CN108198635A - 一种钍基熔盐增殖堆堆芯 - Google Patents

一种钍基熔盐增殖堆堆芯 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区是由燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元阵列组成，所述活性区包括中子提供区、功率展平区和增殖区，所述功率展平区包围所述中子提供区，所述增殖区包围所述功率展平区。本发明的钍基熔盐增殖堆堆芯通过改变石墨慢化剂栅元的熔盐、石墨体积比，将堆芯活性区分为混合有热谱和快谱的若干区，提高堆的增殖性能；通过设置功率展平区，延长石墨的更换周期至10年，使得反应堆具有负的温度反应性系数；通过设置轴向增殖区，可进一步提高堆的增殖性能，同时有利于堆的热工水力特性。

Description

一种钍基熔盐增殖堆堆芯
技术领域
本发明涉及熔盐堆堆芯设计领域，具体涉及一种钍基熔盐增殖堆堆芯。
背景技术
熔盐堆是六种***反应堆候选堆型中唯一使用液态燃料的反应堆，在固有安全性、经济性、防核扩散和核燃料可持续发展等方面具有其独特优势。熔盐堆的燃料一方面无需像传统反应堆那样进行制造，另一方面还兼顾冷却剂的功能，当含有裂变材料的燃料熔盐以以高于自身熔点的入口温度进入堆芯并临界时，燃料发生裂变产生热量，同时又将热量带至二回路。
自熔盐堆概念诞生以来，世界上主要的熔盐增殖堆概念设计研究主要为：美国橡树岭国家实验室的熔盐增殖堆MSBR(Molten Salt Breeder Reactor)，法国国家科学研究院的无慢化熔盐快堆MSFR(Molten Salt Fueled Reactor)，熔盐堆实验MSRE(Molten SaltReactor Experiment)，日本的FUJI系列熔盐堆以及俄国的熔盐嬗变堆MOSART。
熔盐堆实验MSRE(Molten Salt Reactor Experiment)是唯一建成并运行的采用石墨为慢化剂的熔盐堆。慢化剂栅元为侧面开凹槽，横截面近似为正方形的四棱柱。相邻慢化剂的凹槽拼合在一起形成熔盐流道，供燃料盐流动带出热量。慢化剂栅元下端***打孔的栅格板中固定其位置，排布成近似圆形的堆芯。
热堆的典型堆型为MSBR，采用FLiBe熔盐作为载体盐，石墨作为慢化剂和反射层，堆芯入口温度约560℃，出口温度约700℃，热功率为2250MW。据评估，MSBR具有正的温度反应性系数，对反应堆的安全性有严重影响，且其堆芯石墨需以四年为周期进行更换，这使得反应堆的成本也较高，其增殖比在1.06左右。
快堆的典型代表MSFR是法国国家科学研究院CNRS提出的无石墨慢化的熔盐堆快堆概念。MSFR能谱由热谱向快谱的转变可以获得较大的负温度反应性系数和空泡系数、较大的增殖比和无石墨寿命限制等独特优点。但氟盐的慢化性能较好，使得MSFR具有较大的燃料装载量，成本高，堆的倍增时间长(大于30年)，且快堆技术难度也较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中堆芯增殖比不超过1.06，石墨更换周期不超过4年，温度反应性系数为正的缺陷，提供一种高功率混合能谱钍基熔盐增殖堆堆芯，其堆芯的增殖比可达1.08以上，其石墨更换周期达10年，提高了100％以上，其温度反应性系数为负。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区包括燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元的阵列，所述活性区包括中子提供区和增殖区，所述中子提供区和所述增殖区的体积比为2.0:1～2.5:1，所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:7.2～1:3.2，所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:3.2～1:1.8。通过大量的不同燃料熔盐和石墨体积比的堆芯计算，并综合考虑有效增殖系数、温度反应性系数和增殖比进行优化选择，将所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比设置为1:7.2～1:3.2，将所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比设置为1:3.2～1:1.8。燃料熔盐和石墨的体积比等于在堆芯横截面中燃料熔盐和石墨的面积比。如此能够实现综合热谱反应堆和快谱反应堆的优点，达到较高的增殖比，使得增殖比从现有技术的1.06提高到本发明的1.08以上。由于在核燃料裂变中，可裂变核子数以增殖比为底数呈指数增长，因此即便很小的提高，经过指数运算，都会使结果产生巨大的增加，从而显著提高反应堆的效率。
