一種熔鹽堆堆芯和停堆系統的製作方法

2023-07-22 09:36:31 5

本實用新型涉及熔鹽堆反應領域，具體涉及一種熔鹽堆堆芯和停堆系統。

背景技術：

熔鹽堆是第四代國際核能論壇篩選出的六種候選堆型之一，也是唯一的液態燃料反應堆，在固有安全性、經濟性、核燃料可持續發展及防核擴散等方面具有獨特優勢。在熔鹽反應堆中，含有裂變材料的熔鹽以高於500℃的溫度，流經堆芯並達到臨界狀態，液態燃料發生裂變反應釋放熱量，被自身吸收、帶走，不需要另外的冷卻劑，液態熔鹽在堆芯出口處溫度可達700℃～800℃。

熔鹽堆液態燃料中含有大量裂變產物及放射性核素，因而其一迴路系統及堆芯反射層區域的放射性極強且溫度非常高，嚴重影響了控制棒驅動機構的可靠性及壽命，工程實現難度非常大。在控制棒的行程上，為了保證控制棒的運動精度和可靠性，堆內構件及與控制棒運動相關的部件，都要求有嚴格的熱處理和相當高的製造精度，還專門為控制棒設置了形狀極為複雜的導向部件。目前，世界各國對熔鹽堆的研究主要集中在：日本石墨慢化熱譜熔鹽堆FUJI、法國快譜釷基熔鹽堆TMSR、俄羅斯嬗變熔鹽堆MOSART。

日本在80年代開展了小型熔鹽堆FUJI-I的概念設計，之後參考美國MSBR堆芯設計，設計了FUJI-II堆型，其進口溫度為840K，出口溫度980K，熱功率為350MW，電功率150MW，使用與MSBR相同的熔鹽冷卻劑。其實質是採用石墨作為慢化劑，熱中子譜，利用控制棒實現反應堆的緊急停堆及臨界安全。

MOSART概念由俄羅斯RRC-KI研究中心提出。2003年IAEA啟動了由12個會員國16個研究所參加的合作研究計劃（CRP），研究放射性廢物有效焚燒先進核能技術，其中一個重要的內容就是通過MOSART技術研究，檢驗和論證熔鹽堆降解長壽命廢料毒性，在閉式循環中更有效產生電力的可行性。

MOSART內部無任何構件，堆芯為快中子譜，熱功率為2400MW，入口溫度為600℃，出口溫度為715℃，活性區半徑為1.7m，活性區高度為3.6m，控制棒布置在反射層區域。通過控制堆芯液態熔鹽燃料成分使堆芯維持臨界，利用控制棒實現反應堆的緊急停堆及臨界安全。

法國提出的釷基熔鹽堆TMSR概念，其堆芯設計和MOSART堆芯設計比較相似，堆芯內不包含任何的固體構件，沒有石墨慢化劑，區別僅僅是在堆芯周圍設置了增殖區，以此可以將燃料釷轉化為核燃料鈾。堆內無任何構件，堆芯為快中子譜，熱功率為2500MW，入口溫度為630℃，出口溫度為730℃，活性區半徑為1.25m，活性區高度為2.6m，控制棒布置在反射層。通過控制堆芯液態熔鹽燃料成分使堆芯維持臨界，利用控制棒實現反應堆的緊急停堆及臨界安全。

以上三種熔鹽堆的堆芯的結構均為固體控制棒系統，堆芯結構無法有效的對反應性進行控制，且經過長期運行和輻照變形後，控制棒系統（驅動線）仍然是反應堆運行中故障最多的系統之一，如因導向機構變形、潤滑不良、介質腐蝕等因素引起的卡棒事故。尤其是在熔鹽堆高放射性、高溫運行環境中，控制棒系統發生故障概率會顯著提高。另外上述三種熔鹽堆的頂部結構相當複雜，製造成本高昂。

因此，非常有必要針對熔鹽堆堆芯設計、運行特點，提出更為簡單、有效的反應性控制、運行方法及快速停堆系統設計方案，代替固體控制棒系統，實現反應堆啟停、功率調節及快速停堆等功能，從根本上解決固體控制棒因採用機械傳動帶來的諸多技術問題，大幅提高熔鹽堆反應堆控制的可靠性及安全性。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是，目的在於提供一種熔鹽堆堆芯和停堆系統，該堆芯採用在熔鹽堆運行狀態下為液態，停堆狀態及常溫狀態下均為固態的低熔點合金材料作為中子吸收體，可以避免高放射性、高溫運行環境下，固體控制棒因機械傳動帶來的諸多技術問題，這種設置還能夠使得堆芯上封頭的大量穿孔可以大幅縮減，熔鹽堆堆芯結構及其整體設計得以極大簡化。本實用新型的停堆系統通過採用上述創新性的堆芯結構能夠顯著提高熔鹽堆反應性控制的可靠性及控制能力，簡化熔鹽堆頂部結構設計，提高工程可實現性及安全性。

