本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熔鹽反應(yīng)堆的堆芯設(shè)計(jì)，特別涉及一種采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯。

背景技術(shù)：

核反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在確保堆芯臨界及安全情況下，盡量提高燃料增殖比(易裂變核的產(chǎn)生/易裂變核的消耗)仍然是熔鹽堆堆芯設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。而提高增殖比就需要提高中子經(jīng)濟(jì)性。反應(yīng)堆中，中子與易裂變核(如鈾-233)碰撞引起核裂變反應(yīng)，每次核裂變又產(chǎn)生2～3個(gè)中子，其中的一個(gè)中子必須用于維持這一“鏈?zhǔn)健绷炎兎磻?yīng)，“多余”的中子方可用于核燃料的增殖，釷-233(或鈾-238)通過(guò)俘獲這些“多余”中子最終轉(zhuǎn)換形成易裂變核素鈾-233(或钚-239)。而在實(shí)際反應(yīng)堆中，由于熔鹽堆堆芯所用慢化劑同時(shí)為堆芯結(jié)構(gòu)材料之一，而傳統(tǒng)的熔鹽堆堆芯所用慢化劑含有大量的非核材料，這些材料總是會(huì)吸收掉一部分中子，從而降低中子的利用效率。因此需要設(shè)法減少非核材料的中子吸收，從而提高中子經(jīng)濟(jì)性。這就對(duì)熔鹽堆堆芯所用慢化劑的選擇提出了要求。

除了中子學(xué)方面的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)熔鹽堆堆芯還存在其他一定問(wèn)題。傳統(tǒng)熔鹽堆堆芯選用石墨作為慢化劑和堆芯結(jié)構(gòu)材料之一，但是石墨的耐輻照和機(jī)械性能上存在明顯不足。首先，石墨材料本身存在較嚴(yán)重的輻照腫脹問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間服役后可能造成堆芯結(jié)構(gòu)變形和不穩(wěn)定，甚至影響和堵塞燃料流道。因此在堆芯高輻照環(huán)境下需要定期更換石墨。美國(guó)早期的msbr熔鹽堆堆芯，石墨材料每4年就需要更換一次，原因在于微觀(guān)結(jié)構(gòu)上，石墨是層片狀結(jié)構(gòu)，因此在輻照環(huán)境下存在各向異性腫脹問(wèn)題，雖然通過(guò)制造工藝改進(jìn)，石墨各項(xiàng)異性可得到降低，但是其耐輻照性能仍然不夠理想。其次，在機(jī)械性能方面，石墨本身的硬度和強(qiáng)度都較低。盡管熔鹽堆堆芯中的石墨不需要承受高壓，但是在輻照環(huán)境及熱膨脹影響下，石墨在與其他部件的連接處很容易出現(xiàn)裂紋，從而影響石墨的使用壽命。另外，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中石墨是與燃料流道中的熔鹽直接接觸的，而石墨材料具有一定的孔隙率和滲透性，熔鹽中的裂變產(chǎn)物(如xe)會(huì)在石墨中沉積，這將增加放射性廢物處理的難度。

因此，如何提高熔鹽堆堆芯的中子經(jīng)濟(jì)性成為了亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種可以提高熔鹽堆堆芯的中子經(jīng)濟(jì)性的采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯。

本發(fā)明提供一種采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯，包括燃料柵格和反射層?xùn)鸥?；所述反射層?xùn)鸥裨O(shè)置在所述燃料柵格的外部，環(huán)繞所述燃料柵格設(shè)置；所述燃料柵格選用氧化鈹作為慢化劑。

優(yōu)選地，所述燃料柵格包括多個(gè)第一包殼；所述第一包殼為柱體；多個(gè)所述第一包殼沿所述第一包殼的徑向依次排列；每個(gè)第一包殼內(nèi)設(shè)置有一個(gè)第二包殼；所述第一包殼和所述第二包殼之間留有空隙；所述第一包殼和所述第二包殼之間的空隙內(nèi)填充有所述慢化劑；所述第二包殼內(nèi)設(shè)有燃料流道；所述燃料流道沿所述第一包殼的軸向延伸；所述第一包殼由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得；所述第二包殼由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得。

