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一種熔鹽快堆

文檔序號:29731204發布日期:2022-04-16 21:56來源:國知局
一種熔鹽快堆

1.本實用新型涉及一種熔鹽快堆。


背景技術:

2.乏燃料是經過輻照、使用過的但未燃盡的核燃料。對于目前占主流的商業壓水堆,當乏燃料從堆芯卸出100年后,其放射性毒性主要來自超鈾核素(tru)的貢獻。嬗變tru可大幅減少乏燃料放射性毒性并顯著提高核燃料利用率。由于tru在快中子能譜下具有較大的裂變俘獲比,嬗變tru需要消耗大量的高能中子,因此tru更適合采用快堆嬗變裝置,例如具有快中子能譜的加速器驅動次臨界系統(ads)和固態臨界快堆(例如鈉冷快堆、鉛冷快堆和氣冷快堆)等。為了進一步改善快堆嬗變裝置的tru嬗變能力,需增加tru裝載量或延長嬗變裝置運行周期。然而,tru元素的高裝載量會顯著減弱固態燃料嬗變裝置的堆芯安全特性,嬗變裝置運行周期的增加則會提高堆芯安全控制要求或加速器技術要求,從而限制tru嬗變能力。
3.作為液態燃料反應堆,熔鹽快堆有望解決固態嬗變裝置中高效嬗變tru的技術挑戰。液態燃料鹽的密度效應可以補償tru高裝載量引起的溫度負反饋的減弱,同時在線后處理與在線添料使得熔鹽快堆在不需要較高的初始剩余反應性前提下延長堆芯運行周期,從而降低了控制要求并提高嬗變能力。但是,目前熔鹽快堆的載體鹽一般為氟鹽或氯鹽,tru在氟鹽和氯鹽中的溶解度較低,溶解度最高分別為30%(如flinak)和45%(如nacl),這在一定程度上限制了熔鹽快堆的tru嬗變能力。此外,液態燃料鹽的流動引起緩發中子的損失,也會減弱熔鹽快堆的安全性。


技術實現要素:

4.本實用新型要解決的技術問題是為了解決現有技術中的液態燃料熔鹽快堆存在超鈾元素在載體鹽中溶解度低而導致嬗變能力低以及緩發中子損失大等缺陷,而提供了一種熔鹽快堆。本實用新型的熔鹽快堆嬗變量高,緩發中子流失低,堆芯安全性高。
5.本實用新型是通過下述技術方案來解決上述技術問題。
6.本實用新型提供了一種熔鹽快堆,其包括活性區壁和位于所述活性區壁內部的活性區;
7.所述活性區包括嬗變棒和燃料鹽區,所述嬗變棒內設有容納空間,所述燃料鹽區用于容納燃料鹽;
8.所述嬗變棒排列于所述燃料鹽區內,且所述嬗變棒設于所述活性區的中部;
9.所述中部的等效直徑與所述活性區的等效直徑的比值為0.6~0.9。
10.本實用新型中,所述活性區壁的材料可為本領域常規,較佳地為鎳基合金、鉬錸合金和鈮鋯合金中的一種或多種,更佳地為鎳基合金。
11.本實用新型中,較佳地,所述活性區壁包括上壁、側壁和下壁。
12.其中,較佳地,所述上壁的厚度為1~3cm;所述側壁的厚度為1~5cm;所述下壁的
厚度為1~3cm。
13.其中,較佳地,所述上壁為具有弧度的圓錐形;所述下壁為具有弧度的圓錐形。
14.其中,較佳地,所述上壁的中心設有燃料鹽出口;所述下壁的中心設有燃料鹽進口。所述燃料鹽進口較佳地為圓柱形;所述燃料鹽出口較佳地為圓柱形。
15.較佳地,所述活性區壁內還包括上腔室,所述上腔室位于所述活性區和所述上壁之間,所述上腔室的底部與所述活性區連通。所述上腔室的高度較佳地為1~20cm。
16.較佳地,所述活性區壁內還包括下腔室,所述下腔室位于所述活性區和所述下壁之間,所述下腔室的頂部與所述活性區連通。所述下腔室的高度較佳地為1~20cm。
