可在线换料熔盐堆及其换料方法与流程

本发明涉及核电技术领域，尤其涉及一种可在线换料熔盐堆及其换料方法。

背景技术：

熔盐堆(msr)是六种第四代核能系统中唯一的液体燃料反应堆，可以用于发电、嬗变核废物、制氢和生产核燃料等方面。熔盐堆包含两种技术方向，第一类是液态燃料熔盐堆，裂变材料溶解在熔融的氟化盐中；第二类是固态燃料熔盐堆，熔融氟化盐只是作为冷却剂，燃料采用涂层颗粒，类似于球床式htr的燃料，固体燃料类型的熔盐堆通常被称为氟化盐冷却固态燃料高温堆(fhr)。

以液态燃料熔盐堆为例，其采用溶解在氟化铍、氟化钠和氟化锂等氟化盐中的钍或铀的液态融合物作燃料，无需专门制作固体燃料组件。液体燃料决定了其工作原理与常规固体燃料反应堆的工作原理有所不同：含有裂变和可转换材料的燃料熔盐，以500℃以上的堆芯入口温度，流入经过优化设计的堆芯从而达到临界，且仅在堆芯处达到临界，燃料熔盐在堆芯处发生裂变反应释放热量，并被自身吸收和带走，不需另外的冷却剂，燃料熔盐在堆芯出口处温度可达700～800℃(其沸点温度约1400℃)。堆芯流出的高温燃料熔盐通过一次侧热交换器将热量传给二次侧冷却剂熔盐，再通过二次侧热交换器传给三回路，三回路系统在过去研究中，主要考虑采用朗肯循环，用被加热的水蒸气推动汽轮发电机进行发电，现在考虑采用二回路换热器加热氦气或超临界二氧化碳进行发电或制氢。由此可见，熔盐堆整个堆芯的高温燃料熔盐，既是载热剂，又是核反应的热源，是完全不同于其它固体燃料的一种全新核反应堆燃料利用技术。

中国专利cn201810089818.3公开一种小型模块化流动球床氟盐冷却高温反应堆，包括核燃料操作系统、核热产生系统、核热传输系统和核热利用系统。其中，核燃料操作系统用于存储核燃料并将核燃料装入核热产生系统以及将核燃料从核热产生系统卸载，核热产生系统控制核燃料的裂变并产生核热，核热传输系统将核热传输至核热利用系统，核热利用系统利用核热进行发电或其它热利用。核燃料操作系统将燃料球从堆芯的下部送入，新燃料球利用浮力从底部进入堆芯，经过一段时间的燃烧后，利用浮力上升至顶部后离开堆芯。然而，上述专利存在以下问题：其一回路冷却剂为强迫循环，系统流程复杂，关键设备熔盐泵技术难度大、造价高且容易损坏，熔盐泵一旦损坏或一回路管道泄漏将导致堆芯活性区丧失冷却造成严重核事故。堆芯燃料分布具有不确定性，对于堆芯功率控制将产生不利影响。

中国专利200880117773.0公开一种具有新概念燃料元件的核反应堆，特别是池型核反应堆，其包括具有容纳堆芯的主箱，所述堆芯包括一捆燃料组件并浸没在主冷却剂中，所述主冷却剂在所述堆芯与至少一个热交换器之间循环；该反应堆的特征在于：所述燃料组件沿各自的平行纵向轴线延伸，并具有各自的活性部分和各自的服务部分，所述活性部分设置在所述燃料组件的底端并浸没在所述主冷却剂中以构成所述堆芯，所述服务部分在所述活性部分的上方延伸并从所述主冷却剂露出；反应堆为圆形堆芯。上述专利中燃料组件结构复杂，需要停堆换料。燃料组件是否具有耐高温性能、传热特性等性能不详。

