CN105210151B - 使核反应堆冷却的方法以及包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子的核反应堆 - Google Patents

使核反应堆冷却的方法以及包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子的核反应堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使核反应堆的堆芯冷却的方法。该方法包括使核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。本发明也公开了核反应堆。该核反应堆具有中子慢化剂，所述中子慢化剂为包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液，或者该核反应堆具有紧急堆芯冷却***，所述紧急堆芯冷却***包括含有一定体积的含水溶液的容器，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。该核反应堆还可具有作为中子慢化剂的含水溶液和紧急堆芯冷却***两者，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，所述紧急堆芯冷却***包括包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液。

Description

使核反应堆冷却的方法以及包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷 阴离子的核反应堆
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请61/789,284的优先权，其公开内容全文以引用方式并入本文。
背景技术
通常，在核发电中，热能是由可裂变物质(例如，钍、铀和钚)的链式裂变产生的，并且发电所需的动力来源于热能。可裂变物质通常以烧结体的形式制备并包含于核燃料棒中。核燃料棒被布置成捆以形成核燃料组件。在核反应堆中，通常使用控制棒和慢化剂来控制额外中子的数量和速度以及阻止可裂变物质的链式反应(反应率>1)。慢化剂可包括例如重水(D2O)、轻水(H2O)、石墨和铍。依据慢化剂的性质，可将核反应堆分类。例如，轻水核反应堆(LWR)包括加压水反应堆(PWR)和沸水反应堆(BWR)。核反应堆的其他类型包括包含重水慢化剂的重水核反应堆(HWR)和高温气冷反应堆(HTGR)。
紧急关闭程序对于核发电厂的安全至关重要。为了终止核反应堆，通常将由固态中子毒物(例如，氢化锆)形成的控制棒***到堆芯中。紧急堆芯冷却***也是核反应堆所需的。紧急堆芯冷却***用于终止核反应堆的运行以及阻止核反应堆温度的提高。紧急堆芯冷却***通常包括包含可溶性硼的含水溶液的供应源。通常，紧急池通常含有泵送到反应堆中以淬灭裂变反应的硼酸溶液，或者在一些情况下，五硼酸钠溶液。
发明内容
在核反应堆的紧急关闭程序中使用硼酸存在一些问题。在20℃下，硼酸在水中的溶解度通常报道为约4.7克/100克溶液。典型紧急关闭***中低浓度的可溶性硼可能在淬灭期间需要向反应堆***引入大量的水，并且如此大量的水可能破坏安全密封。此外，硼酸沉积物可造成腐蚀，因而紧急事件期间引入硼酸通常将导致反应堆的堆芯不可恢复。硼酸的腐蚀性还会限制其在反应堆正常运行期间控制中子流的效用。
在根据本公开的方法和核反应堆中提供了包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液。在一些实施例中包括B10H10 2-、B11H14 -、CB11H12 -、或B12H12 2-中的至少一者的多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子相对于硼酸具有较大重量％的硼和至少一些其离解物相对于硼酸更易溶于水的盐。因此，包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液相对于硼酸溶液通常具有较大的硼有效性，这会使紧急情况下快速淬灭核反应堆的堆芯所需的水较少。人们也希望包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液相对于硼酸溶液引起的***腐蚀较小。
在一个方面，本公开提供了一种使核反应堆的堆芯冷却的方法。该方法包括使核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。
