熔鹽反應堆中的反應性控制的制作方法

本發明涉及熔鹽裂變反應堆中的裂變反應的控制。具體地，本發明涉及控制反應堆中的中子吸收率的可逆辦法。

背景技術：

熔鹽核裂變反應堆是裂變材料以熔融鹵化鹽(通常為氯化物或乙酰氟)的形式存在的反應堆。GB2508537中描述了這種反應堆的新穎設計，其中熔融燃料鹽被保持在由作用冷卻劑的第二熔鹽包圍的管中。這種反應堆的反應性的控制被提出，是通過利用中子吸收控制桿或通過將中子吸收材料氟化銪或氟化鎘添加到冷卻劑鹽，使用反應性的負溫度系數以允許高溫，致使氧化銅整流器處于亞臨界狀態。

氟化銪和氟化鎘兩者對于用作添加到冷卻劑鹽的中子抑制劑都具有嚴格的限制。銪是強負電的金屬，其以電解或以化學的方式將氟化物還原成金屬，不可能還不還原諸如鋯的較少負電冷卻劑鹽成分。鎘相對容易被還原成金屬，如GB2508537中所述，但是產生的金屬在冷卻劑鹽的溫度下易揮發且有毒，因此需要專門的操作，這在核反應堆的背景下復雜且昂貴。

與更傳統地用作中子抑制劑(poison)的硼相比較，銪和鎘對于快中子還具有相當低的吸收截面，這使得銪和鎘較少被使用。

傳統的水冷卻和溫和的反應堆使用被添加到水的硼酸鈉來還原反應性，這樣的優點在于硼酸鹽根據需要可容易地被從水中去除。大的優點在于具有GB2508537描述的可用于熔鹽反應堆的類似方法，然而硼酸鹽與冷卻劑的熔鹽在化學上不相容。硼作為控制材料的使用在快光譜反應堆中尤其有價值，這是因為硼即使在快中子光譜中也具有較高的中子吸收截面。

技術實現要素：

根據本發明的一方面，提供了一種控制熔鹽裂變反應堆的反應性的方法。熔鹽裂變反應堆包括堆芯和冷卻劑槽，堆芯包括含有熔鹽裂變燃料的燃料管，而冷卻劑槽含有熔鹽冷卻劑，其中燃料管浸沒在冷卻劑槽中。所述方法包括：將中子吸收化合物溶解在熔鹽冷卻劑中，所述中子吸收化合物包括鹵素和中子吸收元素。所述方法進一步包括：將中子吸收化合物還原成所述鹵素的鹽和包括所述中子吸收元素的不可溶解物質，所述鹵素是氟或氯，其中所述不可溶解物質在所述熔鹽裂變反應堆的操作期間在所述熔鹽冷卻劑的溫度下是不揮發的。

根據本發明的另一方面，提供了一種控制熔鹽裂變反應堆的反應性的方法。熔鹽裂變反應堆包括堆芯和冷卻劑槽，堆芯包括含有熔鹽裂變燃料的燃料管，而冷卻劑槽含有熔鹽冷卻劑，其中燃料管浸沒在冷卻劑槽中。所述方法包括以下步驟：將一種或多種中子吸收化合物溶解在熔鹽冷卻劑中，其中選擇所述一種或多種中子吸收化合物以使得所述一種或多種中子吸收化合物由于吸收中子而導致的中子吸收能力的下降來補償堆芯的反應性降低，以控制堆芯的裂變率。

根據本發明的又一方面，提供了一種用于在核裂變反應堆中使用的設備。所述設備包括入口、混合室、過濾單元、出口和泵。入口被構造成浸沒在核裂變反應堆的冷卻劑鹽的池中。混合室被構造成將通過入口吸入的冷卻劑與還原劑混合以將冷卻劑鹽內的中子吸收化合物還原成鹽和不可溶解物質，所述不可溶解物質包括所述中子吸收化合物中的中子吸收元素。過濾單元被構造成從冷卻劑鹽過濾所述不可溶解物質。出口被構造成將過濾后的冷卻劑鹽返回到冷卻劑鹽的池中。泵被構造成使冷卻劑鹽從所述池流動通過所述出口，然后流入到混合室，然后流入到過濾單元中，之后從所述出口流出。

根據本發明的又一方面，提供了一種被構造成在核裂變反應堆中操作的設備。所述設備包括陽極、陰極和電壓調節器。所述陽極和所述陰極每一個都被構造成浸沒在核裂變反應堆的冷卻劑鹽中。電壓調節器被構造成在陽極與陰極之間提供足以將冷卻劑鹽的中子吸收化合物電解但不足以將冷卻劑鹽的其它組分電解的電壓。

