核裂变反应堆的制作方法
【专利说明】核裂变反应堆
[0001]本申请是申请日为2007年11月26日、申请号为200780049941.2、发明名称为“用于长期运行的自动化核动力反应堆”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本申请涉及核反应堆，以及与其相关的系统、应用和装置。
【发明内容】
[0003]结合系统和方法，描述并说明了其以下的实施方式和方面，其意图为示例性的和说明性的，而不是对范围的限制。
[0004]示例性的实施方式提供自动化的核裂变反应堆以及用于其运行的方法。示例性的实施方式和方面包括而不限于核裂变燃料的再次使用、替代燃料和燃料几何结构、模块化的燃料芯、快速流体冷却、可变烧尽、可编程的核调温器、快中子通量辐射、温度驱动的中子吸收、低冷却剂温度芯、燃料补给等。
[0005]除了以上所述的示例性的实施方式和方面，通过参考附图和通过研宄以下详细描述，其他的实施方式和方面将会变得明显。
【附图说明】
[0006]在引用的附图中，说明了示例性的实施方式。其意图为认为此处所公开的实施方式和附图是说明性的，而不是限制性的。
[0007]图1A示意性地示出示例性的核裂变反应堆；
[0008]图1B和IC描绘了截面vs中子能；
[0009]图1D至IH示出在核裂变反应堆开机运行的时间期间的相对浓度；
[0010]图1I和IJ示意性地示出示例性的核裂变反应堆芯组件；
[0011]图2A至2C示意性地示出示例性的核裂变燃料组件；
[0012]图3A至3D示意性地示出示例性的核裂变燃料几何结构；
[0013]图4示意性地示出示例性的非连续的核裂变燃料材料；
[0014]图5示意性地示出示例性的模块化的核裂变燃料芯；
[0015]图6A至6C示意性地示出示例性的模块化的核裂变设施；
[0016]图7示意性地示出示例性的快速流体冷却；
[0017]图8示意性地示出示例性的核裂变燃料的可变烧尽；
[0018]图9A示意性地示出示例性的核裂变燃料的可编程的温度调节；
[0019]图9B描绘了运行温度曲线图；
[0020]图1OA和1B示意性地示出材料的示例性核福射；
[0021]图1lA至IlC示意性地示出核反应性的示例性温度控制；
[0022]图12示意性地示出示例性的低冷却剂温度核裂变反应堆；
[0023]图13示意性地示出示例性的核裂变燃料的去除；以及
[0024]图14A和14B示意性地示出示例性的核裂变爆燃波的再次传播。
【具体实施方式】
[0025]概括地说，各实施方式提供自动化的核裂变反应堆以及用于其运行的方法。全部通过非限制性举例的方式给出，将首先描述示例性的反应堆、堆芯核物理范例以及运行的细节。然后，将描述关于几个示例性的实施方式和方面的细节，例如但不限于，核裂变燃料的再次使用、替代燃料和燃料几何结构、模块化的燃料芯、快速流体冷却、可变烧尽、可编程的核调温器、快中子通量辐射、温度驱动的中子吸收、低冷却剂温度芯、燃料补给等。
[0026]现在参考图1A，通过举例而不是限制的方式给出，核裂变反应堆10作为在此描述的实施方式和方面的示例性的载体环境(host environment)。尽管考虑了反应堆10的许多实施方式，但在许多所考虑的反应堆10的实施方式中，共同的特性是核裂变爆燃波，或“焚烧波前端(burnfront) ”的产生和传播。
[0027]考虎事项
[0028]在讨论反应堆10的细节之前，反应堆10的实施方式背后的一些考虑事项将通过概述的方式给出，而不是解释为限制。反应堆10的一些实施方式反映了达到下面讨论的所有注意事项。另一方面，反应堆10的一些其他实施方式反映了达到所选的注意事项，而不需要满足下面讨论的所有考虑事项。下面讨论的部分包括摘自以下论文的信息=AspenGlobal Change Institute 的 2003 年 7 月的研讨会上展不的 Edward Teller、MurielIshikawa、Lowell WoocURoderick Hyde 和 John Nukolls 的、题为“Completely AutomatedNuclear Power Reactors For Long-Term Operat1n:1I1.Enabling Technology ForLarge-Scale, Low-Risk, Affordable Nuclear Electricity，，，University of CaliforniaLawrence Livermore Nat1nal Laboratory，出版号为 UCRL-JRNL-1227O8 (2OO3)。(该论文是为提交到2003年11月30日的Energy, The Internat1nal Journal而准备的)，其全部内容通过引用合并于此。
