一种熔盐快堆

本发明涉及一种熔盐快堆。

背景技术：

在第四代先进核能系统推荐的六种堆型中，熔盐堆是唯一一个液态燃料堆，具有固有安全性、高经济性、高热效率以及最高等级的可持续发展性和防核扩散性等特性。液态燃料熔盐堆可以设计为热堆(即熔盐热堆)，也可以设计为快堆(即熔盐快堆)。熔盐快堆中无需加入慢化剂，具有较高的增殖和嬗变性能，同时减少了因堆芯结构材料辐照而产生的杂质和堆芯维护工作，提高了运行经济性。

当前，熔盐快堆通常设计成一种罐式结构(如mosart和msfr)，其中燃料盐同时作为核燃料和冷却剂。虽然燃料盐可以吸收很多热量，但传热太慢，限制了熔盐堆的出口温度，如mosart和msfr的堆芯出口温度分别为720℃和750℃。其堆芯中仅采用一种流体，无法达到工艺加热用的最佳温度。为此，位于德国柏林的固体物理研究提出了一种双流熔盐堆(dfr)，该反应堆采用液态熔盐作为核燃料，熔融态铅作为冷却剂，可以使反应堆具有更高的堆芯出口问题(1127℃)。然而，dfr因采用液态熔融铅作为冷却剂，存在着诸多技术难题，如液态铅的不透明性(是指对于γ和中子的不透明性，导致无法对反应堆内反应性进行实时检测)，铅冷却剂的密度高所带来极大的泵负载，高温高速工况下液态熔融铅对结构材料的腐蚀和侵蚀等。

因此，本领域亟需开发一种堆芯出口温度高，能够实时监测堆内反应性，且采用的冷却剂对堆芯结构材料腐蚀小的液态熔盐反应堆。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的熔盐快堆的堆芯出口温度普遍较低，当采用液态熔融铅作为冷却剂时，虽然达到了较高的堆芯出口温度，但又存在液态熔融铅不透明、密度高、腐蚀性高等缺陷。为克服上述缺陷本发明提供一种熔盐快堆。本发明的熔盐快堆可以实现较高的堆芯出口温度和较高的最大输出热功率，可实时监测堆内的反应性，且冷却剂对堆芯结构材料的腐蚀小，减少堆芯维护工作，提升了熔盐快堆的紧凑型和经济性。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。

本发明提供了一种熔盐快堆，其包括活性区，所述活性区包括燃料盐区和冷却区；所述冷却区中的冷却剂为超临界二氧化碳。

本发明中，所述冷却区的单位体积换热面积可为2～358m²/m³，较佳地为37～290m²/m³，更佳地为47～162m²/m³，进一步更佳地为130～162m²/m³。所述单位体积换热面积是指平均每立方米冷却区的换热面积。

本发明中，所述活性区中，所述燃料盐区和所述冷却区的体积比可为(3～25)：1，较佳地为(3～20)：1，更佳地为(8～20)：1。

本发明中，所述活性区的形状可为本领域常规，一般可为中空圆柱体或中空六棱柱。所述活性区的等效直径可为20～200cm，较佳地为100～200cm，更佳地为145～200cm。所述活性区的等效高度可为20～200cm，较佳地为134～200cm，更佳地为145～200cm。

本发明中，所述活性区按本领域常规，可包括堆芯内壳。所述堆芯内壳的形状可为本领域常规，一般可为中空圆柱体、中空球体或中空六棱柱体。所述堆芯内壳的壁厚可为本领域常规，较佳地为0.5～8cm，更佳地为2～8cm。所述堆芯内壳的材料可为镍基合金、钼基合金、铼基合金、铌基合金或锆基合金，较佳地为由镍、钼、铼、铌和锆中的任意两种或多种组成的合金，例如镍钼合金、钼铼合金或铌锆合金。