中国专利201480010226.8公开一种实用熔盐裂变反应堆，包括堆芯、冷却剂液体的池和热交换器；堆芯包括含有裂变同位素的熔盐的中空管的阵列。管阵列至少部分地浸没在冷却剂液体的池中；管阵列包括临界区，在所述临界区中，在反应堆运行期间裂变同位素的密度足以引发自维持裂变反应。从裂变同位素的熔盐到管的热传递通过下列方式的任何一种或多种实现：所述熔盐的自然对流；所述熔盐的机械搅拌；和所述管内的振荡熔盐流动。所述裂变同位素的熔盐在反应堆运行期间被完全容纳在所述管内。该专利中，燃料管内装载裂变燃料熔盐，但燃料熔盐对燃料管的腐蚀性比较强，一旦泄漏将污染整个一回路冷却剂，对放射性物质控制不利，其裂变气体收集及控制困难。另外，该专利中对燃料装载方案未作介绍，是否需要停堆换料不详。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于triso燃料球的可在线换料熔盐堆及其换料方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可在线换料熔盐堆，包括密闭的保护容器、设置在所述保护容器内的反应堆容器、设置在所述反应堆容器内的堆芯、设置在所述保护容器内的支撑机构及吊装机构；

所述支撑机构包括多根相平行间隔并横跨于所述反应堆容器上方的支撑轨；所述堆芯包括沿着所述支撑轨的长度方向布置的多个燃料组件，每一所述燃料组件包括竖向浸入冷却剂中的燃料格栅、沿着所述燃料格栅的高度容置在其中并浸入冷却剂的triso燃料球；所述燃料格栅顶部露出冷却剂并悬挂在所述支撑轨上；

所述吊装机构位于所述支撑机构的上方，用于吊起所述燃料组件并沿着所述支撑轨横向移动所述燃料组件。

优选地，在所述燃料格栅中，所述triso燃料球形成单列或者多列。

优选地，所述反应堆容器内设有支撑在所述燃料格栅底部的支撑结构。

优选地，所述支撑轨包括相平行间隔设置的至少两根横轨；所述燃料格栅的顶部配合在至少两根所述横轨上。

优选地，所述吊装机构包括至少一根位于所述支撑机构上方的横梁、可升降设置在所述横梁上的起吊件。

优选地，所述可在线换料熔盐堆还包括设置在所述反应堆容器内的至少一个换热器；

所述反应堆容器内的冷却剂从所述换热器上端的进口进入所述换热器，经热交换后从所述换热器下端的出口返回所述反应堆容器及堆芯，形成一个冷却剂循环回路。

优选地，冷却剂在温度差导致的密度差作用下，沿着冷却剂循环回路在所述换热器和堆芯之间自然循环；或者，所述换热器的进口处设有循环泵，以强迫循环方式驱使冷却剂在冷却剂循环回路中流动。

优选地，所述可在线换料熔盐堆还包括设置在所述保护容器的围壁内的至少一个非能动空气冷却流道，所述保护容器的外壁面设有分别与所述非能动空气冷却流道相连通的空气进口和空气出口。

优选地，所述非能动空气冷却流道在所述保护容器的围壁内弯折形成相接的输入流道和输出流道，所述输出流道较于所述输入流道靠近所述保护容器的内壁面；

所述空气进口与所述输入流道相连通，所述空气出口与所述输出流道相连通。

优选地，所述非能动空气冷却流道在所述保护容器的围壁内多次弯折延伸。

优选地，所述反应堆容器外壁设有散热翅片。

本发明还提供一种可在线换料熔盐堆的换料方法，包括以下步骤：

s1、在燃料组件形成乏燃料组件后，吊装机构将乏燃料组件吊起，使其燃料格栅的顶部脱离支撑轨；

s2、吊装机构将吊起的乏燃料组件沿着所述支撑轨移动至所述支撑轨的一端部；

s3、吊装机构依次移动所述支撑轨上悬挂的燃料组件，填补乏燃料组件的位置，并将新的燃料组件从所述支撑轨的另一端装入。

优选地，所述支撑轨的一端作为燃料组件进入端，相对另一端作为燃料排出端；

相邻的两个所述支撑轨的燃料组件进入端交错设置。

本发明的有益效果：通过triso燃料球装入竖向的燃料栅格内部形成单个燃料组件，配合燃料组件上方设置的支撑机构和吊装机构实现燃料组件在反应堆容器内的排设，实现熔盐堆的可在线换料及单个燃料组件轴向富集度精细调整，模块化建造及扩展功率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的可在线换料熔盐堆的剖面结构示意图；

