个圆筒形的屏蔽层20，并将反射层19紧密包裹；

铅质靶核区1与其上方的真空质子窗口9通过管道相连，真空质子窗口9与腔体外的加速器18通过管道相连；在铀燃料区3上均匀设置多个导向管21，控制棒17放置于导向管中；在反射层19上设置一个圆筒形的隔热层15，在隔热层15上部外侧设置一个圆筒形的热交换器7；热交换器7上设置水蒸气导管10，其上端位于腔体外。

反射层19采用聚乙烯材料，屏蔽层20采用硼聚乙烯材料。

如图1所示，通过加速器18产生高能质子，质子通过真空质子窗口9轰击铅质靶核区1产生中子。中子进入堆芯分区装置，如图2所示，堆芯分区装置的钍燃料区2吸收中子实现燃料增值，铀燃料区3吸收中子，发生裂变产生能量和中子。液铅或液铅铋经过堆芯吸收热量，进入热交换器7，产生水蒸气，水蒸气沿水蒸气导管10将热量带出堆芯进入到后面回路进行热能发电。该装置可通过加速器18和控制棒17对反应堆同时进行控制，提高了反应堆的安全性。

堆芯分区装置从内至外包括5个区域：最中间为铅质靶核区1；第二区为钍燃料区2即快区；第三区为铀燃料区3即热区和导向管21；第四区为反射层19；第五区为屏蔽层20。钍燃料区2的²³²Th吸收铅质靶核区1产生的中子进行多次衰变产生并积累易裂变核素²³³U，当²³³U积累到一定量的时候，会发生裂变并维持自持裂变。同时一部分快中子经过钍燃料区2变成热中子，进入到铀燃料区3，²³⁵U吸收中子开始裂变产生能量和中子。所产生的中子不仅可以来维持自持裂变，而且可以为钍燃料提高中子进行增值，使加速器18工作负荷量减小。为了提高中子效率和减少辐射损伤，在堆芯分别增加了反射层19和屏蔽层20。

中子产生装置和堆芯分区装置共同作用所产生的热能，由液铅或液铅铋流入堆芯分区装置来吸收，产生热液铅或铅铋上升流16，流到热交换器7进行热交换，产生冷液铅或铅铋下降流4又流入堆芯分区装置进行循环，同时产生水蒸气，水蒸气沿水蒸气导管10将热量带出堆芯进入到后面回路进行热能发电。为了提高热交换效率，在热液铅或铅铋上升流16和冷液铅或铅铋下降流4之间增加了隔热层15。为了保护U形主管道14和保护壳13因温度过高而受损，增加了冷却气体通道5，用来进行冷却，冷气体受热后进入到热气体通道12。主筒仓11用来支撑整个堆芯。

可以通过加速器18对本装置进行控制，切断加速器18电源，可使其不能产生中子。为了使堆芯分区装置更加安全，还加入了控制棒17进行控制。

Claims

1.一种新型钍基反应堆装置，其特征在于：所述新型钍基反应堆装置包括中子产生装置、堆芯分区装置、安全控制装置和铅；中子产生装置包括真空质子窗口（9）和加速器（18）；堆芯分区装置包括铅质靶核区（1）、钍燃料区（2）、铀燃料区（3）、反射层（19）、屏蔽层（20）、导向管（21）；安全控制装置为控制棒（17）；

所述新型钍基反应堆装置在主筒仓（11）内设置一个U形主管道（14），U形主管道（14）两侧分别设置一个隔板，其中U形主管道（14）与隔板间为热气体通道（12），隔板与主筒仓（11）之间为冷却气体通道（5）；U形主管道（14）的外壁为一层保护壳（13）；在U形主管道（14）所构成的腔体中部设置一个圆柱形的铅质靶核区（1）；在铅质靶核区（1）的外侧设置一个外边为正六边形的钍燃料区（2），并将铅质靶核区（1）紧密包裹；在钍燃料区（2）的外侧，设置一个外边为正六边形的铀燃料区（3），并将钍燃料区（2）紧密包裹；在铀燃料区（3）的外侧设置一个外边为圆形的反射层（19），并将铀燃料区（3）紧密包裹；在反射层（19）的外侧设置一个圆筒形的屏蔽层（20），并将反射层（19）紧密包裹；

所述铅质靶核区（1）与其上方的真空质子窗口（9）通过管道相连，真空质子窗口（9）与腔体外的加速器（18）通过管道相连；在铀燃料区（3）上均匀设置多个导向管（21），控制棒（17）放置于导向管中；在反射层（19）上设置一个圆筒形的隔热层（15），在隔热层（15）上部外侧设置一个圆筒形的热交换器（7）；热交换器（7）上设置水蒸气导管（10），其上端位于腔体外。

2.根据权利要求1所述的一种新型钍基反应堆装置，其特征在于：所述反射层（19）采用聚乙烯材料，屏蔽层（20）采用硼聚乙烯材料。