一种采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯的制作方法

本发明涉及核反应堆工程设计领域的熔盐反应堆的堆芯设计，特别涉及一种采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯。

背景技术：

核反应堆工程设计领域，在确保堆芯临界及安全情况下，尽量提高燃料增殖比(易裂变核的产生/易裂变核的消耗)仍然是熔盐堆堆芯设计的一大挑战。而提高增殖比就需要提高中子经济性。反应堆中，中子与易裂变核(如铀-233)碰撞引起核裂变反应，每次核裂变又产生2～3个中子，其中的一个中子必须用于维持这一“链式”裂变反应，“多余”的中子方可用于核燃料的增殖，钍-233(或铀-238)通过俘获这些“多余”中子最终转换形成易裂变核素铀-233(或钚-239)。而在实际反应堆中，由于熔盐堆堆芯所用慢化剂同时为堆芯结构材料之一，而传统的熔盐堆堆芯所用慢化剂含有大量的非核材料，这些材料总是会吸收掉一部分中子，从而降低中子的利用效率。因此需要设法减少非核材料的中子吸收，从而提高中子经济性。这就对熔盐堆堆芯所用慢化剂的选择提出了要求。

除了中子学方面的挑战，传统熔盐堆堆芯还存在其他一定问题。传统熔盐堆堆芯选用石墨作为慢化剂和堆芯结构材料之一，但是石墨的耐辐照和机械性能上存在明显不足。首先，石墨材料本身存在较严重的辐照肿胀问题，长时间服役后可能造成堆芯结构变形和不稳定，甚至影响和堵塞燃料流道。因此在堆芯高辐照环境下需要定期更换石墨。美国早期的msbr熔盐堆堆芯，石墨材料每4年就需要更换一次，原因在于微观结构上，石墨是层片状结构，因此在辐照环境下存在各向异性肿胀问题，虽然通过制造工艺改进，石墨各项异性可得到降低，但是其耐辐照性能仍然不够理想。其次，在机械性能方面，石墨本身的硬度和强度都较低。尽管熔盐堆堆芯中的石墨不需要承受高压，但是在辐照环境及热膨胀影响下，石墨在与其他部件的连接处很容易出现裂纹，从而影响石墨的使用寿命。另外，传统设计中石墨是与燃料流道中的熔盐直接接触的，而石墨材料具有一定的孔隙率和渗透性，熔盐中的裂变产物(如xe)会在石墨中沉积，这将增加放射性废物处理的难度。

因此，如何提高熔盐堆堆芯的中子经济性成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种可以提高熔盐堆堆芯的中子经济性的采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯。

本发明提供一种采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯，包括燃料栅格和反射层栅格；所述反射层栅格设置在所述燃料栅格的外部，环绕所述燃料栅格设置；所述燃料栅格选用氧化铍作为慢化剂。

优选地，所述燃料栅格包括多个第一包壳；所述第一包壳为柱体；多个所述第一包壳沿所述第一包壳的径向依次排列；每个第一包壳内设置有一个第二包壳；所述第一包壳和所述第二包壳之间留有空隙；所述第一包壳和所述第二包壳之间的空隙内填充有所述慢化剂；所述第二包壳内设有燃料流道；所述燃料流道沿所述第一包壳的轴向延伸；所述第一包壳由碳化硅或碳/碳复合材料制得；所述第二包壳由碳化硅或碳/碳复合材料制得。

优选地，所述第一包壳的截面的外缘为正六边形；所述第二包壳的截面的外缘为圆形。

优选地，所述燃料栅格包括多个第三包壳；所述第三包壳为柱体；多个第三包壳沿所述第三包壳的径向依次排列且相互间隔设置；所述第三包壳内填充有所述慢化剂；所述第三包壳由碳化硅或碳/碳复合材料制得；各个第三包壳之间的空隙为燃料流道。

优选地，所述第三包壳的截面的外缘为圆形；各个第三包壳呈阵列排布或正六边形排布。

优选地，所述反射层栅格包括多个第二柱体；多个所述第二柱体沿其径向阵列排布。

优选地，所述第二柱体的外表面包覆有第四包壳；所述第四包壳由碳化硅或碳/碳复合材料制得。

优选地，所述第二柱体沿其径向的截面为正六边形。

优选地，所述反射层栅格由石墨制得。

优选地，采用无铍熔盐燃料；所述无铍熔盐包括lif、thf4、uf4三种成分。其中，thf4、uf4的含量较高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、熔盐堆堆芯采用氧化铍作为慢化剂，氧化铍中的铍具有(n,2n)中子增殖反应，提高堆芯中子经济性,实现高增殖钍基熔盐堆堆芯设计。

