[发明专利]可消除核裂变产物放射性的核反应堆系统

说明书

本发明提供一种核反应堆系统及其方法，所述核反应堆系统包括核反应堆容器(1)，所述核反应堆容器(1)是由快中子利用区域的第1容器(11)和热中子利用区域的第2容器(12)构成，所述第1容器内设置多个金属燃料集合体(22)和一次冷却剂液态金属，第2容器内装填二次冷却剂兼中子减速剂和消除MA放射性用集合体或者消除FP放射性用集合体，快中子一次冷却剂的热能通过热交换器(7)与二次冷却剂进行热交换，并供给到涡轮系统发电，同时，通过使用快中子减速生成的热中子，加速放射性核素向稳定核素的转换，降低放射性核素浓度，以确保在深层稳定的地层中处理核反应堆产生的高放射性废弃物，而不对人类的生活环境产生重大影响。

技术领域

本发明涉及一种核反应堆系统，更具体地涉及一种发电同时，促进放射性核裂变产物等长寿命放射性元素向稳定元素的转换，加快相对短寿命的放射性同位素衰变速率的核反应堆容器、核反应堆系统及其方法。

背景技术

1、核反应堆冷却系统

目前，正在建造的核反应堆大致分为利用快中子的快中子反应堆和利用热中子的热中子反应堆。快中子反应堆，大多使用铀(U)和/或钚(Pu)作为燃料，金属钠(Na)作为一次冷却剂。发电系统以前使用的是蒸汽轮机，这里需要的是金属钠(Na)和水(H₂O)的热交换器，金属钠(Na)和水(H₂O)一旦接触反应，就会产生爆炸性氢气的问题。考虑到金属钠(Na)和水(H₂O)之间反应的危险性，过去并没有建设许多高速反应堆。不使用金属钠(Na)和水(H₂O)组合作为冷却系统，有以下几种方法。

首先，使用金属钠(Na)作为一次冷却剂，但是二次冷却剂不使用水(H₂O)。二次冷却剂最有希望的候选者是二氧化碳(CO₂)气体。虽然关于超临界二氧化碳气体在涡轮机上的应用已经被研究开发，但目前正处于实机生产的开始阶段，因此制造10MW以下的超临界二氧化碳气体燃气轮机成为可能。专利文献1中公开了使用金属钠(Na)作为一次冷却剂，超临界二氧化碳气体作为二次冷却剂的小型核能发电系统。但是，因为反应空系数为正且不透明，所以存在燃料交换时维护困难的问题。

另一种方法是，当使用水(H₂O)作为二次冷却剂时，仅使用Pb-Bi或Pb作为一次冷却剂。Pb-Bi反应堆已在俄罗斯研究开发，使用的是Pb-Bi共晶合金(Pb45％-Bi55％)。另外还有使用Sn的方法。这里，我们以Pb-Bi为对象，对其有效性进行说明。

Pb-Bi作为冷却剂有如下优点。

(1)不需要中间冷却系统，因为重金属和水和空气反应性低，因此不需要由于冷却剂泄漏燃烧而引起的防火设备。

(2)铅和铅铋的沸点分别为1737℃和1670℃，比钠高，因此可以利用该冷却剂的高沸点获得高安全性。

(3)与钠相比，Pb-Bi的中子吸收截面小，散射截面大，因此可以预期优异的增殖性能和少数锕系元素(MA)的燃烧。

(4)由于冷却剂密度几乎和混合氧化物燃料(MOX燃料)相同，假如燃料熔化，则很难沉积在反应堆容器的底部，因此通过回避再临界逻辑控制对堆芯设计的影响比钠小。

(5)此外，在Pu-U-Zr3元合金金属燃料中，由中子辐照生成的稀有气体成分在金属组织内均匀分布。因此，与不产生稀有气体成分的情况相比，金属热膨胀量增加了三个数量级以上(非专利文献1)。从该结果来看，我们可以预测与MOX燃料相同，即使是三元合金金属燃料也会产生金属燃料比重小于冷却剂的现象。

Pb-Bi作为冷却剂有如下缺点。

(1)由于重金属具有高度腐蚀性，因此结构材料的选择范围很窄。

(2)由于Pb-Bi具有比钠更高的比重，在相同流速下更容易对结构材料产生腐蚀。因此，对线性流速的限制非常严格，且设计的自由度降低。