在另一个方面，本公开提供了一种核反应堆。该核反应堆包含含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。该含水溶液可为核反应堆中的中子慢化剂或存在于紧急堆芯冷却***中至少之一的情况。在一些实施例中，核反应堆具有紧急堆芯冷却***。紧急堆芯冷却***包括含有一定体积的含水溶液的容器和从所述容器向处于某一位置的施用装置引出的管道，以向所述核反应堆的堆芯递送所述含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。
本申请中：
术语诸如“一个”、“一种”和“所述”不旨在仅指单一实体，而是包括可用于说明的特定示例的一般类别。术语“一个”、“一种”和“所述”可与术语“至少一个(种)”互换使用。
后接列表的短语“包括(含)……中的至少一种”是指包括(含)该列表中任何一个项目以及该列表中两个或更多个项目的组合。后接列表的短语“……中的至少一种”是指该列表中任何一个项目以及该列表中两个或更多个项目的组合。
术语“接触”包括使用本领域已知的任何适宜的方式(例如，泵送、注射、倾倒、排放、置换、点施、或喷射含水溶液)将含水溶液施用至堆芯。
术语“含水”是指包含水。水可为H2O或D2O。
除非另外说明，所有数值范围包括其端点和介于端点之间的非整数值。
具体实施方式
可用于实施本公开的含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。多面体硼烷阴离子仅包含硼和氢原子。碳硼烷阴离子仅包含碳、硼和氢原子。
在一些实施例中，阴离子为多面体硼烷阴离子。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B10H10 2-、B11H14 -、或B12H12 2-中的至少一者。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B10H10 2-或B12H12 2-中的至少一者。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B10H10 2-。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B11H14 -。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B12H12 2-。通常，多面体硼烷阴离子通过I族元素的盐、II族元素的盐、铵盐、或烷基铵盐的溶解在含水溶液中提供，其中烷基为乙基或甲基。烷基铵盐可为单烷基铵盐、二烷基铵盐、三烷基铵盐、或四烷基铵盐。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子通过I族元素的盐、铵盐、或四烷基铵盐(在一些实施例中，I族元素的盐)的溶解在含水溶液中提供。适宜的盐的示例包括：Li2B10H10、Na2B10H10、K2B10H10、(NH4)2B10H10、[(C2H5)3NH]2B10H10、LiB11H14、NaB11H14、KB11H14、NH4B11H14、Li2B12H12、Na2B12H12、K2B12H12和(NH4)2B12H12。
在一些实施例中，阴离子为碳硼烷阴离子。在一些实施例中，碳硼烷阴离子包括CB11H12 -。通常，碳硼烷阴离子通过I族元素的盐、II族元素的盐、铵盐、或烷基铵盐的溶解在含水溶液中提供，其中烷基为乙基或甲基。烷基铵盐可为单烷基铵盐、二烷基铵盐、三烷基铵盐、或四烷基铵盐。在一些实施例中，碳硼烷阴离子通过I族元素的盐、铵盐、或四烷基铵盐(在一些实施例中，I族元素的盐)的溶解在含水溶液中提供。适宜的盐的示例包括LiCB11H12、NaCB11H12、KCB11H12、NH4CB11H12。
可用于实施本公开的含水溶液可包含在上文任何其实施例中所述的任何阴离子或盐的组合。而且，可用于实施本公开的含水溶液通常不含有机聚合物。
多面体硼烷盐可由已知方法制备。例如，由金属硼烷或MB3H8起始物制备MB11H14盐的方法可见于各自授予Dunks等人的美国专利4,115,520；4,115,521；和4,153,672。
