CN104756195B - 球形燃料反应堆 - Google Patents

Abstract

一种球形燃料反应堆，其中把核燃料和冷却剂一起封装在球形固体中，通过两套机械传送***(4)，使球形固体在反应堆容器(1)和蒸汽发生器(2)之间循环流动，达到将反应堆产生的热量传出到蒸汽发生器的目的。该反应堆有固有安全性高，出口温度参数高，可以充分利用核燃料的特点，可以用于发电、制氢、供热、煤的液化气化等领域。

Description

球形燃料反应堆

技术领域

本发明属于核反应堆工程研究设计领域，涉及一种球形燃料反应堆。

背景技术

球形燃料元件已应用在高温气冷堆中，由于其有易于装料、换料，对放射性物质的良好包容能力等优点，得到了普遍的认同。熔盐堆综合性能良好，但高温下熔盐的强腐蚀性是工程上难以解决的问题。

发明内容

本发明球形燃料反应堆是把核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，制成球形燃料组件，并通过机械传送***，使球形固体在反应堆和蒸汽发生器之间循环流动，达到热量由反应堆传递到蒸汽发生器的目的。

一般认为只有液体和气体才能作为反应堆冷却剂，本发明球形燃料反应堆是采用球形固体作为冷却剂。球形固体有良好的滚动能力，大量的球形固体颗粒聚集在一起流动，可以表现出一些和液体流动类似的特征，特别是当球形固体粒径较小时，其流动特性和液体流动特性很相似。球形燃料反应堆是让球形固体颗粒借助其自身重力在反应堆内由上往下流动，并用提升传送装置把球形固体颗粒提升到需要的高度，球形固体不断的上下循环流动。球形燃料反应堆利用这种球形固体颗粒的循环流动来传递热量。使热量由温度高地方传递到温度低的地方。把核燃料封装在球形固体中，固体对放射性物质有良好的包覆能力，可以阻止放射性物质的扩散，有利于安全。这种热量传递的过程不仅在反应堆里面有应用价值，在其它工业领域可能也有应用价值。

球形固体颗粒集体流动的特性与其粒径大小有很大关系，粒径越小，其流动特性越接近液体，性状和液体也越接近。球形固体颗粒是靠自身的滚动来流动，在重力作用下流动时实际上只有与壁面接触的球有滚动，其上方其他的球以平动为主。粒径越小，固体颗粒堆积时空隙率越小，导热能力越好。如果颗粒温度较高，颗粒通过热辐射传热也是需要考虑的，高温颗粒通过辐射传递热量的速度可能比接触热传导还快。球形固体颗粒传热速度比水的传热速度相比可能要慢，因为固体不能通过湍流传热。固体作为冷却剂的优势是核燃料可以弥散在固体里面，使热源不过分集中在某一点，因而可以弥补传热能力方面的不足。不能使反应堆局部温度过高，因此以球形固体作为冷却剂的反应堆体积功率密度可能要低一些。同样功率的反应堆其总体积可能要比压水堆体积大。

通过一些设计可以使单个核燃料球有自身的固有安全性，可以控制单个球里面的核燃料数量，因而产生的热量速度可以控制在一定限度，以至于核燃料球可以在自身温度升得太高之前就把热量通过热辐射传递出去，即使在周围没有其他冷却剂情况下。反应堆内还有较多的不含核燃料的粒径较小的冷却剂球，这些球也用来把热量传出反应堆。核燃料球通过热传导和热辐射把热量传递给这些冷却剂球，这些球也使反应堆有较大的热工裕量，事故情况下可以把热量传递到反应堆外面，还可以良好的包覆核燃料，提高了反应堆的安全性。反应堆容器外部可以放置较多的固体材料，并使之与反应堆容器保持良好的接触，这样反应堆的余热可以通过热传导和热辐射传递出来，反应堆不会熔化。

本发明球形燃料反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口。球形固体在反应堆容器内吸收核反应产生的热量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升传送装置把球提升传送到蒸汽发生器入口，球形固体在蒸汽发生器里面靠自身重力下落，并把热量传给冷侧的水，落出蒸汽发生器后，提升传送装置再把球提升传送到反应堆容器上部入口。如此不断循环，达到把热量由反应堆传出到蒸汽发生器的目的。球形燃料反应堆对于热中子和快中子反应堆都是适用的，可分别设计成两种类型的反应堆。

