[发明专利]熔盐贫铀堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种核能装置，尤其是能安全运行和核燃料自增殖且自足的熔盐堆。

背景技术

目前，世界上运行的反应堆，如热中子堆、钠冷快堆等，都存在发生超临界事故的风险，另外热中子堆类的铀资源利用率很低，钠冷快堆的钠化学活性也带来很多问题和困难。核临界安全问题和铀资源利用率问题，是当前世界面临的反应堆难题。

熔盐堆是指主冷却剂是熔盐的反应堆，核燃料可以是固体型的固体燃料元件组件，也可以是熔盐型的熔融在熔盐冷却剂中。熔盐堆以氟化钍热中子熔盐堆为代表。熔盐堆的主容器内有熔盐核燃料、熔盐冷却剂、熔盐增殖材料等。主容器可以有不同的形状和结构，一般分为燃烧区和增殖区，并分别对应有不同类型的熔盐。冷却方式有内冷和外冷型。以实现不同的功用。

普通熔盐堆的优点：

堆芯结构简单，没有控制棒及其相关系统、燃料元件装卸机制、燃料元件组件及相关结构；不用燃料包壳和结构材料能显著地改善反应堆的中子经济性；

在近大气压下运行，不需要轻水堆的厚壁压力容器，除去主容器内部的加压和压力相关部件，减少主容器故障的风险；

设计有很强的反应性负温度和空泡系数，增加了安全性；

运行控制非常简单，而且可以自动地负荷跟踪。如果想停堆，断开发动机开关即可。

熔盐是极好的冷却剂，高温性能优越，低温凝固，性能稳定，同体积热容量比加压水高25％，几乎是液态钠的5倍。

燃料的流体性表明不存在堆芯熔化事故。流体燃料可实现管道泵出泵入传输容易。紧急情况下，燃料盐自动排入非能动冷却、临界安全的燃料储罐内。

熔盐堆中的易裂变材料浓度很容易连续调整，许多裂变产物很快形成稳定的氟或氯化物，在任何泄漏或事故期间会停留在凝固的盐内，其它挥发性或不能熔解的裂变产物可非能动、连续地排出。

普通熔盐堆的主要缺点：

熔盐的热传导性能不如钠等液体金属的；

熔盐的高熔点(～560℃)使得在许多地方必须预热和保温；

熔盐的高熔点限制其通过热交换器的时间，以减少盐的凝固，因此必须增加质量流速；

熔盐中裂变产物的存在，有腐蚀作用，要求高标准的系统可靠性和密封性；

腐蚀和高温限制结构材料的选择范围。

发明内容

为了克服现有的热中子堆和钠冷快堆等都存在发生超临界事故的风险，热中子堆类的铀资源利用率很低，钠冷快堆的钠化学活性也带来很多困难的不足，本发明提供一种反应堆，熔盐贫铀堆，该反应堆不仅能彻底消除发生超临界事故的风险，而且能大幅度提高铀资源的利用率，实现高燃耗。

熔盐贫铀堆是用熔盐作为主冷却剂启动后只用其自增殖的核燃料实现长期安全稳定运行的反应堆；其核燃料包括固体型和熔盐型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

熔盐贫铀堆，采用快中子谱、氯化物熔盐、铀钚循环、贫铀或天然铀。也可采用钍铀循环。按工作温度不同可分为低温，约600℃；中温，约800℃和高温型，约1000℃。按主容器形状分为球形和圆柱形。按应用目标不同，分为简化型和普通型两种。简化型主要用于供暖和工艺高温供热，普通型主要供电，也都可热电联供。小型堆也可用于直接提供机械动力。

在低温、中温和高温工作条件下，从发表的反应堆结构材料实验结果中，都已找到与所用的熔盐核燃料、熔盐冷却剂或气体冷却剂相容或耐腐蚀的材料，且可供选择的材料较多。UCl₃+PuCl₃+NaCl熔盐，能确定满足需要的合适的配方，技术可行，其性能可满足实际运行的要求。堆芯外系统的技术，整体上都较为成熟。实验堆优选系统为：简化低温IV型+316不锈钢主容器+氮气冷却剂+318不锈钢管道泵热交换器等。普通堆优选为：高温熔盐型+TZM主容器一回路管道主泵热交换器+氮气冷却剂+TZM管道闭布雷顿动力循环气轮发电机组。最有开发应用价值的是主容器已申请发明专利的简化IV型。

物理分析和理论计算及实验验证的技术结果都表明，熔盐贫铀堆从科学原理和工作原理上、技术工艺上、设计研发上、系统整体上、工程建设上和规模产业化上都是可行的。

一、熔盐贫铀堆特点

熔盐贫铀堆除了自身具有的突出优点外，还具有普通熔盐堆的优点，也有普通熔盐堆的一些不利因素。但这些不利因素对其商业价值的作用和影响不大。

1.熔盐贫铀堆的突出优点：

不会发生超临界事故或瞬发临界，能确保核临界安全；