一种液态熔盐堆核扩散防护系统的制作方法

本发明涉及熔盐堆燃料循环核扩散防护系统设计，具体地，本发明涉及一种液态熔盐堆核扩散防护系统。

背景技术：

核电作为一种洁净、低碳、能量密度高的能源，具有其它燃料发电厂不可比拟的优势。但同时由于核反应堆所采用的核材料可制备成核武器以及核反应堆所产生的核废料具有强放射性等因素导致核能发展饱受质疑。防核扩散是指国际机构及组织采用技术或政策手段阻止无核武器国家或地区或恐怖份子偷盗或非法转移可制备核武器的核材料。其中核扩散安全防护是防核扩散重要的组成部分，与核材料的内秉性质共同组成技术措施以限制非核国家获取核武器的能力。与此同时，核扩散安全防护也是国际原子能机构(iaea)监控核设施是否发生核材料转移以及偷盗的重要检测手段。

核扩散安全防护是指采用一系列安装在核设施内部或附近的监控与封装设备(包括在线摄像机、伽马射线探测器等)对核设施进行在线监控，其设计包括燃料物料平衡区、关键监测点以及监测设备具体布置等方面。目前，对于已处于商业运行的第二代核能系统中的轻水反应堆以及重水反应堆，国际上已提出了相应的核扩散防护设备布置方案以及系统设计。同时，针对未来第四代先进核能系统中的高温气冷反应堆及钠冷快中子反应堆，国际上也提出了相应的核扩散防护系统设计。以上核反应堆系统，均为采用燃料组件形式的固态燃料反应堆，其燃料单元具有相互独立及可数等特性，可以采用计数器等设施对燃料单元进行在线计数，进而对核燃料进行在线监控。熔盐反应堆作为唯一一种采用液态形式燃料的第四代先进核能系统，可在线添/换料及后处理，具有无水冷却、高经济性、高温输出等优势而广受各国所关注。但由于熔盐反应堆采用液态形式燃料，所以应用于固态燃料反应堆中的部分核扩散安全防护设备已不适应于熔盐反应堆防核扩散需求。此外，熔盐反应堆可对液态燃料进行在线处理，这与传统反应堆系统中堆芯系统与后处理系统相互独立的布置方式不同。

综上所述，鉴于熔盐反应堆独特特性以及未来出口需求，非常有必要设计出一套熔盐反应堆核扩散安全防护系统。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中用于固态燃料反应堆的设备已不再适应熔盐反应堆核扩散安全防护的缺陷，提供一种液态熔盐堆核扩散防护系统，以防止熔盐反应堆系统内核燃料被非法转移或偷盗以用于核武器或核爆装。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种液态熔盐堆核扩散防护系统，其包括监测单元、测量单元以及在线燃料熔盐无损检测中心，其中，所述监测单元设置于所述液态熔盐堆的各个功能区内，所述监测单元设有电子封印出入口和在线监控设备；所述测量单元至少设置在所述液态熔盐堆的入口和出口，所述测量单元用于测量液态熔盐的质量流；所述在线燃料熔盐无损检测中心用于监测燃料熔盐的密度波动，所述密度正常波动的范围为±0.5g/cc；所述监测单元、测量单元以及在线燃料熔盐无损检测中心都位于同一个封闭的区域。

优选地，所述在线监控设备为在线监控摄像头。本发明的在线监控摄像头可为本领域常规的在线监控摄像头；优选地，所述在线监控摄像头为南阳市中通防爆电机电器有限公司生产的btw-2c-8防爆一体化万向摄像头。

优选地，所述在线燃料熔盐无损检测中心位于燃料的流动路径上，所述液态熔盐堆核扩散防护系统还包括离线燃料熔盐分析中心，所述离线燃料熔盐分析中心用于分析各个功能区的燃料熔盐成分。

优选地，所述在线燃料熔盐无损检测中心由在线燃料熔盐抽取装置、伽玛无损检测装置以及红外线温度测量仪组成。在线燃料熔盐无损检测中心实时在线测量燃料熔盐的密度、放射性活度以及温度，所获取的数据实时传送至国际原子能数据处理与分析中心。燃料熔盐的温度正常波动范围为±10℃，所述放射性活度的正常波动范围为±0.5×10³ci/kg。

