一种实用熔盐裂变反应堆的制作方法
【专利说明】一种实用熔盐裂变反应堆发明领域
[0001]本发明涉及一种熔盐裂变反应堆。特别地，本发明涉及一种具有熔盐堆芯的池型反应堆。
[0002]置量
[0003]熔盐核反应堆基于溶解在熔盐中的裂变材料的临界物质。通常指燃料盐。它们于1950-1970年在橡树岭国家实验室(Oak Ridge Nat1nal Laboratory)被开发但从没有成功的商业化。相比其他的反应堆类型，它们具有的潜在优势包括:由钍再生裂变233U的能力，较铀/钚反应堆低很多的超铀锕系废物水平的产生，高温下运行，避免固体燃料棒中挥发性放射性裂变产物的积累，以及比传统反应堆高得多的裂变材料燃耗可能。
[0004]两个主要因素阻止了所述反应堆的商业化应用。
[0005]熔盐反应堆的许多设计需要额外的回收工厂以从燃料盐不断地移去裂变产物。这很有必要因为裂变产物起到了中子毒物的作用，特别是在基于热中子谱的慢化反应堆中。同样很有必要的是去除不溶的裂变产物，否则所述产物会污染栗和热交换器。上述回收工厂复杂、昂贵且需要大量的开发工作。
[0006]第二，熔盐有很高的腐蚀性。相较标准钢，镍基超合金对所述腐蚀具有更高的抵抗力，但在长的时期内，腐蚀仍会发生。所以栗和热交换器等必要单元的设计和生产面临主要的发展挑战。通常，新型碳基和/或碳化硅复合材料具有阻挡熔盐的化学抵抗力，但通过上述材料制造栗和高效热交换器等复杂结构仍然具有非常大的挑战。
[0007]最近，Mattieu 和 Lecarpentier(Nuclear Science and Engineering:161，78-89(2009))显示了非慢化熔盐反应堆可以运行十年以上而不经过燃料回收。然而，他们的设计仍涉及栗和热交换器且这些单元只能在大量的研究和开发材料后才能制造。
[0008]任何熔盐燃料反应堆的关键因素在于燃料盐核裂变产生的热的释放。很多方法被提及以实现该目的，Taube (1978) (EIR Bericht no 332，Fast reactors using moltenchloride salts as fuel)进行了非常好的总结。所述方法是:
[0009].将铅、水银或挥发性盐等熔融冷却剂栗入燃料盐，如此冷却剂就可以与燃料盐混合和从中提取热量。
[0010].通过外部热交换器栗入燃料盐。
[0011].通过经过燃料盐的管道栗入第二熔盐或其它冷却剂，燃料盐被强制栗入环绕冷却剂管道环流循环。
[0012]所有这些建议的设计，除了第一种，需要以某些方式栗入熔盐。第一种设计，燃料盐和冷却剂之间直接接触，已被广泛研究，被认为有很多不实用的理由，其中包括冷却剂液体中燃料盐的诱陷。
[0013]Romie和Kinyon (0RNL CF 58-2-46，1958)提出了另外一种熔盐反应堆的设计，其中熔融燃料盐被允许以自然对流循环通过热交换器。但这种设计仅允许低功率的输出，且需要堆芯临界区外部高含量的燃料盐。堆芯外部大量的燃料盐造成了大部分的延时中子在堆芯临界区外部被发射。堆芯临界区内产生的低延时中子成分致使不稳定和易于遭受快速且不可控的功率水平增加，造成反应堆爆炸性破坏。
[0014]许多传统非熔盐反应堆设计的普通特征是将燃料物质被动地置于管道中，环绕冷却剂循环，一般通过栗入但有时仅通过自然对流。管道中的燃料可以是固体，像在目前的压水堆中，熔融钠(US 1，034，870)、金属(US 3, 251,745)或水溶液(US 3，085，966)中的固体材料废弃物。使用恪盐燃料的安排被飞行器反应堆实验(The Aircraft ReactorExperiment-Design and Construct1n， E.S.Bettis et al， Nuclear Science andEngineering 2,804,1957).考虑。但研究者推断需要具有非常小直径(2mm级)的燃料管以防止燃料盐低热导率带来的燃料盐过热。结果，上述项目采用了通过热交换器快速栗入燃料盐的系统，如此造成的湍流允许从燃料盐到大得多的管道的壁的有效热传递。从那时开始所有熔盐反应堆设计，包括实际建造和运行的熔盐反应堆实验(ORNL 5011Molten SaltReactor Program Sem1-annual Progress Report August 1974)，都用相似的栗入燃料盐配置。
[0015]概述
[0016]还没有有效的提议来制造这样的反应堆，所述反应堆在管道中具有熔融燃料盐，其中燃料盐没有被主动地栗送通过管道。大的方面考虑，那是因为认为:在没有栗送允许的强制湍流混合的情况下，熔盐的低热导率将不会允许从所述盐至管壁的足够快速的热传递。综上，对用于燃料盐的栗的取消会明显减少建造实用熔盐反应堆所面临的材料挑战。
