CN210805248U

CN210805248U - 一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆

Info

Publication number: CN210805248U
Application number: CN201921404839.6U
Authority: CN
Inventors: 李志峰; 蔡杰进; 李泽宇; 曾勤; 杨军
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2029-08-27

Abstract

本实用新型公开了一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆。该反应堆包括：堆芯、镓金属一回路管道、镓金属主泵、镓蒸汽发生器、镓金属二回路管道、实验堆用汽轮机及实验堆用发电机；堆芯通过镓金属一回路管道与镓金属主泵、镓蒸汽发生器依次连接，构成循环通路；镓蒸汽发生器通过镓金属二回路管道与实验堆用汽轮机、实验堆用发电机依次连接，构成循环通路；堆芯包括镓金属冷却剂。该反应堆使用了镓金属，镓金属熔点低可降低其意外固化的可能，还能避免冷却剂发生火灾，提高了反应堆的安全性；由于镓金属对反应堆内的结构材料腐蚀较低，能提高反应堆内的结构材料使用寿命，降低成本，提高经济性。因此该反应堆具备很好的安全性和经济性。

Description

一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆

技术领域

本实用新型涉及核工程领域，具体涉及一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆。

背景技术

目前已经实现临界发电的快中子反应堆为钠冷快中子反应堆，也就是采用钠作为冷却剂的反应堆。现阶段已经研发完成的反应堆有法国的凤凰钠冷快中子反应堆、法国的超级凤凰钠冷快中子反应堆、日本的文殊钠冷快中子反应堆、中国实验快堆。中国实验快堆是我国的第一个快中子反应堆，采用钠作为冷却剂，目标设计寿命为30年，为我国今后建造大型工程型钠冷快中子增殖堆储备了大量实验经验，是我国铀钚循环大战略中的重要一环，具备重大科学意义和工程价值。

然而，钠的化学性质非常活泼，钠能够在二氧化碳中发生燃烧，能够与氧气发生化合反应，还能够与水发生剧烈反应，如果钠和水的质量较大时，还有可能发生严重爆炸。因此，钠作为快中子反应堆的冷却剂时，往往会面临钠火的威胁，这个快中反应堆的安全带来了重大考验。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆。

为了避免钠火的威胁，本实用新型采用液态镓金属作为快中子反应堆的冷却剂，既起到了慢化快中子反应堆燃料元件的功能，又避免了钠火的产生，能够提高快中子反应堆的安全性。

本实用新型提出了一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，能够克服现有钠冷快中子反应堆可能发生火灾这一缺点。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的堆芯，包括压力容器、反射层及活性区，所述压力容器包容反射层，所述反射层包围活性区；所述活性区由燃料栅元组成，所述燃料栅元包括镓金属冷却剂、包壳、气隙及混合氧化物核燃料；所述镓金属冷却剂包围所述包壳；所述包壳包围气隙；所述气隙包围混合氧化物核燃料。本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆包括堆芯、镓金属一回路管道、镓金属主泵、蒸汽发生器、镓金属二回路管道、实验堆用汽轮机、实验堆用发电机。

本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，包括：堆芯、镓金属一回路管道、镓金属主泵、镓蒸汽发生器、镓金属二回路管道、实验堆用汽轮机及实验堆用发电机；所述堆芯通过镓金属一回路管道与镓金属主泵、镓蒸汽发生器依次连接，构成循环通路；所述镓蒸汽发生器通过镓金属二回路管道与实验堆用汽轮机、实验堆用发电机依次连接，构成另一个循环通路；所述镓金属一回路管道与镓金属二回路管道中充满液态金属镓；所述堆芯包括镓金属冷却剂。

进一步地，所述堆芯由压力容器、反射层及活性区组成；所述压力容器包容反射层，所述反射层包围活性区；所述活性区由燃料栅元组成；所述燃料栅元包括镓金属冷却剂、包壳、气隙及混合氧化物核燃料；所述镓金属冷却剂包围所述包壳；所述包壳包围气隙；所述气隙包围混合氧化物核燃料。

进一步地，所述镓金属冷却剂为液态的金属镓；所述镓金属冷却剂的温度为300-500摄氏度。

优选地，所述镓金属冷却剂的温度为450摄氏度。

优选地，所述包壳的材料为铬镍硫不锈钢；在所述铬镍硫不锈钢中Fe、Cr、Ni、S的质量百分数比例分别为87%、9%、3%及1%。

进一步地，所述气隙为氦气和氖气的混合体；按体积百分比计，在所述气隙中，所述氦气的体积百分比为80%，所述氖气的体积百分比为20%。

进一步地，所述混合氧化物核燃料为UO₂和PuO₂的混合物，其中，Pu的富集度为5%至30%。

优选地，所述混合氧化物核燃料为UO₂和PuO₂的混合物，其中，Pu的富集度为18.3%。

进一步地，所述反射层为液态的金属镓；所述反射层的温度为200摄氏度至400摄氏度。

本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，将温度为300摄氏度至500摄氏度的液体的金属镓作为快中子反应堆的冷却剂，这些冷却剂将负责导出核燃料元件中发出的热量，从而起到冷却核燃料元件的作用，能够防止燃料元件因为过热而被烧毁