[0029]预想的用于反应堆10的实施方式中的核裂变燃料通常是普遍可得的，例如但不限于铀(天然的、贫化的或浓缩的)、钍、钚，或者甚至先前燃烧过的核裂变燃料组件。此外，可在反应堆10的实施方式中使用不那么普遍可得的核裂变燃料，例如但不限于，其他锕系元素或其同位素。虽然反应堆10的实施方式考虑以满功率在约1/3个世纪至1/2个世纪或更久的量级的时间长期运行，但反应堆10的一些实施方式的方面不考虑核燃料补给(而是考虑在寿命终止时就地掩埋)，而反应堆10的实施方式的一些方面考虑核燃料补给一一一些核燃料补给发生在停机期间而，一些核燃料更换发生在开机运行期间。也考虑到，可避免核裂变燃料的回收，因而降低了转移为军事用途的可能性以及减缓了其他问题。
[0030]反应堆10的实施方式背后的其他考虑事项包括以明显安全的方式处理在运行过程中产生的长期存在的放射性。预期地，反应堆10能够减缓由于操作者的失误引起的伤害、例如冷却剂损失事故(LOCA)的严重事故，等等。在一些方面，可以以低风险并且廉价的方式来实现停止运行。
[0031]因此，反应堆10的一些实施方式可能需要位于地下，从而解决放射性到生物圈中的大的、突然的释放或小的、稳态的释放。反应堆10的一些实施方式可能需要最小化操作者的控制，因而尽可能实际地自动化那些实施方式。在一些实施方式中，考虑了面向生命周期的设计(life-cycle-oriented design)，其中反应堆10的那些实施方式可以以尽可能实际地完全自动的方式，从启动一直运行到寿命终止而停机。反应堆10的一些实施方式为其自身提供模块化的构造。最后，可根据高功率密度来设计反应堆10的一些实施方式。
[0032]反应堆10的各种实施方式的一些特性起因于一些上面的考虑事项。例如，同时满足实现以全功率运行1/3-1/2个世纪(或更久)而无核燃料补给以及避免核裂变燃料的回收的愿望就需要使用快中子能谱。如另一个实例，在一些实施方式中，对反应堆10例如通过强的快中子吸收剂在局部反应上实现的负反馈而设计有负的反应性温度系数U τ)。如进一步的实例，在反应堆10的一些实施方式中，分布式的调温器使核裂变燃料燃烧的传播核裂变爆燃波模式成为可能。该模式同时允许非浓缩的锕系燃料，例如天然铀或钍的高平均烧尽，并且允许在芯的燃料充入中使用可核裂变材料的适度同位素浓缩的相当小的“核裂变点火器”区域。如另一个实例，在反应堆10的一些实施方式中，在主芯和次芯冷却中提供多重冗余(multiple redundancy)。
[0033]核裂变反应堆的示例性的实施方式
[0034]既然已描述了在反应堆10的一些实施方式背后的一些考虑事项，将解释关于反应堆10的示例性的实施方式的进一步的细节。应强调，反应堆10示例性的实施方式的下列描述只是通过非限制性举例的方式给出，而不是通过限制的方式给出。如上所述，考虑了反应堆10的几个实施方式，还有反应堆10的进一步的方面。在讨论了关于反应堆10的示例性的实施方式的细节之后，也将讨论其他的实施方式和方面。
[0035]仍然参考图1A，反应堆10的示例性的实施方式包括放置在反应堆压力容器12内的核裂变反应堆芯组件100。考虑了核裂变反应堆芯组件100的几个实施方式和方面，其将在后面讨论。将在后面详细讨论的关于核裂变反应堆芯组件100的一些特征包括核裂变燃料材料和其相应的核物理学、燃料组件、燃料几何结构，以及核裂变爆燃波的起爆和传播。
[0036]反应堆压力容器12适当地是现有技术已知的任何可接受的压力容器，并且可由可接收地用于反应堆压力容器的任何材料制成，例如但不限于，不锈钢。在反应堆压力容器12内，中子反射器(未示出)和辐射屏蔽(未示出)包围核裂变反应堆芯组件100。在一些实施方式中，反应堆压力容器12位于地下。在这种情形中，反应堆压力容器12也可用作为核裂变反应堆芯组件100的掩埋桶(burial cask)。在这些实施方式中，反应堆压力容器12适当地被隔离材料如干砂的区域(未示出)包围，用于长期环境隔离。隔离材料的区域(未示出)可具有直径为约10m的尺寸。然而，在其他实施方式中，反应堆压力容器12位于地表上或接近地表。