本发明中，所述冷却区可按照本领域常规为冷却剂流动通道，较佳地为设置于所述活性区内的第一冷却剂管。其中，所述第一冷却剂管的横截面的形状可为本领域常规，较佳地为中空圆形、中空六边形或中空四边形。所述第一冷却剂管的横截面的等效半径可为本领域常规，较佳地为0.2～0.8cm，更佳地为0.5～0.8cm。所述第一冷却剂管的壁厚可为0.1～1cm，较佳地为0.1cm。所述第一冷却剂管的管壁材料可为本领域常规使用的结构材料，较佳地为碳化硅、碳碳复合材料、镍基合金、钼铼合金和铌锆合金中的一种或多种，更佳地为碳化硅。

其中，相邻两个所述第一冷却剂管的中心距离可按照本领域常规大于或等于所述第一冷却剂管的横截面的等效直径，较佳地为0.8～20cm，更佳地为1.5～3.92cm，进一步更佳地为1.5～3.5cm，例如2.1cm。所述第一冷却剂管可按三角形栅格、四边形栅格或圆形栅格排列。

其中，所述第一冷却剂管的数量可为本领域常规，较佳地为500～55000，更佳地为590～55000，进一步更佳地为1557～55000，再一步更佳地为2961～16123，例如2056。

本发明中，所述燃料盐区可按照本领域常规为装载燃料盐的空间(燃料盐室)或通道(如燃料盐管)。所述燃料盐区可流通或不流通。

其中，所述燃料盐室为所述活性区的中空区域，即所述堆芯内壳的中空区域。

其中，所述燃料盐管横截面的形状可为本领域常规，较佳地为中空圆形、中空六边形或中空四边形。所述燃料盐管的横截面的等效半径可为本领域常规，较佳地为0.2～0.8cm。相邻两个所述燃料盐管的中心距离可按照本领域常规大于所述燃料盐管的横截面的等效直径，较佳地为0.8～20cm，更佳地为2.1～20cm。若干所述燃料盐管可按三角形栅格、四边形栅格或圆形栅格排列。所述燃料盐管的数量可为500～55000，较佳地为1714～55000。

按本领域常规，本发明中，所述燃料盐区和所述冷却区互不连通。所述燃料盐区和所述冷却区的相对位置空间设置可按本领域常规，以使得冷却区可冷却燃料盐区为准。

一较佳实施方案中，所述冷却区设置于所述燃料盐区中。具体可为，所述燃料盐区为燃料盐室，在所述燃料盐室中设有所述第一冷却剂管。

另一较佳实施方案中，所述活性区包括基底，所述燃料盐区和所述冷却区设置于所述基底中。具体可为，在所述基底中，设有所述第一冷却剂管和所述燃料盐管，所述第一冷却剂管和所述燃料盐管相邻间隔布置，或所述第一冷却剂管嵌套于所述燃料盐管中，或所述燃料盐管嵌套于所述第一冷却剂管中。其中，所述基底的材料可为碳化硅、碳碳复合材料、镍基合金、钼铼合金和铌锆合金中的一种或多种，较佳地为碳化硅。

本发明中，所述熔盐快堆还可进一步包括堆芯外壳，所述活性区置于所述堆芯外壳的内部。

其中，所述堆芯外壳的材料可为本领域常规，较佳地为镍基合金、钼基合金、铼基合金、铌基合金或锆基合金，更佳地为由镍、钼、铼、铌和锆中的任意两种或多种组成的合金，进一步更佳地为镍钼合金。

其中，所述堆芯外壳的壁厚可为1～5cm，较佳地为3cm。

其中，所述堆芯外壳的形状可为本领域常规，一般可为中空圆柱体、中空球体或中空长方体。

本发明中，所述燃料盐区内填充的燃料盐可按照本领域常规为核燃料和载体盐的混合物。

其中，所述燃料盐中所述核燃料的摩尔百分数可为本领域常规，较佳地为10％～50％，更佳地为20％～30％，进一步更佳地为22％。

其中，所述核燃料可为本领域常规使用的含有钍元素、铀元素、钚元素和超铀元素中一种或多种的化合物，较佳地为含有铀元素的化合物，更佳地为uf4。

其中，所述核燃料中易裂变核素可为本领域技术人员常规认为的用任意能量的中子轰击都能引起其原子核裂变的可裂变核素，较佳地为u-235、u-233、pu-239、pu-241、cm-243和cm-245中的一种或多种，更佳地为u-235。

