RU2666787C2 - Химическая оптимизация в ядерном реакторе на расплавленных солях - Google Patents
Химическая оптимизация в ядерном реакторе на расплавленных солях Download PDFInfo
- Publication number
- RU2666787C2 RU2666787C2 RU2016139002A RU2016139002A RU2666787C2 RU 2666787 C2 RU2666787 C2 RU 2666787C2 RU 2016139002 A RU2016139002 A RU 2016139002A RU 2016139002 A RU2016139002 A RU 2016139002A RU 2666787 C2 RU2666787 C2 RU 2666787C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- fuel channel
- sacrificial metal
- molten salt
- metal
- Prior art date
Links
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 title claims abstract description 63
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 77
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 77
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 claims abstract description 10
- -1 actinide halides Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 29
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 20
- 230000004992 fission Effects 0.000 claims description 17
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 11
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 11
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 7
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000002497 iodine compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 230000009189 diving Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 3
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 abstract 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 5
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 4
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 4
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 4
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 4
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 4
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 3
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000007739 conversion coating Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 150000004673 fluoride salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002835 noble gases Chemical class 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000005289 physical deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000011833 salt mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 150000004772 tellurides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
- G21C17/02—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator
- G21C17/022—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator for monitoring liquid coolants or moderators
- G21C17/0225—Chemical surface treatment, e.g. corrosion
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C1/00—Reactor types
- G21C1/02—Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders
- G21C1/03—Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders cooled by a coolant not essentially pressurised, e.g. pool-type reactors
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
- G21C15/28—Selection of specific coolants ; Additions to the reactor coolants, e.g. against moderator corrosion
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/041—Means for removal of gases from fuel elements
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
- G21C3/07—Casings; Jackets characterised by their material, e.g. alloys
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
- G21C3/10—End closures ; Means for tight mounting therefor
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/16—Details of the construction within the casing
- G21C3/17—Means for storage or immobilisation of gases in fuel elements
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к применению в ядерном реакторе деления жертвенного металла в ядерном топливе в форме расплавленных солей, содержащем галоиды актиноида, для поддержания предварительно заданного отношения тригалоида актиноида к тетрагалоиду актиноида без восстановления тригалоида актиноида в металлический актиноид. Способ поддержания окисленного состояния расплавленной соли, содержащей галоиды актиноида, включает обеспечение непрерывного контакта расплавленной соли с жертвенным металлом, причем жертвенный металл выбирают для поддержания предварительно заданного отношения тригалоида актиноида к тетрагалоиду актиноида без восстановления тригалоида актиноида до металлического актиноида. В изобретении также предусмотрен трубчатый топливный канал, содержащий жертвенный металл. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к химической оптимизации ядерного топлива в форме расплава солей для ядерного реактора деления.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ядерные реакторы деления, в которых используется ядерное топливо в форме расплавленных галоидных солей, обладают многими преимуществами перед твердотопливными реакторами, но обычно с ними связаны проблемы, обусловленные непрерывными изменениями химического состава расплавленной топливной соли во время эксплуатации, поскольку продукты деления накапливаются, и происходит выделение чистого галогена из топлива на основе три- или тетрагалоида актиноида. В большинстве конструкций реакторов на расплавленных солях для решения этой проблемы используют способ непрерывной химической обработки в процессе циркуляции топлива, однако это требует добавления сложных технических систем в высокорадиоактивную среду.
Значительно более простая конструкция реактора на расплавленных солях описана в публикации GB 2508537, в которой топливная соль находилась в статических топливных каналах, в которых конвекция или другие процессы перемешивания обеспечивали передачу тепла от топливной соли к стенке канала со скоростью, достаточной для того, чтобы реактор обеспечивал практически значимую выработку энергии. Такие статические топливные каналы не позволяют непрерывное активное регулирование химического состава топливной соли. В публикации GB 2508537 было высказано предположение о том, что включение металлов, таких как ниобий, титан или никель, в топливную соль или нанесение их на стенку топливного канала можно использовать для захвата избытка галогена, выделяемого во время деления ядер, но не было выдвинуто предложений относительно контроля вредных эффектов продуктов деления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно аспекту настоящего изобретения, предложено применение в ядерном реакторе деления жертвенного металла в ядерном топливе в форме расплавленных солей для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов из группы, включающей цирконий, титан, хром и серебро.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, предложен способ регулирования продукции газа в ядерном реакторе деления, содержащем топливные каналы, содержащие ядерное топливо в форме расплавленной соли. Способ включает обеспечение непрерывного контакта расплавленной соли с жертвенным металлом, причем жертвенный металл выбирают для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов из группы, включающей цирконий, титан, хром и серебро.
