一種實用熔鹽裂變反應堆的制作方法
【專利說明】一種實用熔鹽裂變反應堆發明領域
[0001]本發明涉及一種熔鹽裂變反應堆。特別地，本發明涉及一種具有熔鹽堆芯的池型反應堆。
[0002]置量
[0003]熔鹽核反應堆基于溶解在熔鹽中的裂變材料的臨界物質。通常指燃料鹽。它們于1950-1970年在橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge Nat1nal Laboratory)被開發但從沒有成功的商業化。相比其他的反應堆類型，它們具有的潛在優勢包括:由釷再生裂變233U的能力，較鈾/钚反應堆低很多的超鈾錒系廢物水平的產生，高溫下運行，避免固體燃料棒中揮發性放射性裂變產物的積累，以及比傳統反應堆高得多的裂變材料燃耗可能。
[0004]兩個主要因素阻止了所述反應堆的商業化應用。
[0005]熔鹽反應堆的許多設計需要額外的回收工廠以從燃料鹽不斷地移去裂變產物。這很有必要因為裂變產物起到了中子毒物的作用，特別是在基于熱中子譜的慢化反應堆中。同樣很有必要的是去除不溶的裂變產物，否則所述產物會污染栗和熱交換器。上述回收工廠復雜、昂貴且需要大量的開發工作。
[0006]第二，熔鹽有很高的腐蝕性。相較標準鋼，鎳基超合金對所述腐蝕具有更高的抵抗力，但在長的時期內，腐蝕仍會發生。所以栗和熱交換器等必要單元的設計和生產面臨主要的發展挑戰。通常，新型碳基和/或碳化硅復合材料具有阻擋熔鹽的化學抵抗力，但通過上述材料制造栗和高效熱交換器等復雜結構仍然具有非常大的挑戰。
[0007]最近，Mattieu 和 Lecarpentier(Nuclear Science and Engineering:161，78-89(2009))顯示了非慢化熔鹽反應堆可以運行十年以上而不經過燃料回收。然而，他們的設計仍涉及栗和熱交換器且這些單元只能在大量的研究和開發材料后才能制造。
[0008]任何熔鹽燃料反應堆的關鍵因素在于燃料鹽核裂變產生的熱的釋放。很多方法被提及以實現該目的，Taube (1978) (EIR Bericht no 332，Fast reactors using moltenchloride salts as fuel)進行了非常好的總結。所述方法是:
[0009].將鉛、水銀或揮發性鹽等熔融冷卻劑栗入燃料鹽，如此冷卻劑就可以與燃料鹽混合和從中提取熱量。
[0010].通過外部熱交換器栗入燃料鹽。
[0011].通過經過燃料鹽的管道栗入第二熔鹽或其它冷卻劑，燃料鹽被強制栗入環繞冷卻劑管道環流循環。
[0012]所有這些建議的設計，除了第一種，需要以某些方式栗入熔鹽。第一種設計，燃料鹽和冷卻劑之間直接接觸，已被廣泛研究，被認為有很多不實用的理由，其中包括冷卻劑液體中燃料鹽的誘陷。
[0013]Romie和Kinyon (0RNL CF 58-2-46，1958)提出了另外一種熔鹽反應堆的設計，其中熔融燃料鹽被允許以自然對流循環通過熱交換器。但這種設計僅允許低功率的輸出，且需要堆芯臨界區外部高含量的燃料鹽。堆芯外部大量的燃料鹽造成了大部分的延時中子在堆芯臨界區外部被發射。堆芯臨界區內產生的低延時中子成分致使不穩定和易于遭受快速且不可控的功率水平增加，造成反應堆爆炸性破壞。