其中，所述核燃料中易裂变核素的质量百分数可为本领域常规，较佳地为10％～93％，更佳地为19.75％。

其中，所述载体盐可为本领域常规使用的氟盐或氯盐。其中，所述氟盐较佳地为lif、libef和linakf中的一种或多种，更佳地为lif。当所述氟盐中含有li元素时，所述氟盐中li-7的富集度可为本领域常规，较佳地为99％～99.99％，更佳地为99.95％～99.99％。所述氯盐较佳地为氯化钠和/或氯化钾；所述氯盐中cl-37的富集度可为本领域常规，较佳地为24.23％～100％。所述富集度可为本领域技术人员常规认为的原子份额，如li-7的富集度是li-7的原子个数占锂元素(包括li-6和li-7)的原子个数的百分比。

本发明中，所述冷却剂的工作压力可为本领域常规，较佳地为8～30mpa，更佳地为15～25mpa，进一步更佳地为20～25mpa。

本发明中，所述堆芯外壳的侧壁上还可进一步设置有冷却剂入口和冷却剂出口，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口均与所述冷却区连通。

其中，按照本领域常规，所述冷却剂出口可与热电转换装置连接，或者，所述冷却剂出口与热电转换装置之间通过换热器连接。所述热电转换装置较佳地为超临界二氧化碳热电转换装置。通过所述热电转换装置将热能转化为电能，为设备提供稳定的核电源。当本发明中所述熔盐快堆直接连接超临界二氧化碳热电转换装置时，省去了中间换热器，有利于提高核电系统的紧凑性，同时该直通式布雷顿循环的热效率可高达45％以上，例如可达45％～60％。

本发明中，所述堆芯外壳的侧壁上还可进一步设置有燃料盐入口和燃料盐出口，所述燃料盐入口和所述燃料盐出口与所述燃料盐区连通。

其中，所述燃料盐入口可按照本领域常规与燃料盐处理厂连接。与燃料盐处理厂连接可实现在线、不停堆的更换所述燃料盐。

本发明中，所述堆芯外壳和所述活性区之间还可进一步设置有反射层。

其中，所述反射层的材料可为本领域常规使用的强中子反射能力材料，一般可为石墨、铍和氧化铍中的一种或多种，较佳地为氧化铍。

其中，所述反射层的厚度可为本领域常规，较佳地为10～50cm，更佳地为20～50cm。

一较佳实施方案中，所述活性区的形状为中空圆柱体，所述堆芯外壳的形状为中空圆柱体，所述堆芯外壳的上壁和所述活性区的上壁之间的所述反射层的直径与所述堆芯外壳的内径相同。

一较佳实施方案中，所述活性区的形状为中空圆柱体，所述堆芯外壳的形状为中空圆柱体，所述堆芯外壳的下壁和所述活性区的下壁之间的所述反射层的直径与所述堆芯外壳的内径相同。

