[发明专利]模块化熔盐堆堆芯及熔盐堆

说明书

本发明公开了一种模块化熔盐堆堆芯及熔盐堆，模块化熔盐堆堆芯包括石墨基体，所述石墨基体内开设有多个燃料孔道和多个冷却孔道，所述燃料孔道用于容纳燃料，所述冷却孔道用于容纳冷却剂，任一所述燃料孔道与任一所述冷却孔道互不连通，所述冷却孔道连通至堆芯外部。本发明的模块化熔盐堆堆芯只包含石墨、耐高温的冷却剂以及耐高温的燃料，反应堆平均温度可设置在1000℃左右，远高于一般熔盐堆设计，反应堆产生的热可应用于高温制氢等热应用行业。

技术领域

本发明涉及核反应堆，特别涉及一种模块化熔盐堆堆芯及熔盐堆。

背景技术

熔盐堆是六种第四代反应堆候选堆型中唯一使用液态燃料的反应堆，在固有安全性、经济性、防核扩散和核燃料可持续发展等方面具有其独特优势。熔盐堆的燃料选择较为灵活，可采用固态燃料，也可采用液态燃料。固态燃料一般采用高温气冷堆所采用的TRISO(Tri-structural ISOtropic)包覆燃料颗粒的球形燃料元件，而液态燃料则通常为氟盐或氯盐作为载体盐的熔融燃料盐。两种类型的燃料盐均有良好的高温和辐照性能。

石墨具有良好的慢化性能和化学稳定性，这使得其成为第四代反应堆(如HTGR、FHR以及MSR)慢化剂和反射层的强有力的候选材料之一。此外，石墨还具有耐高温，耐腐蚀，导热性能好、热膨胀系数低以及中子活化度低等物理化学性能优势。这使得其在容器以及换热器选材上也有很大的优势。用石墨材料制成的合成炉、反应釜等已经用于盐酸、氯化聚醚生产工艺上。此外，石墨换热器工艺也很成熟，有块孔式﹑管壳式和板式3种类型，被广泛应用于氯碱化工、石油化工等生产行业。

自熔盐堆概念诞生以来，世界上熔盐堆及熔盐堆概念设计研究主要为：美国橡树岭国家实验室的熔盐堆实验MSRE(Molten Salt Reactor Experiment)以及熔盐增殖堆MSBR(Molten Salt Breeder Reactor)，法国国家科学研究院的无慢化熔盐快堆MSFR(Molten Salt Fast Reactor)，日本的FUJI系列熔盐堆以及俄国的熔盐嬗变堆MOSART。上述堆型的慢化剂或反射层均采用石墨。

其中，熔盐堆实验MSRE是唯一建成并运行的采用石墨为慢化剂的熔盐堆。慢化剂栅元为侧面开凹槽，横截面近似为正方形的四棱柱。相邻慢化剂的凹槽拼合在一起形成熔盐流道，供燃料盐流动并带出热量。慢化剂栅元下端插入打孔的栅格板中固定其位置，排布成近似圆形的堆芯。由于堆芯有合金构件，其入口温度和出口温度分别为621℃以及649℃。

热堆的典型堆型为MSBR，采用FLiBe熔盐作为载体盐，石墨作为慢化剂和反射层，堆芯入口温度约560℃，出口温度约700℃，热功率为2250MW。据评估，MSBR具有正的温度反应性系数，对反应堆的安全性有严重影响，且其堆芯石墨需以四年为周期进行更换，这使得反应堆的成本也较高。MSBR设计目标为增殖堆，其主回路换热器材料为哈氏合金，其在温度上的限制也使其在热应用领域方面的应用受限。

快堆的典型代表MSFR是法国国家科学研究院CNRS提出的无石墨慢化的熔盐堆快堆概念。同样由于堆芯内合金构件和主回路合金换热器温度限制，其堆芯温度也只设计在600℃左右，在热应用上没有优势。

此外，2011年1月，中国科学院启动战略性先导科技专项——钍基熔盐堆核能系统(TMSR)，致力于实现基于熔盐堆的钍资源高效利用和核能综合利用。熔盐堆概念的起源地，以及世界上第一个石墨慢化熔盐实验堆的诞生地——美国，也于2018年宣布将重启熔盐堆的研发。熔盐堆的研究和开发，正向着多用途、灵活以及模块化生产等方向发展。尤其是在热应用方面，针对供暖、供热水的小型熔盐堆设计概念已被国内核能研究机构广泛提出。