本實用新型通過下述技術方案實現：

一種熔鹽堆堆芯，包括石墨反射層和活性區，石墨反射層設置在活性區的外圍，石墨反射層的層內設置有代替固體控制棒的吸收體，所述吸收體為合金材料且在熔鹽堆運行狀態下為液態，停堆狀態及常溫狀態下均為固態。

現有技術的液態熔鹽堆均是採用固態控制棒（吸收體），如日本石墨慢化熱譜熔鹽堆FUJI、法國快譜釷基熔鹽堆TMSR、俄羅斯嬗變熔鹽堆MOSART等，這些固態控制棒製作和運行成本相當高。因為熔鹽堆液態燃料中含有大量裂變產物及放射性核素，其一迴路系統及堆芯反射層區域的放射性極強且溫度非常高，嚴重影響了控制棒驅動機構的可靠性及壽命，工程實現難度非常大。在控制棒的行程上，為了保證控制棒的運動精度和可靠性，堆內構件及與控制棒運動相關的部件，都要求有嚴格的熱處理和相當高的製造精度，還專門為控制棒設置了形狀極為複雜的導向部件。而實用新型人通過研究創新性的將原本的一直處於固態的控制棒替換為且在熔鹽堆運行狀態下為液態，停堆狀態及常溫狀態下均為固態的吸收體，一方面避免了高放射性、高溫運行環境下，固體控制棒因機械傳動帶來的諸多技術問題，另一方面還能夠使得堆芯上封頭的大量穿孔可以大幅縮減，熔鹽堆堆芯結構及其整體設計得以極大簡化。再有，本實用新型的停堆系統通過採用上述創新性的堆芯結構能夠快速利用流體壓差運動原理，顯著提高了熔鹽堆反應性控制的可靠性及控制能力，簡化熔鹽堆頂部結構設計，提高工程可實現性及安全性。

吸收體可以為為熔點200-350℃的合金材料。

吸收體為銦鎘合金材料。

石墨反射層為環形，活性區設置在石墨反射層的環形區內，石墨反射層的層內設置有用於放置吸收體的金屬輸送裝置。金屬輸送裝置可以為金屬導管等具有輸送存儲功能的裝置。

金屬輸送裝置為2個或以上，2個或以上所述的金屬輸送裝置均勻分布在石墨反射層內。

還包括設置在石墨反射層外的壓力容器，壓力容器和石墨反射層之間還設置有隔熱氣腔。隔熱氣腔用於減少處於高溫狀態的石墨反射層向壓力容器傳熱。

一種熔鹽堆停堆系統，包括如前所述的熔鹽堆堆芯、壓差調節系統、存貯罐，所述存貯罐用於存儲因壓差變化從金屬輸送裝置中溢出的吸收體，熔鹽堆堆芯的金屬輸送裝置、壓差調節系統、存貯罐三者相連通。

金屬輸送裝置、壓差調節系統、存貯罐三者數量一一對應。當金屬輸送裝置為多個時，壓差調節系統和存貯罐也為多個，一個金屬輸送裝置、一個壓差調節系統、一個存貯罐構成一個完整的閉合迴路，多個金屬輸送裝置也就意味著多個相互獨立的完整的閉合迴路。

通過壓差調節系統改變密閉迴路中的氣體壓力，來提升（或降低）吸收體在金屬輸送裝置內的高度，從而向堆芯引入負（或正）反應性，完成反應堆啟停、功率調節、燃耗補償、快速停堆等反應性控制功能。金屬輸送裝置可以為金屬導管。

在事故工況下，可以靠內部儲存的氣體壓力，快速將吸收體（液態）注入金屬輸送裝置，向堆芯引入較大負反應性，實現緊急停堆。

壓差調節系統包括氣管、單向減壓閥、貯氣罐、洩壓罐、外部氣源，所述氣管的一端和金屬輸送裝置相連，氣管的另一端和單向減壓閥相連，貯氣罐的一端和存貯罐相連通，貯氣罐的另一端和單向減壓閥相連，單向減壓閥和洩壓罐相連，洩壓罐和外部氣源相連。

還包括電控閥和氣源閥，所述電控閥設置在洩壓罐和單向減壓閥之間，氣源閥設置在外部氣源和洩壓罐之間。

本實用新型與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

1、本實用新型可以避免高放射性、高溫運行環境下，固體控制棒因機械傳動帶來的諸多技術問題；

2、本實用新型設置還能夠使得堆芯上封頭的大量穿孔可以大幅縮減，熔鹽堆堆芯結構及其整體設計得以極大簡化；

3、本實用新型的停堆系統通過採用上述創新性的堆芯結構能夠顯著提高熔鹽堆反應性控制的可靠性及控制能力，簡化熔鹽堆頂部結構設計，提高工程可實現性及安全性。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本實用新型實施例的限定。在附圖中：

圖1為熔鹽堆堆芯徑向結構示意圖。

圖2為熔鹽堆停堆系統的結構示意圖。

附圖中標記及對應的零部件名稱：

1-活性區，2-石墨反射層，3-隔熱氣腔，4-壓力容器，5-金屬輸送裝置，6-氣管，7-存貯罐，8-貯氣罐，9-單向減壓閥，10-電控閥，11-洩壓罐，12-氣源閥，13-外部氣源。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明，本實用新型的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本實用新型，並不作為對本實用新型的限定。