优选地，所述活性区还包括第一功率展平区，所述第一功率展平区包围所述中子提供区，所述增殖区包围所述第一功率展平区，所述中子提供区和所述第一功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01。通过设置第一功率展平区，展平了堆芯功率分布，通过将第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比设置为1:1.8～1:0.01，优化了温度反应性系数，延长石墨更换周期。
优选地，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区位于所述活性区的中央。通过第一功率展平区和第二功率展平区的配合作用，进一步优化了温度反应性系数，使得温度反应性系数为负，保证了反应堆的安全，延长石墨更换周期。
优选地，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区位于所述活性区的中央。通过将第一功率展平区和第二功率展平区层叠设置，进一步优化了温度反应性系数，使得温度反应性系数为负，保证了反应堆的安全，延长石墨更换周期。
优选地，所述燃料熔盐为FLiBe熔盐。
优选地，所述燃料熔盐为LiF-BeF2-(Th+U)F4熔盐。
优选地，所述燃料熔盐为氯盐。
优选地，所述增殖区包括径向增殖区和轴向增殖区，所述径向增殖区和所述轴向增殖区将所述中子提供区包裹在内。这样的结构能够提供中子经济性。
优选地，所述反射层包括径向反射层和轴向反射层，所述径向反射层围绕在活性区***，所述轴向反射层位于所述径向反射层的两侧。
优选地，所述轴向反射层包括上反射层和下反射层，所述上反射层位于所述活性区的正上方，并呈圆台状，所述下反射层位于所述活性区的正下方，并呈圆台状。
优选地，所述慢化剂栅元的中间设置有燃料孔道，用于使燃料熔盐流经并冷却石墨慢化剂。通过改变燃料孔道的直径，能够改变燃料熔盐和石墨的体积比。
优选地，所述慢化剂栅元的侧面设置有鳍，用于形成栅元之间的缝隙供燃料熔盐流通并冷却石墨慢化剂。通过改变鳍的大小，能够改变栅元之间的缝隙的大小，进而能够改变燃料熔盐和石墨的体积比。
在不影响中子经济性的前提下节约石墨用料，并减轻了石墨反射层的正温度反应性效应。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明的钍基熔盐增殖堆堆芯通过改变石墨慢化剂栅元的熔盐、石墨体积比，将堆芯活性区分为混合有热谱和快谱的若干区，将堆芯的增殖比提高到1.08以上；通过设置功率展平区，延长石墨的更换周期至10年，使得反应堆具有负的温度反应性系数；通过设置轴向增殖区，可进一步提高堆的增殖性能，同时有利于堆的热工水力特性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的堆芯的截面结构示意图。
图2为本发明的实施例1的堆芯的侧视结构示意图。
图3为本发明的实施例1的一种慢化剂栅元的截面结构示意图。
图4为本发明的实施例1的另一种慢化剂栅元的截面结构示意图。
图5为本发明的实施例1的慢化剂栅元组合后的立体结构示意图。
图6为本发明的实施例1的板型石墨棱柱的结构示意图。
图7为本发明的实施例1的堆芯的横截面与中子能量关系示意图。
图8为本发明的实施例1的慢化剂栅元的侧视结构示意图。
图9为本发明的实施例2的堆芯的截面结构示意图。
图10为本发明的实施例3的堆芯的截面结构示意图。
图11为本发明的实施例4的堆芯的截面结构示意图。
图12为本发明的实施例1-8的反应堆***的结构示意图。
附图标记说明：
活性区 1
增殖区 11
第一功率展平区 12
第二功率展平区 13
中子提供区 14
反射层 2
径向反射层 21
轴向反射层 22
上反射层 23
下反射层 24
燃料孔道 3
鳍 4
慢化剂栅元头 51
慢化剂栅元末端 52
反应堆 61
主泵 62
主换热器 63
后处理*** 64
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
实施例1
本实施例的高功率混合能谱钍基熔盐增殖堆堆芯，如图1所示，包括活性区1和反射层2，反射层2包覆活性区1，活性区1包括中子提供区14和增殖区11，中子提供区14的中子能谱峰值为小于10-6MeV，增殖区11的中子能谱峰值为10-6MeV～10-3MeV。
如图2所示，反射层2在活性区1***和上、下两端。反射层2也可分为径向反射层21和轴向反射层22。径向反射层21围绕在活性区1***。轴向反射层22分为上反射层23和下反射层24，上反射层23位于活性区1正上方，呈圆台状，下反射层24位于活性区1正下方，也呈圆台状。反射层2在不影响中子经济性的前提下节约石墨用料，并减轻了石墨反射层的正温度反应性效应。
