一种高温熔盐压力管及压力管式石墨慢化高温熔盐堆的制作方法

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种高温熔盐压力管、熔盐反应堆堆芯布置及回路系统的布置方式。

背景技术：

熔盐堆是第IV代国际核能论坛筛选出的六种候选堆型之一，也是唯一的液态燃料反应堆，在固有安全性、经济性、核燃料可持续发展及防核扩散等方面具有独特优势。在熔盐反应堆中，含有裂变材料的熔盐以高于500℃的温度，流经堆芯并达到临界状态，液态燃料发生裂变反应释放热量，被自身吸收、带走，不需要另外的冷却剂。熔盐堆结构简单，通过在线化学处理系统除去堆芯产生的裂变产物并定期加注燃料，可实现熔盐堆持续运行。此外，在堆芯高温慢化剂区或反射层区布置若干束控制棒，实现反应堆正常启停、功率调节及快速停堆等功能。

熔盐堆的液态燃料在线化学处理系统是保证熔盐堆正常运行的核心系统之一，但熔盐燃料温度在500℃以上且含有大量裂变产物及放射性核素，导致高温熔盐堆的液态燃料在线化学处理系统设计极为复杂，需要考虑高温、高放射性、燃料处理量及速率等因素，设计制造极为困难，严重阻碍了高温熔盐堆的工程化应用。无论在熔盐堆的堆芯石墨慢化区，还是石墨反射层区域，温度都非常高，放射性也极强，这导致控制棒布置极为困难，其运行可靠性也难以保证。为了降低堆芯反应性控制对控制棒系统的压力，尽可能减小堆芯后备反应性，通过不间断加注少量燃料方式保证堆芯临界安全。在熔盐堆功率运行过程中，频繁加注燃料，这对于系统运行及燃料管理带来诸多问题。因此，非常有必要针对高温液态燃料熔盐堆设计及运行特点，提出更加简单的堆芯布置方式、更加安全的反应性控制方式。

技术实现要素：

本发明针对高温液态燃料熔盐堆需要进行在线化学处理、频繁加注燃料，控制棒系统布置技术难度大等问题，提出更加简单的高温液态燃料熔盐堆堆芯及回路系统布置方式、更加安全的反应性控制方式，进一步提高熔盐堆工程可实现性。具体技术方案如下。

本申请首先提供了一种高温熔盐压力管，所述压力管为至少两层的套管结构，所述压力管的相邻层之间填充有隔热材料，压力管内为熔盐燃料，熔盐燃料仅在压力管内流动。

优选地，所述隔热材料为氧化锆陶瓷。

优选地，所述管状结构的材料为中子吸收截面较小的复合碳化硅陶瓷材料。

本申请还提供了基于上述高温熔盐压力管的压力管式石墨慢化高温熔盐堆，其主要包括熔盐堆堆芯和回路系统，所述熔盐堆堆芯由高温熔盐压力管、反应堆容器、石墨慢化剂和控制棒构成；所述高温熔盐压力管布置于反应堆容器中，反应堆容器内填充石墨慢化剂，石墨慢化剂与反应堆容器紧密接触以支撑压力管保持水平；控制棒布置于压力管之间，并与压力管交错；所述熔盐堆堆芯与回路系统通过导流管连接，导流管设在反应堆容器两端分别与高温熔盐压力管的两端连接相通。

优选地，所述高温熔盐压力管水平布置于反应堆容器中，控制棒布置于压力管之间，并与压力管垂直。

进一步地，所述反应堆容器内的高温熔盐压力管和控制棒的数量根据熔盐堆堆芯的功率大小、功率密度及换料周期可调。

进一步地，通过调整高温熔盐压力管的间距及尺寸，即改变熔盐堆堆芯中熔盐燃料与石墨慢化剂的体积之比，调整堆芯中子能谱类型。

进一步地，所述熔盐堆的回路系统由回路换热器、熔盐泵和低温熔盐集流管构成；所述回路换热器、熔盐泵以及低温熔盐集流管依次连接；

设在所述反应堆容器两端的导流管分别为热端导流管和冷端导流管；所述热端导流管与回路系统的回路换热器、熔盐泵、低温熔盐集流管以及反应堆容器的冷端导流管依次连接。

优选地，所述高温熔盐堆堆芯可以划分为至少两个区域，每个区域内的高温熔盐压力管具有相同的熔盐流速、流量、压力以及进口温度。

进一步地，每个高温熔盐堆堆芯区域包括一个回路系统，即每个区域设置独立的熔盐泵、换热器、集流管等，构成独立的回路系统。这样可以根据各区压力管熔盐燃料的燃耗深度及熔盐特性，依次对各区压力管内的熔盐燃料进行更换及相应回路设备检修，实现反应堆持续运行。