一较佳实施方案中，所述堆芯外壳的侧壁与所述活性区的侧壁之间的所述反射层的高度与所述活性区的高度相同。

其中，所述堆芯外壳的侧壁与所述活性区的侧壁之间的所述反射层中还可进一步设置有控制鼓。所述控制鼓用于控制所述活性区的反应性和停堆。

其中，所述控制鼓的横截面直径可为6～40cm，较佳地为14cm。

其中，所述控制鼓可按照本领域常规在其圆周60～180°范围内包覆有中子吸收体，较佳地在其圆周120°范围内包覆有中子吸收体。

其中，所述中子吸收体的高度可为小于或等于所述活性区的高度，较佳地为等于所述活性区的高度。

其中，所述中子吸收体的材料可为本领域常规，较佳地为碳化硼。当所述中子吸收体的材料为碳化硼时，碳化硼中硼-10的富集度大于或等于30％，较佳地为大于或等于80％。

较佳地，所述中子吸收体的厚度可按照本领域常规根据所述控制鼓的位置、所述控制鼓的数量以及反应性和停堆需求做调整，一般可为大于或等于3.0cm，较佳地为4cm。

本发明中，所述堆芯外壳和所述活性区之间的反射层中设置有第二冷却剂管，所述第二冷却剂管中的冷却剂为超临界二氧化碳。

较佳地，所述第二冷却剂管与所述第一冷却剂管连通；更佳地，所述反射层和所述活性区之间还设置有腔室，所述第二冷却剂管和所述第一冷却剂管通过所述腔室连通。

较佳地，所述第二冷却剂管的端口为冷却剂入口。

本发明一较佳实施方案中，所述堆芯外壳的侧壁和所述活性区的侧壁之间的所述反射层中设置有所述第二冷却剂管；所述活性区的上方设置有上腔室，所述活性区的下方设置有下腔室；所述冷却区为设置于所述活性区内的第一冷却剂管，每个所述第一冷却剂管的上端均穿过所述活性区的上壁，并与所述上腔室连通；每个所述第一冷却剂管的下端均穿过所述活性区的下壁，并与所述下腔室连通；所述冷却剂依次流经所述冷却剂入口、所述第二冷却剂管、所述下腔室、所述第一冷却剂管、所述上腔室和所述冷却剂出口。

其中，所述上腔室沿纵向的厚度可为本领域常规，较佳地为1～10cm。

其中，所述上腔室的横截面直径可为30～260cm，较佳地，所述上腔室的横截面直径与所述堆芯外壳的内径相同。

其中，所述下腔室沿纵向的厚度可为本领域常规，较佳地为1～10cm。

其中，所述下腔室的横截面直径可为30～260cm，较佳地，所述下腔室的横截面直径与所述堆芯外壳的内径相同。

本发明中，所述熔盐快堆的出口温度一般可为850～1350℃，较佳地为950～1350℃，更佳地为1050～1350℃，进一步更佳地为1150～1350℃。

本发明中，所述冷却剂的进、出方式可按照本领域常规，一般可为下进上出、侧进上出、侧进侧出或上进下出。

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。

本发明的积极进步效果在于：

1、本发明采用超临界二氧化碳作为独立的冷却剂，单相状态下无沸腾危机；具有稳定的化学性质，对结构材料的侵蚀速率较慢，减少了堆芯维护工作，提高了熔盐快堆的运行经济性；相比液态金属(铅等)具备更硬的中子能谱，可获得更高的增殖性能；

2、本发明中超临界二氧化碳冷却剂的运行压力较高(8～30mpa)，增大了冷却剂的密度，接近于液体，传热效率高，有利于熔盐快堆的紧凑设计；本发明中熔盐快堆可直接连接超临界二氧化碳热电转换装置，省去了中间换热器，有利于提高核电系统的紧凑性，同时该直通式布雷顿循环的热效率可高达45％以上，例如可达45％～60％；

3、本发明熔盐快堆具有较高的堆芯出口温度和较高的最大输出热功率，尤其适合为执行短期任务(＜1年，特别是天或月量级的短期任务)的高功率的设备提供稳定的核电源。

附图说明

图1为本发明实施例1的熔盐快堆的纵剖图；

图2为本发明实施例1的熔盐快堆的横剖图；

图3为本发明实施例2的熔盐快堆的纵剖图；

图4为本发明实施例2的熔盐快堆的横剖图。

附图标记

活性区1，燃料盐区11，冷却区12，堆芯内壳13，基底14，第二冷却剂管15，堆芯外壳2，冷却剂入口3，冷却剂出口4，反射层5，控制鼓6，上腔室7，下腔室8。

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。

实施例1

实施例1熔盐快堆(池式)