Другие аспекты сформулированы в пункте 2 формулы изобретения и в последующих пунктах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее будут описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, исключительно в качестве примера и со ссылками на прилагаемые графические материалы, где:
Фиг. 1 демонстрирует примеры топливных каналов, содержащих расплавленную топливную соль;
Фиг. 2 демонстрирует примеры трех способов, обеспечивающих эмиссию газообразных продуктов деления из топливных каналов.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Был проведен систематический анализ действия включения жертвенных металлов в топливную соль или топливный канал, который привел к идентификации особенно эффективных металлов для этой цели. Три фактора определяют пригодность каждого конкретного жертвенного металла. Это:
- поддержание низкого окислительно-восстановительного состояния и, соответственно, низкой агрессивности среды по отношению к металлам и низкой концентрации тетрагалоидов актиноидов, на что указывает высокое отношение трехвалентных актиноидов к тетравалентным актиноидам в расплавленной соли без восстановления галоидов актиноидов (обычно урана) до металлической формы при температурах, примерно равных температуре кипения солевой смеси;
- химическое связывание потенциально летучих продуктов деления в расплавленной соли и предотвращение их проникновения в газообразную фазу над солью. Особенно важно минимизировать летучие соединения йода, в частности - Tel2;
- преобразование химически активного теллура в стабильные теллуриды для предотвращения индуцированного теллуром охрупчивания металлов, в частности - никелевых сплавов, при контакте с расплавленной солью.
Были выполнены термодинамические расчеты этих трех факторов с использованием компьютерной программы HSC Chemistry 7. Результаты приведены в Таблице 1.
Параметры термодинамического расчета были следующими. Жертвенный металл использовали как отдельную чисто металлическую фазу в избытке относительно других реагентов.
Состав соли в молях:
NaCl | 428 |
UCl3 | 225 |
UC4 | 10 |
Cd | 0,38 |
I | 0,84 |
In | 0,04 |
Sb | 0,14 |
Se | 0,24 |
Те | 1,47 |
Такой состав характерен для типичной топливной соли к концу ее срока эксплуатации в ядерном реакторе на быстрых нейтронах. Металлы 1 и 2 групп, лантаноиды, благородные металлы и инертные газы исключили, поскольку показано, что они не оказывают влияния на изучаемые химические реакции.
Состав газа определяли при 600°С, а восстановление урана до металла - при 1500°С.
Исследование Таблицы 1 показывает, что цирконий, титан, ниобий, ванадий, цинк, хром, серебро и марганец пригодны для использования в качестве жертвенных металлов для регулирования окислительно-восстановительного состояния без образования металлического урана в ситуациях, когда не важен контроль летучих молекул.
Если же дополнительно необходим контроль опасных летучих молекул, например - йода, то можно использовать только цирконий, титан, ванадий, хром и серебро. Эти же металлы, за исключением ванадия, также обеспечивают эффективный контроль концентраций теллура.
Серебро как жертвенный металл, по-видимому, обладает уникальными свойствами. Несмотря на высокую электроотрицательность по шкале Полинга, оно очень эффективно снижает концентрации UCl4, снижает содержание летучих молекул йода и захватывает теллур. Высокое сродство к йоду - это известное свойство серебра, но эффективность восстановления UCl4 до UCl3 оказалась неожиданной.
Комбинации нескольких жертвенных металлов дают еще более благоприятные результаты, если отдельные жертвенные металлы более эффективны в отношении какого-либо из трех факторов, указанных выше.
Хотя данные представлены для хлоридных солей, те же принципы и пригодные жертвенные металлы можно применить к системам на основе фторидных солей.
Несмотря на то, что пассивный контроль химических реакций в расплавленной соли с использованием жертвенных металлов важен для любых реакторов на расплавленных солях, он особенно важен для таких реакторов, которые описаны в публикации GB 2508537, в которых доступ к расплавленной соли для активного управления химическими реакциями, например - посредством добавления небольших количеств химически активных металлов, является проблемой. В таком реакторе целесообразно нанести жертвенный металл на резервуар, содержащий топливную соль, выше и ниже уровня соли. Это предотвращает окклюзию жертвенного металла осаждающимися продуктами деления в форме благородных металлов. Также может быть выгодно (в частности, если жертвенный металл хорошо поглощает нейтроны), чтобы жертвенный металл не находился вблизи центра активной зоны реактора, чтобы минимизировать поглощение нейтронов.