[0014]許多傳統非熔鹽反應堆設計的普通特征是將燃料物質被動地置于管道中，環繞冷卻劑循環，一般通過栗入但有時僅通過自然對流。管道中的燃料可以是固體，像在目前的壓水堆中，熔融鈉(US 1，034，870)、金屬(US 3, 251,745)或水溶液(US 3，085，966)中的固體材料廢棄物。使用恪鹽燃料的安排被飛行器反應堆實驗(The Aircraft ReactorExperiment-Design and Construct1n， E.S.Bettis et al， Nuclear Science andEngineering 2,804,1957).考慮。但研究者推斷需要具有非常小直徑(2mm級)的燃料管以防止燃料鹽低熱導率帶來的燃料鹽過熱。結果，上述項目采用了通過熱交換器快速栗入燃料鹽的系統，如此造成的湍流允許從燃料鹽到大得多的管道的壁的有效熱傳遞。從那時開始所有熔鹽反應堆設計，包括實際建造和運行的熔鹽反應堆實驗(ORNL 5011Molten SaltReactor Program Sem1-annual Progress Report August 1974)，都用相似的栗入燃料鹽配置。
[0015]概述
[0016]還沒有有效的提議來制造這樣的反應堆，所述反應堆在管道中具有熔融燃料鹽，其中燃料鹽沒有被主動地栗送通過管道。大的方面考慮，那是因為認為:在沒有栗送允許的強制湍流混合的情況下，熔鹽的低熱導率將不會允許從所述鹽至管壁的足夠快速的熱傳遞。綜上，對用于燃料鹽的栗的取消會明顯減少建造實用熔鹽反應堆所面臨的材料挑戰。
[0017]根據本發明的一個方面，提供一種核裂變反應堆，所述反應堆包括堆芯，冷卻劑液體的池，以及用于從所述冷卻劑液體提取熱的熱交換器。所述堆芯包括中空燃料管的陣列，每個中空燃料管包含至少一種裂變同位素的熔鹽。燃料管陣列至少部分地浸沒在所述冷卻劑液體的池中。所述燃料管陣列包括臨界區，所述臨界區中在所述反應堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發自維持裂變反應。從每個燃料管中的熔鹽至該管的外部的熱傳遞通過下列方式的任何一種或多種實現:所述熔鹽的自然對流；所述熔鹽的機械攪拌；所述燃料管內的振蕩熔鹽流動；和所述燃料管內的所述熔鹽的沸騰。所述裂變同位素的熔鹽在反應堆運行期間被完全容納在所述管內。
[0018]這樣，可以在不單獨依靠熔鹽的熱傳導的情況下將熱從內部傳遞到未栗送的燃料管的外部，并且這進而有用直徑的管道的供應。特別地，管道直徑可以被選擇為足夠大以最優化管內的自然對流。
[0019]根據本發明的另一個方面，提供一種核裂變反應堆，所述反應堆包括堆芯，冷卻劑液體的池，以及熱交換器。堆芯包括含有裂變同位素的熔鹽的中空管的陣列。管陣列至少部分浸沒在冷卻劑液體的池中。所述管陣列包括臨界區，所述臨界區中在所述反應堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發自維持裂變反應。所述冷卻劑液體含有足夠比例的中子吸收材料，以充分保護所述液體的容納槽免受由所述堆芯發射的中子的影響，并且冷卻劑液體包含增殖同位素，這樣反應堆作為再生反應堆。所述中子吸收材料優選232Th或238U等增殖同位素，這樣反應堆可以作為再生反應堆。
[0020]根據本發明的另一方面，提供一種核裂變反應堆，包含堆芯，冷卻劑液體的池，和熱交換器。所述堆芯包括含有裂變同位素的熔鹽的中空燃料管的陣列。管陣列至少部分浸沒在冷卻劑液體的池中。所述管陣列包括臨界區，所述臨界區中在所述反應堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發自維持裂變反應。所述冷卻劑液體是包含在單個槽內的熔融金屬鹽，并且所述冷卻劑液體的循環僅由自然對流驅動。