本实用新型提供的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆包括一回路及二回路；所述一回路包括堆芯、镓金属一回路管道、镓金属主泵及镓金属蒸汽发生器；二回路包括镓金属二回路管道、实验堆用汽轮机和实验堆用发电机。

本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，使用核燃料、气隙、包壳、液态金属镓等组成镓冷反应堆燃料栅元，这个栅元是镓冷反应堆的最小重复单元，并将镓冷反应堆燃料栅元组合而成一个镓冷反应堆的活性区；在所述活性区的外围设置镓冷反应堆的反射层，反射层同样可以由镓金属组成，只是反射层中的镓金属温度较低，反射层温度为200摄氏度至400摄氏度，单位体积内的核子密度较大，其反射中子的能力较强。核燃料优选采用UO₂和PuO₂混合的氧化物燃料，其中Pu的富集度为5%至30%。

所述液态的金属镓的制备，包括：首先将青灰色固态镓金属块加热至30摄氏度以上，此时青灰色固态镓金属块熔化为液态银白色金属镓，继续加热至50摄氏度以上，形成稳定的液体金属镓；若继续加热至300摄氏度至500摄氏度，可作为快中子反应堆的冷却剂材料，即所述镓金属冷却剂；若继续加热至200摄氏度至400摄氏度，可作为反射层的材料。

本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，使用UO₂和PuO₂的混合氧化物燃料、气隙、包壳、镓金属冷却剂等组成镓冷反应堆燃料栅元，这个栅元是镓冷反应堆的最小重复单元，并将镓冷反应堆燃料栅元组合而成一个镓冷反应堆的活性区。核燃料采用的是二氧化铀和二氧化钚混合的氧化物燃料，其中²³⁵U和²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu、²⁴²Pu作为易裂变核素，它们与中子进行核裂变反应后释放出能量，这些能量将在核燃料元件内转换为热量，并由液态金属镓（即镓金属冷却剂）对核燃料元件进行冷却。

最后，在活性区的外围设置镓冷反应堆的反射层和压力容器，从而形成一个完整的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆。反射层优选采用液态金属镓，反射层温度为200摄氏度至400摄氏度。压力容器用来包容活性区和反射层，起到保护堆芯的作用。

本实用新型公开了一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，使用核燃料、气隙、包壳、液态金属镓等组成半径较小的镓冷反应堆燃料栅元，这个栅元是镓冷反应堆的最小重复单元，并将镓冷反应堆燃料栅元组合而成一个镓冷反应堆的活性区；在活性区的外围设置镓冷反应堆的反射层和压力容器，从而形成一个完整的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆。由于镓金属熔点低，因此可降低其意外固化的可能，提高了使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的安全性；由于镓金属不像钠金属那样化学性质活泼，因此可避免冷却剂发生火灾的可能，这也提高了使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的安全性；由于镓金属对反应堆内的结构材料腐蚀较低，因此可以提高反应堆内的结构材料使用寿命，从而降低了成本，提高了经济性。因此本实用新型提出的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆具备很好的安全性和经济性。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，避免了传统的钠冷快堆中钠化学性质活泼的缺陷，本实用新型涉及的快中子反应堆由于采用镓金属作为冷却剂，既起到了慢化快中子反应堆燃料元件的功能，又避免了钠火的产生；本实用新型提供的一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆具有更高的固有安全性。

附图说明

图1为实施例提供的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的燃料栅元的示意图；

其中，1-镓金属冷却剂；2-包壳；3-气隙；4-混合氧化物核燃料。

图2为实施例提供的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的燃料活性区的示意图。

图3为实施例提供的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的堆芯的示意图；

其中，5-压力容器；6-反射层；7-活性区。

图4为实施例提供的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的示意图；

其中，8-堆芯；9-镓金属一回路管道；10-镓金属主泵；11-镓蒸汽发生器；12-镓金属二回路管道；13-实验堆用汽轮机；14-实验堆用发电机。

具体实施方式

以下结合实例对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

实施例

如图4所示，一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其包括：堆芯8、镓金属一回路管道9、镓金属主泵10、镓蒸汽发生器11、镓金属二回路管道12、实验堆用汽轮机13及实验堆用发电机14；所述堆芯8通过镓金属一回路管道9与镓金属主泵10、镓蒸汽发生器11依次连接，构成循环通路；所述镓蒸汽发生器11通过镓金属二回路管道12与实验堆用汽轮机13、实验堆用发电机14依次连接，构成另一个循环通路；所述镓金属一回路管道9与镓金属二回路管道12中充满液态金属镓；所述堆芯8包括镓金属冷却剂1。

如图1、图2及图3所示，所述堆芯8由压力容器5、反射层6及活性区7组成；所述压力容器5包容反射层6，所述反射层6包围活性区7；所述活性区7由燃料栅元组成；所述燃料栅元包括镓金属冷却剂1、包壳2、气隙3及混合氧化物核燃料4；所述镓金属冷却剂1包围所述包壳2；所述包壳2包围气隙3；所述气隙3包围混合氧化物核燃料4。