本发明的在线燃料熔盐抽取装置可为本领域常规的在线燃料熔盐抽取装置，优选地，所述在线燃料熔盐抽取装置为江苏华强泵业有限公司生产的fy型耐腐蚀液下泵。

本发明的伽玛无损检测装置可为本领域常规的伽玛无损检测装置，优选地，所述伽玛无损检测装置为北京金恒祥仪器有限公司生产的well型高纯锗(hpge)伽马射线探测器。

本发明的红外线温度测量仪可为本领域常规的红外线温度测量仪，优选地，所述红外线温度测量仪为福禄克过程仪器公司生产的endurance红外测温仪。

优选地，所述离线燃料熔盐分析中心包括化学以及核素分离设备。离线燃料熔盐分析中心获取的数据实时传送至国际原子能数据处理与分析中心。

本发明的化学以及核素分离设备可为本领域常规的化学以及核素分离设备，优选地，所述化学以及核素分离设备为法国triskem公司生产的tk400树脂核素分离系统，或者南京顺流有限公司生产的sl-1000a可编程式电脑微波催化/合成/萃取系统。

优选地，所述燃料测量中心连接至国际原子能机构数据处理与分析中心，所述国际原子能机构数据处理与分析中心由数据处理服务器组成。国际原子能机构数据处理与分析中心对核扩散防护系统所获取的数据进行在线整理与分析，以判断熔盐堆系统的新鲜燃料、燃料熔盐与核废料是否被非法转移或偷盗。

优选地，液态熔盐堆包括多个功能区，所述测量单元根据熔盐流动的方向依次设在所述功能区的上游和下游。优选地，所述功能区包括新鲜燃料存储功能区、液态燃料制备功能区、燃料在线后处理功能区、熔盐堆堆芯功能区、在线裂变气体去除功能区、排盐罐功能区、核废料存储功能区。通过功能区实现对熔盐堆燃料循环主要功能区的设备及涉核活动进行在线监控。

所述电子封印出入口为核反应堆领域内常规的出入口。优选地，所述电子封印出入口为装备国际原子能机构电子封印的出入口。进一步优选地，所述电子封印出入口装备有中子与伽玛探测器。

本发明的中子与伽玛探测器可为本领域常规的中子与伽玛探测器，优选地，所述中子与伽玛探测器为苏州中民辐安仪器有限公司生产的nrd-100。

优选地，所述测量单元分为多个燃料质量测量单元和多个燃料熔盐流量测量单元。测量单元确保进、出各燃料循环功能区的燃料熔盐保持物料平衡。

优选地，所述燃料质量测量单元包括新鲜燃料存储功能区之前的第一测量单元、连接新鲜燃料存储功能区与液态燃料制备功能区的第二测量单元、连接燃料在线后处理功能区与核废料存储功能区的第八测量单元以及核废料存储功能区之后的第九测量单元。其中燃料质量测量单元采用燃料质量监测器。本发明的燃料质量监测器可为本领域常规的燃料质量监测器。

优选地，所述燃料熔盐流量测量单元包括连接液态燃料制备功能区与熔盐堆堆芯功能区的第三测量单元、连接熔盐堆堆芯功能区与排盐罐功能区的第四测量单元、连接熔盐堆堆芯功能区与在线裂变气体去除功能区的第五测量单元、连接在线裂变气体去除功能区与熔盐堆堆芯功能区的第六测量单元。其中燃料流量测量单元采用燃料流量监视器。本发明的燃料流量监视器可为本领域常规的燃料流量监视器，优选地，所述燃料流量监视器为江苏思派仪表有限公司生产的hkb-flccidss-dn100熔盐流量计。

所述功能区为核反应堆领域中常规的功能区。优选地，所述功能区包括新鲜燃料存储功能区、液态燃料制备功能区、熔盐堆堆芯功能区、在线裂变气体去除功能区、在线后处理功能区、排盐罐功能区、核废料存储功能区，各功能区通过独立腔室相互独立，同时通过燃料流相互连接。