四烷基硼氢化铵盐在多种条件下的热解提供B10H10 2-阴离子的盐已有报道。参见例如，(1)W.E.Hill等人的“硼化学4”，盖蒙出版社，牛津，1979年，第33页(“Boron Chemistry4.”Pergamon Press,Oxford 1979,p 33)；(2)Mongeot等人的《法国化学会通报385》，1986年(Soc.Chim.Fr.385,1986)；和(3)均颁予Sayles的美国专利4,150,057和4,391,993。四烷基硼氢化铵起始物(R4NBH4)可通过在含水溶液或醇溶液中使硼氢化钠与一种或多种摩尔当量的四烷基铵盐(例如，四烷基硫酸氢铵)接触来制备。美国专利7,524,477(Spielvogel等人)中报道了通过调节温度(例如，通过使用精确的内部温度读数、冷却反应混合物的方法、以及特定的跃变和等温特征)，四烷基硼氢化铵盐的热解可以良好的收率提供B10H10 2-和/或B12H12 2-阴离子的盐。例如，在制备B10H10 2-、B9H9 -、B11H14 -和/或B12H12 2-的一些方法中，R4NBH4为溶解的、悬浮的、或与具有至少约100℃沸点的溶剂混合并加热的。可用的溶剂的示例包括C8-C18烷烃或C8-C18烷烃的混合物，包括正十二烷以及正癸烷和正十二烷的混合物。在制备B10H10 2-、B9H9 -、B11H14 -和/或B12H12 2-的其他方法中，使R4NBH4和三烷基胺硼烷加合物的混合物热解。硼烷与三烷基胺硼烷的比率通常介于约1:3至约3:1之间，并且该比率可为1:1。在这些方法中，约185℃温度下的热解通常以约1.4:1的比率提供四烷基铵B10H10 2-和四烷基铵B12H12 2-盐的混合物。多面体硼烷盐的各种阳离子可通过例如离子交换法提供。
制备B12H12 2-盐的另外方法在例如以下专利中报道：美国专利7,718,154(Ivanov等人)，其描述了在路易斯碱存在下金属氢化物与烷基硼酸反应产生路易斯碱-硼烷复合物，该复合物热分解形成B12H12 2-盐；以及美国专利7,563,934(Banavali等人)，其描述了金属硼烷与XBH3反应，其中X为取代的胺、取代的膦、或四氢呋喃。
CB11H12 -盐的合成也是已知的。参见例如，Knoth,W.H.的《美国化学协会期刊》，1967年，第89卷，第1274页(Journal of the American Chemical Society,1967,vol.89,page1274)；Jelinek,T.等人的《捷克斯洛伐克化学通讯集》，1986年，第51卷，第819页(Collection of Czechoslovak Chemical Communications,1986,vol.51,page 819)；以及Franken,A.等人的《捷克斯洛伐克化学通讯集》，2001年，第66卷，第1238-1249页(Collection of Czechoslovak Chemical Communications,2001,vol.66,pages 1238-1249)。
对于两种天然存在的硼同位素(11B和10B)，10B为更好的中子吸收体，其具有大约3800靶恩(3.8×10-24m2)的热中子吸收截面。因此，在一些实施例中，任何前述盐中包含的多面体硼烷阴离子富含10B。可采用多种方法来合成富含10B的多面体硼烷盐。一般而言，合成以富含10B的硼酸开始，其可被转化成硼烷盐。富集的硼烷可用例如任何上述方法来提供富含10B的盐。在一些实施例中，上述热解混合物中包含的四烷基硼氢化铵盐或三烷基胺硼烷加合物中的至少一种富含10B。来自同位素富集硼酸的同位素富集B11H14 -盐描述于美国专利7,641,879(Spielvogel)中。
包括富含10B的盐的至少一些盐(例如，Li2B10H10、Na2B10H10、K2B10H10、(NH4)2B10H10、LiB11H14、NaB11H14、KB11H14、NH4B11H14、Li2B12H12、Na2B12H12、K2B12H12和(NH4)2B12H12)可商购自宾夕法尼亚州巴伦西亚的硼特殊品有限公司(Boron Specialties LLC,Valencia,PA)。
在一些实施例中，多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子通过Li2B10H10、LiB11H14、LiCB11H12、或Li2B12H12的溶解在含水溶液中提供。在一些实施例中，多面体硼烷盐为Li2B10H10。在一些实施例中，多面体硼烷盐为Li2B12H12。在一些实施例中，多面体硼烷盐为LiB11H14。在一些实施例中，碳硼烷盐为LiCB11H12。与其他多面体硼烷盐或碳硼烷盐相比，由于锂的原子量低，故此类盐可具有最高重量百分比的硼。此外，如下文更详细的讨论，锂盐可具有最高水中溶解度的多面体硼烷盐的一些。7Li是最常见的锂同位素，其占该原子的92.5％。然而，7Li是中子透明的，并且在一些实施例中，其可用于将要富含7Li的Li2B10H10、LiB11H14、LiCB11H12、或Li2B12H12中的任一者。7Li的富集可通过将根据上述方法制备的(Et4N)2B10H10、Et4NB11H14、(Et4N)2B12H12、或碳硼烷盐与可商购获得的7LiOH在水中处理来进行。
