一种熔盐堆堆芯和停堆系统的制作方法

本实用新型涉及熔盐堆反应领域，具体涉及一种熔盐堆堆芯和停堆系统。

背景技术：

熔盐堆是第四代国际核能论坛筛选出的六种候选堆型之一，也是唯一的液态燃料反应堆，在固有安全性、经济性、核燃料可持续发展及防核扩散等方面具有独特优势。在熔盐反应堆中，含有裂变材料的熔盐以高于500℃的温度，流经堆芯并达到临界状态，液态燃料发生裂变反应释放热量，被自身吸收、带走，不需要另外的冷却剂，液态熔盐在堆芯出口处温度可达700℃～800℃。

熔盐堆液态燃料中含有大量裂变产物及放射性核素，因而其一回路系统及堆芯反射层区域的放射性极强且温度非常高，严重影响了控制棒驱动机构的可靠性及寿命，工程实现难度非常大。在控制棒的行程上，为了保证控制棒的运动精度和可靠性，堆内构件及与控制棒运动相关的部件，都要求有严格的热处理和相当高的制造精度，还专门为控制棒设置了形状极为复杂的导向部件。目前，世界各国对熔盐堆的研究主要集中在：日本石墨慢化热谱熔盐堆FUJI、法国快谱钍基熔盐堆TMSR、俄罗斯嬗变熔盐堆MOSART。

日本在80年代开展了小型熔盐堆FUJI-I的概念设计，之后参考美国MSBR堆芯设计，设计了FUJI-II堆型，其进口温度为840K，出口温度980K，热功率为350MW，电功率150MW，使用与MSBR相同的熔盐冷却剂。其实质是采用石墨作为慢化剂，热中子谱，利用控制棒实现反应堆的紧急停堆及临界安全。

MOSART概念由俄罗斯RRC-KI研究中心提出。2003年IAEA启动了由12个会员国16个研究所参加的合作研究计划（CRP），研究放射性废物有效焚烧先进核能技术，其中一个重要的内容就是通过MOSART技术研究，检验和论证熔盐堆降解长寿命废料毒性，在闭式循环中更有效产生电力的可行性。

MOSART内部无任何构件，堆芯为快中子谱，热功率为2400MW，入口温度为600℃，出口温度为715℃，活性区半径为1.7m，活性区高度为3.6m，控制棒布置在反射层区域。通过控制堆芯液态熔盐燃料成分使堆芯维持临界，利用控制棒实现反应堆的紧急停堆及临界安全。

法国提出的钍基熔盐堆TMSR概念，其堆芯设计和MOSART堆芯设计比较相似，堆芯内不包含任何的固体构件，没有石墨慢化剂，区别仅仅是在堆芯周围设置了增殖区，以此可以将燃料钍转化为核燃料铀。堆内无任何构件，堆芯为快中子谱，热功率为2500MW，入口温度为630℃，出口温度为730℃，活性区半径为1.25m，活性区高度为2.6m，控制棒布置在反射层。通过控制堆芯液态熔盐燃料成分使堆芯维持临界，利用控制棒实现反应堆的紧急停堆及临界安全。

以上三种熔盐堆的堆芯的结构均为固体控制棒系统，堆芯结构无法有效的对反应性进行控制，且经过长期运行和辐照变形后，控制棒系统（驱动线）仍然是反应堆运行中故障最多的系统之一，如因导向机构变形、润滑不良、介质腐蚀等因素引起的卡棒事故。尤其是在熔盐堆高放射性、高温运行环境中，控制棒系统发生故障概率会显著提高。另外上述三种熔盐堆的顶部结构相当复杂，制造成本高昂。

因此，非常有必要针对熔盐堆堆芯设计、运行特点，提出更为简单、有效的反应性控制、运行方法及快速停堆系统设计方案，代替固体控制棒系统，实现反应堆启停、功率调节及快速停堆等功能，从根本上解决固体控制棒因采用机械传动带来的诸多技术问题，大幅提高熔盐堆反应堆控制的可靠性及安全性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，目的在于提供一种熔盐堆堆芯和停堆系统，该堆芯采用在熔盐堆运行状态下为液态，停堆状态及常温状态下均为固态的低熔点合金材料作为中子吸收体，可以避免高放射性、高温运行环境下，固体控制棒因机械传动带来的诸多技术问题，这种设置还能够使得堆芯上封头的大量穿孔可以大幅缩减，熔盐堆堆芯结构及其整体设计得以极大简化。本实用新型的停堆系统通过采用上述创新性的堆芯结构能够显著提高熔盐堆反应性控制的可靠性及控制能力，简化熔盐堆顶部结构设计，提高工程可实现性及安全性。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种熔盐堆堆芯，包括石墨反射层和活性区，石墨反射层设置在活性区的外围，石墨反射层的层内设置有代替固体控制棒的吸收体，所述吸收体为合金材料且在熔盐堆运行状态下为液态，停堆状态及常温状态下均为固态。