17.更佳地,所述活性區和所述上腔室之間,和/或,所述活性區和所述下腔室之間還設有導流板。所述導流板較佳地設有凹槽和小孔,所述凹槽的形狀和大小與所述嬗變棒的橫截面相同,用于將所述嬗變棒固定于所述燃料鹽區內,所述小孔用于連通所述活性區與所述上腔室、和/或所述活性區與所述下腔室,以此實現燃料鹽的流通。所述導流板的厚度較佳地為1~5cm。所述導流板的材料較佳地為鎳基合金、鉬錸合金和鈮鋯合金中的一種或多種,更佳地為鎳基合金。較佳地,所述導流板和所述活性區壁的材料相同。
18.本實用新型中,較佳地,所述活性區壁的外圍設有反射層和堆容器。
19.其中,所述反射層的材料可為本領域常規,較佳地為石墨、鈹或氧化鈹,更佳地為氧化鈹。
20.其中,較佳地,所述反射層的厚度為15~60cm。
21.其中,所述堆容器的材料可為本領域常規,較佳地為鎳基合金、鉬錸合金和鈮鋯合金中的一種或多種,更佳地為鎳基合金。
22.其中,較佳地,所述堆容器的厚度為2~10cm。
23.本實用新型中,本領域技術人員知曉,所述活性區的等效直徑是指所述活性區實際截面面積相等的圓的直徑。所述中部的等效直徑是指所述中部實際截面面積相等的圓的直徑。
24.本實用新型中,較佳地,所述活性區的等效直徑為80~300cm。
25.本實用新型中,較佳地,所述活性區為圓柱體形。
26.本實用新型中,較佳地,所述活性區的高度與所述活性區的等效直徑的比值為0.5~2.5。
27.本實用新型中,較佳地,所述活性區由嬗變棒和燃料鹽區組成。此時,所述活性區壁的內壁與所述嬗變棒的外壁圍成的空間即為所述燃料鹽區。
28.本實用新型中,所述嬗變棒可為本領域常規的嬗變棒。例如韓金盛等.次錒系核素在鉛冷快堆中的嬗變性能[j].同位素,2019,32(1):8.、胡文超等.大型先進壓水堆中次錒系核素嬗變特性[j].強激光與粒子束,2017,29(003):84-89.、或胡文超等.基于ap1000型反應堆嬗變237np制備238pu研究[j].核安全,2017,016(004):78-83.等文獻中報道的嬗變棒。本領域技術人員知曉,所述嬗變棒一般用于固態燃料反應堆(如壓水堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆和氣冷快堆等)或液態燃料反應堆(如熔鹽熱堆)。所述嬗變棒內一般含有可以通過中子核反應變為非放射性核素或短壽命核素的長壽命高放核廢料,以實現核廢物最小化;所述長壽命高放核廢料一般為超鈾元素和/或長壽命裂變產物。
[0029]
其中,所述嬗變棒內的所述容納空間為嬗變區,所述容納空間較佳地用于填充超
鈾元素氧化物、超鈾元素氮化物或超鈾元素碳化物。
[0030]
其中,較佳地,所述嬗變棒包括由內向外的所述容納空間、中間層和包殼,且所述容納空間、所述中間層和所述包殼同軸設置;所述中間層為中子毒物層或裂變產物層。
[0031]
其中,較佳地,所述容納空間中的超鈾元素氧化物為truo2;所述容納空間中的超鈾元素氮化物為trun;所述容納空間中的超鈾元素碳化物為tru3c2、truc
x
,其中x為0.6~0.92、tru2c3或truc2;tru為镎的同位素(
237~238
np)、钚的同位素(
238~242
pu)、镅的同位素(
241~244
am)和鋦的同位素(
242~248
cm)中的一種或多種。
[0032]
其中,較佳地,所述容納空間的等效半徑為1~10cm。
[0033]
其中,所述中子毒物層中的中子毒物可為本領域常規的中子毒物,較佳地為硼及其化合物、銪及其化合物、釓及其化合物或釤及其化合物,更佳地為gd2o3。
[0034]
其中,所述裂變產物層中的裂變產物可為本領域常規的長壽命裂變產物,較佳地為se、sr、zr、nb、tc、pd、sn、i、cs和sm中的一種或多種。
[0035]