優(yōu)選地，所述第一包殼的截面的外緣為正六邊形；所述第二包殼的截面的外緣為圓形。

優(yōu)選地，所述燃料柵格包括多個(gè)第三包殼；所述第三包殼為柱體；多個(gè)第三包殼沿所述第三包殼的徑向依次排列且相互間隔設(shè)置；所述第三包殼內(nèi)填充有所述慢化劑；所述第三包殼由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得；各個(gè)第三包殼之間的空隙為燃料流道。

優(yōu)選地，所述第三包殼的截面的外緣為圓形；各個(gè)第三包殼呈陣列排布或正六邊形排布。

優(yōu)選地，所述反射層?xùn)鸥癜ǘ鄠€(gè)第二柱體；多個(gè)所述第二柱體沿其徑向陣列排布。

優(yōu)選地，所述第二柱體的外表面包覆有第四包殼；所述第四包殼由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得。

優(yōu)選地，所述第二柱體沿其徑向的截面為正六邊形。

優(yōu)選地，所述反射層?xùn)鸥裼墒频谩?/p>

優(yōu)選地，采用無(wú)鈹熔鹽燃料；所述無(wú)鈹熔鹽包括lif、thf4、uf4三種成分。其中，thf4、uf4的含量較高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、熔鹽堆堆芯采用氧化鈹作為慢化劑，氧化鈹中的鈹具有(n,2n)中子增殖反應(yīng)，提高堆芯中子經(jīng)濟(jì)性,實(shí)現(xiàn)高增殖釷基熔鹽堆堆芯設(shè)計(jì)。

2、熔鹽堆堆芯采用無(wú)鈹(bef2)熔鹽燃料，具有更高的重核含量、更高的燃料鹽溶解能力和更高的燃料增殖比。

3、熔鹽堆堆芯采用包殼結(jié)構(gòu)，提高熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)力學(xué)和耐輻照性能。

4、在燃料柵格的外圍設(shè)置反射層?xùn)鸥?，可減少中子泄漏，進(jìn)一步提高堆芯中子經(jīng)濟(jì)性。

5、氧化鈹是另一種較好的固體慢化劑材料，其相對(duì)于金屬鈹具有更好的輻照和化學(xué)穩(wěn)定性，其慢化能力高于石墨且具備高導(dǎo)熱性能，雖然氧化鈹?shù)穆毡嚷孕∮谑氢斁哂?n,2n)中子增殖反應(yīng)，因此可以提高反應(yīng)堆中子經(jīng)濟(jì)性。

4、較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中慢化劑與燃料流道中的熔鹽燃料直接接觸，本發(fā)明的堆芯采用包殼將燃料流道中的熔鹽燃料與慢化劑隔離，避免熔鹽燃料中的裂變產(chǎn)物(如xe)沉積在慢化劑中，降低放射性廢物處理的難度。

5、sic(碳化硅)具有高的熔點(diǎn)、優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、優(yōu)秀的輻照穩(wěn)定性和低的輻照活度，并且具有很好的中子學(xué)、導(dǎo)熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。sic在高溫、高腐蝕性、高輻照環(huán)境下的卓越性能，使之成為極有希望的新一代反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)材料。

c/c(碳/碳)復(fù)合材料是一種由碳纖維增強(qiáng)碳基體的新型熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕等優(yōu)異性能。同時(shí)具有優(yōu)良的中子學(xué)性能和耐輻照性能。

在中子學(xué)性能方面，c/c復(fù)合材料與石墨相近，具有很低的中子吸收和較好的慢化性能。輻照性能方面，c/c復(fù)合材料較石墨具有更好的耐輻照腫脹性能，其能夠承受8dpa的輻照劑量。

sic和c/c復(fù)合材料的優(yōu)良綜合性能使之有可能在熔鹽堆的高溫、高輻照、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用，它們將是熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)材料的有力候選。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1的采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1的第一包殼和第二包殼的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)施例1的采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯的工作原理圖。

圖4為實(shí)施例1的采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯所用熔鹽的三相圖。

圖5為四種熔鹽成分下的kinf-cr交點(diǎn)曲線(xiàn)圖。

圖6為相同熔鹽燃料下，采用不同材料制得的第一包殼的kinf-cr交點(diǎn)比較柱狀圖。

圖7為實(shí)施例2的采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為實(shí)施例2的第三包殼的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為實(shí)施例2的第二柱體的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1所示，為采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯。采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯包括燃料柵格1和反射層?xùn)鸥?。反射層?xùn)鸥?設(shè)置在燃料柵格1的外部，環(huán)繞燃料柵格1設(shè)置。燃料柵格1選用氧化鈹作為慢化劑。