现有技术的液态熔盐堆均是采用固态控制棒（吸收体），如日本石墨慢化热谱熔盐堆FUJI、法国快谱钍基熔盐堆TMSR、俄罗斯嬗变熔盐堆MOSART等，这些固态控制棒制作和运行成本相当高。因为熔盐堆液态燃料中含有大量裂变产物及放射性核素，其一回路系统及堆芯反射层区域的放射性极强且温度非常高，严重影响了控制棒驱动机构的可靠性及寿命，工程实现难度非常大。在控制棒的行程上，为了保证控制棒的运动精度和可靠性，堆内构件及与控制棒运动相关的部件，都要求有严格的热处理和相当高的制造精度，还专门为控制棒设置了形状极为复杂的导向部件。而实用新型人通过研究创新性的将原本的一直处于固态的控制棒替换为且在熔盐堆运行状态下为液态，停堆状态及常温状态下均为固态的吸收体，一方面避免了高放射性、高温运行环境下，固体控制棒因机械传动带来的诸多技术问题，另一方面还能够使得堆芯上封头的大量穿孔可以大幅缩减，熔盐堆堆芯结构及其整体设计得以极大简化。再有，本实用新型的停堆系统通过采用上述创新性的堆芯结构能够快速利用流体压差运动原理，显著提高了熔盐堆反应性控制的可靠性及控制能力，简化熔盐堆顶部结构设计，提高工程可实现性及安全性。

吸收体可以为为熔点200-350℃的合金材料。

吸收体为铟镉合金材料。

石墨反射层为环形，活性区设置在石墨反射层的环形区内，石墨反射层的层内设置有用于放置吸收体的金属输送装置。金属输送装置可以为金属导管等具有输送存储功能的装置。

金属输送装置为2个或以上，2个或以上所述的金属输送装置均匀分布在石墨反射层内。

还包括设置在石墨反射层外的压力容器，压力容器和石墨反射层之间还设置有隔热气腔。隔热气腔用于减少处于高温状态的石墨反射层向压力容器传热。

一种熔盐堆停堆系统，包括如前所述的熔盐堆堆芯、压差调节系统、存贮罐，所述存贮罐用于存储因压差变化从金属输送装置中溢出的吸收体，熔盐堆堆芯的金属输送装置、压差调节系统、存贮罐三者相连通。

金属输送装置、压差调节系统、存贮罐三者数量一一对应。当金属输送装置为多个时，压差调节系统和存贮罐也为多个，一个金属输送装置、一个压差调节系统、一个存贮罐构成一个完整的闭合回路，多个金属输送装置也就意味着多个相互独立的完整的闭合回路。

通过压差调节系统改变密闭回路中的气体压力，来提升（或降低）吸收体在金属输送装置内的高度，从而向堆芯引入负（或正）反应性，完成反应堆启停、功率调节、燃耗补偿、快速停堆等反应性控制功能。金属输送装置可以为金属导管。

在事故工况下，可以靠内部储存的气体压力，快速将吸收体（液态）注入金属输送装置，向堆芯引入较大负反应性，实现紧急停堆。

压差调节系统包括气管、单向减压阀、贮气罐、泄压罐、外部气源，所述气管的一端和金属输送装置相连，气管的另一端和单向减压阀相连，贮气罐的一端和存贮罐相连通，贮气罐的另一端和单向减压阀相连，单向减压阀和泄压罐相连，泄压罐和外部气源相连。

还包括电控阀和气源阀，所述电控阀设置在泄压罐和单向减压阀之间，气源阀设置在外部气源和泄压罐之间。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型可以避免高放射性、高温运行环境下，固体控制棒因机械传动带来的诸多技术问题；

2、本实用新型设置还能够使得堆芯上封头的大量穿孔可以大幅缩减，熔盐堆堆芯结构及其整体设计得以极大简化；

3、本实用新型的停堆系统通过采用上述创新性的堆芯结构能够显著提高熔盐堆反应性控制的可靠性及控制能力，简化熔盐堆顶部结构设计，提高工程可实现性及安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为熔盐堆堆芯径向结构示意图。

图2为熔盐堆停堆系统的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-活性区，2-石墨反射层，3-隔热气腔，4-压力容器，5-金属输送装置，6-气管，7-存贮罐，8-贮气罐，9-单向减压阀，10-电控阀，11-泄压罐，12-气源阀，13-外部气源。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