如图1和图2所示，一种熔盐快堆包括活性区1，活性区1包括燃料盐区11和冷却区12；冷却区12中的冷却剂为超临界二氧化碳；

冷却区12的总换热面积为138.44m²；冷却区的单位体积换热面积为131.55m²/m³；

活性区1中，燃料盐区11和冷却区12的体积比为6:1；

活性区1的横截面形状为中空的圆形；活性区1的等效直径为100cm，活性区1的等效高度为134cm；

活性区1包括堆芯内壳13，堆芯内壳13的形状中空圆柱体；

堆芯内壳13的壁厚为2cm，材料为镍钼合金；

冷却区12为冷却剂的流动通道，具体为设置于活性区1内的第一冷却剂管；第一冷却剂管的横截面的形状为中空圆形；第一冷却剂管的横截面的等效半径为0.4cm；第一冷却剂管的管壁材料为碳化硅；相邻两个第一冷却剂管的中心距离为1.05cm；第一冷却剂管按三角形栅格排列；第一冷却剂管的数量为2056；第一冷却剂管的壁厚为0.1cm；

燃料盐区11为装载燃料盐的空间(燃料盐室)，燃料盐室为活性区1的中空区域，即堆芯内壳13的中空区域；本实施例中燃料盐区11流通，其他实施例中燃料盐区11可不流通；

燃料盐区11和冷却区12互不连通；冷却区12设置于燃料盐区11中；

熔盐快堆还包括堆芯外壳2，活性区1置于堆芯外壳2的内部；

堆芯外壳2的材料为镍钼合金；堆芯外壳2的壁厚为3cm；堆芯外壳2的形状中空圆柱体；

燃料盐区11内填充的燃料盐为核燃料和载体盐的混合物；其中，燃料盐中核燃料的摩尔百分数为22％，核燃料为uf4，核燃料中易裂变核素的种类为u-235，u-235的质量百分数为19.75％；其中，载体盐为lif，li-7富集度为99.95％；

冷却剂的工作压力为20mpa；

堆芯外壳2的侧壁上还进一步设置有冷却剂入口3和冷却剂出口4，冷却剂入口3和冷却剂出口4均与冷却区12连通；

冷却剂出口4与超临界二氧化碳热电转换装置连接(图中未体现)；在其他实施例中，冷却剂出口4与超临界二氧化碳热电转换装置之间设置有换热器；通过热电转换装置将热能转化为电能，可为设备提供稳定的核电源；

堆芯外壳2的侧壁上还设置有燃料盐入口(图中未体现)和燃料盐出口(图中未体现)；燃料盐入口、燃料盐出口和燃料盐区11连通；

其中，燃料盐入口与燃料盐处理厂连接，与燃料盐处理厂连接可实现在线、不停堆更换燃料盐；

堆芯外壳2和活性区1之间还进一步设置有反射层5；反射层5的材料为氧化铍；反射层5的厚度为20cm；堆芯外壳2的侧壁与活性区1的侧壁之间的反射层5的高度与活性区1的高度相同；

堆芯外壳2的侧壁与活性区1的侧壁之间的反射层5中还对称设置有六个控制鼓6。在控制鼓6圆周120°范围内包覆有中子吸收体(图中未体现)；中子吸收体的高度与活性区1的高度相同；中子吸收体的材料为碳化硼，其中，碳化硼中硼-10的富集度为90％；

控制鼓6调节中子吸收体与活性区1之间的距离，进而用于控制反应性和停堆；控制鼓6的横截面直径为14cm；

中子吸收体的厚度为4.0cm；

堆芯外壳2的侧壁和活性区1的侧壁之间的反射层5中设置有第二冷却剂管15；活性区1的上方设置有上腔室7，活性区1的下方设置有下腔室8，每个第一冷却剂管的上端均穿过活性区1的上壁，并与上腔室7连通；每个第一冷却剂管的下端均穿过活性区1的下壁，并与下腔室8连通；冷却剂依次流经冷却剂入口3、第二冷却剂管15、下腔室8、第一冷却剂管、上腔室7和冷却剂出口4；

