[發明專利]熔鹽貧鈾堆

在審

• 申請號: 201310204051.1
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN104183277A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 董保國;董沛;谷濟源
• 申請（專利權）人: 董保國;董沛;谷濟源
• 主分類號: G21C1/30
• 分類號: G21C1/30
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及一種核能裝置，尤其是能安全運行和核燃料自增殖且自足的熔鹽堆。

背景技術

目前，世界上運行的反應堆，如熱中子堆、鈉冷快堆等，都存在發生超臨界事故的風險，另外熱中子堆類的鈾資源利用率很低，鈉冷快堆的鈉化學活性也帶來很多問題和困難。核臨界安全問題和鈾資源利用率問題，是當前世界面臨的反應堆難題。

熔鹽堆是指主冷卻劑是熔鹽的反應堆，核燃料可以是固體型的固體燃料元件組件，也可以是熔鹽型的熔融在熔鹽冷卻劑中。熔鹽堆以氟化釷熱中子熔鹽堆為代表。熔鹽堆的主容器內有熔鹽核燃料、熔鹽冷卻劑、熔鹽增殖材料等。主容器可以有不同的形狀和結構，一般分為燃燒區和增殖區，并分別對應有不同類型的熔鹽。冷卻方式有內冷和外冷型。以實現不同的功用。

普通熔鹽堆的優點：

堆芯結構簡單，沒有控制棒及其相關系統、燃料元件裝卸機制、燃料元件組件及相關結構；不用燃料包殼和結構材料能顯著地改善反應堆的中子經濟性；

在近大氣壓下運行，不需要輕水堆的厚壁壓力容器，除去主容器內部的加壓和壓力相關部件，減少主容器故障的風險；

設計有很強的反應性負溫度和空泡系數，增加了安全性；

運行控制非常簡單，而且可以自動地負荷跟蹤。如果想停堆，斷開發動機開關即可。

熔鹽是極好的冷卻劑，高溫性能優越，低溫凝固，性能穩定，同體積熱容量比加壓水高25％，幾乎是液態鈉的5倍。

燃料的流體性表明不存在堆芯熔化事故。流體燃料可實現管道泵出泵入傳輸容易。緊急情況下，燃料鹽自動排入非能動冷卻、臨界安全的燃料儲罐內。

熔鹽堆中的易裂變材料濃度很容易連續調整，許多裂變產物很快形成穩定的氟或氯化物，在任何泄漏或事故期間會停留在凝固的鹽內，其它揮發性或不能熔解的裂變產物可非能動、連續地排出。

普通熔鹽堆的主要缺點：

熔鹽的熱傳導性能不如鈉等液體金屬的；

熔鹽的高熔點(～560℃)使得在許多地方必須預熱和保溫；

熔鹽的高熔點限制其通過熱交換器的時間，以減少鹽的凝固，因此必須增加質量流速；

熔鹽中裂變產物的存在，有腐蝕作用，要求高標準的系統可靠性和密封性；

腐蝕和高溫限制結構材料的選擇范圍。

發明內容

為了克服現有的熱中子堆和鈉冷快堆等都存在發生超臨界事故的風險，熱中子堆類的鈾資源利用率很低，鈉冷快堆的鈉化學活性也帶來很多困難的不足，本發明提供一種反應堆，熔鹽貧鈾堆，該反應堆不僅能徹底消除發生超臨界事故的風險，而且能大幅度提高鈾資源的利用率，實現高燃耗。

熔鹽貧鈾堆是用熔鹽作為主冷卻劑啟動后只用其自增殖的核燃料實現長期安全穩定運行的反應堆；其核燃料包括固體型和熔鹽型。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

熔鹽貧鈾堆，采用快中子譜、氯化物熔鹽、鈾钚循環、貧鈾或天然鈾。也可采用釷鈾循環。按工作溫度不同可分為低溫，約600℃；中溫，約800℃和高溫型，約1000℃。按主容器形狀分為球形和圓柱形。按應用目標不同，分為簡化型和普通型兩種。簡化型主要用于供暖和工藝高溫供熱，普通型主要供電，也都可熱電聯供。小型堆也可用于直接提供機械動力。

在低溫、中溫和高溫工作條件下，從發表的反應堆結構材料實驗結果中，都已找到與所用的熔鹽核燃料、熔鹽冷卻劑或氣體冷卻劑相容或耐腐蝕的材料，且可供選擇的材料較多。UCl₃+PuCl₃+NaCl熔鹽，能確定滿足需要的合適的配方，技術可行，其性能可滿足實際運行的要求。堆芯外系統的技術，整體上都較為成熟。實驗堆優選系統為：簡化低溫IV型+316不銹鋼主容器+氮氣冷卻劑+318不銹鋼管道泵熱交換器等。普通堆優選為：高溫熔鹽型+TZM主容器一回路管道主泵熱交換器+氮氣冷卻劑+TZM管道閉布雷頓動力循環氣輪發電機組。最有開發應用價值的是主容器已申請發明專利的簡化IV型。

物理分析和理論計算及實驗驗證的技術結果都表明，熔鹽貧鈾堆從科學原理和工作原理上、技術工藝上、設計研發上、系統整體上、工程建設上和規模產業化上都是可行的。

一、熔鹽貧鈾堆特點

熔鹽貧鈾堆除了自身具有的突出優點外，還具有普通熔鹽堆的優點，也有普通熔鹽堆的一些不利因素。但這些不利因素對其商業價值的作用和影響不大。

1.熔鹽貧鈾堆的突出優點：

不會發生超臨界事故或瞬發臨界，能確保核臨界安全；