[0037]反应堆冷却剂回路14将热量从核裂变反应堆芯组件100中的核裂变转移到应用换热器16。可以根据具体应用的需要来选择反应堆冷却剂。在一些实施方式中，适当地，反应堆冷却剂是氦(He)气。在其他实施方式中，适当地，反应堆冷却剂可以是其它的加压惰性气体，例如氖、氩、氪、氙，或其他流体，例如水或气态或超流体二氧化碳，或液态金属，例如钠或铅，或金属合金，例如Pb-Bi，或有机冷却剂，如聚苯或碳氟化合物。适当地，根据需要，反应堆冷却剂回路可以由钽(Ta)、钨(W)、铝(Al)、钢或其他含铁或非铁类合金制成，或由钛基合金或锆基合金制成，或由其他金属或合金制成，或由其他结构材料或复合材料制成。
[0038]在一些实施方式中，应用换热器16可以是蒸汽发生器，其产生蒸汽作为原动力，用于旋转机器，如在发电站20内的涡轮发电机18。在这种情形中，适当地，核裂变反应堆芯组件100在高工作压力和高温下运行，例如高于约1，000K，并且在蒸汽发生器中产生的蒸汽可能是过热蒸汽。在其他实施方式中，应用换热器16可以是在较低的压力和温度下(即，不需要过热蒸汽)产生蒸汽的任何蒸汽发生器，并且核裂变反应堆芯组件100在低于约550Κ的温度下运行。在这些情形中，应用换热器16可以为诸如用于海水的淡化厂或用于通过蒸饱将生物质加工成乙醇等的应用提供工艺用热(process heat)。
[0039]可选的反应堆冷却剂泵22使反应堆冷却剂循环经过核裂变反应堆芯组件100和应用换热器16。注意，虽然说明性的实施方式示出泵和重力驱动的循环，但是其它方式可以不使用泵或循环结构，或其他的类似地在几何构造上受到限制。当核裂变反应堆芯组件100大体上位于与应用换热器16垂直地共面而导致不产生热驱动力(thermal driving head)时，适当地设置反应堆冷却剂泵22。当核裂变反应堆芯组件100位于地下时，也可以设置反应堆冷却剂泵22。然而，当核裂变反应堆芯组件100位于地下时，或以任何一种方式使得核裂变反应堆芯组件100在应用换热器16下面被垂直地隔开时，可能在离开反应堆压力容器12的反应堆冷却剂和在较低温的离开应用换热器16的反应堆冷却剂(离开应用换热器16的反应堆冷却剂的温度低于离开反应堆压力容器12的反应堆冷却剂的温度)之间形成热驱动力。当存在足够的热驱动力时，不需要设置反应堆冷却剂泵22来提供足够的循环使反应堆冷却剂经过核裂变反应堆芯组件100以从在开机运行期间的裂变中去除热量。
[0040]在一些实施方式中，可设置多于一个的反应堆冷却剂回路14，从而在诸如冷却剂损失事故(LOCA)或流量损失事故(LOFA)或主至次泄漏的严重事故事件中，向其他反应堆冷却剂回路14中的任意一个提供冗余。每个反应堆冷却剂回路14通常额定为全功率运行，虽然一些应用可以去除该限制。
[0041]在一些实施方式中，在反应堆冷却剂系统14的线路中设置一次性关停24，例如反应堆冷却剂截止阀。在每个所设置的反应堆冷却剂回路14中，在来自反应堆压力容器12的出口线路以及在从应用换热器16的出口到反应堆压力容器12的返回线路中设置有关停24。一次性关停24是快速动作的关停，其在紧急情况下，例如检测到反应堆冷却剂中的相当数量的裂变产物时，快速关闭。除了自动致动的常规阀的冗余系统(redundant system)(未示出)，也设置了一次性关停24。
[0042]设置排热换热器26来去除余热(after-life heat)(衰变热)。排热换热器26包括配置为将衰变热去除冷却剂循环经过核裂变反应堆芯组件100的主回路。排热换热器26包括耦合到设计的排热热管网络(未示出)的次回路。在一些情形中，例如，为了冗余的目的，可设置多于一个的排热换热器26。每个所设置的排热换热器26可以位于核裂变反应堆芯组件100之上的一垂直距离处，从而提供足够的热驱动力来使能衰变热去除冷却剂的自然流动，而不需要衰变热去除冷却剂泵。然而，在一些实施方式中，可以设置衰变热去除泵(未示出)，或者，如果设置了反应堆冷却剂泵，则反应堆冷却剂泵在适当时可以用于去除衰变热。
[0043]既然已经给出反应堆10的示例性的实