[發(fā)明專利]模塊化熔鹽堆堆芯及熔鹽堆

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010501399.7
• 申請日: 2020-06-04
• 公開（公告）號: CN111627572B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉亞芬;賀周同;嚴(yán)睿;鄒楊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所
• 主分類號: G21C5/06
• 分類號: G21C5/06;G21C5/12;G21C3/42
• 代理公司: 上海弼興律師事務(wù)所 31283
• 代理人: 薛琦;鄒玲

本發(fā)明公開了一種模塊化熔鹽堆堆芯及熔鹽堆，模塊化熔鹽堆堆芯包括石墨基體，所述石墨基體內(nèi)開設(shè)有多個燃料孔道和多個冷卻孔道，所述燃料孔道用于容納燃料，所述冷卻孔道用于容納冷卻劑，任一所述燃料孔道與任一所述冷卻孔道互不連通，所述冷卻孔道連通至堆芯外部。本發(fā)明的模塊化熔鹽堆堆芯只包含石墨、耐高溫的冷卻劑以及耐高溫的燃料，反應(yīng)堆平均溫度可設(shè)置在1000℃左右，遠高于一般熔鹽堆設(shè)計，反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱可應(yīng)用于高溫制氫等熱應(yīng)用行業(yè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆，特別涉及一種模塊化熔鹽堆堆芯及熔鹽堆。

背景技術(shù)

熔鹽堆是六種第四代反應(yīng)堆候選堆型中唯一使用液態(tài)燃料的反應(yīng)堆，在固有安全性、經(jīng)濟性、防核擴散和核燃料可持續(xù)發(fā)展等方面具有其獨特優(yōu)勢。熔鹽堆的燃料選擇較為靈活，可采用固態(tài)燃料，也可采用液態(tài)燃料。固態(tài)燃料一般采用高溫氣冷堆所采用的TRISO(Tri-structural ISOtropic)包覆燃料顆粒的球形燃料元件，而液態(tài)燃料則通常為氟鹽或氯鹽作為載體鹽的熔融燃料鹽。兩種類型的燃料鹽均有良好的高溫和輻照性能。

石墨具有良好的慢化性能和化學(xué)穩(wěn)定性，這使得其成為第四代反應(yīng)堆(如HTGR、FHR以及MSR)慢化劑和反射層的強有力的候選材料之一。此外，石墨還具有耐高溫，耐腐蝕，導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低以及中子活化度低等物理化學(xué)性能優(yōu)勢。這使得其在容器以及換熱器選材上也有很大的優(yōu)勢。用石墨材料制成的合成爐、反應(yīng)釜等已經(jīng)用于鹽酸、氯化聚醚生產(chǎn)工藝上。此外，石墨換熱器工藝也很成熟，有塊孔式﹑管殼式和板式3種類型，被廣泛應(yīng)用于氯堿化工、石油化工等生產(chǎn)行業(yè)。

自熔鹽堆概念誕生以來，世界上熔鹽堆及熔鹽堆概念設(shè)計研究主要為：美國橡樹嶺國家實驗室的熔鹽堆實驗MSRE(Molten Salt Reactor Experiment)以及熔鹽增殖堆MSBR(Molten Salt Breeder Reactor)，法國國家科學(xué)研究院的無慢化熔鹽快堆MSFR(Molten Salt Fast Reactor)，日本的FUJI系列熔鹽堆以及俄國的熔鹽嬗變堆MOSART。上述堆型的慢化劑或反射層均采用石墨。

其中，熔鹽堆實驗MSRE是唯一建成并運行的采用石墨為慢化劑的熔鹽堆。慢化劑柵元為側(cè)面開凹槽，橫截面近似為正方形的四棱柱。相鄰慢化劑的凹槽拼合在一起形成熔鹽流道，供燃料鹽流動并帶出熱量。慢化劑柵元下端插入打孔的柵格板中固定其位置，排布成近似圓形的堆芯。由于堆芯有合金構(gòu)件，其入口溫度和出口溫度分別為621℃以及649℃。

熱堆的典型堆型為MSBR，采用FLiBe熔鹽作為載體鹽，石墨作為慢化劑和反射層，堆芯入口溫度約560℃，出口溫度約700℃，熱功率為2250MW。據(jù)評估，MSBR具有正的溫度反應(yīng)性系數(shù)，對反應(yīng)堆的安全性有嚴(yán)重影響，且其堆芯石墨需以四年為周期進行更換，這使得反應(yīng)堆的成本也較高。MSBR設(shè)計目標(biāo)為增殖堆，其主回路換熱器材料為哈氏合金，其在溫度上的限制也使其在熱應(yīng)用領(lǐng)域方面的應(yīng)用受限。

快堆的典型代表MSFR是法國國家科學(xué)研究院CNRS提出的無石墨慢化的熔鹽堆快堆概念。同樣由于堆芯內(nèi)合金構(gòu)件和主回路合金換熱器溫度限制，其堆芯溫度也只設(shè)計在600℃左右，在熱應(yīng)用上沒有優(yōu)勢。

此外，2011年1月，中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)，致力于實現(xiàn)基于熔鹽堆的釷資源高效利用和核能綜合利用。熔鹽堆概念的起源地，以及世界上第一個石墨慢化熔鹽實驗堆的誕生地——美國，也于2018年宣布將重啟熔鹽堆的研發(fā)。熔鹽堆的研究和開發(fā)，正向著多用途、靈活以及模塊化生產(chǎn)等方向發(fā)展。尤其是在熱應(yīng)用方面，針對供暖、供熱水的小型熔鹽堆設(shè)計概念已被國內(nèi)核能研究機構(gòu)廣泛提出。