提升传送装置类似于电动扶梯，为了减少对核燃料元件的损伤，尽量避免球的滚动，采用两套提升传送装置，球在循环过程中只有重力作用下落过程可能有碰撞。机械传送***尽量采用大截面低流速的方案。低流速可以减小核燃料球受的摩擦力，这与球形固体颗粒的流动特性相适应。由于球的温度较高，应尽量选用耐高温的提升机。提升传送装置应有良好的密封性，虽然反应堆在接近常压下运行，仍需要充以保护性气体，隔离氧气，使主回路保持一个密闭的环境是必要的，密闭的回路也可以作为一道放射性安全屏障。虽然采用一套提升传送装置也是可行的，但长期燃料球的滚动会增加球的磨损，影响球的使用寿命。提升传送装置应该设计成能传输粒径较小的固体颗粒，可以选用钢丝布制成的传送带。为了防止固体颗粒从传送带两边的缝隙流失，传送带两边设置护栏，且护栏可以跟随传送带一起移动。也可以设计中间低两边高的传送带，使固体颗粒不向两边流失。还要防止固体颗粒流到移动部件和静止部件之间的缝隙里面，影响传输***安全运行。为了尽量减小核燃料球在反应堆容器上方靠重力下落时的冲击力，传输***也设计成有一定向下的倾角，使核燃料球缓缓的向下流动，传输***的低端也设计有一定的倾角，使核燃料球不往后流动，这可以通过设计特定的导向轨道来实现。反应堆容器上方入口设置导向槽道，使核燃料球能够缓缓的往下流动。这种传输***对固体颗粒的直径还是有一定的要求的，太小接近粉末状的固体可能并不适合采用这种传输装置，因为很难保证传输过程中不流失。传送带应该设计成有一定的柔性，以减小核燃料球与传送带的碰撞损伤，钢丝布能够满足这一要求。机械传送***需要有冷却措施，以防止其温度上升太高降低机械强度。两套提升传送装置应该保持同样的流量，相互之间保持协调是必要的。

球形燃料反应堆的控制捧直径与压水堆的控制棒相比要大，主要是因为核燃料球在反应堆容器内往下流动是一个机械运动的过程，机械运动对于其运动的部件有机械强度的要求，细小的控制棒显然不能满足机械强度的要求，应该采用柱状的控制棒，其直径较大。为了与核燃料球机械移动的特性向适应，控制棒柱的截面形状设计成环形跑道那样的形状，其侧面与核燃料球流进反应堆容器的方向平行，这样可以减小流动阻力。如果有固体慢化剂，控制棒可以置于慢化剂中制成机械强度较高的棒柱，则对于控制棒没有特殊要求。反应堆控制棒装在一个由耐高温高硬度材料制成的空心柱管里面，套管壁应较厚，有较高的机械强度。因为机械运动的特性，球形燃料反应堆对于堆内构件的机械强度要求更高。多根控制棒柱布置在反应堆容器里面可能会增加球形固体流动的阻力，球形固体颗粒的流动性比液体要差一些。如果是多环路的反应堆，球形固体流动方向的不一致可以弥补其流动性能的不足。与压水堆一样，控制棒相互连接固定起来，做成控制棒组件，控制棒的上下移动可以实现对反应堆内反应性的控制。

