一种一体化小型熔盐堆的制作方法

本发明涉及核能利用领域，具体涉及一种一体化小型熔盐堆。

背景技术：

随着外星球探测计划的开展与实施，人类将面临更为复杂、严峻的空间环境。传统空间能源系统已经无法满足任务需求。不受环境影响、长寿命、安全可靠的核能成为建立外星球基地并开发利用外星球资源的必然选择。目前国际上考虑三种空间反应堆类型：热管冷却堆型、液态金属冷却堆型和气体冷却堆型。热管冷却堆型运行可靠，方便从冷冻状态启堆，但是大量热管存在使空间堆结构复杂化。液态金属冷却堆型由于金属会冻结，因此，在反应堆启动时需要解冻装置。气体冷却堆芯可以很方便的启动，但是气体需要有工作压力，导致系统的质量和尺寸的变大。这些都限制了它们在空间环境的应用。

本世纪初，以美国为首的多个核电技术先进国家提出了面向未来的第四代核反应堆计划。熔盐堆作为第四代反应堆的重要堆型，以高沸点熔盐为核燃料，具有功率密度大，输出温度高，热电效率高，结构简单，操作简易、安全可靠等优点，正越来越受人们的欢迎。熔盐堆应用于空间能源系统具有极大的优势，是外星球基地及其他深空探测任务的理想能源。然而现有的熔盐堆的传统设计采用热交换器将热量导出，换热器位于堆芯外部，需要由泵驱动实现液态熔盐在堆芯和热交换器之间的循环。这套系统依赖泵的有效运作，结构复杂，安全可靠性较差，不利于在空间环境的应用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的结构复杂、安全可靠性较差、使用周期短的问题，本发明提供了一种一体化小型熔盐堆，使结构大幅简化，安全可靠性高，可长期高效稳定运行。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种一体化小型熔盐堆，所述一体化小型熔盐堆的堆本体包括燃料盐、热管、堆芯容器、侧反射层、中子吸收体、控制鼓、包壳和下反射层，所述堆芯容器和所述热管一体化设计，所述热管部分或全部插入所述堆芯容器中，并与所述堆芯容器相固定，所述燃料盐填充于所述堆芯容器的内部，所述堆芯容器与所述燃料盐的液面之间围合形成一空腔，所述堆芯容器的外壁围设有所述侧反射层，所述侧反射层中设有所述控制鼓，所述控制鼓一侧设有所述中子吸收体，所述堆芯容器的底部设有所述下反射层，所述包壳围设于所述侧反射层和所述下反射层的外部。

在上述技术方案中，所述热管插入所述堆芯容器的深度占所述堆芯容器高度的百分比为10％～100％。

在上述技术方案中，所述热管的根数为10～1000。

在上述技术方案中，所述空腔的高度占所述堆芯容器的高度的百分比为5％～20％。

在上述技术方案中，所述燃料盐为高沸点熔盐，较佳地为氟盐或氯盐。

在上述技术方案中，所述堆芯容器、所述热管、所述包壳的结构材料为高温耐腐蚀耐辐照材料，独立较佳地为mo-re合金。

在上述技术方案中，所述热管的工作介质为金属，较佳地为锂。

在上述技术方案中，所述侧反射层、所述下反射层和所述控制鼓的材料为强中子反射能力材料，独立较佳地为氧化铍。

在上述技术方案中，所述中子吸收体的材料为强中子吸收能力材料，较佳地为碳化硼。

本发明中，堆芯容器和热管一体化设计，燃料盐填充堆芯容器，在堆芯容器中，有热管冷却的地方温度比其它地方低，存在温差，产生自然循环或自然对流，加强堆芯换热能力，实现热量的长期高效稳定传输，不需要使用泵将燃料盐从堆芯输送到热交换器中，从而使结构大幅简化。热管插入堆芯容器的深度可以通过优化设计进行调节，热管的插入深度占堆芯容器的高度的百分比越小，堆芯容器熔盐的装载量越大。