新鲜燃料存储功能区存储从外界送至的未经辐照的钍、铀等核燃料，并根据需要提供燃料给液态燃料制备功能区。液态燃料制备功能区混合从新鲜燃料存储功能区所提供的新鲜燃料以及在线后处理功能区在线回收的燃料，根据需要制备熔盐燃料提供给堆芯以维持堆芯临界稳定运行。熔盐堆堆芯功能区焚烧核燃料提供热能以供外界进一步利用。从熔盐反应堆堆芯功能区流出的燃料熔盐，一部分流入在线去除裂变气体功能区以在线去除在线裂变气体以提高中子经济性，经处理后的燃料熔盐返回堆芯；一部分流入在线后处理功能区，先后经氟化挥发提取铀与镎、减压蒸馏回熔盐、电解沉积回收钍，最后所留存的裂变产物送至核废料存储区进行临时存储；剩余部分燃料熔盐直接返回堆芯。同时，事故状态下，堆芯燃料熔盐卸入排盐罐功能区中的排盐罐以减轻事故后果。

优选地，进入熔盐反应堆燃料循环系统的新鲜燃料入口与核废料出口以及将液态熔盐堆系统所有设施包括在内的封闭厂房组成熔盐堆系统物料平衡区。在整个物料平衡区实时监测新鲜燃料进入熔盐堆系统质量与核废料运出熔盐堆系统质量，确保进、出熔盐堆系统的燃料保持物料平衡。

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：本发明的核扩散防护系统采用设置有电子封印出入口和在线监控设备、可实时测量燃料熔盐质量流量的测量单元、可实时获取燃料理化性质的在线燃料熔盐无损检测中心等设施，可实时及全方位对熔盐堆系统进行监控，通过上述各部分的组合，可实现以简单的密度波动指标即可获知熔盐堆是否发生燃料非法转移，监测指标简单。同时，监测的过程不中断熔盐堆，不对熔盐堆的内部物质平衡产生影响，因此完全不影响熔盐堆本身的运行，从而实现液态熔盐堆高防核扩散性能。

附图说明

此处附图用来提供对本发明实施例的进一步说明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明熔盐堆核扩散防护系统的流程图。

图2为本发明熔盐堆核扩散防护系统结构示意图。

附图标记说明：

1—熔盐堆堆芯功能区，2—排盐罐功能区，3—在线燃料熔盐无损检测中心，4—在线裂变气体去除功能区；5—离线燃料熔盐分析中心，6—核废料存储功能区，7—国际原子能机构数据处理与分析中心，8—新鲜燃料存储功能区，9—液态燃料制备功能区，10—在线后处理功能区，11—在线监控摄像头，12—中子探测器，13—伽玛探测器，14—id标签读取器，15—燃料流量监视器，16—燃料熔盐取样器，17—燃料质量监测器，18—熔盐堆系统物料平衡区。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清楚明了，下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

图1为熔盐反应堆燃料质量流实时监测流程图，其目的在于确保核材料在进、出反应堆系统以及其在中间存储、焚烧、后处理等多环节处于实时监控之中，以防止核材料被非法转移或偷盗。所接收新鲜燃料与运出核废料的质量应相等以确保整个反应堆系统物料平衡，这也是国际原子能机构确认核材料是否被非法转移或偷盗的重要方式之一。从外界接收的新鲜燃料包括铀、钍等可增殖及易裂变的核素。在这些燃料进入新鲜燃料存储区时，需进行检测以确认核材料的质量、形式等信息。

新鲜燃料存储功能区对存储燃料区间内的所有活动进行实时监控。新鲜燃料需运送至燃料制备区，与在线后处理所回收的燃料进行混合，制备核反应堆所需的燃料熔盐，这一过程也处于实时监控范围之内。

制备完成的燃料熔盐，注入堆芯并在堆芯内发生裂变反应，所产生的中子一方面维持堆芯临界运行，另一方面使增殖核素转化为易裂变核素，如钍-232与u-238核素等。在燃料熔盐注入堆芯之前，对其质量流进行检测，同时检测燃料熔盐流出堆芯的质量流，确保流入与流出熔盐堆堆芯的燃料熔盐保持物料平衡。同时，堆芯内的所有核活动都处于实时监控之中。

