[發(fā)明專利]提高均勻性水溶液核反應(yīng)堆額定穩(wěn)態(tài)運行功率的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810044322.0
• 申請日: 2008-04-30
• 公開（公告）號: CN101271737A
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李茂良;吳英華;岳昇;徐林祥;洪永漢;李映發(fā);李海穎;程作用
• 申請（專利權(quán)）人: 中國核動力研究設(shè)計院
• 主分類號: G21C1/24
• 分類號: G21C1/24
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉世權(quán)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆的設(shè)計方法，具體地說是提高均勻性水溶液核反應(yīng)堆額定穩(wěn)態(tài)運行功率的方法。

背景技術(shù)

目前的均勻性水溶液核反應(yīng)堆，主要用途之一是用于生產(chǎn)醫(yī)用同位素。均勻性水溶液核反應(yīng)堆，以UO₂SO₄溶液或UO₂(NO₃)₂溶液為核燃料，其穩(wěn)態(tài)運行功率都較低。作為研究用的均勻性水溶液核反應(yīng)堆，主要利用UO₂SO₄溶液作核燃料，穩(wěn)態(tài)運行功率為50kW的較多，最高設(shè)計穩(wěn)態(tài)運行功率為100kW，但沒有實現(xiàn)長期穩(wěn)態(tài)運行。以UO₂(NO₃)₂溶液作核燃料的均勻性水溶液核反應(yīng)堆，額定穩(wěn)態(tài)運行功率為25kW，最高運行功率達45kW，并實現(xiàn)了短期穩(wěn)態(tài)運行。

為了減小均勻性水溶液核反應(yīng)堆的臨界質(zhì)量，一般采用球形堆芯，或采用堆芯直徑與高度之比大于0.7的小直徑堆芯，致使堆芯燃料溶液體積小(11.5L-26L)，燃料溶液表面積一般小于0.1m²，如果反應(yīng)堆功率要從50kW提高到200kW以上，則體積比功率將增加約4倍(從約2.0kW/L增加到約8.0kW/L)，燃料溶液的空泡系數(shù)也將增加4倍(從約1.5％增加到約6.0％)，燃料溶液表面的氣體釋放率也將增加4倍(從約4.0L/m²·s增加到約20L/m²·s)。

均勻性水溶液核反應(yīng)堆體積小，體積比功率高(從約2.0kW/L到約4.4kW/L)，燃料溶液中輻射分解產(chǎn)生的H₂O₂濃度高，當(dāng)沒有金屬離子催化時，均勻性水溶液堆運行時不產(chǎn)生UO₄沉淀(由H₂O₂與UO₂⁺²反應(yīng)生成的微溶性氧化物)的最大體積比功率約為0.4kW/L，要使體積比功率提高到4.4KW/L，必須在燃料溶液中加入相當(dāng)量的金屬離子(如Cu⁺²，Ru⁺⁴等)，如果不增加均勻性水溶液堆的體積，而要進一步增加反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)運行功率，則反應(yīng)堆的體積比功率將更高，燃料溶液中的H₂O₂濃度也將更高，要確保不產(chǎn)生UO₄沉淀勢必更難；另外燃料溶液中的自由HNO₃，在輻射作用下，要分解生成N₂和O₂，使燃料溶液的酸度下降。燃料溶液中的HNO₃分解速度與燃料溶液的功率成正比(2.5mL/kW·min)，當(dāng)燃料溶液體積小，體積比功率高時，輻射分解將導(dǎo)致燃料溶液中的自由HNO₃濃度迅速下降，當(dāng)自由HNO₃濃度低于0.001mol/L時，UO₂⁺²離子將水解沉淀，破壞燃料溶液的均勻穩(wěn)定性。

均勻性水溶液核反應(yīng)堆運行時，輻射分解產(chǎn)生的H₂氣量與反應(yīng)堆運行功率成正比，當(dāng)反應(yīng)堆運行功率為200kW時，反應(yīng)堆燃料溶液中輻射分解產(chǎn)生的H₂氣量將大約為1.0L/s，此H₂氣將進入反應(yīng)堆的氣體回路，并通過氣體回路中的氫氧復(fù)合器，使H₂氣與O₂氣復(fù)合產(chǎn)生水后再返回反應(yīng)堆堆芯燃料溶液，保持反應(yīng)堆堆芯燃料溶液的鈾濃度不變，并避免氣回路中的氫氣濃度高于4％而發(fā)生氫氣爆燃。要提高均勻性水溶液核反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)運行功率，就必須增大反應(yīng)堆氣體回路的流量和反應(yīng)堆氣體回路中氫氧復(fù)合器復(fù)合H₂氣的能力。

綜上所述，目前的均勻性水溶液核反應(yīng)堆存在以下缺陷：

1.由于堆芯高度與直徑之比約為0.7-1.0，燃料溶液表面積小(0.05-0.10m²)，燃料溶液內(nèi)的輻射分解氣體(O₂氣和H₂氣)不易逸出，使反應(yīng)堆燃料溶液的空泡系數(shù)大(1.5-3.0％)，輻射分解氣體表面釋放率高(4.5-7.8L/m²·s)，在更高功率運行時，產(chǎn)生大量輻射分解氣體，使燃料溶液的空泡系數(shù)增大，燃料溶液表面氣體釋放率增大，大量輻射分解氣體逸出燃料溶液表面而引起燃料溶液表面波動大，導(dǎo)致反應(yīng)堆運行功率波動大，使反應(yīng)堆難以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行。