其中,較佳地,所述中間層的材料不為增殖材料,會導致tru嬗變效果不佳。其中,所述增殖材料是指本領域常規的增殖材料,例如為釷的化合物,更具體地例如為tho2、thc2或th3n4。
[0036]
其中,較佳地,所述中間層的厚度為2~20cm。
[0037]
其中,較佳地,所述包殼的材料可為本領域常規的耐高溫、耐輻照、耐腐蝕材料,較佳地為碳化硅、碳碳復合材料、鎳基合金、鉬錸合金和鈮鋯合金中的一種或多種。
[0038]
其中,較佳地,所述包殼的厚度為1~10cm。
[0039]
較佳地,所述中間層和所述包殼之間設有隔熱層,所述隔熱層的材料為氣體(如氦氣等)或固體(如8ysz(8mol%y2o
3-92mol%zro2)、zro2、al2o3或sio2等),所述隔熱層的厚度為1~5mm。
[0040]
本實用新型中,所述嬗變棒的形狀可為本領域常規,較佳地,所述嬗變棒的橫截面為圓形、六邊形或四邊形。
[0041]
本實用新型中,較佳地,所述嬗變棒按三角形柵格、四邊形柵格或沿圓周排列于所述燃料鹽區內,更佳地,所述嬗變棒按正三角形柵格排列于所述燃料鹽區內。其中,所述四邊形柵格可例如韓金盛等人發表的論文:次錒系核素在鉛冷快堆中的嬗變性能[j].同位素,2019,32(01):22-28中圖2記載的排列方式。
[0042]
本實用新型中,所述嬗變棒的個數以及所述嬗變棒之間的中心間距可根據所述熔鹽快堆的功率水平和臨界需求做調整。中心間距是指相鄰的嬗變棒的中心的間距。較佳地,所述嬗變棒的個數為4~37。
[0043]
本實用新型中,所述燃料鹽可為本領域常規的燃料鹽,一般包括核燃料和載體鹽。申請人研究發現,由于含有超鈾元素的所述嬗變棒插入所述熔鹽快堆會引起反應性的增加,含有裂變產物層的所述嬗變棒插入所述熔鹽快堆會引起反應性減小,為此,本領域技術人員在理解本實用新型的技術方案后知曉,可以通過調整所述熔鹽快堆中易裂變核燃料的濃度來實現堆芯臨界。
[0044]
其中,所述載體鹽較佳地為氯鹽或氟鹽,更佳地為氯化鈉或氟鋰鈹。
[0045]
其中,所述核燃料較佳地為超鈾元素和/或增殖元素的氯化物或氟化物;其中,超鈾元素為镎的同位素(
237~238
np)、钚的同位素(
238~242
pu)、镅的同位素(
241~244
am)和鋦的同位
素(
242~248
cm)中的一種或多種,增殖元素為釷(
232
th)、天然鈾(
235
u重量百分比為0.72%)或貧鈾(
235
u重量百分比為0.2%)的一種或多種,增殖元素更佳地為釷。
[0046]
其中,較佳地,所述核燃料占所述燃料鹽的摩爾百分比為1.0~50.0%。
[0047]
本實用新型中,較佳地,在堆芯運行初期,所述嬗變棒中超鈾元素占所述熔鹽快堆中超鈾元素的質量份額為50%~100%。
[0048]
本實用新型中,較佳地,所述熔鹽快堆的運行功率為100~3000mwth。
[0049]
本實用新型中,較佳地,所述熔鹽快堆在堆芯運行初期的核燃料比功率為350~1550kw/kg。其中,所述核燃料比功率是指核反應堆堆芯內單位質量核燃料(如tru)所產生的熱功率,單位為kw/kg。
[0050]
本實用新型中,較佳地,所述熔鹽快堆的堆芯初始剩余反應性為500~4000pcm。
[0051]
本實用新型中,所述熔鹽快堆在以一定功率運行時,當堆芯內的核燃料不足以維持堆芯臨界時,可通過在線后處理和在線添料維持堆芯臨界。
[0052]
其中,所述在線后處理可為本領域常規操作,后處理的核素及后處理周期依據實際后處理能力來確定。
[0053]
其中,所述在線添料可為本領域常規操作,添料的核素可包括
233
u、
235
u、
237