如圖2所示，優(yōu)選地，燃料柵格1包括多個(gè)第一包殼13，第一包殼13為柱體。多個(gè)第一包殼13沿第一包殼的徑向依次排列。每個(gè)第一包殼13內(nèi)設(shè)置有一個(gè)第二包殼14。第一包殼13和第二包殼14之間留有空隙。第一包殼13和第二包殼14之間的空隙內(nèi)填充有慢化劑11。第二包殼14內(nèi)設(shè)有燃料流道12。燃料流道12沿第一包殼的軸向延伸。第一包殼13由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得。第二包殼14由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得。

優(yōu)選地，第一包殼13的截面的外緣為正六邊形。第二包殼14的截面的外緣為圓形。

優(yōu)選地，反射層?xùn)鸥?包括多個(gè)第二柱體21。多個(gè)第二柱體21沿其徑向陣列排布。第二柱體21沿其徑向的截面為正六邊形。第二柱體21由石墨制得。

優(yōu)選地，采用無(wú)鈹熔鹽燃料，無(wú)鈹熔鹽燃料包括lif、thf4、uf4三種成分。其中，thf4、uf4的含量較高。

采用無(wú)鈹熔鹽氧化鈹慢化的熔鹽堆堆芯的工作原理如下：

如圖3所示，為使用本實(shí)施例的熔鹽堆堆芯的tmsr回路系統(tǒng)，溶解有燃料的熔鹽在圖2所示的回路系統(tǒng)中流動(dòng)。溶解有燃料的熔鹽流經(jīng)本實(shí)施例的熔鹽堆堆芯01的燃料流道12時(shí)，借助燃料流道12外圍的由氧化鈹慢化劑制得的第一柱體11的慢化作用達(dá)到臨界，燃料內(nèi)發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)并產(chǎn)生熱量。隨著熔鹽的流動(dòng)，燃料流道12內(nèi)的熔鹽流出堆芯01并在上腔室02匯合，隨后通過(guò)熱管段03流向換熱器04。在換熱器04內(nèi)，熔鹽將熱量傳輸給二回路05，冷卻后的熔鹽通過(guò)熔鹽泵06加壓，并經(jīng)過(guò)冷管段07回到堆芯01下部的下腔室08，隨后又進(jìn)入堆芯01的燃料流道12，這樣形成循環(huán)流動(dòng)的回路系統(tǒng)。本實(shí)施例的堆芯01的各燃料流道12位于第二包殼14內(nèi)，相互不連通，相互獨(dú)立。慢化劑采用較低密度的氧化鈹粉末，具有良好中子慢化及導(dǎo)熱性能的同時(shí)可減少輻照腫脹效應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例具有以下有益效果：

1、熔鹽堆堆芯采用氧化鈹作為慢化劑，氧化鈹中的鈹具有(n,2n)中子增殖反應(yīng)，提高堆芯中子經(jīng)濟(jì)性,實(shí)現(xiàn)高增殖釷基熔鹽堆堆芯設(shè)計(jì)。

2、熔鹽堆堆芯采用無(wú)鈹(bef2)熔鹽燃料，具有更高的重核含量、更高的燃料鹽溶解能力和更高的燃料增殖比。

3、熔鹽堆堆芯采用包殼結(jié)構(gòu)，提高熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)力學(xué)和耐輻照性能。

4、在燃料柵格的外圍設(shè)置反射層?xùn)鸥?，可減少中子泄漏，進(jìn)一步提高堆芯中子經(jīng)濟(jì)性。

5、氧化鈹是另一種較好的固體慢化劑材料，其相對(duì)于金屬鈹具有更好的輻照和化學(xué)穩(wěn)定性，其慢化能力高于石墨且具備高導(dǎo)熱性能，雖然氧化鈹?shù)穆毡嚷孕∮谑?，但是鈹具?n,2n)中子增殖反應(yīng)，因此可以提高反應(yīng)堆中子經(jīng)濟(jì)性。