其中，第二冷却剂管15的位置与控制鼓6的位置交错开；

其中，上腔室7沿纵向的厚度为1.5cm；上腔室7的横截面直径与堆芯外壳2的内径相同；

其中，下腔室8沿纵向的厚度为2.5cm，下腔室8的横截面直径与堆芯外壳2的内径相同；

熔盐快堆的最大输出热功率为100mwth，入口温度为808℃，出口温度为1050℃。

实施例2熔盐快堆(管道式)

如图3和图4所示，与实施例1相比区别仅在于，本实施例的熔盐快堆中，活性区1中还进一步包括基底14，燃料盐区11和冷却区12设置于基底14中，燃料盐区11为设置于活性区1内的燃料盐管，各燃料盐管相互连通；第一冷却剂管的数量为286；基底14的材料为碳化硅；燃料盐管的横截面形状为中空的圆形；

其中，燃料盐管和第一冷却剂管之间相邻交叉布置，且互不连通；其他实施例中，第一冷却剂管可嵌套于燃料盐管中，或者燃料盐管可嵌套于第一冷却剂管中；

燃料盐管的横截面的等效半径为0.4cm，相邻两个燃料盐管的中心距离为1.05cm，若干燃料盐管按三角形栅格排列；燃料盐管的数量为1714；

燃料盐与冷却剂的体积比为6:1。

实施例3

与实施例1相比，区别仅在于，活性区1的等效直径为145cm，等效高度为145cm；

第一冷却剂管的横截面的等效半径为0.4cm，相邻两个第一冷却剂管的中心距离为1.75cm，若干第一冷却剂管按三角形栅格排列，第一冷却剂管的数量为1557；第一冷却剂管的壁厚为0.1cm；

第一冷却剂管的总换热面积为113.39m²；冷却区的单位体积换热面积为为47.35m²/m³；活性区1中，燃料盐区11和冷却区12的体积比为20：1；

熔盐快堆的最大输出热功率为150mwth，入口温度为808℃，出口温度为1050℃。

实施例4

与实施例1相比，区别仅在于，活性区1的等效直径为200cm，等效高度为200cm；

第一冷却剂管的横截面的等效半径为0.4cm，相邻两个第一冷却剂管的中心距离为1.75cm，若干第一冷却剂管按三角形栅格排列，第一冷却剂管的数量为2961；第一冷却剂管的壁厚为0.1cm；

第一冷却剂管的总换热面积为297.55m²；冷却区的单位体积换热面积为47.35m²/m³；活性区1中，燃料盐区11和冷却区12的体积比为20：1；

熔盐快堆的最大输出热功率为400mwth，入口温度为899℃，出口温度为1150℃。

实施例5

与实施例1相比，区别仅在于，活性区1的等效直径为200cm，等效高度为200cm；

第一冷却剂管的横截面的等效半径为0.25cm，相邻两个第一冷却剂管的中心距离为0.75cm，若干第一冷却剂管按三角形栅格排列，第一冷却剂管的数量为16123；第一冷却剂管的壁厚为0.1cm；

第一冷却剂管的总换热面积为1012.5m²；冷却区的单位体积换热面积为161.14m²/m³；活性区1中，燃料盐区11和冷却区12的体积比为8：1；

熔盐快堆的最大输出热功率为1000mwth，入口温度为1080℃，出口温度为1350℃。

实施例6

与实施例1相比，区别仅在于，活性区1的等效直径为100m，等效高度为134cm；

第一冷却剂管的横截面的等效半径为0.4cm，相邻两个第一冷却剂管的中心距离为1.96cm，若干第一冷却剂管按三角形栅格排列，第一冷却剂管的数量为590；第一冷却剂管的壁厚为0.1cm；

第一冷却剂管的总换热面积为39.73m²；冷却区的单位体积换热面积为37.75m²/m³；活性区1中，燃料盐区11和冷却区12的体积比为25：1；

熔盐快堆的最大输出热功率为60mwth，入口温度为627℃，出口温度为850℃。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。