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      熔鹽反應(yīng)堆的制作方法

      文檔序號:9916680閱讀:1394來源:國知局
      熔鹽反應(yīng)堆的制作方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001 ]本公開內(nèi)容設(shè)及核反應(yīng)堆,并且更具體地設(shè)及烙鹽反應(yīng)堆。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 由于熱譜烙鹽反應(yīng)堆的許多安全益處一一被動停堆能力、低壓管道、負(fù)空泡和溫 度系數(shù)、和化學(xué)穩(wěn)定的冷卻劑一一W及其對廣泛的功率輸出的可擴(kuò)展性,其已經(jīng)引起核工 程界的興趣很長時間。其最初在20世紀(jì)50、60和70年代在橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laborato巧,ORNL)被開發(fā)出來,并且工作版本顯示出如所設(shè)計地運(yùn)行[1 ]。
      [0003] 運(yùn)些設(shè)計的早期工作大部分集中于構(gòu)件壽命一一尤其是集中于開發(fā)能夠在腐蝕 性的放射性鹽環(huán)境中保持其機(jī)械完整性和材料完整性的合金。20世紀(jì)60年代和70年代在 OR化進(jìn)行多年的實驗測試表明,改性哈斯特洛伊合金-N化astelloy-N)擁有在烙鹽反應(yīng)堆 中長期使用所必需的化學(xué)穩(wěn)定性和福射穩(wěn)定性。盡管取得了運(yùn)一進(jìn)展,但是美國仍然專注 于用于商業(yè)用途的輕水反應(yīng)堆,運(yùn)主要是由于對船用水冷反應(yīng)堆豐富的W往經(jīng)驗。20世紀(jì) 90年代社的提倡者和對小模塊反應(yīng)堆的增加的需求推動了對烙鹽堆的重新審視。在2002 年,設(shè)及多國的第四代國際論壇(Generation IV International Forum,GIF)評議了約100 個最新的反應(yīng)堆概念,并且"由于在可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和抗擴(kuò)散性 (prol if erat ion-resistance)方面的進(jìn)展",選擇烙鹽反應(yīng)堆作為最可能影響核能未來的 六種先進(jìn)反應(yīng)堆類型之一 [2]。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004] 一種先進(jìn)的烙鹽反應(yīng)堆,其產(chǎn)生清潔、被動安全,抗擴(kuò)散且低成本的核能。該反應(yīng) 堆可W消耗商業(yè)輕水反應(yīng)堆產(chǎn)生的乏核燃料(SNF)或者使用濃縮水平低至1.8%U-235的新 開采的軸。其實現(xiàn)了高至96%的澗系元素燃耗,并且每噸所開采的軸可產(chǎn)生高至為輕水反 應(yīng)堆的75倍的電力。
      [0005] 第一商業(yè)設(shè)備的關(guān)鍵特性如下:
      [0006]
      [0007] Transatomic Power大大地改進(jìn)了烙鹽的概念,同時保留了其重要的安全益處。我 們做出的主要技術(shù)改變是將之前沒有在烙鹽反應(yīng)堆中一起使用的減速劑和燃料鹽一一氨 化錯減速劑與LiF-(重金屬)F4燃料鹽一一組合起來。運(yùn)些組分共同產(chǎn)生運(yùn)樣的中子譜:其 允許反應(yīng)堆使用濃縮水平低至1.8%U-235的新軸燃料或者使用乏核燃料(SNF)的全部澗系 組分來運(yùn)行。之前的烙鹽反應(yīng)堆如OR化烙鹽反應(yīng)堆實驗(MSRE)依賴于具有33%U-235的高 濃縮軸[1 ]。商業(yè)核電站中不再允許運(yùn)樣高的濃縮。
