[发明专利]熔盐反应堆

说明书

技术领域

本公开内容涉及核反应堆，并且更具体地涉及熔盐反应堆。

背景技术

由于热谱熔盐反应堆的许多安全益处——被动停堆能力、低压管道、 负空泡和温度系数、和化学稳定的冷却剂——以及其对广泛的功率输出的 可扩展性，其已经引起核工程界的兴趣很长时间。其最初在20世纪50、 60和70年代在橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory， ORNL)被开发出来，并且工作版本显示出如所设计地运行[1]。

这些设计的早期工作大部分集中于构件寿命——尤其是集中于开发 能够在腐蚀性的放射性盐环境中保持其机械完整性和材料完整性的合金。 20世纪60年代和70年代在ORNL进行多年的实验测试表明，改性哈斯 特洛伊合金-N(Hastelloy-N)拥有在熔盐反应堆中长期使用所必需的化学 稳定性和辐射稳定性。尽管取得了这一进展，但是美国仍然专注于用于商 业用途的轻水反应堆，这主要是由于对船用水冷反应堆丰富的以往经验。 20世纪90年代钍的提倡者和对小模块反应堆的增加的需求推动了对熔盐 堆的重新审视。在2002年，涉及多国的第四代国际论坛(GenerationIV InternationalForum，GIF)评议了约100个最新的反应堆概念，并且“由 于在可持续性、经济性、安全性、可靠性和抗扩散性 (proliferation-resistance)方面的进展”，选择熔盐反应堆作为最可能影 响核能未来的六种先进反应堆类型之一[2]。

发明内容

一种先进的熔盐反应堆，其产生清洁、被动安全，抗扩散且低成本的 核能。该反应堆可以消耗商业轻水反应堆产生的乏核燃料(SNF)或者使 用浓缩水平低至1.8％U-235的新开采的铀。其实现了高至96％的锕系元 素燃耗，并且每吨所开采的铀可产生高至为轻水反应堆的75倍的电力。

第一商业设备的关键特性如下：

TransatomicPower大大地改进了熔盐的概念，同时保留了其重要的 安全益处。我们做出的主要技术改变是将之前没有在熔盐反应堆中一起使 用的减速剂和燃料盐——氢化锆减速剂与LiF-(重金属)F₄燃料盐——组 合起来。这些组分共同产生这样的中子谱：其允许反应堆使用浓缩水平低 至1.8％U-235的新铀燃料或者使用乏核燃料(SNF)的全部锕系组分来 运行。之前的熔盐反应堆如ORNL熔盐反应堆实验(MSRE)依赖于具 有33％U-235的高浓缩铀[1]。商业核电站中不再允许这样高的浓缩。

TransatomicPower的设计还能够在长时间段中实现极高的燃耗—— 高至96％。因此，该反应堆可以运行数十年并且缓慢消耗其初始燃料负 荷中的锕系废物。此外，我们的中子谱主要保持在现有商业反应堆使用的 热范围中。因此，我们避免了快堆所面临的较为严重的辐射损伤效应，原 因是热中子对结构材料的损伤相对较少。

一些放射性物质释放中子。当中子以正确的速度撞击可裂变原子如 U-235时，原子可经历“裂变”或碎裂为小块(其被称为裂变产物)，并且 产生自由中子。裂变破坏了原子核中质子与中子之间的结合，并因此由相 对少量的燃料释放出大量的能量。这些能量大部分呈热的形式，然后其可 以转化为电力或直接用作工艺热。

大部分中子运动太快而不能引起裂变。在典型的核反应堆中，燃料放 置在减速剂附近。当中子碰撞减速剂时，中子的速度减慢，这使得其更可 能引起铀中的裂变。如果自由中子的平均数随时间保持不变，则该过程是 自持的并且反应堆被称为临界的。

尽管使用了词语临界，但是在核电站中并没有原子爆炸的可能。民用 核反应堆中使用的燃料具有低浓缩水平，该水平根本不能实现原子爆炸所 需的链式反应。核能中的主要问题是避免可能使得放射性物质释放到站外 并影响公众健康的蒸汽爆炸、火灾或安全壳破裂(containmentbreach)。

轻水核反应堆——现今使用的最普遍的反应堆类型——以填充有固 体氧化铀粒料的棒为燃料。该燃料棒浸没在水中。水是使中子减慢至正确 速度以诱发铀中的裂变从而加热所述棒的减速剂。水还将热从所述棒带走 并带到蒸汽涡轮系统中以发电。水的关键问题是如果反应堆的压力边界或 冷却发生故障则有蒸汽爆炸的风险。