由于多面体硼烷盐和碳硼烷盐通常高的硼含量，故它们可用于例如本文所公开的方法和核反应堆中。尽管硼酸仅为17.5重量％的硼，但通常可用于实施本公开的多面体硼烷盐和碳硼烷盐具有基于该盐的总分子量计至少25重量％的硼。例如，Cs2B10H10为28重量％的硼。在其他示例中，Li2B10H10、Na2B10H10和(NH4)2B10H10分别为81.9重量％、65.9重量％和70.1重量％的硼。在另外示例中，Li2B12H12、Na2B12H12和(NH4)2B12H12分别为83.3重量％、69.1重量％和72.9重量％的硼。在另一个示例中，LiCB11H12、NaCB11H12和KCB11H12分别为79.3重量％、71.6重量％和65.3重量％的硼。在一些实施例中，多面体硼烷盐或碳硼烷盐具有基于该盐的总分子量计至少30、35、40、45、50、55、60、或65重量％的硼。
由于多面体硼烷盐在水中的高溶解度，故其可用于例如本文所公开的方法和核反应堆中。尽管通常报道硼酸在20℃下具有仅约4.7克/100克溶液的水中溶解度，通常，可用于实施本公开的多面体硼烷盐在20℃下具有至少15克/100克溶液的溶解度或至少三倍的硼酸的水中溶解度。在一些实施例中，可用于实施本公开的多面体硼烷盐在20℃下具有至少20、25、30、35、40、45、或至少50克/100克溶液的水中溶解度。人们也希望某些碳硼烷盐具有可用的水中溶解度。例如，CB11H12 -是非常弱的配位阴离子。许多不同盐的水中溶解度和确定这些溶解度的方法报道于下文实例中。
根据本公开的方法可实施于任何类型的核反应堆，并且类似地，根据本公开的核反应堆包括多种类型。在一些实施例中，核反应堆为轻水反应堆、沸水反应堆、加压水反应堆、小型模块化反应堆、或重水反应堆。在一些实施例中，核反应堆为轻水反应堆，所述轻水反应堆可为沸水反应堆或加压水反应堆。
在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开方法冷却的是轻水反应堆。在轻水反应堆中，初冷却剂为H2O，其流经反应堆的堆芯以提取热量而产生蒸汽或用于其他有用的目的。对于发电而言，蒸汽可用于驱使发电涡轮机。在热核反应堆中，初冷却剂水也充当热化中子的中子慢化剂，中子可提高可裂变物质的反应率。采用各种反应率控制机制诸如机械操作控制棒和初冷却剂与可溶性中子毒物的化学处理来调节反应率和所得的热产生。
在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开方法冷却的是沸水反应堆(BWR)。BWR是上述轻水反应堆中的一种类型，其中使初冷却剂水受热至沸腾以产生蒸汽。初冷却剂水通常保持在也含有反应堆的堆芯的反应堆压力容器中。在根据本公开的方法和核反应堆的一些实施例中，本文所公开的含水溶液包含在反应堆压力容器中。
在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开的方法冷却的是加压水反应堆(PWR)。PWR是上述轻水反应堆中的一种类型，其中初冷却剂水以过热状态保持在也含有反应堆的堆芯的密封压力容器中。然后，使这种未沸腾的热水与转为蒸汽并驱使涡轮机的二级较低压水***交换热量。在PWR中，初冷却剂水的压力和温度均是受控的。在根据本公开的方法和核反应堆的一些实施例中，本文所公开的含水溶液包含在反应堆压力容器中。
在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开方法冷却的是重水反应堆(HWR)。同上文所述PWR操作HWR，但初冷却水为D2O而非H2O。
在一些实施例中，核反应堆为小型模块化反应堆。此类反应堆通常具有小于500兆瓦特(MW)的电输出。模块化反应堆在中央工厂场所设计制造和组装，然后送至其新场所安装。小型模块化反应堆可为轻水冷却的或重水冷却的且可为沸水反应堆或加压水反应堆。
