[发明专利]一种可实现临界及次临界运行实验的液态金属冷却反应堆实验系统

说明书

技术领域

本发明属于反应堆实验系统设计技术领域，具体设计一种可实现临界及次临界运行实验的液态重金属自然循环冷却反应堆实验系统。

背景技术

液态金属冷却反应堆结构简单，所有冷却剂均在一个容器内，避免发生一回路冷却剂丧失(LOCA)事故，可以有效提高反应堆的安全性，是先进反应堆的重要候选堆型。在国际原子能机构(IAEA)发布的六种第四代核能系统中，钠冷快堆和铅冷快堆均属于液态金属冷却反应堆。在加速器驱动次临界反应堆(ADS)设计中，也采用液态金属冷却反应堆。

液态金属冷却反应堆实验系统是液态金属冷却反应堆技术发展的必要系统设备。尤其对于尚处于概念研究阶段的铅冷快堆和加速器驱动次临界堆的研究来说意义更加重大。通过反应堆实验系统，可以验证新型反应堆的中子学、热工水力学和安全特性，可以考验新型反应堆所需的燃料和材料性能，可以积累反应堆的设计、建造和运行经验。

液态金属冷却反应堆根据运行模式可分为临界反应堆和次临界反应堆，按照常规设计方案，针对不同运行模式的反应堆，需要分别建造临界反应堆实验系统和次临界反应堆实验系统和次临界反应堆实验系统。反应堆实验系统根据功率水平，可分为冷态零功率实验装置热态功率运行试验装置。

中国原子能科学研究院为发展临界快堆技术建造的一座零功率临界装置(东风6)，为发展加速器驱动次临界堆技术建造的一座零功率次临界装置(启明星)和比利时SCK·CEN研究机构为发展加速器驱动次临界装置建造的一座零功率次临界装置(GUINEVERE)均属于冷态零功率实验装置。比利时SCK·CEN研究机构为发展ADS技术设计的100MW反应堆MYRRHA和意大利ENEA研究机构为发展ADS技术设计的80MW-XADS属于液态功率运行试验装置，反应堆只能进行次临界运行试验。

要在同一个反应堆系统实现临界运行实验和次临界运行实验，需解决好系统的改造问题，以满足不同的运行条件要求。在现有的运行的反应堆系统，如压水堆和钠冷快堆，由于特殊运行条件的限制，对堆芯及反应堆系统的改造难度非常大。压水堆运行时是高压环境，压力容器密封性和完整性要求非常高，不适合改造成从外界引入中子源的次临界系统。钠冷快堆运行时有密封要求，防止液态钠与空气接触产生钠火，同样不适合改造成从外界引入中子源的次临界系统。

液态重金属的密度比一般燃料组件的密度高，燃料组件在堆内需要采用机械固定的方式，以避免燃料组件上浮带来的问题。而机械固定的方式在高温液态重金属环境下可能会由于辐照及腐蚀等问题而失效。利用增加高密度配重材料使组件的宏观密度大于冷却剂密度可实现固有安全。

不同运行模式的反应堆由于堆芯布置不同，堆芯功率密度差异大，很难实现合适的流量分配，堆芯出口温度不均匀效应明显，可能会导致某些组件过热而带来的安全问题。利用液态重金属的密度差带来的流量分配自调节效应可实现不同组件间按实际情况分配流量。

2011年中国科院启动了中国科学院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”，计划通过三个阶段的实施，分别完成ADS研究装置、ADS实验装置和ADS示范装置的建造于实验研究，到2030年后建成ADS嬗变工业示范系统，掌握核废料嬗变处理的关键技术，使我国在先进核能领域的自主创新能力进入世界领先行列。本发明所涉及的一种可实现临界及次临界运行实验的液态金属冷却反应堆实验系统可开展ADS系统及铅冷快堆技术实验，为ADS技术研究和我国液态金属冷却快堆研究提供重要平台。

发明内容

本发明克服的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种可实现临界及次临界运行实验的液态金属冷却反应堆实验系统，可在同一套实验系统上进行临界运行实验和次临界运行实验，当进行临界运行实验时，中子源采用锎-252或Be-Am同位素中子源，反应堆可进行临界运行实验；当进行次临界运行实验时，中子源采用散裂中子源，根据散裂中子源的实际需要将堆芯中部的同位素中子源和燃料组件替换成加速器中子源，反应堆可进行次临界运行实验。该反应堆实验系统可通过更换不同的中子源实现临界运行和次临界运行，提高了反应堆的可用性，降低了实验成本，具备多功能反应堆实现系统特性。