2、熔盐堆堆芯采用无铍(bef2)熔盐燃料，具有更高的重核含量、更高的燃料盐溶解能力和更高的燃料增殖比。

3、熔盐堆堆芯采用包壳结构，提高熔盐堆堆芯结构力学和耐辐照性能。

4、在燃料栅格的外围设置反射层栅格，可减少中子泄漏，进一步提高堆芯中子经济性。

5、氧化铍是另一种较好的固体慢化剂材料，其相对于金属铍具有更好的辐照和化学稳定性，其慢化能力高于石墨且具备高导热性能，虽然氧化铍的慢化吸收比略小于石墨，但是铍具有(n,2n)中子增殖反应，因此可以提高反应堆中子经济性。

4、较传统设计中慢化剂与燃料流道中的熔盐燃料直接接触，本发明的堆芯采用包壳将燃料流道中的熔盐燃料与慢化剂隔离，避免熔盐燃料中的裂变产物(如xe)沉积在慢化剂中，降低放射性废物处理的难度。

5、sic(碳化硅)具有高的熔点、优良的高温力学性能、优秀的辐照稳定性和低的辐照活度，并且具有很好的中子学、导热性能和化学稳定性。sic在高温、高腐蚀性、高辐照环境下的卓越性能，使之成为极有希望的新一代反应堆堆芯结构材料。

c/c(碳/碳)复合材料是一种由碳纤维增强碳基体的新型热结构复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀等优异性能。同时具有优良的中子学性能和耐辐照性能。

在中子学性能方面，c/c复合材料与石墨相近，具有很低的中子吸收和较好的慢化性能。辐照性能方面，c/c复合材料较石墨具有更好的耐辐照肿胀性能，其能够承受8dpa的辐照剂量。

sic和c/c复合材料的优良综合性能使之有可能在熔盐堆的高温、高辐照、强腐蚀环境下使用，它们将是熔盐堆堆芯结构材料的有力候选。

附图说明

图1为实施例1的采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯的结构示意图。

图2为实施例1的第一包壳和第二包壳的结构示意图。

图3为实施例1的采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯的工作原理图。

图4为实施例1的采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯所用熔盐的三相图。

图5为四种熔盐成分下的kinf-cr交点曲线图。

图6为相同熔盐燃料下，采用不同材料制得的第一包壳的kinf-cr交点比较柱状图。

图7为实施例2的采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯的结构示意图。

图8为实施例2的第三包壳的结构示意图。

图9为实施例2的第二柱体的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，为采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯。采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯包括燃料栅格1和反射层栅格2。反射层栅格2设置在燃料栅格1的外部，环绕燃料栅格1设置。燃料栅格1选用氧化铍作为慢化剂。

如图2所示，优选地，燃料栅格1包括多个第一包壳13，第一包壳13为柱体。多个第一包壳13沿第一包壳的径向依次排列。每个第一包壳13内设置有一个第二包壳14。第一包壳13和第二包壳14之间留有空隙。第一包壳13和第二包壳14之间的空隙内填充有慢化剂11。第二包壳14内设有燃料流道12。燃料流道12沿第一包壳的轴向延伸。第一包壳13由碳化硅或碳/碳复合材料制得。第二包壳14由碳化硅或碳/碳复合材料制得。

优选地，第一包壳13的截面的外缘为正六边形。第二包壳14的截面的外缘为圆形。

优选地，反射层栅格2包括多个第二柱体21。多个第二柱体21沿其径向阵列排布。第二柱体21沿其径向的截面为正六边形。第二柱体21由石墨制得。

优选地，采用无铍熔盐燃料，无铍熔盐燃料包括lif、thf4、uf4三种成分。其中，thf4、uf4的含量较高。

采用无铍熔盐氧化铍慢化的熔盐堆堆芯的工作原理如下：

如图3所示，为使用本实施例的熔盐堆堆芯的tmsr回路系统，溶解有燃料的熔盐在图2所示的回路系统中流动。溶解有燃料的熔盐流经本实施例的熔盐堆堆芯01的燃料流道12时，借助燃料流道12外围的由氧化铍慢化剂制得的第一柱体11的慢化作用达到临界，燃料内发生链式裂变反应并产生热量。随着熔盐的流动，燃料流道12内的熔盐流出堆芯01并在上腔室02汇合，随后通过热管段03流向换热器04。在换热器04内，熔盐将热量传输给二回路05，冷却后的熔盐通过熔盐泵06加压，并经过冷管段07回到堆芯01下部的下腔室08，随后又进入堆芯01的燃料流道12，这样形成循环流动的回路系统。本实施例的堆芯01的各燃料流道12位于第二包壳14内，相互不连通，相互独立。慢化剂采用较低密度的氧化铍粉末，具有良好中子慢化及导热性能的同时可减少辐照肿胀效应。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