np、
239
pu、
241
pu、
243
cm和
245
cm中的一種或多種,控制添料后所述熔鹽快堆的剩余反應性在100pcm~1000pcm以內。
[0054]
在符合本領域常識的基礎上,上述各優選條件,可任意組合,即得本實用新型各較佳實例。
[0055]
本實用新型的積極進步效果在于:
[0056]
本實用新型的熔鹽快堆同時采用了固態燃料和液態燃料,在不影響堆芯安全性能前提下提高了堆芯運行初期的核燃料比功率,在不突破液態燃料鹽溶解度前提下改善了tru裝載量,進而提高了tru的嬗變量。本實用新型的熔鹽快堆的液態燃料鹽僅需提供少量的核燃料即可維持反應堆的臨界運行,從而減少了由于燃料鹽流動帶來的緩發中子損失,提高了堆芯的固有安全。
[0057]
本實用新型的熔鹽快堆可進行在線后處理與在線添料,可延長反應堆運行時間和tru在堆內的嬗變時間,從而進一步提高tru的嬗變量。
附圖說明
[0058]
圖1為實施例1的熔鹽快堆的主視示意圖。
[0059]
圖2為實施例1的熔鹽快堆的俯視示意圖。
[0060]
圖3為實施例1的熔鹽快堆的導流板的示意圖。
[0061]
圖4為對比例1的熔鹽快堆的主視示意圖。
[0062]
圖5為對比例1的熔鹽快堆的俯視示意圖。
[0063]
圖6為對比例2的熔鹽快堆的俯視示意圖。
[0064]
附圖標記說明
[0065]
活性區壁 1
[0066]
反射層 2
[0067]
堆容器 3
[0068]
上導流板 4
[0069]
下導流板 5
[0070]
上腔室 6
[0071]
下腔室 7
[0072]
燃料鹽出口 8
[0073]
燃料鹽入口 9
[0074]
嬗變棒 10
[0075]
燃料鹽區 11
[0076]
凹槽 12
[0077]
小孔 13
[0078]
容納空間 101
[0079]
中間層 102
[0080]
包殼 103
具體實施方式
[0081]
下面舉個較佳實施例,并結合附圖來更清楚完整地說明本實用新型。
[0082]
實施例1
[0083]
如圖1~3所示,實施例1提供了一種固液混合燃料熔鹽快堆,其包括活性區壁1和位于活性區壁1內部的活性區;活性區由嬗變棒10和燃料鹽區11組成;活性區壁1的內壁與嬗變棒10的外壁圍成的空間即為燃料鹽區11;嬗變棒10內設有容納空間101,燃料鹽區11用于容納燃料鹽;嬗變棒10排列于燃料鹽區11內,且嬗變棒10設于活性區的中部;中部的等效直徑與活性區的等效直徑的比值為0.77。中部為位于活性區中心的一正六邊形區域(如圖2中虛線區域所示)。此時中部的等效直徑的計算方法即為計算該正六邊形實際截面面積相等的圓的直徑。嬗變棒排列過程中,嬗變棒的外壁在正六邊形區域范圍內。
[0084]
活性區的等效直徑為135cm?;钚詤^為圓柱體形?;钚詤^的高度為135cm。
[0085]
嬗變棒10內的容納空間101為嬗變區,容納空間101用于填充超鈾元素氮化物trun,其中tru是從壓水堆卸料燃耗為60gwd/ton、冷卻5年后的乏燃料中分離得到,其具體成分為6.3%
237
np:2.7%
238
pu:45.9%
239
pu:21.5%
240
pu:10.7%
241
pu:6.7%
242
pu:3.4%
241
am:1.9%
243
am:0.8%
244
cm:0.1%
245
cm,百分比為摩爾百分比。
[0086]
其中,嬗變棒10包括由內向外的容納空間101、中間層102和包殼103,且容納空間101、中間層102和包殼103同軸設置;中間層102為中子毒物層。嬗變棒10的橫截面為圓形。容納空間101、中間層102和包殼103三者的橫截面均為圓形。嬗變棒10按三角形柵格排列于燃料鹽區11內。嬗變棒10的中心間距為51.8cm,嬗變棒10的個數為19。