核燃料球形固体由内层核燃料和外层冷却剂组成。球形燃料反应堆并不需要冷却剂持续处于液态，但也允许冷却剂在固态和液态之间转变。对于功率密度不大的反应堆，可以采用固体冷却剂，也不需要固体冷却剂熔化，这样可以选用一些耐高温材料作为冷却剂，固体承受外力的能力较强，球不容易发生破损。即使发生轻微的破损，放射性裂变产物也较难扩散开来，固体颗粒冷却剂也不会流失，有利于***的安全。对于小功率堆，采用固体冷却剂***有较高的固有安全性。用于做冷却剂的固体材料应中子截面低、热导率高、比热容大、耐高温、高硬度，以至于很高的温度下仍然能良好的包覆放射性物质，氧化镁、氧化铝、碳化硅是比较常见的耐高温材料，一些复合材料如金属陶瓷、钨铜等会较好的符合要求。碳化硅有比热容大，247℃时为1266.93J/(kg·k)，热导率大，耐高温性能良好，高硬度的特点，是综合性能较好的固体冷却剂。把核燃料粉末压制成一两毫米的核燃料小球，再用耐高温固体冷却剂将其包覆起来，制成约十毫米左右的核燃料球。

如果允许固体熔化，或者采用液体核燃料，最外层还有用耐高温高强度的固体材料制成的厚包壳，内层和外层之间有支撑结构，用于承受外力，避免外力作用到核燃料元件上。冷却剂的相变可以大幅提高热量传递能力，用熔点低的固体材料如铝、镁、铜以及它们的合金作冷却剂，冷却剂的流量可以大幅减少。铝有中子截面低，化学性质稳定，热导率高，比热容大，熔点低，与核燃料能够良好共存的优点。铝可以和核燃料形成合金，铝熔化时，核燃料可以游离在液态铝中，形成熔融物，熔融物有良好的传热能力，有利于***的安全，铝可以起到包覆核燃料的作用，铝的熔点低但沸点很高，反应堆发生严重事故堆芯熔化时，铝可以防止放射性物质扩散。铝的熔点低，熔化热大，是综合性能较好的金属冷却剂。铝在反应堆内熔化在蒸汽发生器里凝固，可以实现相变传热，这对于快中子反应堆比较重要，但由于液态的铝没有机械强度，球形固体***还需要耐高温高硬度材料制成的包壳，碳化硅是一个比较好的选择。为了提高球的抗冲击能力，还需要在球形固体内部架设支撑结构，使球有较高的硬度。球的损坏会导致放射性液体的流出，采用良好的机械设计方案使球有高强度高硬度是必要的。为了使冷却剂有足够的热容量，冷却剂的装量较多。需要根据反应堆的实际用途，确定堆容量的大小，合理安排核燃料和冷却剂的量。球形固体之间会有一些间隙，使用一些较小的冷却剂球来填充这些空隙是必要的，小冷却剂球也随同核燃料球一起由提升传送装置在反应堆和蒸汽发生器之间循环。

为了使核燃料球形固体颗粒有更好的流动性，粒径越小越易流动，也不容易因球之间的碰撞而破裂，主要是小球自身重量小，下落时碰撞点的碰撞力小，固体材料有一定许用应力限值，小颗粒颗粒群的形状也易于改变，因而应该把核燃料球做得尽可能小，这就需要里面放置的核燃料数量也较少。加入一些粒径更小的不含核燃料的冷却剂球与核燃料球的均匀的混合起来可以使堆积空隙率很小，传热能力增强，颗粒群流动的时候实际上只有粒径较小冷却剂球与壁面有滚动，核燃料球几乎不滚动，只是跟随着移动。核燃料球的直径10毫米左右可能是比较合适的，具体大小需要综合考虑，且通过球的流动试验确定。

对于热中子堆，球形燃料反应堆可以采用石墨和水作为慢化剂。以石墨作为慢化剂固有安全更好，体积也较大，石墨做成柱状，置于反应堆容器内。如果采用水作为慢化剂，反应堆体积可以大幅减小，如果采用重水，会更优越。水在反应堆内只作为慢化剂，不用于导出反应堆热量，水管和核燃料球之间有隔热腔，中间有气体，这样热量很少能够传递给水，水在反应堆容器内不汽化，压力也不大，其热量通过循环回路导出到外部。