4、較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中慢化劑與燃料流道中的熔鹽燃料直接接觸，本發(fā)明的堆芯采用包殼將燃料流道中的熔鹽燃料與慢化劑隔離，避免熔鹽燃料中的裂變產(chǎn)物(如xe)沉積在慢化劑中，降低放射性廢物處理的難度。

5、sic(碳化硅)具有高的熔點(diǎn)、優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、優(yōu)秀的輻照穩(wěn)定性和低的輻照活度，并且具有很好的中子學(xué)、導(dǎo)熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。sic在高溫、高腐蝕性、高輻照環(huán)境下的卓越性能，使之成為極有希望的新一代反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)材料。

c/c(碳/碳)復(fù)合材料是一種由碳纖維增強(qiáng)碳基體的新型熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕等優(yōu)異性能。同時(shí)具有優(yōu)良的中子學(xué)性能和耐輻照性能。

在中子學(xué)性能方面，c/c復(fù)合材料與石墨相近，具有很低的中子吸收和較好的慢化性能。輻照性能方面，c/c復(fù)合材料較石墨具有更好的耐輻照腫脹性能，其能夠承受8dpa的輻照劑量。

sic和c/c復(fù)合材料的優(yōu)良綜合性能使之有可能在熔鹽堆的高溫、高輻照、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用，它們將是熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)材料的有力候選。圖4為本實(shí)施例堆芯所用熔鹽的三相圖，thf4溶解度上限曲線(xiàn)上的x0～x3四個(gè)熔鹽成分點(diǎn)的bef2摩爾含量分別為0％、10％、20％、30％，其對(duì)應(yīng)的thf4摩爾含量分別為28.4％、23.0％、17.5％和12.5％，可以看出，本實(shí)施例堆芯所用無(wú)鈹熔鹽具有最高的燃料鹽溶解能力。

對(duì)于圖5中所示的x0～x3四個(gè)熔鹽成分點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，kinf-cr交點(diǎn)曲線(xiàn)反映了增殖能力大小。圖5給出了四種熔鹽成分下的kinf-cr交點(diǎn)曲線(xiàn)，可以看出本實(shí)施例堆芯所用無(wú)鈹熔鹽(x0)情況下具有最高的增殖比。

圖6給出了相同熔鹽燃料下，采用不同材料制得的第一柱體11的kinf-cr交點(diǎn)比較?？梢钥闯鲅趸斴^石墨具有更高的增殖比。另外，為了避免氧化鈹出現(xiàn)輻照腫脹，采用了粉末狀氧化鈹進(jìn)行較低密度填充，因此使得裂變氣體可以自由地排出，避免在氧化鈹內(nèi)部累積而造成腫脹。

實(shí)施例2

如圖7-9所示，與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例的堆芯的燃料柵格1包括多個(gè)第三包殼15。第三包殼15為柱體。多個(gè)第三包殼15沿第三包殼的徑向依次排列且相互間隔設(shè)置。第三包殼15內(nèi)填充有慢化劑11。第三包殼15由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得。各個(gè)第三包殼15之間的空隙為燃料流道12。各個(gè)第三包括15呈陣列排布或正六邊形排布，正六邊形的六個(gè)角和中心均分布有第三包殼。

本實(shí)施例的堆芯01的各燃料流道12位于各第三包殼15外部，相互連通。燃料通道12相互連通，從而允許熔鹽之間相互攪混，對(duì)堆芯傳熱與安全有利，另外第一柱體11采用實(shí)心的結(jié)構(gòu)，更易于第三包殼15承壓。

反射層?xùn)鸥?的第二柱體21的外表面包覆有第四包殼22，第四包殼22由碳化硅或碳/碳復(fù)合材料制得。避免石墨與燃料流道12中的熔鹽燃料直接接觸，防止熔鹽對(duì)石墨的腐蝕，避免熔鹽燃料中的裂變產(chǎn)物(如xe)滲入并沉積在石墨中，降低放射性廢物處理的難度。

除上述結(jié)構(gòu)外，本實(shí)施例的堆芯與實(shí)施例1中的堆芯的其他結(jié)構(gòu)均相同。

本說(shuō)明書(shū)中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見(jiàn)即可。對(duì)于實(shí)施例公開(kāi)的系統(tǒng)而言，由于與實(shí)施例公開(kāi)的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法部分說(shuō)明即可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來(lái)使用不同方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。