根據本發明的又一方面，提供了一種核裂變反應堆。所述核裂變反應堆包括堆芯、冷卻劑槽、中子吸收劑添加單元和還原單元。堆芯包括含有熔鹽裂變燃料的燃料管。冷卻劑槽含有熔鹽冷卻劑，并且燃料管被浸沒在冷卻劑中。中子吸收劑添加單元被構造成將中子吸收化合物溶解在熔鹽冷卻劑中，所述中子吸收化合物包括鹵素和中子吸收元素。還原單元被構造成將中子吸收化合物還原成鹵素的鹽和包括中子吸收元素的不可溶解物質，所述鹵素是氟或氯，其中所述不可溶解物質在所述核裂變反應堆的操作期間在所述熔鹽冷卻劑的溫度下不揮發。

進一步的方面和優選特征在從屬權利要求中被限定。

附圖說明

以下僅以示例的方式并參照附圖描述一些優選實施例，其中：

圖1是并入用于去除中子吸收者的電化學機構的反應堆的橫截面；以及

圖2是并入用于去除中子吸收劑的化學機構的反應堆的橫截面。

具體實施方式

應該注意的是，如該文獻中所述，以下術語具有在化學領域為標準含義的以下含義：

元素：單類原子(當用于描述化合物的組分時)或由單類原子形成的化學制品(當用于描述物質時)。化合物：包括通過電力鍵合在一起的兩種或多種不同元素的化學制品。

物質：不能通過物理分離被分成多種組分的化學制品(即，不能破壞化學鍵)，例如，化合物、合金或元素物質，但不包括混合物。

核反應的反應性的下降可以是為了臨時控制反應性的目的，以例如補償在裂變進行時期望降低的初始的高反應性，和為了全面停止反應性。

這可以通過將中子吸收材料添加到冷卻劑鹽來實現。材料必須可溶解在冷卻劑鹽中。在期望對反應進行臨時控制的情況下，例如用作所謂的“反應性填片”，則可以使用在吸收中子之后其中子吸收特性降低的中子吸收材料，使得中子吸收劑被逐漸破壞。這種吸收劑通常被稱為可燃抑制劑，在這種情況下需要更長持續時間的中子抑制劑，然后可以使用緩慢燃燒的抑制劑，在這種情況下通過抑制劑的中子吸收的產物還是中子抑制劑。在GB2508537A中描述的反應堆中，冷卻劑鹽中的氟化鋯的鉿污染物用作緩慢燃燒的抑制劑。可以調節添加的可燃抑制劑的數量以確保通過抑制劑的中子吸收的還原補償堆芯的反應性的逐漸降低，減輕或去除在反應堆的生命周期期間要被添加的額外的反應物質或額外的中子抑制劑的需要。

雖然以這種方式使用鎘和銪在關閉反應堆時是有效的，但是其在非緊急情況下的使用卻有問題。銪和鉿是反應性很強的金屬，并且在還沒有將冷卻劑中的諸如鋯的主要鹽還原成其金屬形式的情況下，不能容易地通過還原從冷卻劑鹽中去除。鎘可被更加容易地還原成金屬，但是在冷卻劑鹽的溫度下，金屬鎘易揮發且有毒，因此將需要專門的操縱，這在核反應堆的情況下具有挑戰。

因此需要更加實際的方法通過將材料添加到冷卻劑來控制反應堆的反應性，在這種情況下，隨后從冷卻劑中去除中子抑制劑是能夠實踐的。

已經發現兩組化學物質能夠實現此實踐。

第一組是相對不活潑金屬的氯化物(鮑林電負性＞1.5)，其可以以化學或電氣化學的方式被容易地還原成金屬形式，具有強的中子吸收性，并且形成在反應堆的溫度下為固體或不揮發性液體的金屬。釓是這些元素中最好的元素，具有1.81的負電性、1312℃的熔點和在熱和快中子能譜上具有良好的中子吸收性。銦和銀也是用于此目的的有用的鹵化物，銦在冷卻劑鹽的溫度下為液體，但是具有非常低的蒸汽壓力。

中子抑制劑的去除是通過還原成金屬形式。

對于含有氟化鋯的冷卻劑來說，這通過將鋯金屬或二氟化鋯添加到冷卻劑鹽而被容易實現。對于含有四氟化釷的冷卻劑鹽來說，這可以通過添加釷金屬來實現。還可以使用包括反應組1和組2金屬的其它還原劑。沉淀金屬則可以通過傾析或過濾被去除，或者可以允許落到冷卻劑槽的底部，并且不定期地排出。