      [000引化ansatomic Power的設(shè)計還能夠在長時間段中實現(xiàn)極高的燃耗--高至96%。 因此,該反應(yīng)堆可W運(yùn)行數(shù)十年并且緩慢消耗其初始燃料負(fù)荷中的澗系廢物。此外,我們的 中子譜主要保持在現(xiàn)有商業(yè)反應(yīng)堆使用的熱范圍中。因此,我們避免了快堆所面臨的較為 嚴(yán)重的福射損傷效應(yīng),原因是熱中子對結(jié)構(gòu)材料的損傷相對較少。
      [0009] 一些放射性物質(zhì)釋放中子。當(dāng)中子W正確的速度撞擊可裂變原子如U-235時,原子 可經(jīng)歷"裂變"或碎裂為小塊(其被稱為裂變產(chǎn)物),并且產(chǎn)生自由中子。裂變破壞了原子核 中質(zhì)子與中子之間的結(jié)合,并因此由相對少量的燃料釋放出大量的能量。運(yùn)些能量大部分 呈熱的形式,然后其可W轉(zhuǎn)化為電力或直接用作工藝熱。
      [0010] 大部分中子運(yùn)動太快而不能引起裂變。在典型的核反應(yīng)堆中,燃料放置在減速劑 附近。當(dāng)中子碰撞減速劑時,中子的速度減慢,運(yùn)使得其更可能引起軸中的裂變。如果自由 中子的平均數(shù)隨時間保持不變,則該過程是自持的并且反應(yīng)堆被稱為臨界的。
      [0011] 盡管使用了詞語臨界,但是在核電站中并沒有原子爆炸的可能。民用核反應(yīng)堆中 使用的燃料具有低濃縮水平,該水平根本不能實現(xiàn)原子爆炸所需的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核能中的主 要問題是避免可能使得放射性物質(zhì)釋放到站外并影響公眾健康的蒸汽爆炸、火災(zāi)或安全殼 破裂(containment breach)。
      [0012] 輕水核反應(yīng)堆一-現(xiàn)今使用的最普遍的反應(yīng)堆類型一一W填充有固體氧化軸粒 料的棒為燃料。該燃料棒浸沒在水中。水是使中子減慢至正確速度W誘發(fā)軸中的裂變從而 加熱所述棒的減速劑。水還將熱從所述棒帶走并帶到蒸汽滿輪系統(tǒng)中W發(fā)電。水的關(guān)鍵問 題是如果反應(yīng)堆的壓力邊界或冷卻發(fā)生故障則有蒸汽爆炸的風(fēng)險。
      [0013] 在烙鹽反應(yīng)堆中,將放射性燃料如軸或社溶解于氣化物鹽或氯化物鹽中W形成被 稱為"燃料鹽"的溶液。燃料鹽通常是靜止的固體材料,但是當(dāng)加熱至高于約50(TC時,其變 成流動的液體。因此,將熱從反應(yīng)堆帶出來的是液態(tài)燃料鹽而不是水。該設(shè)備可W利用在環(huán) 境溫度下恢復(fù)固態(tài)形式的冷卻劑在大氣壓附近運(yùn)行。運(yùn)一特征簡化了設(shè)備并且確保了對公 眾更大的安全性。
      [0014] 盡管當(dāng)很多人聽到鹽時他們想到鋼,但是烙鹽反應(yīng)堆與鋼快堆有很大不同。那些 反應(yīng)堆使用的鋼金屬可釋放在空氣或水的存在下可燃的氨副產(chǎn)物。我們的氣化物鹽消除了 運(yùn)種火災(zāi)風(fēng)險,同時還簡化了設(shè)備設(shè)計并提高了設(shè)備設(shè)計的安全性。