[0087]
其中,容納空間101的等效半徑為3.9cm。中子毒物層中的中子毒物為gd2o3。中間層102的厚度為11cm。包殼103的材料為鎳基合金。包殼103的厚度為1cm。中間層102和包殼103之間設有隔熱層(圖中未示出),隔熱層的材料為氦氣,隔熱層的厚度為1mm。
[0088]
活性區壁1的材料為鎳基合金?;钚詤^壁1包括上壁、側壁和下壁。上壁的厚度為2cm;側壁的厚度為2cm;下壁的厚度為2cm。其中,上壁為具有弧度的圓錐形;下壁為具有弧度的圓錐形。上壁的中心設有燃料鹽出口8;下壁的中心設有燃料鹽進口。燃料鹽進口為圓
柱形;燃料鹽出口8為圓柱形。
[0089]
活性區壁1內還包括上腔室6,上腔室6位于活性區和上壁之間,上腔室6的底部與活性區連通。上腔室6的高度為10cm?;钚詤^壁1內還包括下腔室7,下腔室7位于活性區和下壁之間,下腔室7的頂部與活性區連通。下腔室7的高度為10cm。
[0090]
活性區和上腔室6之間設有上導流板4,活性區和下腔室7之間還設有下導流板5。兩塊導流板均設有凹槽12和小孔13,凹槽12的形狀和大小與嬗變棒10的橫截面相同,凹槽12的數量與嬗變棒10的數量相同,用于將嬗變棒10固定于燃料鹽區11內,小孔13用于連通活性區與上腔室6、和活性區與下腔室7,以此實現燃料鹽的流通。兩塊導流板的厚度均為2cm。兩塊導流板的材料均為鎳基合金。
[0091]
活性區壁1的外圍設有反射層2和堆容器3。反射層2的材料為氧化鈹。反射層2的厚度為40cm。堆容器3的材料為鎳基合金。堆容器3的厚度為5cm。
[0092]
液態燃料鹽的成分為55%nacl-1%trucl
3-44%thcl3,百分比為摩爾百分比,cl-37的豐度為24.23%。
[0093]
在堆芯運行初期,嬗變棒10中超鈾元素占熔鹽快堆中超鈾元素的質量份額為83.80%。熔鹽快堆在堆芯運行初期的核燃料比功率為642.89kw/kg。熔鹽快堆的堆芯反應性溫度系數為-0.08pcm/k,堆芯內的有效緩發中子份額為235.2pcm,其中液態燃料鹽的有效緩發中子份額僅為9.39pcm。
[0094]
熔鹽快堆的初始剩余反應性為2364pcm,當剩余反應性為0甚至負值時,進行在線后處理和在線添料。在線后處理的核素及后處理周期為:難溶裂變產物(xe、kr等)的去除周期設為30s,易溶裂變產物(sm、eu、gd等)的去除周期為1000天,錒系核素(pa、np等)的提取周期為1000天。在線添料的添料核素為tru和釷的混合燃料鹽,添料后的堆芯剩余反應性處于100pcm~1000pcm之間。
[0095]
熔鹽快堆以2500mwth運行,運行10年、20年和30年的tru年嬗變量分別為334.33kg/gwth/year、296.61kg/gwth/year和268.79kg/gwth/year。
[0096]
實施例2
[0097]
實施例2的固液混合燃料熔鹽快堆與實施例1的不同之處僅在于嬗變棒10相關參數。
[0098]
嬗變棒10相關參數與實施例1的不同之處如下:
[0099]
嬗變棒10排列于燃料鹽區11內,且嬗變棒10設于活性區的中部;中部的等效直徑與活性區的等效直徑的比值為0.80。容納空間101的等效半徑為4.1cm。中間層102為裂變產物層,裂變產物的材料為tc-99,裂變產物層的厚度為12cm。嬗變棒10按三角形柵格排列于燃料鹽區11內。嬗變棒10的中心間距為54.2cm,嬗變棒10個數為19。
[0100]