一种熔盐堆堆芯，包括石墨反射层2和活性区1，石墨反射层2设置在活性区1的外围，石墨反射层2的层内设置有代替固体控制棒的吸收体，所述吸收体为合金材料且在熔盐堆运行状态下为液态，停堆状态及常温状态下均为固态。

石墨反射层2为环形，活性区1设置在石墨反射层2的环形区内，石墨反射层2的层内设置有用于放置吸收体的金属输送装置5。金属输送装置5可以为金属导管等具有输送存储功能的装置。

金属输送装置5为2个或以上，2个或以上所述的金属输送装置5均匀分布在石墨反射层2内。

还包括设置在石墨反射层2外的压力容器4，压力容器4和石墨反射层2之间还设置有隔热气腔3。隔热气腔3用于减少处于高温状态的石墨反射层2向压力容器4传热。

如图1所示，正常运行工况下，活性区1为高放射性、高温液态燃料，金属装置5需要，布置在靠近活性区1的石墨反射层2中。隔热气腔3用于减少高温状态下的石墨反射层2向压力容器4的传热。在满足石墨反射层2布置及结构设计条件下，尽量缩短金属装置5与活性区1的距离，并增加金属装置5的流通面积，从而提高反应性控制能力。本实施例采用的低熔点合金为“铟镉合金”，该合金中子吸收截面大，熔点约为300℃。在熔盐堆冷停堆或常温下，充满金属装置5的吸收体为固态，控制系统回路压力略高于大气压。

实施例2

如图2所示，一种熔盐堆停堆系统，包括如前所述的熔盐堆堆芯、压差调节系统、存贮罐7，所述存贮罐7用于存储因压差变化从金属输送装置5中溢出的吸收体，熔盐堆堆芯的金属输送装置5、压差调节系统、存贮罐7三者相连通。

金属输送装置5、压差调节系统、存贮罐7三者数量一一对应。根据熔盐堆后备反应性控制要求，可设置多个相互独立的低熔点合金反应性控制系统，采用与固体控制棒类似的分组控制策略。

通过压差调节系统改变密闭回路中的气体压力，来提升或降低吸收体在金属输送装置5内的高度，从而向堆芯引入负或正反应性，完成反应堆启停、功率调节、燃耗补偿、快速停堆等反应性控制功能。

在事故工况下，可以靠内部储存的气体压力，快速将吸收体液态注入金属输送装置5，向堆芯引入较大负反应性，实现紧急停堆。

压差调节系统包括气管6、单向减压阀9、贮气罐8、泄压罐11、外部气源13，所述气管6的一端和金属输送装置5相连，气管6的另一端和单向减压阀9相连，贮气罐8的一端和存贮罐7相连通，贮气罐8的另一端和单向减压阀9相连，单向减压阀9和泄压罐11相连，泄压罐11和外部气源13相连。

还包括电控阀10和气源阀12，所述电控阀10设置在泄压罐11和单向减压阀9之间，气源阀12设置在外部气源13和泄压罐11之间。

在熔盐堆一回路装入熔盐燃料或进行熔盐燃料加热之前，将控制系统回路压力提升至备用压力~2.0MPa。在熔盐堆启堆过程中，首先利用外部气源13向控制系统回路注入气体，依靠单向减压阀9，贮气罐8与气管6之间出现压差，将金属装置5内的液态低熔点合金逐步移出，回流至堆芯顶部存贮罐7，向堆芯引入正反应性。然后，关闭电控阀10，利用气源阀12将泄压罐11内的压力降至备用压力。此时，若再次打开电控阀10，控制系统回路泄压，依靠单向减压阀9，贮气罐8与气管6之间出现压差，能够将低熔点合金存贮罐7内的液态合金，重新注入金属装置5，向堆芯引入负反应性。

功率调节及燃耗反应性补偿过程中，利用外部气源13提升或降低控制系统回路压力，移出或注入金属装置5内的液态吸收体，向堆芯引入所需反应性。关闭控制系统电控阀10，利用气源阀12将泄压罐11内的压力降至备用压力。

若需要快速停堆，打开所有控制系统回路电控阀10进行快速泄压，贮气罐8与气管6出现较大压差，将存贮罐7的液态合金快速注入导管5，向堆芯引入较大负反应性，实现快速停堆。

因此，本实用新型还可以涉及一种熔盐堆反应性控制方法。该方法的目的在于将熔盐堆的反应性依据需要控制成正反应性或者负反应性。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。