图2是本发明一实施例的可在线换料熔盐堆中燃料组件在支撑机构上的俯视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一实施例的可在线换料熔盐堆，包括密闭的保护容器10、设置在保护容器10内的反应堆容器20、设置在反应堆容器20内的堆芯、设置在保护容器10内的支撑机构30及吊装机构40。

反应堆容器20由保护容器10包容，坐落于可承受低压(正压及负压)的反应堆厂房中；厂房内设有空气过滤净化装置收集裂变气体等放射性核素。主回路位于反应堆容器(池式堆)20中。

冷却剂装在反应堆容器20内，浸没反应堆容器20内的堆芯。堆芯包括多个燃料组件50，每一燃料组件50包括燃料格栅51以及容置在燃料格栅51内的多个triso燃料球(各向同性包覆燃料)52。

本发明中，燃料格栅51整体可为镂空或网状的筒体结构，燃料格栅51竖向布置在反应堆容器20内，triso燃料球52沿着燃料格栅51的高度容置在其中并浸入冷却剂内，通过冷却剂的流动带走triso燃料球52的热量。根据triso燃料球52的直径大小设置，在燃料格栅51的高度方向上，triso燃料球52形成单列或者多列。

冷却剂可以是熔盐冷却剂，还可以选择金属铅基、钠等液态金属冷却剂或其他与triso燃料相容的常压液态冷却剂。

支撑机构30在保护容器10内位于反应堆容器20的上方，用于悬挂定位堆芯的燃料组件50。该支撑机构30可包括多根相平行间隔并横跨于反应堆容器20上方的支撑轨31，多个燃料组件50沿着支撑轨31的长度方向布置，燃料组件50的燃料格栅51竖向浸入冷却剂中，也将容置在燃料格栅51中的triso燃料球52浸入冷却剂。燃料格栅51的顶部露出冷却剂并悬挂在支撑轨31上。

燃料格栅51的顶部和支撑轨31之间可设有相配合的卡扣组件、定位销组件或凹凸结构等，使燃料格栅51的顶部定位在支撑轨31上，不易移位。

通过多个燃料组件50分成多组排列并悬挂在多个支撑轨31上，可以形成方形堆芯。每一燃料组件50可根据需求在装载前调整triso燃料球52的高度容置，从而调整不同高度的燃料富集度以调节堆芯功率分布。

此外，利用triso燃料球52可以滞留裂变气体等，利用熔盐冷却剂滞留可能释放出来的裂变产物，反应堆厂房为微负压包容体，通风系统去除可能存在的放射性气体。

本实施例中，结合图1、2，支撑轨31包括相平行间隔设置的至少两根横轨311；燃料格栅51的顶部配合并定位在横轨311上。燃料格栅51的大体外周尺寸小于水平相邻间隔的两根横杆311之间的间隔，便于起吊及换料移动；燃料格栅51的顶部则配合定位在两根横杆311上方。

为了进一步固定燃料组件50，反应堆容器20内设有支撑结构21，支撑在燃料格栅51的底部。支撑结构21可以是支撑梁、支撑网板等结构形式。

吊装机构40在保护容器10内位于支撑机构30的上方，用于吊起燃料组件50并沿着支撑轨31横向移动燃料组件50。

作为选择，本实施例中，吊装机构40包括至少一根位于支撑机构30上方的横梁41、可升降设置在横梁41上的起吊件42。起吊件42用于与燃料格栅51的顶部配合以将燃料组件50提起或下放。起吊件42可以是吊钩等结构件，具体可根据燃料格栅51的顶部结构配合设置。