从堆芯流出的燃料熔盐，一部分流入在线吹气去除裂变气体产物区以在线去除裂变产物，提高中子学性能。于堆芯与在线吹气去除裂变气体产物区之间设置燃料熔盐质量流检测点以实时测量流入在线吹气功能区的质量流。在线吹气功能区的所有活动均处于实时监控范围之内。同时对从在线吹气检测区流出的燃料熔盐质量流进行实时在线检测。以确保流入与流出在线吹气功能区的燃料熔盐达到物料平衡。

从堆芯流出的燃料熔盐另一部分流至燃料在线后处理区进行在线处理，去除具有高中子寄生吸收的裂变产物，同时回收燃料重金属核素如铀、钍等以提高燃料利用率。流入与流出在线燃料处理检测区的燃料熔盐质量流进行在线监测，确保在线燃料处理检测区的物料平衡。燃料熔盐经后处理后的核废料，运送至核废料存储区进行临时存储，其相关活动也实时处于监控范围之中。与此同时，对流入与流出核废料检测区的燃料进行实时检测，以确保核废料功能区的物料平衡。燃料熔盐在线处理后，所回收的重金属核素流入液态燃料制备区，其燃料质量流处于实时监测中。

另一方面，在熔盐堆启/停堆及运行事故情况下，燃料熔盐将排入至排盐罐暂存。由于核燃料的存在，排盐罐也可能成为被非法转移或偷盗的目标，所以排盐罐区也处于实时监控之中。

由于熔盐反应堆所采用的燃料为液态形式，不同于传统固态燃料反应堆所采用的具有可数性质的燃料元件，易于被非法转移或偷盗。因此，设置在线无损检测中心，从堆芯第一回路在线抽取燃料熔盐放入无损检测设备中以对所提取的液态燃料熔盐的密度、放射性活度以及温度进行实时监测，以实时监测液态燃料被非法转移或偷盗后所导致的上述关键物理参数的变化。

实施例2

图2为与图1相对应的熔盐反应堆核扩散防护系统。熔盐堆系统物料平衡区17由熔盐反应堆封闭厂房、燃料进出口安全门组成，实时监测新鲜燃料进入熔盐堆系统质量与核废料运出熔盐堆系统质量，确保进、出熔盐堆系统的燃料保持物料平衡。堆芯功能区1由密闭的腔室(也即堆芯安全壳)、安装在腔室的在线监控摄像头11、以及装备中子探测器12与伽玛探测器13以及id标签读取器14的安全门组成，以实现对堆芯、换热器、熔盐泵以及熔盐管道的实时全方位监控。排盐罐功能区2、在线裂变气体去除功能区4、核废料存储功能区6、新鲜燃料存储功能区8、燃料制备功能区9、在线后处理功能区10均由相应的密闭腔室、安全门以及实时监控摄像头组成，实时监控各功能区相关的核活动。各功能区实时摄像头的数据传送至国际原子能机构数据处理与分析中心7。同时各功能区之间的燃料熔盐质量流由燃料流量监视器15和燃料质量监测器17实时监测，所获取的数据实时传送至国际原子能机构数据处理与分析中心7。

在线燃料熔盐无损检测中心3旨在在线测量燃料熔盐的密度、放射性活度、温度等信息，所获取的数据实时传送至国际原子能机构数据处理中心。其由实时摄像头、安全门、无损检测设备组成。实时摄像头实时监控该区的核活动，安全门阻止非法人员突然闯入获取核材料。无损检测设备由装载燃料熔盐的容器、伽马无损检测设备以及红外线温度测量仪实时测量所抽取的燃料熔盐的密度、放射性活度以及温度等关键信息，以实时反馈非法转移或偷盗所导致的燃料熔盐放射性、密度以及温度的变化。

燃料熔盐取样器16设置在堆芯功能区、裂变气体在线去除功能区、在线后处理功能区之间以分析进、出各功能区的燃料熔盐成分。所提取的燃料熔盐样品送至离线燃料熔盐分析中心5以检测燃料熔盐的具体成分，以确保燃料熔盐未被采用其它液体替代燃料熔盐的方式实行非法转移及偷盗。离线检测分析中心包括化学分离、核素分离相关设备，具备精确分析燃料熔盐成分的能力。