有益效果：本发明提出了一种高温熔盐压力管及压力管式石墨慢化分区换料熔盐堆，高温熔盐仅在高温熔盐压力管内流动，压力管具有较强的隔热能力，使得压力管外的石墨慢化剂温度显著降低，控制棒与压力管交错，布置在压力管之间的低温石墨慢化剂区，本发明

1）不仅大幅降低了控制棒系统布置技术难度，还可以显著提高控制棒布置数量，增强反应性控制能力；

2）按压力管布置数量及形式，将熔盐堆划分为多个区域，为每个区域设置独立的回路系统，各回路系统相互独立；

3）根据各区域压力管内熔盐燃料的燃耗深度及熔盐特性，依次进行换料及回路设备检修；

4）利用分区换料代替在线化学处理，大幅简化了熔盐堆系统设计、建造及运行难度，回路系统得以大幅简化；

5）本发明提出的熔盐堆堆芯、控制棒及回路系统布置方式更加简单，可以显著提高熔盐堆工程可实现性。

附图说明

图1 高温熔盐压力管结构示意图；

图2 反应堆堆芯及回路系统结构示意图；

图3 反应堆压力管及控制棒布置剖面结构示意图；

图4 堆芯压力管分区示意图；

图中：1-压力管外套管，2-压力管隔热层，3-压力管内套管，4-压力管高温熔盐通道，5-高温熔盐压力管，6-控制棒，7-反应堆容器，8-石墨慢化剂，9-导流管，10-低温熔盐集流管，11-熔盐泵，12-回路换热器。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供的高温熔盐压力管，为至少两层的套管结构，压力管的相邻层之间填充有隔热材料，压力管内为熔盐燃料。如图1所示，为双层套管结构的高温熔盐压力管，由压力管外套管1和压力管内套管2组成，套管之间填充有隔热材料，构成压力管隔热层3，压力管内为压力管高温熔盐通道4，熔盐燃料仅在压力管通道4内流动，内、外套管采用中子吸收截面较小的复合材料，内、外套管之间填充隔热材料，以保证压力管外部石墨慢化剂温度处于较低水平，降低控制棒驱动系统设计及布置的技术难度。

在如图2所示为压力管式石墨慢化高温熔盐堆堆芯及回路系统的结构示意图，所述熔盐堆堆芯由高温熔盐压力管5、反应堆容器7、石墨慢化剂8和控制棒6构成；所述高温熔盐压力管水平布置于反应堆容器7中，反应堆容器内填充石墨慢化剂8，石墨慢化剂8与反应堆容器7紧密接触以支撑压力管5保持水平；控制棒6布置于压力管之间的低温石墨区，并与压力管5垂直；所述熔盐堆堆芯与回路系统通过导流管9连接，导流管9设在反应堆容器7两端分别与高温熔盐压力管5的两端连接相通；所述熔盐堆的回路系统由回路换热器12、熔盐泵11和低温熔盐集流管10构成。图2为圆柱形反应堆容器并采用卧式，容器内布置多个规则排列的如图1所示的高温熔盐压力管5，通常按正方形栅格形式排列，使压力管5与控制棒6之间不出现干涉；控制棒6与压力管5相互垂直，控制棒6能够依靠重力快速插入堆芯活性区，沿熔盐流动方向，可依次布置较多控制棒6；各压力管5内的高温熔盐，经设在反应堆容器热端导流管，进入回路换热器12，将热量传导至其它回路，流出回路换热器12后，形成的低温熔盐经熔盐泵11进入熔盐集流管10，经过必需的处理后（如加热、除气等），再分配给各压力管的冷端导流管，重新流入堆芯活性区压力管。

如图3所示反应堆堆芯内高温熔盐压力管5及控制棒6的布置形式，可以根据堆芯额定热功率、体功率密度、换料周期及中子能谱类型，调整活性区压力管的数量、间距、控制棒数量，使堆芯设计方案具有非常强的灵活性。

图4所示为反应堆堆芯压力管分区示意图，为了实现熔盐反应堆不停堆换料、取消在线化学处理系统并减轻系统设计运行压力，将堆芯划分为A、B、C、D个独立区域，每个区域内包含多个压力管，并设置与该区域熔盐流量相匹配的熔盐泵、换热器、集流管等设备，形成相互独立的高温熔盐回路系统。在同一区域内，各压力管的熔盐流量、压力、进入熔盐温度、燃耗深度等参数相同。实际应用中，根据各区熔盐燃耗深度及特性，依次进行熔盐燃料更换及设备检修。