Жертвенный металл можно обеспечить различными способами. Фиг. с 1а по 1е демонстрируют примеры топливных каналов, содержащих жертвенный металл. Фиг. 1а изображает топливный канал 101а, содержащий расплавленную соль 103а и внутреннее покрытие 102а из жертвенного металла, нанесенное на внутреннюю стенку топливного канала. Жертвенный металл можно нанести на внутреннюю стенку топливного канала различными способами, включающими, но не ограничивающимися этим, электролитическое осаждение, напаивание, приваривание, химическое осаждение из паровой фазы, напыление, вакуумное осаждение, нанесение конверсионного покрытия, распыление, физическое нанесение и центрифугирование. Альтернативно, как показано на Фиг. 1b, внутреннее покрытие 105b можно нанести лишь на часть топливного канала 101b, при условии, что эта часть контактирует с топливной солью 103b. На Фиг. 1с изображен другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором металлическая вставка 104с, изготовленная из жертвенного металла или покрытая жертвенным металлом, размещена внутри расплавленной соли 103с внутри топливного канала 101с. Эта вставка может иметь форму, способствующую конвекционному перемешиванию топливной соли, например - спиральную форму. Фиг. 1d демонстрирует еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором жертвенный металл использован в форме частиц 107d, суспендированных в расплавленной соли 103d внутри топливного канала 101d, или в форме покрытия на таких частицах. Фиг. 1е демонстрирует вариант осуществления настоящего изобретения, в котором жертвенный металл использован в форме частиц 106е, которые оседают в топливной соли 103е по направлению к дну топливного канала 101е.
Использование жертвенного металла, такого как титан, ванадий, хром или серебро, снижает давление пара многих радиоактивных молекул, генерируемых топливной солью, до очень низких уровней. Это делает возможными более простые способы контроля газов, выделяющихся из топлива, которые в присутствии подходящих жертвенных металлов преимущественно являются благородными газами, ксеноном и криптоном, галоидами кадмия и циркония, хотя концентрация последних значительно снижается, если цирконий используют в качестве жертвенного металла. Накопление этих газов в топливных элементах является основным ограничителем продолжительности эксплуатации таких топливных элементов, поскольку, если газу позволяют накапливаться, он создает высокое давление, которое может разорвать обшивку топливных элементов.
Известно, что, в частности - в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, газы, выделяющиеся при делении ядер, можно отводить из топливных элементов в натриевый теплоноситель. Такой способ использовали на ранних стадиях разработки таких реакторов, но отказались от него из-за присутствия высокорадиоактивного цезия с относительно длительным периодом полураспада в отводимом газе. Цезий загрязнял натриевый теплоноситель и создавал большие проблемы с утилизацией натрия, а также создавал большую опасность в случае возгорания натрия. Поэтому такая практика была прекращена. Сходные способы вентиляции никогда не предлагали для реакторов, не являющихся реакторами с натриевым охлаждением.
Ядерные реакторы на расплавленных солях отличаются тем, что цезий не накапливается в них в форме летучего металла, который выделяется в виде газа из металлических топливных элементов и скапливается в форме частично утекающих микропузырьков газа под высоким давлением в керамических топливных элементах. В реакторах на расплавленных солях цезий образует нелетучий галоид цезия, который создает пренебрежимо малое давление пара при используемых температурах. Поэтому можно отводить газ, образующийся при делении ядер, из ядерных реакторов на расплавленных солях в теплоноситель, не создавая значительных уровней загрязнения. Это, в частности, относится к конструкции ядерного реактора на расплавленных солях, описанной в публикации GB 2508537, где альтернативой является относительно сложная конструкция трубопроводов для сбора газов.