所述堆芯容器与所述燃料盐液面之间留有空腔，用于存储不溶于熔盐的裂变气体和补偿由于热胀冷缩所带来的所述燃料盐体积变化，防止燃料盐溢出或堆芯容器压力过高，提高系统安全性，其具体大小根据核反应功率、反应堆运行时间和堆芯容器设计压力来确定。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的熔盐堆中，堆芯容器和热管一体化设计，大幅简化了系统结构，实现热量的长期高效稳定传输，提高了系统安全可靠性，热管插入堆芯容器中的深度可根据实际需求和情况进行调节，增大了堆芯容器熔盐的装载量，燃料盐液面和堆芯容器之间的空腔进一步提高了系统安全性。

附图说明

图1为实施例1中所述的一种一体化小型熔盐堆横截面示意图；

图2为实施例1中所述的一种一体化小型熔盐堆纵截面示意图。

上述附图中，1、燃料盐，2、热管，3、堆芯容器，4、侧反射层，5、中子吸收体，6、控制鼓，7、包壳，8、下反射层，9、空腔。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

本实施例以一座热功率为1mwt的一体化小型熔盐堆为例。

如图1和图2所示，一种一体化小型熔盐堆的堆芯包括燃料盐1、热管2、堆芯容器3、侧反射层4、中子吸收体5、控制鼓6、包壳7和下反射层8。热管2和堆芯容器3一体化设计，热管2部分插入堆芯容器3中，并与堆芯容器3相固定，燃料盐1填充堆芯容器3的内部，堆芯容器3与燃料盐1的液面之间围合形成一空腔9，堆芯容器3的外壁围设有侧反射层4，侧反射层4中设有控制鼓6，控制鼓6靠近堆芯容器3的一侧设有中子吸收体5，堆芯容器3的底部设有下反射层8，包壳7围设于侧反射层4和下反射层8的外部。

本实施例共采用210根热管，热管2插入堆芯容器3的深度占堆芯容器3高度的百分比为50％。

燃料盐1为lif-uf4，热管2的材料为mo-re合金，工作介质为锂，侧反射层4和下反射层8以及控制鼓6的材料为氧化铍，中子吸收体5的材料为碳化硼，堆芯容器3和包壳7的材料为mo-re合金，堆芯容器3内直径为39cm，内部高度为60cm，空腔9的高度为10cm。

上述一体化熔盐堆的工作过程如下：

转动控制鼓6，使中子吸收体5远离燃料盐1，使熔盐堆达到临界，并保持一定的热功率运行；加热燃料盐1，并使其熔化；燃料盐1熔化后，转动控制鼓6，慢慢升热功率至1mwt，使燃料盐1存在温差，建立自然循环或自然对流；最后，热管带出的热量与堆芯产热相匹配，反应堆稳定运行。经mcnp与origen耦合模拟，该熔盐堆在满功率1mwt下运行10年后，堆芯剩余反应性为1.003，剩余反应性大于1，表明反应堆还能运行，故该熔盐堆可以运行10年以上。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种一体化小型熔盐堆，其堆本体包括燃料盐、热管、堆芯容器、侧反射层、中子吸收体、控制鼓、包壳和下反射层，其中热管和堆芯容器一体化设计，热管部分插入或全插入堆芯容器中，燃料盐填充堆芯容器的内部，堆芯容器与燃料盐的液面之间围合形成一空腔，堆芯容器的外壁围设有侧反射层，侧反射层中设有控制鼓，控制鼓一侧设有中子吸收体，堆芯容器的底部设有下反射层，包壳围设于侧反射层和下反射层的外部。本发明将热管技术应用到熔盐堆中，大幅简化了系统结构，通过产生自然循环或自然对流，实现热量的长期高效稳定传输，同时提高了系统的安全可靠性。

技术研发人员：于世和;孙强;邹杨;严睿;周翀;赵恒
受保护的技术使用者：中国科学院上海应用物理研究所
技术研发日：2017.11.16
技术公布日：2018.04.20