1、熔盐堆堆芯采用氧化铍作为慢化剂，氧化铍中的铍具有(n,2n)中子增殖反应，提高堆芯中子经济性,实现高增殖钍基熔盐堆堆芯设计。

2、熔盐堆堆芯采用无铍(bef2)熔盐燃料，具有更高的重核含量、更高的燃料盐溶解能力和更高的燃料增殖比。

3、熔盐堆堆芯采用包壳结构，提高熔盐堆堆芯结构力学和耐辐照性能。

4、在燃料栅格的外围设置反射层栅格，可减少中子泄漏，进一步提高堆芯中子经济性。

5、氧化铍是另一种较好的固体慢化剂材料，其相对于金属铍具有更好的辐照和化学稳定性，其慢化能力高于石墨且具备高导热性能，虽然氧化铍的慢化吸收比略小于石墨，但是铍具有(n,2n)中子增殖反应，因此可以提高反应堆中子经济性。

4、较传统设计中慢化剂与燃料流道中的熔盐燃料直接接触，本发明的堆芯采用包壳将燃料流道中的熔盐燃料与慢化剂隔离，避免熔盐燃料中的裂变产物(如xe)沉积在慢化剂中，降低放射性废物处理的难度。

5、sic(碳化硅)具有高的熔点、优良的高温力学性能、优秀的辐照稳定性和低的辐照活度，并且具有很好的中子学、导热性能和化学稳定性。sic在高温、高腐蚀性、高辐照环境下的卓越性能，使之成为极有希望的新一代反应堆堆芯结构材料。

c/c(碳/碳)复合材料是一种由碳纤维增强碳基体的新型热结构复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀等优异性能。同时具有优良的中子学性能和耐辐照性能。

在中子学性能方面，c/c复合材料与石墨相近，具有很低的中子吸收和较好的慢化性能。辐照性能方面，c/c复合材料较石墨具有更好的耐辐照肿胀性能，其能够承受8dpa的辐照剂量。

sic和c/c复合材料的优良综合性能使之有可能在熔盐堆的高温、高辐照、强腐蚀环境下使用，它们将是熔盐堆堆芯结构材料的有力候选。图4为本实施例堆芯所用熔盐的三相图，thf4溶解度上限曲线上的x0～x3四个熔盐成分点的bef2摩尔含量分别为0％、10％、20％、30％，其对应的thf4摩尔含量分别为28.4％、23.0％、17.5％和12.5％，可以看出，本实施例堆芯所用无铍熔盐具有最高的燃料盐溶解能力。

对于图5中所示的x0～x3四个熔盐成分点进行计算分析，kinf-cr交点曲线反映了增殖能力大小。图5给出了四种熔盐成分下的kinf-cr交点曲线，可以看出本实施例堆芯所用无铍熔盐(x0)情况下具有最高的增殖比。

图6给出了相同熔盐燃料下，采用不同材料制得的第一柱体11的kinf-cr交点比较。可以看出氧化铍较石墨具有更高的增殖比。另外，为了避免氧化铍出现辐照肿胀，采用了粉末状氧化铍进行较低密度填充，因此使得裂变气体可以自由地排出，避免在氧化铍内部累积而造成肿胀。

实施例2

如图7-9所示，与实施例1不同的是，本实施例的堆芯的燃料栅格1包括多个第三包壳15。第三包壳15为柱体。多个第三包壳15沿第三包壳的径向依次排列且相互间隔设置。第三包壳15内填充有慢化剂11。第三包壳15由碳化硅或碳/碳复合材料制得。各个第三包壳15之间的空隙为燃料流道12。各个第三包括15呈阵列排布或正六边形排布，正六边形的六个角和中心均分布有第三包壳。

本实施例的堆芯01的各燃料流道12位于各第三包壳15外部，相互连通。燃料通道12相互连通，从而允许熔盐之间相互搅混，对堆芯传热与安全有利，另外第一柱体11采用实心的结构，更易于第三包壳15承压。

反射层栅格2的第二柱体21的外表面包覆有第四包壳22，第四包壳22由碳化硅或碳/碳复合材料制得。避免石墨与燃料流道12中的熔盐燃料直接接触，防止熔盐对石墨的腐蚀，避免熔盐燃料中的裂变产物(如xe)渗入并沉积在石墨中，降低放射性废物处理的难度。

除上述结构外，本实施例的堆芯与实施例1中的堆芯的其他结构均相同。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。