在一些实施例中，根据本公开的方法可用作核反应堆的紧急关闭程序。即将关闭的核反应堆可为上述的那些核反应堆中的任何一个。在一些实施例(包括根据本公开的方法和核反应堆的实施例)中，紧急堆芯冷却***可用于紧急关闭程序。在一些紧急堆芯冷却***中，喷嘴定位成将冷却剂直接喷射到燃料棒上，从而抑制蒸汽的产生。紧急堆芯冷却***可包括含有冷却剂的容器和从所述容器向处于某一位置的施用装置引出的管道，以向所述核反应堆的堆芯递送所述冷却剂。施用装置可使用使冷却剂与核反应堆的堆芯接触布置的任何方法(例如，泵送、注射、倾倒、排放、置换、点施、或喷射含水溶液)。在一些实施例中，施用装置为注射器或喷射器(例如，莲蓬头或喷嘴)。在任何上述实施例中包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液可用作紧急堆芯冷却***中的冷却剂。使多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子与核反应堆的堆芯接触且可充当中子毒物，使得核裂变反应终止。可用的紧急关闭***的示例在美国专利申请公布2010/0239062(Yeon等人)和2012/0243651(Malloy)中示出。
要求多数核反应堆(包括BWR和PWR类型的那些)具有含可溶性硼的有效紧急池在紧急关闭情况下成为必要。通常，紧急池含有泵送到反应堆中以淬灭裂变反应的饱和硼酸或五硼酸钠溶液。在紧急关闭情况下，与硼酸和五硼酸钠溶液相比，本文所公开的含水溶液提供了若干优点，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。第一，在一些实施例中，与硼酸和五硼酸钠相比，多面体硼烷盐和碳硼烷盐的溶解度更大可使中子毒物的引入更快，从而导致裂变反应的淬灭更快。由于溶解度提高，故与多面体硼烷盐和一些多面体碳硼烷盐一起使用的水的体积可能较小，这可保护反应堆***的安全密封。在沸水反应堆中，由于可溶性硼***在紧急事件中造成腐蚀，故在此类事件期间引入传统可溶性硼将导致反应堆的堆芯不可恢复。已知硼酸和五硼酸钠沉积物在反应堆***中通过多个机制(例如，电化腐蚀和归因于pH下降的腐蚀)造成严重腐蚀。由于本文所公开的多面体硼烷盐和碳硼烷盐更易溶和中性的pH，据信它们将会有相当小的腐蚀性。
在一些实施例中，根据本公开的方法还可用作核反应堆正常运行期间的中子慢化剂。例如，对于235U，较慢的中子更易于引起裂变反应。为了减慢反应堆的堆芯中的中子，使用了慢化剂。慢化剂可包括上述的轻水或重水和本文所公开的多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子。尽管在一些情况下，包含中子慢化剂的核反应堆可为上述那些核反应堆中的任何一个，但在无中子慢化剂的情况下操作小型模块化反应堆。通过充当“化学补偿物”，本文所公开的多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子的存在可有利于能量升级。整个燃料负载寿命中，由燃料棒释放的能量将持续减少，这导致反应堆的能量输出降低。这是不期望的。为了平衡反应性，将燃料自身的一部分用中子毒物覆盖，这使中子流且因此裂变反应平稳。进一步的能量升级通过在慢化剂中使用“化学补偿物”来实现。
硼酸的某些特性限制其作为化学补偿物的效用。例如，起因于沉积物的硼酸腐蚀可影响压力容器和相关***的完整性。由于溶解度的提高，多面体硼烷盐和某些多面体碳硼烷盐将不易于沉积，并且如果确实发生沉积，不希望它们具有相同的腐蚀性。而且，将硼酸用作化学补偿物导致微酸性pH，这可造成燃料棒包壳的腐蚀。为了使pH回到可接受的水平，向水中添加7LiOH。然而，存在过多LiOH也可造成包壳的腐蚀。为了进一步保护包壳免于腐蚀，通常添加与燃料包壳材料互相作用的贫氧化锌。多面体硼烷盐和碳硼烷盐是pH中性的，这可降低或消除这些反应堆中使用的昂贵的LiOH和贫氧化锌。
此外，使用根据本公开的方法和核反应堆中的含水溶液中的多面体硼烷盐将不会向反应堆的堆芯引入当前不存在的任何附加原子。多面体硼烷阴离子和碳硼烷阴离子通常是热稳定的且无毒的。笼形结构的多面体硼烷阴离子和碳硼烷阴离子使它们具有高度的化学稳定性，这允许它们长期储存。然后，含有这些盐的含水溶液在需要时即可使用。
本公开的一些实施例
在第一实施例中，本公开提供了一种使核反应堆的堆芯冷却的方法，该方法包括：
使核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。
在第二实施例中，本公开提供了第一实施例的方法，其中将含水溶液用作核反应堆正常运行期间的中子慢化剂。
在第三实施例中，本公开提供了第一实施例的方法，其中核反应堆的堆芯与含水溶液接触是在核反应堆的紧急关闭期间进行的。
在第四实施例中，本公开提供了一种核反应堆，该核反应堆包含含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，作为中子慢化剂、处于紧急堆芯冷却***中、或既作为中子慢化剂又处于紧急堆芯冷却***中。
