[发明专利]减轻核燃料损坏：核反应堆和/或事件或事故

说明书

组合物、制造和它们的制造和使用方法，其基本由具有大于或等于包含至少19.7％硼‑10同位素的硼的中子吸收截面的中子吸收剂和具有在海平面处在100℃的水的热导率的至少10％的热导率的热导体构成，它们组合以使所述粒子具有至少0.9982g/mL和最多2.0g/ml的密度。可以安置所述组合物以响应正常热阱丧失事件和/或正常冷却剂丧失事件以足以缓解正常热阱丧失事件和/或正常冷却剂丧失事件的量释放。

交叉引用

本申请要求2017年3月28日提交的美国临时专利申请No.62/478,024的权益和优先权，其全文经此引用并入本文。本申请还要求PCT/US2018/024612和PCT/US2018/024682和PCT/US2018/034964的权益和优先权，并经此引用并入本文。

背景

核反应堆如今在全球广泛使用并执行各种功能，包括产生电力、用于加热和工业过程、研究和开发的热能、生产工业放射性核素和推进船舶和航天器。在所有这些功能中，核安全是主要的设计和操作重点。核安全当然提出重要的技术问题。这包括确保作为核裂变的副产物并通过元素暴露于中子流生成的放射性核素不释放到环境中。这又包括通过确保持续存在合适的热阱并且适当地机械支撑燃料来保护燃料。涉及操作这些反应堆的当代核反应堆的成本大多与防止热阱丧失和随后的燃料损坏有关。

核反应堆被设计为生成热能并经由冷却剂或传递介质将这种能量传送到用于产生有用功(例如电力)的装置和最终传送到热阱，如土地、水体、空气或太空。典型的核反应堆配置包含容纳其燃料的核反应堆堆芯，容纳堆芯并提供液压回路(其中循环冷却剂以传送用于做有用功的热能和传送到最终热阱)的反应堆容器和包围整个系统以在发生反应堆事故，包括冷却剂液压回路失效时封住放射性核素和冷却剂的安全壳。

在其堆芯中的核反应堆燃料与热阱之间的关系特别重要，因为这种联系的丧失可迅速造成高燃料温度并最终造成燃料和燃料组分的失效。与热阱的正常联系的这种丧失通常被称为冷却丧失和事故(loss of cool and accident)，LOCA。LOCA事件迅速造成燃料损坏。燃料的失效导致反应堆的昂贵受损，并可能将放射性核素释放到环境中。

不同于化石燃料供能的系统，核反应堆具有在核链式反应(例如裂变)停止后持续数年的在燃料中的放射性核素衰变热源。与热阱的联系的丧失或LOCA因此甚至在停堆后也造成燃料损坏。在日本福岛、美国三哩岛、俄罗斯切尔诺贝利和英格兰温茨凯尔(Windscale)的堆芯损坏事件是这种状况的很好的实例。许多人死于在努力对切尔诺贝利核事故或事件做出反应时的辐射暴露。

当今的系统依赖于液体冷却剂(通常水或钠)或气体冷却剂(如二氧化碳)。尽管这些冷却剂通常是将核反应堆燃料与热阱相连的有效传热机制，但它们需要大量支撑组件，如管道、泵、阀等，和辅助动力(即电力或蒸汽)以支持这些组件泵送冷却剂、操纵阀和相关的仪器。这些支撑组件和辅助动力源容易失效，以造成冷却剂丧失和燃料与反应堆热阱失去连接。

冷却剂系统失效可以是外力，如地震活动或恐怖活动的结果，或它们可以是设计或制造缺陷的结果，以造成液压系统的结构故障或阻碍冷却剂流过液压回路的电气或控制故障。在任一情况下，结果相同：核燃料与热阱断开连接，因此其温度急剧升高到燃料降解和失效的点，以致放射性核素释放到环境中。

当今的核反应堆使用各种安全系统，它们专门设计为保护反应堆冷却剂系统和使用辅助冷却和多个辅助动力源提供纵深防御策略。这些多级备用设备显著提高核反应堆建设的成本，并且仍然发生涉及燃料损坏额反应堆事故。

从福岛、三哩岛、切尔诺贝利和温茨凯尔事故显而易见，需要开发备用燃料-热阱热联系的替代形式。相关地，需要缓解正常热阱丧失事件和/或正常冷却剂丧失事件的替代方式。

概述