[发明专利]提高均匀性水溶液核反应堆额定稳态运行功率的方法

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆的设计方法，具体地说是提高均匀性水溶液核反应堆额定稳态运行功率的方法。

背景技术

目前的均匀性水溶液核反应堆，主要用途之一是用于生产医用同位素。均匀性水溶液核反应堆，以UO₂SO₄溶液或UO₂(NO₃)₂溶液为核燃料，其稳态运行功率都较低。作为研究用的均匀性水溶液核反应堆，主要利用UO₂SO₄溶液作核燃料，稳态运行功率为50kW的较多，最高设计稳态运行功率为100kW，但没有实现长期稳态运行。以UO₂(NO₃)₂溶液作核燃料的均匀性水溶液核反应堆，额定稳态运行功率为25kW，最高运行功率达45kW，并实现了短期稳态运行。

为了减小均匀性水溶液核反应堆的临界质量，一般采用球形堆芯，或采用堆芯直径与高度之比大于0.7的小直径堆芯，致使堆芯燃料溶液体积小(11.5L-26L)，燃料溶液表面积一般小于0.1m²，如果反应堆功率要从50kW提高到200kW以上，则体积比功率将增加约4倍(从约2.0kW/L增加到约8.0kW/L)，燃料溶液的空泡系数也将增加4倍(从约1.5％增加到约6.0％)，燃料溶液表面的气体释放率也将增加4倍(从约4.0L/m²·s增加到约20L/m²·s)。

均匀性水溶液核反应堆体积小，体积比功率高(从约2.0kW/L到约4.4kW/L)，燃料溶液中辐射分解产生的H₂O₂浓度高，当没有金属离子催化时，均匀性水溶液堆运行时不产生UO₄沉淀(由H₂O₂与UO₂⁺²反应生成的微溶性氧化物)的最大体积比功率约为0.4kW/L，要使体积比功率提高到4.4KW/L，必须在燃料溶液中加入相当量的金属离子(如Cu⁺²，Ru⁺⁴等)，如果不增加均匀性水溶液堆的体积，而要进一步增加反应堆的稳态运行功率，则反应堆的体积比功率将更高，燃料溶液中的H₂O₂浓度也将更高，要确保不产生UO₄沉淀势必更难；另外燃料溶液中的自由HNO₃，在辐射作用下，要分解生成N₂和O₂，使燃料溶液的酸度下降。燃料溶液中的HNO₃分解速度与燃料溶液的功率成正比(2.5mL/kW·min)，当燃料溶液体积小，体积比功率高时，辐射分解将导致燃料溶液中的自由HNO₃浓度迅速下降，当自由HNO₃浓度低于0.001mol/L时，UO₂⁺²离子将水解沉淀，破坏燃料溶液的均匀稳定性。

均匀性水溶液核反应堆运行时，辐射分解产生的H₂气量与反应堆运行功率成正比，当反应堆运行功率为200kW时，反应堆燃料溶液中辐射分解产生的H₂气量将大约为1.0L/s，此H₂气将进入反应堆的气体回路，并通过气体回路中的氢氧复合器，使H₂气与O₂气复合产生水后再返回反应堆堆芯燃料溶液，保持反应堆堆芯燃料溶液的铀浓度不变，并避免气回路中的氢气浓度高于4％而发生氢气爆燃。要提高均匀性水溶液核反应堆的稳态运行功率，就必须增大反应堆气体回路的流量和反应堆气体回路中氢氧复合器复合H₂气的能力。

综上所述，目前的均匀性水溶液核反应堆存在以下缺陷：

1.由于堆芯高度与直径之比约为0.7-1.0，燃料溶液表面积小(0.05-0.10m²)，燃料溶液内的辐射分解气体(O₂气和H₂气)不易逸出，使反应堆燃料溶液的空泡系数大(1.5-3.0％)，辐射分解气体表面释放率高(4.5-7.8L/m²·s)，在更高功率运行时，产生大量辐射分解气体，使燃料溶液的空泡系数增大，燃料溶液表面气体释放率增大，大量辐射分解气体逸出燃料溶液表面而引起燃料溶液表面波动大，导致反应堆运行功率波动大，使反应堆难以实现稳态运行。