在第五实施例中，本公开提供了第四实施例的核反应堆，其中该核反应堆包含处于紧急堆芯冷却***中的含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，所述紧急堆芯冷却***包括：
含有一定体积的含水溶液的容器，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者；和
从所述容器向处于某一位置的施用装置引出的管道，以向所述核反应堆的堆芯递送所述含水溶液。
在第六实施例中，本公开提供了第五实施例的核反应堆，其中施用装置为注射器或喷射器。
在第七实施例中，本公开提供了第一至第六实施例中任一个的方法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者富含10B。
在第八实施例中，本公开提供了第一至第七实施例中任一个的方法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者由溶解的I族元素的盐或铵盐提供。
在第九实施例中，本公开提供了第八实施例的方法或核反应堆，其中I族元素的盐或铵盐具有至少25重量％的硼。
在第十实施例中，本公开提供了第八或第九实施例的方法或核反应堆，其中I族元素的盐或铵盐在20℃下具有至少15克/100克溶液的水中溶解度。
在第十一实施例中，本公开提供了第一至第十实施例中任一个的方法或核反应堆，其中阴离子为包括B10H10 2-、B11H14 -、或B12H12 2-中的至少一者的多面体硼烷阴离子。
在第十二实施例中，本公开提供了第十一实施例的方法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子包括B10H10 2-或B12H12 2-中的至少一者。
在第十三实施例中，本公开提供了第十二实施例的方法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子来自溶解的盐，所述盐选自由以下项组成的组：Li2B10H10、Na2B10H10、K2B10H10、(NH4)2B10H10、Li2B12H12、Na2B12H12、K2B12H12、(NH4)2B12H12、以及它们的组合。
在第十四实施例中，本公开提供了第十一实施例的方法或核反应堆，其中Li2B10H10或Li2B12H12富含7Li。
在第十五实施例中，本公开提供了第十一实施例的方法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子包括B11H14 -，其中所述多面体硼烷阴离子来自溶解的盐，所述盐选自由以下项组成的组：LiB11H14、NaB11H14、KB11H14和(NH4)B11H14，并且任选地，其中LiB11H14富含7Li。
在第十六实施例中，本公开提供了第一至第十实施例中任一个的方法或核反应堆，其中阴离子为碳硼烷阴离子，其中所述碳硼烷阴离子包括CB11H12 -，其中所述碳硼烷阴离子来自溶解的盐，所述盐选自由以下项组成的组：LiCB11H12、NaCB11H12、KCB11H12、NH4CB11H12，并且任选地，其中LiCB11H12富含7Li。
在第十七实施例中，本公开提供了第一至第十五实施例中任一个的方法或核反应堆，其中该核反应堆为轻水反应堆、沸水反应堆、压水反应堆、小型模块化反应堆、或重水反应堆。
以下特定而非限制性示例将有助于说明本公开。
实例
下表中的盐可用于根据本公开的任何上述实施例中的方法和核反应堆。
下表中标示的盐溶解度通过以下程序确定。向位于磁性搅拌盘上的带有温度计和搅拌子的2颈圆底烧瓶添加已知量的水(25克或50克)。将溶质(盐)分析称重并以大约0.1g增量添加到溶剂中，同时测量溶液的温度。添加溶质直至添加和搅动后在溶液中观察到浑浊。然后，以克/100克溶液计算溶解度并提供在下表中。测量的温度范围为18℃至21℃。
表：以克/100克溶液计的盐溶解度
Li Na K Cs (C2H5)3NH
B12H12 2-盐 54.7 50.4 40.7 2.3 1.6
B10H10 2-盐 58.4 56.9 38.0 4.2 15.7
本领域的技术人员可在不脱离本公开的范围和实质的情况下得知本公开的各种变型和替代形式，并且应当理解，本发明未不当地限于本文前述的例示性实施例。

Claims (20)

1.一种使核反应堆的堆芯冷却的方法，所述方法包括：