本发明的可在线换料熔盐堆还包括控制吊装机构40启停的远端控制终端(未图示)。

进一步地，本发明的可在线换料熔盐堆还包括设置在反应堆容器20内的至少一个换热器60。

反应堆容器20内的冷却剂从换热器60上端的进口进入换热器60，与通过换热器60的介质(该二次侧的介质可选择熔盐、水或二氧化碳等)进行热交换后，再从换热器60下端的出口返回反应堆容器20及堆芯，形成一个冷却剂循环回路(如图1中箭头所示)。

其中，根据冷却剂靠近和远离堆芯的温度差导致的密度差作用下，冷却剂以自然循环方式在冷却剂循环回路中流动；或者，换热器60的进口处可设置循环泵，驱动冷却剂进入换热器60，以强迫循环方式驱使冷却剂在冷却剂循环回路中流动。通过冷却剂沿着冷却剂循环回路的持续流动，对反应堆容器10内的堆芯进行冷却，实现一、二回路能量交换。

如图1所示，本实施例中，反应堆容器20内设有两个换热器60，位于堆芯的相对两侧。

换热器60可以与堆芯组成一个模块，反应堆容器20内可根据需要扩展模块的数量。

本发明的可在线换料熔盐堆还包括设置在保护容器10的围壁内的至少一个非能动空气冷却流道70，保护容器10的外壁面设有分别与非能动空气冷却流道70相连通的空气进口(未图示)和空气出口(未图示)。空气从空气进口进入非能动空气冷却流道70内，沿着非能动空气冷却流道70流动并吸收热量后升温再从空气出口排出非能动空气冷却流道70。

本实施例中，非能动空气冷却流道70在保护容器10的围壁内弯折形成相接的输入流道71和输出流道72，输出流道72较于输入流道71靠近保护容器10的内壁面或平行于内壁面。空气进口与输入流道71相连通，空气出口与输出流道72相连通。

在其他实施例中，非能动空气冷却流道70在保护容器10的围壁内多次弯折延伸，可以是沿水平方向或竖直方向等多次弯折延伸。空气进口和空气出口可以位于围壁的相对两侧或同一侧，并且空气出口的位置在高度上高于空气进口所在位置。

换热器60和非能动空气冷却流道70的设置，停堆后利用冷却剂高温特点，利用热辐射、对流传热(大表面积薄翅片强化换热)等非能动冷却将事故后热量导出至最终热阱-大气。

另外，还可以在反应堆容器20的外壁设置散热翅片，增强散热效果，实现强化散热。散热翅片优选具有较大表面积的翅片。

参考图1、2，本发明的可在线换料熔盐堆的换料方法，可包括以下步骤：

s1、在燃料组件50形成乏燃料组件后，吊装机构40将乏燃料组件吊起，使其燃料格栅51的顶部脱离支撑轨31。

s2、吊装机构40将吊起的乏燃料组件沿着支撑轨31移动至支撑轨31的一端部。

s3、吊装机构40依次移动支撑轨31上悬挂的燃料组件50，填补乏燃料组件的位置，并将新的燃料组件50从支撑轨31的另一端装入。

其中，将支撑轨31的一端作为燃料组件进入端，相对另一端作为燃料排出端。将乏燃料组件移动至支撑轨31的燃料排出端，脱离堆芯。新的燃料组件50从支撑轨31的燃料组件进入端移动进入堆芯中。

相邻的两个支撑轨31的燃料组件进入端交错设置，利用横向及竖向不同的燃料富集度实现更好的堆芯功率展平。

在堆芯中，通过多个支撑轨31排设形成的多排燃料组件中，每一排燃料组件从所在支撑轨31的一端装入新的燃料组件50，乏燃料组件从相对另一端取出，并依次将旧的燃料组件50向乏燃料组件侧移动，只需通过吊装机构40稍微提起燃料组件50就可移动到相邻位置，燃料组件50始终保持在冷却剂中。

穿过堆芯后，乏燃料组件移到反应堆容器20周边贮存，直到衰变热降低到一定值后，移到中间贮存设施。反应堆容器20内预先存放一批新的燃料组件(与堆芯保持足够距离以确保最小化裂变反应)，支持间断性不停堆换料，满足长换料周期要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。