设计采用LiF-BeF2-(Th+U)F4熔盐作为裂变燃料和转换燃料的载体盐，采用石墨作为慢化剂和反射层。堆芯包括活性区1和反射层2，活性区1是由石墨慢化剂栅元和流经其中的燃料熔盐组成，石墨慢化剂栅元的设计可通过改变几个关键几何尺寸来灵活调节熔盐、石墨体积比，将堆芯分为具有热中子谱(能谱峰值位于能量小于10-6MeV的区域)的中子提供区14及具有超热中子谱(能谱峰值位于10-6MeV～10-3MeV能区)的增殖区11。
如图3所示，慢化剂栅元可以是石墨六棱柱，中间具有燃料孔道3供燃料熔盐流经并冷却石墨慢化剂，其不相邻的三个侧面上有鳍4，用以形成栅元之间的缝隙供燃料熔盐流通并冷却石墨慢化剂。栅元呈正三角形状排布。如图4所示，慢化剂栅元也可以是正四边形石墨棱柱，中间具有燃料孔道3供燃料熔盐流经并冷却石墨慢化剂，其四个侧边为鳍4，用以形成栅元之间的缝隙供燃料熔盐流通并冷却石墨慢化剂，其中栅元呈正四边形排布。如图5和图6所示，慢化剂栅元也可以是板型石墨棱柱，板上有鳍4，用以形成栅元之间的缝隙供燃料熔盐流通并冷却石墨慢化剂。栅元可呈正六边形状或四边形状排布。
如图7所示，根据U233裂变截面以及Th232俘获截面对比显示，有益于增殖的中子能谱(能谱峰值位于10-5MeV～10-3MeV能区，即共振区)要较有益于裂变的中子能谱(能谱峰值位于能量小于10-6MeV的区域，即热能区)硬，所以增殖区11的燃料和石墨的体积比(1:3.2～1:1.8)大于中子提供区14的燃料和石墨的体积比(1:7.2～1:3.2)，并且，为有效利用中子提供区14产生的中子，将中子提供区14置于活性区1内部，增殖区11置于活性区1***。在本实施例中，增殖区11的燃料和石墨的体积比为1:2.8，中子提供区14的燃料和石墨的体积比为1:6。
增殖区11还可进一步分为径向增殖区(图中未示出)和轴向增殖区(图中未示出)，将中子提供区14包裹在内，以提供中子经济性。径向增殖区具有石墨六棱柱栅元的燃料孔径和侧面鳍4。轴向增殖区是由石墨慢化剂栅元的轴向几何结构形成，如图8所示，石墨慢化剂栅元包括慢化剂栅元头51和慢化剂栅元末端52，栅元两端棒头横截面明显较中段横截面小，燃料石墨体积比大，有益于增殖。
采用蒙卡软件MCNP进行反应堆建模，并选定其中可灵活改变的燃料孔径或栅元板厚度以及鳍4的横截面圆直径作为优化参数，通过改变慢化剂栅元的燃料孔径或栅元板的厚度，以及鳍4的横截面圆直径，可以调节燃料和石墨的体积比，使得活性区1局部区域的能谱有所不同。而根据Th的中子俘获截面以及U的裂变截面随中子能量变化的情况，优选出合适的燃料和石墨体积比，以分别得到有益于增殖和裂变的能谱，从而将活性区1进行中子提供区14和增殖区11的划分。中子提供区14和增殖区11均大体排列成圆形。根据计算得到的有效增殖系数、增殖比以及温度反应性系数进行优化，优选出合适的中子提供区14和增殖区11的等效直径。本实施例给出的堆芯热功率为2250MW。
在本实施例中，模拟计算得到的堆芯的增殖比提高到1.085。
实施例2
实施例2的结构与实施例1基本相同，不同之处在于，如图9所示，实施例2的活性区1中加入了第一功率展平区12。第一功率展平区12包围中子提供区14，增殖区11包围第一功率展平区12，第一功率展平区12的中子能谱峰值大于10-3MeV，具有快中子谱。第一功率展平区12能够展平堆芯功率分布和优化温度反应性系数，第一功率展平区12设置在堆芯中央或在中子提供区14和增殖区11之间，中子能谱为快谱(能谱峰值位于能量大于10-3MeV的区域、燃料石墨体积比1:1.8～1:0.01)。控制棒放置在功率展平区内。
在本实施例中，根据计算机模拟结果，增殖比提高到了1.09，石墨的更换周期延长到10年，使得反应堆具有负的温度反应性系数。
实施例3
实施例3的结构与实施例2基本相同，不同之处在于，如图10所示，活性区1还包括第一功率展平区12和第二功率展平区13，第一功率展平区12的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1，第二功率展平区13为燃料熔盐，增殖区11临接并围绕第一功率展平区12，第一功率展平区12临接并围绕中子提供区14，中子提供区14临接并围绕第二功率展平区13，第二功率展平区13位于活性区1的中央。根据计算机模拟结果，通过第一功率展平区12和第二功率展平区13的配合作用，将增殖比提高到1.1，进一步优化了温度反应性系数，使得温度反应性系数为负，保证了反应堆的安全，延长石墨更换周期。
实施例4
实施例4的结构与实施例2基本相同，不同之处在于，如图11所示，活性区1还包括第一功率展平区12和第二功率展平区13，第一功率展平区12的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1，第二功率展平区13为燃料熔盐，增殖区11临接并围绕第一功率展平区12，第一功率展平区12临接并围绕第二功率展平区13，第二功率展平区13临接并围绕中子提供区14，中子提供区14位于活性区1的中央。根据计算机模拟结果，通过将第一功率展平区12和第二功率展平区13层叠设置，将增殖比提高到1.1，进一步优化了温度反应性系数，并使得温度反应性系数为负，保证了反应堆的安全，延长石墨更换周期。