實施例1

一種熔鹽堆堆芯，包括石墨反射層2和活性區1，石墨反射層2設置在活性區1的外圍，石墨反射層2的層內設置有代替固體控制棒的吸收體，所述吸收體為合金材料且在熔鹽堆運行狀態下為液態，停堆狀態及常溫狀態下均為固態。

石墨反射層2為環形，活性區1設置在石墨反射層2的環形區內，石墨反射層2的層內設置有用於放置吸收體的金屬輸送裝置5。金屬輸送裝置5可以為金屬導管等具有輸送存儲功能的裝置。

金屬輸送裝置5為2個或以上，2個或以上所述的金屬輸送裝置5均勻分布在石墨反射層2內。

還包括設置在石墨反射層2外的壓力容器4，壓力容器4和石墨反射層2之間還設置有隔熱氣腔3。隔熱氣腔3用於減少處於高溫狀態的石墨反射層2向壓力容器4傳熱。

如圖1所示，正常運行工況下，活性區1為高放射性、高溫液態燃料，金屬裝置5需要，布置在靠近活性區1的石墨反射層2中。隔熱氣腔3用於減少高溫狀態下的石墨反射層2向壓力容器4的傳熱。在滿足石墨反射層2布置及結構設計條件下，儘量縮短金屬裝置5與活性區1的距離，並增加金屬裝置5的流通面積，從而提高反應性控制能力。本實施例採用的低熔點合金為「銦鎘合金」，該合金中子吸收截面大，熔點約為300℃。在熔鹽堆冷停堆或常溫下，充滿金屬裝置5的吸收體為固態，控制系統迴路壓力略高於大氣壓。

實施例2

如圖2所示，一種熔鹽堆停堆系統，包括如前所述的熔鹽堆堆芯、壓差調節系統、存貯罐7，所述存貯罐7用於存儲因壓差變化從金屬輸送裝置5中溢出的吸收體，熔鹽堆堆芯的金屬輸送裝置5、壓差調節系統、存貯罐7三者相連通。

金屬輸送裝置5、壓差調節系統、存貯罐7三者數量一一對應。根據熔鹽堆後備反應性控制要求，可設置多個相互獨立的低熔點合金反應性控制系統，採用與固體控制棒類似的分組控制策略。

通過壓差調節系統改變密閉迴路中的氣體壓力，來提升或降低吸收體在金屬輸送裝置5內的高度，從而向堆芯引入負或正反應性，完成反應堆啟停、功率調節、燃耗補償、快速停堆等反應性控制功能。

在事故工況下，可以靠內部儲存的氣體壓力，快速將吸收體液態注入金屬輸送裝置5，向堆芯引入較大負反應性，實現緊急停堆。

壓差調節系統包括氣管6、單向減壓閥9、貯氣罐8、洩壓罐11、外部氣源13，所述氣管6的一端和金屬輸送裝置5相連，氣管6的另一端和單向減壓閥9相連，貯氣罐8的一端和存貯罐7相連通，貯氣罐8的另一端和單向減壓閥9相連，單向減壓閥9和洩壓罐11相連，洩壓罐11和外部氣源13相連。

還包括電控閥10和氣源閥12，所述電控閥10設置在洩壓罐11和單向減壓閥9之間，氣源閥12設置在外部氣源13和洩壓罐11之間。

在熔鹽堆一迴路裝入熔鹽燃料或進行熔鹽燃料加熱之前，將控制系統迴路壓力提升至備用壓力~2.0MPa。在熔鹽堆啟堆過程中，首先利用外部氣源13向控制系統迴路注入氣體，依靠單向減壓閥9，貯氣罐8與氣管6之間出現壓差，將金屬裝置5內的液態低熔點合金逐步移出，回流至堆芯頂部存貯罐7，向堆芯引入正反應性。然後，關閉電控閥10，利用氣源閥12將洩壓罐11內的壓力降至備用壓力。此時，若再次打開電控閥10，控制系統迴路洩壓，依靠單向減壓閥9，貯氣罐8與氣管6之間出現壓差，能夠將低熔點合金存貯罐7內的液態合金，重新注入金屬裝置5，向堆芯引入負反應性。

功率調節及燃耗反應性補償過程中，利用外部氣源13提升或降低控制系統迴路壓力，移出或注入金屬裝置5內的液態吸收體，向堆芯引入所需反應性。關閉控制系統電控閥10，利用氣源閥12將洩壓罐11內的壓力降至備用壓力。

若需要快速停堆，打開所有控制系統迴路電控閥10進行快速洩壓，貯氣罐8與氣管6出現較大壓差，將存貯罐7的液態合金快速注入導管5，向堆芯引入較大負反應性，實現快速停堆。

因此，本實用新型還可以涉及一種熔鹽堆反應性控制方法。該方法的目的在於將熔鹽堆的反應性依據需要控制成正反應性或者負反應性。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，並不用於限定本實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。