對金屬鹽的化學還原的一種可選方式是電化學還原，其中產生的金屬可以作為沉淀聚集在電極上或者被允許聚集以與電極下方的容器接觸或聚集在電極下方的容器中，其中，金屬在反應堆的溫度下被熔化，這與銦的情況一樣。

第二組化學物質是四氟硼酸鈉(或其它組1金屬)。四氟硼酸鈉可容易地溶解在大多數熔鹽中。在基于熔鹽的氟化鋯的情況下，其可以通過將硼砂添加到鹽而原位產生，這反應以產生四氟硼酸鈉和氧化鋯。將諸如鋯或釷的活潑金屬添加到冷卻劑鹽將硼沉淀成諸如硼化鋯或硼化釷的硼化物的形式。

雖然可以使用通過充分活性的任何金屬，包括諸如鈉和鉀的強還原金屬和諸如鎂和鈣的中間活性的金屬以及諸如釔、鈧、鋯、鈦和釩的低活性的金屬，但是其氟化物已經是冷卻劑鹽的組分(例如，鋯或釷)的金屬具有不會顯著改變冷卻劑鹽組分的優點。如果添加的金屬具有可以在冷卻劑鹽中原位產生或代替金屬被直接添加的活性低原子價鹵化物(例如，鋯、釩和鈦的二氯化物或三氯化物)，這具有進一步的優點。在這種情況下，產生的金屬硼化物的反應是迅速進行以完成的反應，而不是在固體與液體之間可能會在固體表面上產生一層硼化物的非均質反應，這會抑制進一步的反應。

沉淀的硼化物然后可以通過過濾、傾析或其它物理過程被去除。

這些過程具體的有用變形是以電氣化學的方式還原冷卻劑鹽以使得基于存在于冷卻劑鹽的適當的金屬鹵化物(例如，四氟化鋯或四氟化釷)的硼化物形成為所使用的電極上的層。沉淀的硼化物的去除因此被簡化，并且可以通過控制電化學電流密度來實現對硼去除率的非常精確的控制。電化學電流的反向還可以用于在可溶解狀態下將硼返回到冷卻劑鹽。

圖1和圖2每一個都顯示了根據本發明的各個實施例的反應堆的橫截面。在兩幅圖中，反應堆包括含有冷卻劑鹽102的罐101。燃料管103位于冷卻劑鹽內，形成反應堆的堆芯。熱交換器104從冷卻劑鹽回收熱量，并且流動擋板105被放置以提高冷卻劑鹽的對流。

圖1的反應堆另外包括用于去除如上所述的中子吸收劑的電化學機構。電化學機構包括可以位于冷卻劑鹽外的電壓調節器1001、和位于冷卻劑鹽內的陽極1002和陰極1003。陽極1002和陰極1003可以被連接成彼此交錯的矩形板堆，且冷卻劑鹽在所述矩形板之間。電極裝置(即，陽極和陰極)可以安裝在反應堆槽中的流動擋板結構內，電極裝置與電壓調節器1001電連接。如上所述的可還原的中子吸收化合物然后可以通過在陽極1002和陰極1003兩端施加電壓而被去除，導致中子吸收化合物的電解，并且導致含有中子吸收化合物的中子吸收元素的不可溶解物質形成在陰極或陽極上(這取決于中子吸收化合物的化學性質)。含有中子吸收元素的不可溶解物質沉積在有關的電極上，并且中子吸收化合物可以通過電流的反向(反向電解)被返回到冷卻劑鹽，可選地，電極可以被抽出和清潔，并且中子吸收化合物可以被單獨添加。流動擋板被穿孔以允許擋板內的冷卻劑鹽與反應堆槽的其余部分中的冷卻劑鹽的混合。

圖2的反應堆包括用于通過化學還原去除如上所述的中子吸收化合物的機構。所述機構包括吸入管2003、泵和還原劑混合設備2001、過濾器2002、和返回管2004。含有中子吸收化合物的冷卻劑鹽被泵通過吸入管2003被吸入，并與還原劑混合設備2001中的還原劑混合。選擇還原劑以將中子吸收化合物還原成包括中子吸收元素的不可溶解物質和包括非中子吸收元素的鹽。不可溶解物質則在過濾器2002中被濾出。過濾器2002可以例如是離心分離器。可選地，過濾器2002可以是沉降槽，或基于不可溶解物質的特性的任何其它適當的過濾器。過濾后的冷卻劑鹽則經由返回管2004被返回到反應堆槽。

以上描述已經涉及氟作為非中子吸收鹵素的使用，應該理解的是利用氯的相同過程也是等同有效的。