[0017]根据本发明的一个方面，提供一种核裂变反应堆，所述反应堆包括堆芯，冷却剂液体的池，以及用于从所述冷却剂液体提取热的热交换器。所述堆芯包括中空燃料管的阵列，每个中空燃料管包含至少一种裂变同位素的熔盐。燃料管阵列至少部分地浸没在所述冷却剂液体的池中。所述燃料管阵列包括临界区，所述临界区中在所述反应堆运行期间所述裂变同位素的密度足以引发自维持裂变反应。从每个燃料管中的熔盐至该管的外部的热传递通过下列方式的任何一种或多种实现:所述熔盐的自然对流；所述熔盐的机械搅拌；所述燃料管内的振荡熔盐流动；和所述燃料管内的所述熔盐的沸腾。所述裂变同位素的熔盐在反应堆运行期间被完全容纳在所述管内。
[0018]这样，可以在不单独依靠熔盐的热传导的情况下将热从内部传递到未栗送的燃料管的外部，并且这进而有用直径的管道的供应。特别地，管道直径可以被选择为足够大以最优化管内的自然对流。
[0019]根据本发明的另一个方面，提供一种核裂变反应堆，所述反应堆包括堆芯，冷却剂液体的池，以及热交换器。堆芯包括含有裂变同位素的熔盐的中空管的阵列。管阵列至少部分浸没在冷却剂液体的池中。所述管阵列包括临界区，所述临界区中在所述反应堆运行期间所述裂变同位素的密度足以引发自维持裂变反应。所述冷却剂液体含有足够比例的中子吸收材料，以充分保护所述液体的容纳槽免受由所述堆芯发射的中子的影响，并且冷却剂液体包含增殖同位素，这样反应堆作为再生反应堆。所述中子吸收材料优选232Th或238U等增殖同位素，这样反应堆可以作为再生反应堆。
[0020]根据本发明的另一方面，提供一种核裂变反应堆，包含堆芯，冷却剂液体的池，和热交换器。所述堆芯包括含有裂变同位素的熔盐的中空燃料管的阵列。管阵列至少部分浸没在冷却剂液体的池中。所述管阵列包括临界区，所述临界区中在所述反应堆运行期间所述裂变同位素的密度足以引发自维持裂变反应。所述冷却剂液体是包含在单个槽内的熔融金属盐，并且所述冷却剂液体的循环仅由自然对流驱动。
[0021]根据本发明的另一方面，提供一种核裂变反应堆，包含堆芯，冷却剂液体的池，和热交换器。所述堆芯包括含有裂变同位素的熔盐的中空燃料管的阵列。管阵列至少部分浸没在包含一种或多种裂变同位素的冷却剂液体的池中。所述管阵列包括临界区，所述临界区中在所述反应堆运行期间所述裂变同位素的密度足以引发自维持裂变反应。所述反应堆还包括与所述冷却剂液体接触的熔融金属的层，所述熔融金属使得所述再生裂变同位素在所述熔融金属中可溶，并且所述反应堆包括用于提取所述熔融金属的系统。
[0022]根据本发明的另一方面，提供一种运行核裂变反应堆的方法。所述反应堆包括堆芯，冷却剂液体的池和热交换器，其中所述堆芯包括中空燃料管的阵列，每个中空燃料管包含一种或多种裂变同位素的熔盐，燃料管阵列至少部分地浸没在所述冷却剂液体的池中并且包括临界区，所述临界区中在所述反应堆运行期间所述裂变同位素的密度足以引发自维持裂变反应。所述方法包括:将所述熔盐完全容纳在所述燃料管内；和使用下列方式的一种或多种，将热从每个燃料管中的所述熔盐传递到该管的外部，并且进而传递到所述冷却剂:所述熔盐的自然对流；所述熔盐的机械搅拌；所述燃料管内的振荡熔盐流动；和所述燃料管内的所述熔盐的沸腾。使用所述热交换器从所述冷却剂提取热。
[0023]更多的方面和优选特征在以下权利要求2中描述。
【附图说明】
[0024]现在仅仅以实施例的方式并且参考附图描述本发明的一些优选实施方案，其中:
[0025]图1是熔盐反应堆的图；
[0026]图2是图1反应堆的燃料管的图；
[0027]图3显示了不同内径的2m高垂直燃料管中的最大燃料盐温度的流体动力学计算结果；
[0028]图4显示了具有将管分成节段的穿孔挡板的燃料管；
[0029]图5显示了以微度螺旋状物(a shallow helix)形式布置的具有圆形或椭圆形横截面的燃料管；
[0030]图6显示了具有燃料管内的机械驱动挡板的燃料管；
[0031]图7显示了具有内部挡板的U管形式的燃料管；
[0032]图8显示了波纹状燃料管，证实了与直壁管相比较低的燃料盐温度的波纹效应；每个管最大直径相同，每毫升裂变热恒定；
[0033]图9显示了 NaCl、UCljP PuCl 3溶液的熔点；以及
[0034]图10显示了与其他熔盐(包括纯NaCl和纯UCl4)的热膨胀相比，UCV混合物的热膨胀(数据来源于 G.J.Janz，Journal of Physical and Chemical Reference Data，vol17， suppl 2，1988)。
[0035]发曰月详沐
[0036]对流冷却的核堆芯
[0037]图1所示反应堆由核堆芯构成，核堆芯利用浸渍在熔融冷却剂的池中的燃料管的阵列。图1示出的反应堆100，包括冷却剂101的槽，由燃料管102的阵列组成的堆芯和热交换器(例如蒸汽管)103。冷却剂可以是各种各样的液体，包括水，熔融金属和熔融盐。管可以是任何合适的形状。但在一个实施方式中，它们有一个设计，其具有在底部的大直径区域201和朝向顶部的窄区域202 (见图2)。结果是阵列底部达到临界状态而上部仍是非临界状态。管102可以填充含有裂变同位素的熔融燃料盐直到窄区域202顶部，或者它们仅在所有或部分宽区域201中填充。如果窄区域202被填充，这会防止中子通过向上穿过燃料管内空的空间逃逸。如果上述窄区