球形燃料反应堆正常运行情况下泄露的放射性裂变产物很少，裂变产物几乎都被固化在固体冷却剂里面，即使核燃料球出现裂纹也只有很少的放射性裂变产物泄露出来。

本发明球形燃料反应堆的蒸汽发生器不同于压水堆的蒸汽发生器，其功能和结构与锅炉很相似。把核燃料球的热量传递给水，可以有多种方式。核燃料球在提升传送装置上移动，其截面可以较大，可以在提升传送装置里面设置水管，并排的水管与球的移动方向一致。***设置风道***，气体从提升传送装置的底端向高端流动，核燃料球的热量通过热辐射、热传导、气体对流传递给水。如果球的直径大一些，传送带可以允许有空隙，气体可以透过堆积的核燃料球，气体与核燃料球之间有良好的传热，则可以使气流从传送带下侧向上侧流动，气流流动到上侧的水管时就把热量传递给水，这样通过气体的不断循环流动和热辐射，热量传递给了水。如果球堆积时有足够的空隙让气体流过，在反应堆容器里面也可以通过这种方式导出热量。当核燃料球移动到蒸汽发生器里面，蒸汽发生器内设置了许多流道，流道的方向与核燃料球流进方向一致，流道之间有水，流道窄而长，流道用高硬度、耐磨、热导率高的材料做成，核燃料球的热量通过热辐射、热传导传递给水。长流道使蒸汽发生器有很大的传热面积，蒸汽发生器体积可以设计得较大，核燃料球在蒸汽发生器里面停留时间可以较长，使核燃料球可以有较长的时间把热量传递给水。如果球的堆积空隙率大，也可以设置气体循环回路，帮助传热，气体吸收核燃料球的热量后流经后面的水管，把热量传递给水。为了尽可能的提高冷却剂的传热能力，可以在把铝封装在球形固体冷却剂颗粒内，制成导热能力较强的小球颗粒。蒸汽发生器热侧也允许有液体，加入液态金属可以大幅加强球形固体和冷侧工质之间的传热。可以在热侧加入水，水作为核燃料球与冷侧的传热介质，但通常并不希望水进入到反应堆内，为了避免这种情况，蒸汽发生器下部设置一个水箱和水泵，水泵用来把水抽到蒸汽发生器的上部，水到达蒸汽发生器上部后借助自身重力向下流动，并与核燃料接触，冷却核燃料球，然后流回落到下部水箱，这样水起到传热介质的作用，把热量传递给了冷侧的水。设置一个类似压水堆的蒸汽发生器，利用水循环回路冷却核燃料球，把核燃料球的热量，传递给水，再通过蒸汽发生器的热交换，把热量传递给二回路水也是可行的。蒸汽发生器内部是低放射性的，为了阻止核燃料发生核反应，里面放置大量的强中子吸收材料，如硼、镉。蒸汽发生器是一个把核反应产生的热量传出到外界的锅炉，核燃料在里面发生衰变，放出强射线，因而也是一个有放射性的环境，但相比反应堆内高中子通量照射放射性小了很多。核燃料球的温度较高，可以使二回路的水达到较高的温度，可以满足超临界的要求，因而这种反应堆可以有较高的热效率。如果采用耐高温材料，使流出的核燃料球温度更高，甚至可以驱动效率更高的布雷顿循环(燃气轮机)发电机。设置二次热交换回路屏蔽放射性，还可以用于供热、热化学产氢、煤的液化和气化等。

如果选用中子截面较低的材料作冷却剂，降低中子有害吸收，球形燃料反应堆可以有较大的增值比，特别是如果设计快中子堆，其增值能力可以较强。可以使用压水堆卸出的乏燃料作燃料，嬗变高放废物。一些固体材料中子吸收截面很低，几乎不吸收中子，采用这样的固体作冷却剂，可以使浓度较低的核燃料达到临界，因而球形燃料反应堆可以充分的利用核燃料。

球形燃料反应堆内核燃料类型、浓度、数量，冷却剂的类型、数量，核燃料球的直径、结构，是可以根据反应堆实际用途进一步详细确定的。

机械传送***可能出现故障，导致球不能传出反应堆，反应堆内核燃料不能得到冷却，可能引发堆芯熔化事故。反应堆内有大量固体冷却剂，堆芯熔化时，冷却剂和核燃料一起熔化形成熔融物，冷却剂可以把放射性物质包覆起来，阻止其向外部环境扩散，因而即使出现堆芯熔化的严重事故也只有少量的放射性物质泄露。和其他类型的反应堆一样，球形燃料反应堆也可以用很多能动和非能动的措施阻止事故朝堆芯熔化方向发展。