在堆芯運行初期,嬗變棒10中超鈾元素占熔鹽快堆中超鈾元素的質量份額為85.67%,熔鹽快堆的核燃料比功率為594.22kw/kg,熔鹽快堆的堆芯反應性溫度系數為-0.1pcm/k,堆芯內的有效緩發中子份額為238.1pcm,其中液態燃料鹽的有效緩發中子份額僅為3.21pcm。
[0101]
熔鹽快堆的初始剩余反應性為3217pcm,當剩余反應性為0甚至負值時,進行在線后處理和在線添料。在線后處理和在線添料的操作同實施例1。
[0102]
熔鹽快堆以2500mwth運行,運行10年、20年和30年的tru年嬗變量分別為
341.21kg/gwth/year、323.71kg/gwth/year和305.02kg/gwth/year。
[0103]
對比例1
[0104]
如圖4~5所示,對比例1的液態燃料熔鹽快堆與實施例1的不同之處僅在于對比例1的活性區中只含液態燃料鹽,而不設有嬗變棒。
[0105]
在堆芯運行初期,熔鹽快堆的核燃料比功率為304.99kw/kg,熔鹽快堆在運行初期的堆芯反應性溫度系數為-1.79pcm/k,其燃料鹽的有效緩發中子份額為325.8pcm。
[0106]
熔鹽快堆的初始剩余反應性為3076pcm,當堆芯內核燃料不足以維持堆芯臨界時(此時剩余反應性為0甚至為負值),進行在線后處理與在線添料。在線后處理和在線添料的操作同實施例1。
[0107]
熔鹽快堆以2500mwth運行,運行10年、20年和30年的tru年嬗變量分別為235.11kg/gwth/year、198.86kg/gwth/year和183.13kg/gwth/year。
[0108]
對比例2
[0109]
如圖6所示,對比例2的固液混合燃料熔鹽快堆與實施例1的不同之處僅在于嬗變棒10的幾何結構及排列方式,具體為:
[0110]
容納空間101的等效半徑為3.94cm。中間層102為中子毒物層,中子毒物層為gd2o3,中子毒物層的厚度為10cm?;钚詤^由嬗變棒10和燃料鹽區11組成。
[0111]
對比例2中,活性區的中部為位于活性區中心的一正六邊形區域(如圖6中虛線區域所示)。此時中部的等效直徑的計算方法即為計算該正六邊形實際截面面積相等的圓的直徑。中部的等效直徑與活性區的等效直徑的比值為0.83。嬗變棒10沿著該六邊形區域排列于該正六邊形區域范圍外。
[0112]
嬗變棒10的中心間距為31.88cm,嬗變棒10個數為18。
[0113]
在堆芯運行初期,嬗變棒10中超鈾元素占熔鹽快堆中超鈾元素的質量份額為87.89%,熔鹽快堆的核燃料比功率為689.84kw/kg,熔鹽快堆的堆芯反應性溫度系數為-0.13pcm/k,堆芯內的有效緩發中子份額為370.6pcm,其中液態燃料鹽的有效緩發中子份額僅為8.08pcm。
[0114]
熔鹽快堆的初始剩余反應性為3069pcm,當剩余反應性為0甚至負值時,進行在線后處理和在線添料。在線后處理和在線添料的操作同實施例1。
[0115]
熔鹽快堆以2500mwth運行,運行10年、20年和30年的tru年嬗變量分別為232.13kg/gwth/year、162.26kg/gwth/year和126.98kg/gwth/year。
[0116]
各實施例和對比例運行結果對比如下表1所示。
[0117]
表1實施例1~2和對比例1~2的運行結果對比
[0118][0119]
[0120]
對比例2中,除了嬗變量低于實施例1外,對比例2的反應堆運行時,容易出現局部過熱現象。因此,實施例1的堆芯安全性高于對比例2。
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