      [0015] 我們的反應(yīng)堆的一種版本還可W使用社燃料運(yùn)行。由于社的一般較短壽命的廢物 W及較高的潛在燃耗,所W社作為核燃料具有特別優(yōu)勢。TAP反應(yīng)堆也可W由具有現(xiàn)有工業(yè) 基礎(chǔ)的軸實現(xiàn)相同的益處。使用軸還讓我們建立了運(yùn)樣的反應(yīng)堆:其可W緩慢消耗世界上 現(xiàn)有的乏核燃料儲備料W及潛在的壞儲備料,從而給社會提供很大益處。
      [0016] 下面的附圖和說明書中陳述了本發(fā)明的一個或更多個實施方案的細(xì)節(jié)。從說明書 和附圖中W及從權(quán)利要求中,其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。
      【附圖說明】
      [0017] 圖1是TAP反應(yīng)堆的示意圖,示出了反應(yīng)堆容器、主回路、中間回路和排放罐。
      [0018] 圖2是經(jīng)簡化的反應(yīng)堆示意圖,示出了主回路、中間回路、排放罐和裂變氣體處理 系統(tǒng)的出口。
      [0019] 圖3示出了輕水反應(yīng)堆的固體燃料細(xì)棒由中屯、到邊緣的溫度分布圖。
      [0020] 圖4示出了 LWR和TAP反應(yīng)堆中的衰變熱密度。
      [0021] 圖5是具有25MW冷卻的輔助罐中燃料鹽的冷卻曲線。
      [0022] 圖6比較了輕水反應(yīng)堆(LWR)和TAP反應(yīng)堆的溫度上升效應(yīng)。
      [0023] 圖7比較了經(jīng)氨化錯減速的TAP反應(yīng)堆、經(jīng)石墨減速的烙鹽反應(yīng)堆和快譜烙鹽反應(yīng) 堆中的中子譜。
      [0024] 圖化k較了在輕水反應(yīng)堆和TAP反應(yīng)堆中每公噸天然軸的發(fā)電量。
      [0025] 圖9比較了 TAP反應(yīng)堆中作為時間的函數(shù)的重要澗系元素的質(zhì)量百分比。
      [0026] 圖10繪制了不同減速劑和燃料鹽體積分?jǐn)?shù)的無限柵格的倍增因數(shù)。
      [0027] 圖11示出了濃縮(裂變濃度)對作為轉(zhuǎn)化率的函數(shù)的燃耗的影響。
      [0028] 圖12繪制了作為燃料鹽體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的轉(zhuǎn)化率。
      [0029] 圖13是雙區(qū)反應(yīng)堆堆忍的示意圖。
      [0030] 圖14是具有中屯、未減速區(qū)的雙區(qū)堆忍的示意圖。
      [0031] 圖15是具有兩個不同的燃料鹽與減速劑體積比的=區(qū)堆忍的示意圖。
      [0032] 圖16是具有S個不同的燃料鹽與減速劑體積比的S區(qū)堆忍的示意圖。
      [0033] 各附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的要素。
      【具體實施方式】
      [0034] 反應(yīng)堆描述和設(shè)計考慮
      [0035] 首先描述TAP反應(yīng)堆中在核島內(nèi)和鄰近核島的構(gòu)件并且討論設(shè)計考慮。示出了核 島的透視圖和示意圖,描述了液體燃料相比于固體燃料的益處,然后綜述了氨化錯減速劑、 腐蝕、反應(yīng)堆中子學(xué)和廢物流。
      [0036] 核島的透視圖和示意圖
      [0037] 圖1示出了位于結(jié)合有TAP反應(yīng)堆的520MWe核電站的混凝±核島結(jié)構(gòu)中的TAP反應(yīng) 堆的透視圖。圖2示意性地示出了相同的系統(tǒng)。