Газы, выделяющиеся таким образом, все еще могут содержать значимые количества радиоактивного йода, но он имеет короткий период полураспада. Радиоактивный йод будет загрязнять теплоноситель, но он распадется до безвредных уровней за относительно короткий период времени. Тем не менее, включение жертвенного металла, такого как магний, цирконий, скандий, титан, марганец, алюминий, ванадий, хром и/или серебро, снижает количество летучего йода до низкого уровня. Это основное преимущество сочетания использования жертвенных металлов, указанных выше, с системой вентиляции газов из топливных каналов. Подходящие системы вентиляции газов описаны в литературе (ORNL-NSIC-37, Fission Product release and transport in liquid metal fast breeder reactors (Образование и транспортировка продуктов деления в жидкометаллических ядерных реакторах-размножителях на быстрых нейтронах)), и они включают устройство типа «водолазного колокола» - узкие или капиллярные трубки и газопроницаемые спеченные материалы, расположенные выше уровня топливной соли. Газ можно отводить в газовое пространство, находящееся над солью-теплоносителем, или непосредственно в соль-теплоноситель, где он в виде пузырьков будет подниматься к поверхности.
Фиг. с 2а по 2с демонстрируют примеры трех способов обеспечения эмиссии газа из топливных каналов. В способе, изображенном на Фиг. 2а, использовано закрытие верхнего отверстия топливного канала 203а заглушкой 201а из металлокерамики, причем размер пор металлокерамического материала подобран так, что они пропускают газ, но не пропускают жидкости - ни топливную соль 202а, ни теплоноситель, находящийся снаружи от топливного канала. Фиг. 203b изображает топливный канал 203b, содержащий топливную соль 202b, причем топливный канал закрыт сверху «водолазным колоколом» в сборе 205b. «Водолазный колокол» в сборе 205b обеспечивает прохождение газа из топливного канала 203b в теплоноситель 207b через вентиляционные отверстия 206b в стенке топливного канала, однако теплоноситель 207b, засасываемый в «водолазный колокол» в сборе 205b, не может смешаться с топливной солью 202b. Фиг. 2с изображает топливный канал 203с, вентилируемый непосредственно в газовое пространство над теплоносителем 207с через узкую трубку или через капиллярную трубку 208с.
Claims (16)
1. Применение в ядерном реакторе деления жертвенного металла в ядерном топливе в форме расплавленных солей для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов, выбранных из группы, включающей цирконий, ванадий, хром и серебро.
2. Применение по п. 1, отличающееся тем, что расплавленное солевое топливо содержит галоиды актиноидов.
3. Способ регулирования продукции газа в ядерном реакторе, содержащем топливные каналы, содержащие ядерное топливо в форме расплавленных солей, который включает обеспечение непрерывного контакта расплавленной соли с жертвенным металлом, где жертвенный металл выбран для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов, выбранных из группы, включающей цирконий, ванадий, хром и серебро.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что он включает обеспечение выхода газов, образующихся при делении ядер в ядерном топливе в форме расплавленных солей, из топливных каналов в теплоноситель, окружающий топливный канал, или в газовое пространство, находящееся в контакте с теплоносителем.
5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что жертвенный металл предусмотрен в форме металлического покрытия внутренних стенок топливных каналов.
6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что жертвенный металл предусмотрен в форме частиц или в форме покрытия на частицах, находящихся в расплавленной соли.
7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что жертвенный металл предусмотрен в форме вставки, погруженной в расплавленную соль, или в форме покрытия на вставке, погруженной в расплавленную соль.
8. Способ по любому из пп. 3-7, отличающийся тем, что ядерное топливо в форме расплавленной соли содержит галоиды актиноидов.
9. Топливный канал для использования в ядерном реакторе деления, где топливный канал выполнен так, что он содержит ядерное топливо в форме расплавленной соли, и топливный канал содержит жертвенный металл так, чтобы при эксплуатации жертвенный металл находился в контакте с расплавленной солью или с жидкостью, конденсирующейся из пара, выделенного расплавленной солью, и жертвенный металл выбран для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов, выбранных из группы, включающей цирконий, ванадий, хром и серебро.
10. Топливный канал по п. 9, отличающийся тем, что он выполнен так, что позволяет выход газов из топливного канала при эксплуатации в теплоноситель или в газовое пространство ядерного реактора деления, содержащего топливный канал.
11. Топливный канал по п. 10, отличающийся тем, что отверстие топливного канала закрыто заглушкой из спеченного материала, причем заглушка из спеченного материала выполнена так, что она позволяет проникновение газов и не допускает проникновения жидкостей.
12. Топливный канал по п. 10, отличающийся тем, что топливный канал продолжается вертикально в газовое пространство при эксплуатации и содержит отверстие, находящееся в газовом пространстве.