国际原子能机构数据收集与处理中心7用于实时处理分析所收集到的监测数据，包括摄像头、燃料熔盐质量流检测器以及在线无损检测数据等，由高性能计算服务器组成，可实现对熔盐反应堆系统内核活动以及燃料熔盐变化进行实时监控。

实施例3

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表1的状态时，说明熔盐堆系统处于正常运行状态，且无核扩散行为存在。

表1无核扩散行为存在的正常运行状态

实施例4

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表2的状态时，说明熔盐堆系统处于正常运行状态，且无核扩散行为存在。

表2无核扩散行为存在的正常运行状态

实施例5

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表3的状态时，说明熔盐堆系统处于紧急停堆状态，且无核扩散行为存在。

表3无核扩散行为存在的紧急停堆状态

实施例6

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表4的状态时，说明熔盐堆系统内燃料可能被秘密转移，存在核扩散行为。

表4有核扩散行为存在的运行状态

实施例7

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表5的状态时，说明熔盐堆系统处于正常运行工况下存在核燃料扩散。各测量单元存在异常波动，说明燃料熔盐可能被非法盗走而导致质量流异常。红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置所测数据异常波动，说明所盗走的燃料熔盐影响了堆芯运行，导致堆芯输出功率不稳定。而化学以及核素分离设备在各点所测数据不一致，说明在其中的某一点处燃料熔盐被非法盗走。“反应堆系统物料配送入口”到“新鲜燃料存储功能区”的测量单元所获得的数值与“核废料存储功能区”到“反应堆系统物料配送出口”的测量单元所获得的数值一致，说明所盗取的燃料还未运出反应堆系统。

表5有核扩散行为存在的运行状态

实施例8

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表6的状态时，说明熔盐堆系统正常运行工况下被强行闯入并转移非法盗取的燃料。各功能区在线摄像头及各功能区电子封印门有异常且发生警报，说明有人强行闯入各功能区。各测量单元(除“反应堆系统物料配送入口”到“新鲜燃料存储功能区”的测量单元、“核废料存储功能区”到“反应堆系统物料配送出口”的测量单元)、红外线温度测量仪、伽玛无损检测装置、化学以及核素分离设备均出现异常，说明燃料从燃料熔盐回路被盗取了。“反应堆系统物料配送入口”到“新鲜燃料存储功能区”的测量单元所获测量值不等于“核废料存储功能区”到“反应堆系统物料配送出口”的测量单元所获测量值，说明盗取的燃料被非法转移至反应堆系统外。

表6反应堆的内部功能区被强行闯入并转移非法盗取的状态

实施例9

各监测单元，包括各功能区内的在线监控摄像头与电子封印出入口、各功能区之间的测量单元、在线无损检测的红外线温度测量仪与伽玛无损检测装置、离线核素分析中心的化学以及核素分离设备处于表7的状态时，说明正常运行工况下，新鲜燃料存储功能区/核废料存储功能区被强行闯入，并转移非法盗取的燃料。各测量单元(除“反应堆系统物料配送入口”到“新鲜燃料存储功能区”的测量单元、“核废料存储功能区”到“反应堆系统物料配送出口”的测量单元)、红外线温度测量仪、伽玛无损检测装置、化学以及核素分离设备均无异常波动，说明燃料不是从燃料熔盐回路盗取。“新鲜燃料存储功能区/核废料存储功能区”有异常以及“新鲜燃料存储功能区/核废料存储功能区”警报，说明新鲜燃料存储功能区/核废料存储功能区被非法闯入。而“反应堆系统物料配送入口”到“新鲜燃料存储功能区”的测量单元所获数值不等于“核废料存储功能区”到“反应堆系统物料配送出口”的测量单元所获数值，说明反应堆系统物料不平衡，有核燃料被非法转移。

表7反应堆被强行闯入并转移非法盗取的状态

实施例1-9通过熔盐反应堆核扩散防护系统的在线监控与检测、离线精确测量等方法可确保熔盐反应堆系统的核材料不被非法转移与偷盗。

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。