实施例5-8
实施例5-8与实施例1基本相同，不同之处在于，增殖区11的燃料和石墨的体积比，以及中子提供区14的燃料和石墨的体积比均有所不同。
实施例5-8的计算机模拟结果如表1中所示：
表1：实施例5-8的计算机模拟结果
对比例1-4
对比例1-4与实施例1基本相同，不同之处在于，增殖区11的燃料和石墨的体积比，以及中子提供区14的燃料和石墨的体积比均有所不同。对比例1-4的计算机模拟结果如表2中所示：
表2：对比例1-4的计算机模拟结果
在表2中，转换比是指反应堆61内产生的易裂变材料量和消耗的易裂变材料量之比，当该比值大于1时，称为增殖比。不临界是指反应堆的中子的产生率和消失率之间不再平衡，使链式反应不能持续地进行下去的状态。
如图12所示，本发明的高功率混合能谱钍基熔盐增殖堆堆芯设置于反应堆61中，反应堆61中的裂变热通过熔盐-熔盐主换热器63带至三回路的热电转化***(常规岛)。此外，通过一支熔盐旁路，对燃料盐进行在线后处理，主要为去除裂变产物中的中子毒物，提高堆芯的增殖比。受反应堆61加热的热水到达主泵62，由主泵62输送到主热换器，然后到达后处理***64。
本实施例的高功率混合能谱钍基熔盐增殖堆堆芯通过改变石墨慢化剂栅元的熔盐、石墨体积比，将堆芯活性区分为混合有热谱和快谱的若干区，将堆芯的增殖比提高到1.08以上；通过设置功率展平区，延长石墨的更换周期至10年，使得反应堆具有负的温度反应性系数；通过设置轴向增殖区，可进一步提高堆的增殖性能，同时有利于堆的热工水力特性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区包括燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元的阵列，所述活性区包括中子提供区和增殖区，所述中子提供区和所述增殖区的体积比为2.0:1～2.5:1，所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:7.2～1:3.2，所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:3.2～1:1.8。
2.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述活性区还包括第一功率展平区，所述第一功率展平区包围所述中子提供区，所述增殖区包围所述第一功率展平区，所述中子提供区和所述第一功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01。
3.如权利要求2所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区位于所述活性区的中央。
4.如权利要求2所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区位于所述活性区的中央。
5.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述燃料熔盐为FLiBe熔盐。
6.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述燃料熔盐为LiF-BeF2-(Th+U)F4熔盐。
7.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述燃料熔盐为氯盐。
8.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述增殖区包括径向增殖区和轴向增殖区，所述径向增殖区和所述轴向增殖区将所述中子提供区包裹在内。
9.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述反射层包括径向反射层和轴向反射层，所述径向反射层围绕在所述活性区的***，所述轴向反射层位于所述径向反射层的两侧。
10.如权利要求9所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述轴向反射层包括上反射层和下反射层，所述上反射层位于所述活性区的正上方，并呈圆台状，所述下反射层位于所述活性区的正下方，并呈圆台状。
11.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述慢化剂栅元的中间设置有燃料孔道，用于使燃料熔盐流经并冷却石墨慢化剂。
12.如权利要求1至11中任意一项所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述慢化剂栅元的侧面设置有鳍，用于形成栅元之间的缝隙，供燃料熔盐流通并冷却石墨慢化剂。
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