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(dòng)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(duì)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(shí)間。其最初在20世紀(jì)50、60和70年代在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)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(jì)地運(yùn)行[1 ]。
[0003] 運(yùn)些設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)船用水冷反應(yīng)堆豐富的W往經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì) 90年代社的提倡者和對(duì)小模塊反應(yīng)堆的增加的需求推動(dòng)了對(duì)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(píng)議了約100 個(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)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(cuò)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(shí)驗(yàn)(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(jì)還能夠在長時(shí)間段中實(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)材料的損傷相對(duì)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?cè)尤鏤-235時(shí)，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(duì)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(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)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(xiǎn)。
[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(shí)，其變 成流動(dòng)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(duì)公 眾更大的安全性。
[0014] 盡管當(dāng)很多人聽到鹽時(shí)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(xiǎn)，同時(shí)還簡化了設(shè)備設(shè)計(jì)并提高了設(shè)備設(shè)計(jì)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(shì)。TAP反應(yīng)堆也可W由具有現(xiàn)有工業(yè) 基礎(chǔ)的軸實(shí)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(chǔ)備料W及潛在的壞儲(chǔ)備料，從而給社會(huì)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(gè)或更多個(gè)實(shí)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(cuò)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(shí)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(duì)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(gè)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(gè)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(shí)施方式】
[0034] 反應(yīng)堆描述和設(shè)計(jì)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(jì)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(cuò)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(cuò)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(cuò)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(duì)于壓水反應(yīng)堆)或290°C (對(duì)于沸 水反應(yīng)堆）。當(dāng)連接至標(biāo)準(zhǔn)蒸汽循環(huán)時(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)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(shì)。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(huì)產(chǎn)生不可接受的高燃料中屯、線溫度。