13. Топливный канал по п. 12, отличающийся тем, что топливный канал содержит капиллярную трубку, продолжающуюся вертикально в газовое пространство при эксплуатации, причем на верхнем конце капиллярной трубки находится отверстие.
14. Топливный канал по п. 10, отличающийся тем, что топливный канал содержит водолазный колокол в сборе с наружным отверстием, погруженным в теплоноситель при эксплуатации.
15. Топливный канал по п. 9, отличающийся тем, что жертвенный металл нанесен на поверхность топливного канала в форме покрытия.
16. Топливный канал по п. 9, отличающийся тем, что жертвенный металл имеет форму частиц или покрытия на частицах, содержащихся в топливном канале.
Applications Claiming Priority (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB1404976.1 | 2014-03-20 | ||
GB1404976.1A GB2526513A (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Method to remove and process gaseous waste from a molten salt nuclear reactor |
GB1410659.5 | 2014-06-15 | ||
GB1410659.5A GB2527140A (en) | 2014-06-15 | 2014-06-15 | Improved fuel salt chemistry and fission rate control in a molten salt nuclear reactor |
GB1418030.1 | 2014-10-12 | ||
GB201418030A GB201418030D0 (en) | 2014-10-12 | 2014-10-12 | Improved design of molten salt reactor |
PCT/GB2015/050485 WO2015140495A1 (en) | 2014-03-20 | 2015-02-19 | Chemical optimisation in a molten salt reactor |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016139002A RU2016139002A (ru) | 2018-04-26 |
RU2016139002A3 RU2016139002A3 (ru) | 2018-07-11 |
RU2666787C2 true RU2666787C2 (ru) | 2018-09-12 |
Family
ID=52629604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016139002A RU2666787C2 (ru) | 2014-03-20 | 2015-02-19 | Химическая оптимизация в ядерном реакторе на расплавленных солях |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9837173B2 (ru) |
EP (1) | EP3120361B1 (ru) |
KR (1) | KR102286979B1 (ru) |
CN (1) | CN106133844B (ru) |
CA (1) | CA2943269C (ru) |
RU (1) | RU2666787C2 (ru) |
WO (1) | WO2015140495A1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2755054C1 (ru) * | 2021-03-22 | 2021-09-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ удаления радиоактивного йода и его изотопов из системы ядерного реактора |
RU2811776C2 (ru) * | 2018-11-01 | 2024-01-17 | Дьюэл Флюид Энерджи Инк. | ДВУХЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР - ВАРИАНТ С ЖИДКИМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ДЕЛЯЩИМСЯ МАТЕРИАЛОМ (DFR/m) |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2527140A (en) * | 2014-06-15 | 2015-12-16 | Ian Richard Scott | Improved fuel salt chemistry and fission rate control in a molten salt nuclear reactor |
US11276503B2 (en) | 2014-12-29 | 2022-03-15 | Terrapower, Llc | Anti-proliferation safeguards for nuclear fuel salts |
CA2967473A1 (en) | 2014-12-29 | 2016-07-07 | Terrapower, Llc | Nuclear materials processing |
US10867710B2 (en) | 2015-09-30 | 2020-12-15 | Terrapower, Llc | Molten fuel nuclear reactor with neutron reflecting coolant |
US10665356B2 (en) | 2015-09-30 | 2020-05-26 | Terrapower, Llc | Molten fuel nuclear reactor with neutron reflecting coolant |
US10734122B2 (en) | 2015-09-30 | 2020-08-04 | Terrapower, Llc | Neutron reflector assembly for dynamic spectrum shifting |
GB2543084A (en) * | 2015-10-08 | 2017-04-12 | Richard Scott Ian | Control of corrosion by molten salts |
WO2017199059A2 (en) * | 2015-11-05 | 2017-11-23 | Elysium Industries Limited | Corrosion reduction in a molten salt reactor |
WO2017192464A2 (en) | 2016-05-02 | 2017-11-09 | Terrapower, Llc | Improved molten fuel reactor cooling and pump configurations |
WO2018013317A1 (en) | 2016-07-15 | 2018-01-18 | Terrapower, Llc | Vertically-segmented nuclear reactor |