      [0038] 反應(yīng)堆的主回路包括反應(yīng)堆容器(包括氨化錯減速劑)、累和主換熱器。累使LiF-(重金屬)F4燃料鹽連續(xù)地循環(huán)通過主回路。累、容器、罐和管道由在烙鹽環(huán)境下高度耐福射 和腐蝕的改性哈斯特洛伊合金-N制成。在反應(yīng)堆容器中,在與氨化錯減速劑非常接近的地 方,燃料鹽為臨界配置并且穩(wěn)定地產(chǎn)生熱。
      [0039] 主回路中產(chǎn)生的熱通過換熱器轉(zhuǎn)移至填充有LiF-KF-化-F(FLi化K)烙鹽(不包含 放射性物質(zhì))的中間回路中。中間回路進(jìn)而將熱轉(zhuǎn)移至蒸汽發(fā)生器。因此,中間回路W物理 方式隔開了核物質(zhì)與蒸汽系統(tǒng),添加了防止放射性物質(zhì)釋放的額外保護(hù)層。
      [0040] 蒸汽發(fā)生器使用來自中間回路的熱將水煮沸為蒸汽,然后將蒸汽供給至容置有滿 輪的獨(dú)立室中。該反應(yīng)堆在高于常規(guī)反應(yīng)堆的溫度下運(yùn)行一-離開反應(yīng)堆堆忍的鹽為約 650°C,而輕水反應(yīng)堆中水的堆忍出口溫度僅為約330°C (對于壓水反應(yīng)堆)或290°C (對于沸 水反應(yīng)堆)。當(dāng)連接至標(biāo)準(zhǔn)蒸汽循環(huán)時,相比于典型輕水反應(yīng)堆中的34%,熱效率為44%。更 高的效率直接降低了成本,原因是其允許使用較小的滿輪一一滿輪是核電站的主要開支。
      [0041] 核島還包括裂變產(chǎn)物移除系統(tǒng)。大部分的裂變產(chǎn)物毒物通過排氣系統(tǒng)(圖1中未示 出)被連續(xù)地移除。隨著運(yùn)些副產(chǎn)物逐漸被移除,定期地向主回路中添加少量燃料(SNF或低 濃縮的新燃料)。該過程保持了恒定的燃料質(zhì)量,并且允許反應(yīng)堆保持臨界數(shù)十年。與輕水 反應(yīng)堆典型的4年壽命相比,通過連續(xù)加燃料并過濾關(guān)鍵的裂變產(chǎn)物毒物,能夠在長時間段 (約數(shù)十年)中處理反應(yīng)堆中的初始燃料負(fù)荷。在運(yùn)段時間期間,幾乎所有的澗系燃料都轉(zhuǎn) 化為裂變產(chǎn)物和能量。
      [0042] 液體燃料相對于固體燃料
      [0043] 幾乎所有目前運(yùn)行的商業(yè)反應(yīng)堆都使用固體氧化軸作為燃料。呈固體粒料形式的 氧化軸被幫助燃料在反應(yīng)堆中保持其形狀的金屬覆層包圍。相比之下,Transatomic Power 的反應(yīng)堆使用液體燃料代替固體燃料細(xì)棒。將軸(或SNF)溶解在氣化物烙鹽中,所述氣化物 烙鹽既充當(dāng)燃料又充當(dāng)冷卻劑。
      [0044] 液體燃料在正常運(yùn)行期間提供了顯著的優(yōu)勢。首先,其允許更高的反應(yīng)堆出口溫 度,使設(shè)備產(chǎn)生了更高的總熱效率。
      [00例更高的出口溫度
      [0046]在商業(yè)輕水反應(yīng)堆中,水被用作將熱從燃料覆層的熱出口表面(通常為約33(TC) 帶至設(shè)備發(fā)電回路的工作流體。更高的覆層溫度允許更高的水溫,運(yùn)允許更高效的發(fā)電循 環(huán)。然而,固體燃料反應(yīng)堆的問題在于,氧化軸材料是不良的熱導(dǎo)體。如圖3所示,燃料細(xì)棒 的中屯、線溫度必須非常高一一在壓水反應(yīng)堆(PWR)中高至2000°C--W在覆層的外壁上產(chǎn) 生可接受的高溫。在大多數(shù)輕水反應(yīng)堆中,將外覆層溫度升高至顯著超過33(TC是不可能 的,原因是那會產(chǎn)生不可接受的高燃料中屯、線溫度。
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