使所述核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者富含10B。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者包括B10H10 2-、B11H14 -、CB11H12 -或B12H12 2-中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多面体硼烷阴离子由溶解的盐提供，所述盐选自由以下项组成的组：Li2B10H10、Na2B10H10、K2B10H10、(NH4)2B10H10、LiB11H14、NaB11H14、KB11H14、(NH4)B11H14、Li2B12H12、Na2B12H12、K2B12H12、(NH4)2B12H12以及它们的组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者由溶解的I族元素的盐或铵盐提供。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述I族元素的盐或铵盐具有至少25％重量百分比的硼。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者由在20℃下具有至少15克/100克溶液的水中溶解度的溶解盐提供。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述核反应堆为轻水反应堆、沸水反应堆、压水反应堆、重水反应堆或具有小于500MW电输出的小型模块化反应堆。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中使所述反应堆与所述含水溶液接触是在所述核反应堆的紧急关闭期间进行的。
11.一种核反应堆，所述核反应堆包含含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，作为中子慢化剂、处于紧急堆芯冷却***中或既作为中子慢化剂又处于紧急堆芯冷却***中。
12.根据权利要求11所述的核反应堆，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者富含10B。
13.根据权利要求11所述的核反应堆，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者包括B10H10 2-、B11H14 -、CB11H12 -或B12H12 2-中的至少一者。
14.根据权利要求11所述的核反应堆，其中所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子。
15.根据权利要求14所述的核反应堆，其中所述多面体硼烷阴离子由溶解的盐提供，所述盐选自由以下项组成的组：Li2B10H10、Na2B10H10、K2B10H10、(NH4)2B10H10、LiB11H14、NaB11H14、KB11H14、(NH4)B11H14、Li2B12H12、Na2B12H12、K2B12H12、(NH4)2B12H12以及它们的组合。
16.根据权利要求11所述的核反应堆，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者由溶解的I族元素的盐或铵盐提供。
17.根据权利要求16所述的核反应堆，其中所述I族元素的盐或铵盐具有至少25％重量百分比的硼。
18.根据权利要求11所述的核反应堆，其中所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者由在20℃下具有至少15克/100克溶液的水中溶解度的溶解盐提供。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的核反应堆，其中所述核反应堆为轻水反应堆、沸水反应堆、压水反应堆、重水反应堆或具有小于500MW电输出的小型模块化反应堆。
20.根据权利要求11至18中任一项所述的核反应堆，其中所述核反应堆包含处于所述紧急堆芯冷却***中的含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，所述紧急堆芯冷却***包括：
含有一定体积的所述含水溶液的容器，所述含水溶液包含所述多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者；和
从所述容器向处于某一位置的施用装置引出的管道，以向所述核反应堆的堆芯递送所述含水溶液。
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