WO2018031681A1 (en) | 2016-08-10 | 2018-02-15 | Terrapower, Llc | Electro-synthesis of uranium chloride fuel salts |
CN110178186A (zh) | 2016-11-15 | 2019-08-27 | 泰拉能源公司 | 熔融燃料核反应堆的热管理 |
US11145424B2 (en) | 2018-01-31 | 2021-10-12 | Terrapower, Llc | Direct heat exchanger for molten chloride fast reactor |
US11075015B2 (en) | 2018-03-12 | 2021-07-27 | Terrapower, Llc | Reflectors for molten chloride fast reactors |
CN109087718B (zh) * | 2018-07-26 | 2021-12-31 | 中山大学 | 钠冷快堆严重事故时堆芯熔融物碎化行为的可视化实验系统 |
CN110310747B (zh) * | 2019-07-10 | 2021-09-21 | 华南理工大学 | 一种能够实现冗余控制的铬涂层熔盐堆 |
WO2021133797A1 (en) | 2019-12-23 | 2021-07-01 | Terrapower, Llc | Molten fuel reactors and orifice ring plates for molten fuel reactors |
CN111057993B (zh) * | 2019-12-31 | 2022-03-18 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 熔盐堆用合金材料抗碲腐蚀性能提升方法及一种合金件 |
WO2022039893A1 (en) | 2020-08-17 | 2022-02-24 | Terrapower, Llc | Designs for fast spectrum molten chloride test reactors |
CN111945171B (zh) * | 2020-08-24 | 2022-09-23 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 合金的碲腐蚀防护方法及其效果验证试验方法 |
FR3136484A1 (fr) * | 2022-06-14 | 2023-12-15 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Dispositif a sels fondus resistant a la corrosion |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2424587C1 (ru) * | 2010-02-18 | 2011-07-20 | Николай Антонович Ермолов | Жидкосолевой ядерный реактор (варианты) |
US20130083878A1 (en) * | 2011-10-03 | 2013-04-04 | Mark Massie | Nuclear reactors and related methods and apparatus |
JP2014010022A (ja) * | 2012-06-29 | 2014-01-20 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 燃料集合体及び原子炉の炉心 |
WO2014128457A1 (en) * | 2013-02-25 | 2014-08-28 | Ian Richard Scott | A practical molten salt fission reactor |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1260038B (de) * | 1964-06-03 | 1968-02-01 | Kernforschung Gmbh Ges Fuer | Verfahren und Vorrichtung zum Abfuehren von Spaltgasen aus Kernreaktorbrennelementen |
US3459636A (en) * | 1968-07-24 | 1969-08-05 | Atomic Energy Commission | Vented fuel pin |
US3892626A (en) * | 1970-12-12 | 1975-07-01 | Hitachi Ltd | Vented nuclear fuel element |
JPS5310237B2 (ru) * | 1973-02-21 | 1978-04-12 | ||
US4200492A (en) * | 1976-09-27 | 1980-04-29 | General Electric Company | Nuclear fuel element |
US4029545A (en) * | 1974-11-11 | 1977-06-14 | General Electric Company | Nuclear fuel elements having a composite cladding |
GB1494055A (en) * | 1974-12-24 | 1977-12-07 | Pechiney Ugine Kuhlmann | Molten salt in a nuclear reactor |
US4613479A (en) * | 1984-03-14 | 1986-09-23 | Westinghouse Electric Corp. | Water reactor fuel cladding |
FR2706066B1 (fr) * | 1993-06-04 | 1995-07-07 | Commissariat Energie Atomique | Combustible nucléaire ayant des propriétés améliorées de rétention des produits de fission. |
US5774815A (en) * | 1996-08-13 | 1998-06-30 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Dry halide method for separating the components of spent nuclear fuels |
US5805655A (en) * | 1997-04-10 | 1998-09-08 | Atomic Energy Of Canada Limited | Protective coating to reduce stress corrosion cracking in zirconium alloy sheathing |
US6461576B1 (en) * | 2000-09-07 | 2002-10-08 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Pyroprocess for processing spent nuclear fuel |
JP2003028976A (ja) * | 2001-07-13 | 2003-01-29 | Inst Of Research & Innovation | 溶融塩原子炉燃料 |
US6852896B2 (en) * | 2002-10-11 | 2005-02-08 | John E. Stauffer | Concerted process for the production of an alkenyl substituted aromatic compound |
-
2015
- 2015-02-19 CA CA2943269A patent/CA2943269C/en active Active
- 2015-02-19 US US15/126,499 patent/US9837173B2/en active Active
- 2015-02-19 RU RU2016139002A patent/RU2666787C2/ru active