[0021]根據本發明的另一方面，提供一種核裂變反應堆，包含堆芯，冷卻劑液體的池，和熱交換器。所述堆芯包括含有裂變同位素的熔鹽的中空燃料管的陣列。管陣列至少部分浸沒在包含一種或多種裂變同位素的冷卻劑液體的池中。所述管陣列包括臨界區，所述臨界區中在所述反應堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發自維持裂變反應。所述反應堆還包括與所述冷卻劑液體接觸的熔融金屬的層，所述熔融金屬使得所述再生裂變同位素在所述熔融金屬中可溶，并且所述反應堆包括用于提取所述熔融金屬的系統。
[0022]根據本發明的另一方面，提供一種運行核裂變反應堆的方法。所述反應堆包括堆芯，冷卻劑液體的池和熱交換器，其中所述堆芯包括中空燃料管的陣列，每個中空燃料管包含一種或多種裂變同位素的熔鹽，燃料管陣列至少部分地浸沒在所述冷卻劑液體的池中并且包括臨界區，所述臨界區中在所述反應堆運行期間所述裂變同位素的密度足以引發自維持裂變反應。所述方法包括:將所述熔鹽完全容納在所述燃料管內；和使用下列方式的一種或多種，將熱從每個燃料管中的所述熔鹽傳遞到該管的外部，并且進而傳遞到所述冷卻劑:所述熔鹽的自然對流；所述熔鹽的機械攪拌；所述燃料管內的振蕩熔鹽流動；和所述燃料管內的所述熔鹽的沸騰。使用所述熱交換器從所述冷卻劑提取熱。
[0023]更多的方面和優選特征在以下權利要求2中描述。
【附圖說明】
[0024]現在僅僅以實施例的方式并且參考附圖描述本發明的一些優選實施方案，其中:
[0025]圖1是熔鹽反應堆的圖；
[0026]圖2是圖1反應堆的燃料管的圖；
[0027]圖3顯示了不同內徑的2m高垂直燃料管中的最大燃料鹽溫度的流體動力學計算結果；
[0028]圖4顯示了具有將管分成節段的穿孔擋板的燃料管；
[0029]圖5顯示了以微度螺旋狀物(a shallow helix)形式布置的具有圓形或橢圓形橫截面的燃料管；
[0030]圖6顯示了具有燃料管內的機械驅動擋板的燃料管；
[0031]圖7顯示了具有內部擋板的U管形式的燃料管；
[0032]圖8顯示了波紋狀燃料管，證實了與直壁管相比較低的燃料鹽溫度的波紋效應；每個管最大直徑相同，每毫升裂變熱恒定；
[0033]圖9顯示了 NaCl、UCljP PuCl 3溶液的熔點；以及
[0034]圖10顯示了與其他熔鹽(包括純NaCl和純UCl4)的熱膨脹相比，UCV混合物的熱膨脹(數據來源于 G.J.Janz，Journal of Physical and Chemical Reference Data，vol17， suppl 2，1988)。
[0035]發曰月詳沐
[0036]對流冷卻的核堆芯
[0037]圖1所示反應堆由核堆芯構成，核堆芯利用浸漬在熔融冷卻劑的池中的燃料管的陣列。圖1示出的反應堆100，包括冷卻劑101的槽，由燃料管102的陣列組成的堆芯和熱交換器(例如蒸汽管)103。冷卻劑可以是各種各樣的液體，包括水，熔融金屬和熔融鹽。管可以是任何合適的形狀。但在一個實施方式中，它們有一個設計，其具有在底部的大直徑區域201和朝向頂部的窄區域202 (見圖2)。結果是陣列底部達到臨界狀態而上部仍是非臨界狀態。管102可以填充含有裂變同位素的熔融燃料鹽直到窄區域202頂部，或者它們僅在所有或部分寬區域201中填充。如果窄區域202被填充，這會防止中子通過向上穿過燃料管內空的空間逃逸。如果上述窄區