球形燃料反应堆有一个独特安全性能是，可以采用较小的能量，把已经停堆但还有大量余热的核燃料球移动到蒸汽发生器内，蒸汽发生器里面有大量的水，可以慢慢的把热量传递给水。即使蒸汽发生器的水流失，核燃料球被扩展得很宽，有很大的传热面积，单个核燃料球功率密度不大，核燃料被弥散到数量较多的固体冷却剂中，可以通过其自身的热传导和热辐射传出热量。也可以利用重力把球形固体颗粒冷却剂注入到蒸汽发生器的水侧。把蒸汽发生器包覆起来，形成很大的固体保护屏障。

反应堆的余热可以采用多种方式导出，可以设置类似气冷堆的气体传热***，用于紧急情况下导出堆芯余热，气体传热***可能还可以用于气态放射性裂变产物的吸收净化。反应堆内可以预留了注水通道，用于反应堆停堆关闭时正常热量传输***失效时导出堆芯余热，注水通道在反应堆正常运行时是空的，一般不允许水进入。预留的注水通道可以采用和压水堆同样的原理，导出反应堆余热。反应堆容器外壁螺旋式布置不锈钢管道，堆芯失去冷却时，可以往管道内通水，达到冷却堆芯的目的。

本发明球形燃料反应堆可以设计成小功率堆，即使在所有能动的堆芯余热导出***都失效时，也能通过非能动的措施导出堆芯余热。由于反应堆功率小，体积功率密度低，***总是有足够的热量扩散能力导出堆芯余热，这样反应堆有较高的固有安全性。较高的固有安全性比较容易被人们所接受，因而这种反应堆可以较广泛的使用。

附图说明

图1球形燃料反应堆***示意图

1反应堆容器 2蒸汽发生器 3电动机 4提升传送装置 5控制棒

图2带冷却剂外层的核燃料球形固体

1核燃料 2冷却剂 3支撑结构 4外层包壳

具体实施方式

本发明提出了一种把核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，并通过机械传送***使球形固体在反应堆和蒸汽发生器之间流动达到把热量传出到蒸汽发生器的核反应堆。这种反应堆用途广泛，可以根据实际用途进一步详细设计。特别是如果设计成小功率堆，固有安全性较高，可以在很多领域使用。

Claims (3)

1.一种球形燃料反应堆，其特征在于：核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，形成核燃料球形固体；所述核燃料球形固体是一个由内层核燃料，外层冷却剂，***有耐高温高强度固体制成的包壳，内层核燃料和***包壳之间有支撑组成的刚性结构；显著的特征是所述核燃料球形固体不仅有***包壳，其内部还包含有固体冷却剂，固体冷却剂不仅起到包覆放射性裂变产物的作用，还起到了冷却核燃料的作用；所述反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，所述反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把所述核燃料球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把所述核燃料球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口；所述核燃料球形固体在反应堆容器内吸收核反应产生的热量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升传送装置把所述核燃料球形固体提升传送到蒸汽发生器入口，所述核燃料球形固体在蒸汽发生器里面靠自身重力下落，并把热量传给冷侧的水，落出蒸汽发生器后，提升传送装置再把所述核燃料球形固体提升传送到反应堆容器上部入口，如此不断循环；所述核燃料球形固体在反应堆容器和蒸汽发生器之间循环移动，所述核燃料球形固体吸热后被移动到蒸汽发生器内进行冷却，达到把热量由反应堆传出到蒸汽发生器的目的；所述反应堆核燃料被弥散在数量较多的固体冷却剂中。

2.如权利要求1所述的球形燃料反应堆，其特征在于其核燃料球提升传送装置内设置了水管，用于吸收核燃料球的热量，还设置了风道***，使气体在里面循环流动，把核燃料球的热量传递给水管。

3.如权利要求1所述的球形燃料反应堆，其特征在于核燃料球在蒸汽发生器里面把热量传递给水，蒸汽发生器里面有许多窄而长的流道供核燃料球流过。