- 2015-02-19 CN CN201580014763.4A patent/CN106133844B/zh active Active
- 2015-02-19 EP EP15708256.1A patent/EP3120361B1/en active Active
- 2015-02-19 KR KR1020167029029A patent/KR102286979B1/ko active IP Right Grant
- 2015-02-19 WO PCT/GB2015/050485 patent/WO2015140495A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2424587C1 (ru) * | 2010-02-18 | 2011-07-20 | Николай Антонович Ермолов | Жидкосолевой ядерный реактор (варианты) |
US20130083878A1 (en) * | 2011-10-03 | 2013-04-04 | Mark Massie | Nuclear reactors and related methods and apparatus |
JP2014010022A (ja) * | 2012-06-29 | 2014-01-20 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 燃料集合体及び原子炉の炉心 |
WO2014128457A1 (en) * | 2013-02-25 | 2014-08-28 | Ian Richard Scott | A practical molten salt fission reactor |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2811776C2 (ru) * | 2018-11-01 | 2024-01-17 | Дьюэл Флюид Энерджи Инк. | ДВУХЖИДКОСТНЫЙ РЕАКТОР - ВАРИАНТ С ЖИДКИМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ДЕЛЯЩИМСЯ МАТЕРИАЛОМ (DFR/m) |
RU2755054C1 (ru) * | 2021-03-22 | 2021-09-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ удаления радиоактивного йода и его изотопов из системы ядерного реактора |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3120361B1 (en) | 2018-05-23 |
CN106133844B (zh) | 2018-04-20 |
US9837173B2 (en) | 2017-12-05 |
WO2015140495A1 (en) | 2015-09-24 |
CA2943269A1 (en) | 2015-09-24 |
KR20160136365A (ko) | 2016-11-29 |
EP3120361A1 (en) | 2017-01-25 |
CA2943269C (en) | 2018-04-10 |
US20170084355A1 (en) | 2017-03-23 |
KR102286979B1 (ko) | 2021-08-06 |
RU2016139002A (ru) | 2018-04-26 |
RU2016139002A3 (ru) | 2018-07-11 |
CN106133844A (zh) | 2016-11-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2666787C2 (ru) | Химическая оптимизация в ядерном реакторе на расплавленных солях | |
RU2709966C2 (ru) | Ядерное реакторное устройство для выработки энергии из ядерной реакции | |
RU2767781C2 (ru) | Реактор на расплавах солей | |
Zhang | Lead–B ismuth Eutectic (LBE): A Coolant Candidate for Gen. IV Advanced Nuclear Reactor Concepts | |
US20170301418A1 (en) | Salt compositions for molten salt reactors | |
Lyublinski et al. | Application of lithium in systems of fusion reactors. 1. Physical and chemical properties of lithium | |
CN109074883A (zh) | 钠-铯蒸气阱系统和方法 | |
KR20210018344A (ko) | 융용 염 리액터 내의 전기 화학 분리 매커니즘 | |
WO2017199059A2 (en) | Corrosion reduction in a molten salt reactor | |
GB2516046A (en) | A simple low cost molten salt nuclear reactor | |
KR20210121123A (ko) | 용융염 원자로를 위한 구조재 | |
BR112018071264B1 (pt) | Reator nuclear para geração de força a partir de uma reação nuclear, e sal de combustível de urânio fissionável | |
Boldyrev et al. | The Russian ARGUS solution reactor HEU-LEU conversion: LEU fuel preparation, loading and first criticality | |
WO2018064572A1 (en) | Silver chloride waste form and apparatus | |
WO2018052529A2 (en) | Synthesizing uranium chloride in molten salts | |
RU2799708C2 (ru) | Конструкционный материал для реакторов на расплавах солей | |
Scott | Static liquid fuel reactors | |
JP2016008878A (ja) | 放射能汚染水の処理方法及び処理システム | |
Thompson | A study of stainless steel as a material of construction for a molten salt reactor | |
JP2020051897A (ja) | 放射性元素の安定化方法 | |
JPS6256475B2 (ru) | ||
Collins et al. | Investigation of high-temperature materials for uranium-fluoride-based gas core reactor systems | |
PERUMAL | EXPERIMENTAL STUDIES ON REDUCTVE EXTRACTION OF ACTINIDES FROM MOLTEN SALT UNDER HIGHLY STRATIFYING CONDITIONS | |
Jones et al. | Controlled in-situ dissolution of an alkali metal | |
Spitsyn et al. | Theoretical study of the higher valence states of the noble gases and the heavy alkali metals |