所述镓金属冷却剂1为液态的金属镓；所述镓金属冷却剂1的温度为400摄氏度；所述包壳2的材料为铬镍硫不锈钢；在所述铬镍硫不锈钢中Fe、Cr、Ni、S的质量百分数比例分别为87%、9%、3%及1%；所述气隙3为氦气和氖气的混合体，按体积百分比计，氦气的体积百分比为80%，氖气的体积百分比为20%；所述混合氧化物核燃料4为UO₂和PuO₂的混合物，其中，Pu的富集度为18.3%；所述反射层6选用液态的金属镓；所述反射层的温度为200摄氏度至400摄氏度。

上述液态的金属镓的制备，包括如下步骤：

首先，将青灰色固态镓金属块放入加热容器中，开始时加热至35摄氏度，此时青灰色固态镓金属块开始熔化为液态银白色金属镓，继续加热至55摄氏度，并形成稳定的液体镓金属，保持55摄氏度一段时间，以便观察所述液体镓金属中是否存在固体残渣；如发现固体残渣，将残渣取出，得到去除残渣后的液体金属；将所述去除残渣后的液体金属分为两份，一份加热至320摄氏度，将320摄氏度的液体镓金属作为反射层6；将另一份所述去除残渣后的液体金属加热至400摄氏度，并将400摄氏度的液体镓金属作为快中子反应堆的冷却剂，即所述镓金属冷却剂1。

如图1所示，所述燃料栅元包括镓金属冷却剂1、包壳2、气隙3及混合氧化物核燃料4；将镓金属冷却剂1、包壳2、气隙3及混合氧化物核燃料4组装成镓冷反应堆燃料栅元（即所述燃料栅元）。所述燃料栅元（镓冷反应堆燃料栅元）是此使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆（镓冷反应堆）的最小重复单元，并将镓冷反应堆燃料栅元（燃料栅元）组合成所述使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的活性区7，如图2所示。所述混合氧化物核燃料4采用的是UO₂和PuO₂混合的氧化物燃料，其中Pu的富集度为18.3%，铀钚裂变材料与中子进行核裂变反应后释放出能量，这些能量将在核燃料元件内转换为热量，并由液态金属镓（镓金属冷却剂1）对核燃料元件进行冷却。

如图3所示，在活性区7的外围设置镓冷反应堆的反射层6和压力容器5，从而形成一个完整的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的堆芯。反射层6采用液态金属镓，反射层的温度为320摄氏度。压力容器5的材质为不锈钢，压力容器5用来包容活性区7和反射层6，并起到保护活性区中燃料的作用。图4为使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆的反应堆示意图，堆芯8作为反应堆的主体起到产生热量的功能，镓金属一回路管道9是一回路液态镓金属流通的通道，镓金属主泵10用于驱动镓在镓金属一回路管道中流通，镓蒸汽发生器11起到产生蒸汽的功能，此外镓蒸汽发生器11还连接镓金属一回路管道一回路和镓金属一回路管道二回路，镓金属二回路管道12是二回路液态镓金属流通的通道，实验堆用汽轮机13起到将蒸汽动能转换为机械能的作用，实验堆用发电机14起到将机械能转换为电能的作用。

以上实施例仅为本实用新型较优的实施方式，仅用于解释本实用新型，而非限制本实用新型，本领域技术人员在未脱离本实用新型精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于包括：堆芯、镓金属一回路管道、镓金属主泵、镓蒸汽发生器、镓金属二回路管道、实验堆用汽轮机及实验堆用发电机；所述堆芯通过镓金属一回路管道与镓金属主泵、镓蒸汽发生器依次连接，构成循环通路；所述镓蒸汽发生器通过镓金属二回路管道与实验堆用汽轮机、实验堆用发电机依次连接，构成另一个循环通路；所述镓金属一回路管道与镓金属二回路管道中充满液态金属镓；所述堆芯包括镓金属冷却剂。

2.根据权利要求1所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述堆芯由压力容器、反射层及活性区组成。

3.根据权利要求2所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述压力容器包容反射层，所述反射层包围活性区；所述活性区由燃料栅元组成；所述燃料栅元包括镓金属冷却剂、包壳、气隙及混合氧化物核燃料；所述镓金属冷却剂包围所述包壳；所述包壳包围气隙；所述气隙包围混合氧化物核燃料。

4.根据权利要求3所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述镓金属冷却剂为液态的金属镓；所述镓金属冷却剂的温度为300-500摄氏度。

5.根据权利要求3所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述包壳的材料为铬镍硫不锈钢；在所述铬镍硫不锈钢中Fe、Cr、Ni、S的质量百分数比例分别为87%、9%、3%及1%。

6.根据权利要求3所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述气隙为氦气和氖气的混合体。

7.根据权利要求3所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述混合氧化物核燃料为UO₂和PuO₂的混合物。

8.根据权利要求2所述的使用镓金属作为冷却剂的快中子反应堆，其特征在于，所述反射层为液态的金属镓；所述反射层的温度为200摄氏度至400摄氏度。