球形燃料反应堆制造技术

一种球形燃料反应堆，其中把核燃料和冷却剂一起封装在球形固体中，通过两套机械传送系统(4)，使球形固体在反应堆容器(1)和蒸汽发生器(2)之间循环流动，达到将反应堆产生的热量传出到蒸汽发生器的目的。该反应堆有固有安全性高，出口温度参数高，可以充分利用核燃料的特点，可以用于发电、制氢、供热、煤的液化气化等领域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】球形燃料反应堆
本专利技术属于核反应堆工程研究设计领域，涉及一种球形燃料反应堆。
技术介绍
球形燃料元件已应用在高温气冷堆中，由于其有易于装料、换料，对放射性物质的良好包容能力等优点，得到了普遍的认同。熔盐堆综合性能良好，但高温下熔盐的强腐蚀性是工程上难以解决的问题。
技术实现思路
本专利技术球形燃料反应堆是把核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，制成球形燃料组件，并通过机械传送系统，使球形固体在反应堆和蒸汽发生器之间循环流动，达到热量由反应堆传递到蒸汽发生器的目的。一般认为只有液体和气体才能作为反应堆冷却剂，本专利技术球形燃料反应堆是采用球形固体作为冷却剂。球形固体有良好的滚动能力，大量的球形固体颗粒聚集在一起流动，可以表现出一些和液体流动类似的特征，特别是当球形固体粒径较小时，其流动特性和液体流动特性很相似。球形燃料反应堆是让球形固体颗粒借助其自身重力在反应堆内由上往下流动，并用提升传送装置把球形固体颗粒提升到需要的高度，球形固体不断的上下循环流动。球形燃料反应堆利用这种球形固体颗粒的循环流动来传递热量。使热量由温度高地方传递到温度低的地方。把核燃料封装在球形固体中，固体对放射性物质有良好的包覆能力，可以阻止放射性物质的扩散，有利于安全。这种热量传递的过程不仅在反应堆里面有应用价值，在其它工业领域可能也有应用价值。球形固体颗粒集体流动的特性与其粒径大小有很大关系，粒径越小，其流动特性越接近液体，性状和液体也越接近。球形固体颗粒是靠自身的滚动来流动，在重力作用下流动时实际上只有与壁面接触的球有滚动，其上方其他的球以平动为主。粒径越小，固体颗粒堆积时空隙率越小，导热能力越好。如果颗粒温度较高，颗粒通过热辐射传热也是需要考虑的，高温颗粒通过辐射传递热量的速度可能比接触热传导还快。球形固体颗粒传热速度比水的传热速度相比可能要慢，因为固体不能通过湍流传热。固体作为冷却剂的优势是核燃料可以弥散在固体里面，使热源不过分集中在某一点，因而可以弥补传热能力方面的不足。不能使反应堆局部温度过高，因此以球形固体作为冷却剂的反应堆体积功率密度可能要低一些。同样功率的反应堆其总体积可能要比压水堆体积大。通过一些设计可以使单个核燃料球有自身的固有安全性，可以控制单个球里面的核燃料数量，因而产生的热量速度可以控制在一定限度，以至于核燃料球可以在自身温度升得太高之前就把热量通过热辐射传递出去，即使在周围没有其他冷却剂情况下。反应堆内还有较多的不含核燃料的粒径较小的冷却剂球，这些球也用来把热量传出反应堆。核燃料球通过热传导和热辐射把热量传递给这些冷却剂球，这些球也使反应堆有较大的热工裕量，事故情况下可以把热量传递到反应堆外面，还可以良好的包覆核燃料，提高了反应堆的安全性。反应堆容器外部可以放置较多的固体材料，并使之与反应堆容器保持良好的接触，这样反应堆的余热可以通过热传导和热辐射传递出来，反应堆不会熔化。本专利技术球形燃料反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口。球形固体在反应堆容器内吸收核反应产生的热量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升传送装置把球提升传送到蒸汽发生器入口，球形固体在蒸汽发生器里面靠自身重力下落，并把热量传给冷侧的水，落出蒸汽发生器后，提升传送装置再把球提升传送到反应堆容器上部入口。如此不断循环，达到把热量由反应堆传出到蒸汽发生器的目的。球形燃料反应堆对于热中子和快中子反应堆都是适用的，可分别设计成两种类型的反应堆。提升传送装置类似于电动扶梯，为了减少对核燃料元件的损伤，尽量避免球的滚动，采用两套提升传送装置，球在循环过程中只有重力作用下落过程可能有碰撞。机械传送系统尽量采用大截面低流速的方案。低流速可以减小核燃料球受的摩擦力，这与球形固体颗粒的流动特性相适应。由于球的温度较高，应尽量选用耐高温的提升机。提升传送装置应有良好的密封性，虽然反应堆在接近常压下运行，仍需要充以保护性气体，隔离氧气，使主回路保持一个密闭的环境是必要的，密闭的回路也可以作为一道放射性安全屏障。虽然采用一套提升传送装置也是可行的，但长期燃料球的滚动会增加球的磨损，影响球的使用寿命。提升传送装置应该设计成能传输粒径较小的固体颗粒，可以选用钢丝布制成的传送带。为了防止固体颗粒从传送带两边的缝隙流失，传送带两边设置护栏，且护栏可以跟随传送带一起移动。也可以设计中间低两边高的传送带，使固体颗粒不向两边流失。还要防止固体颗粒流到移动部件和静止部件之间的缝隙里面，影响传输系统安全运行。为了尽量减小核燃料球在反应堆容器上方靠重力下落时的冲击力，传输系统也设计成有一定向下的倾角，使核燃料球缓缓的向下流动，传输系统的低端也设计有一定的倾角，使核燃料球不往后流动，这可以通过设计特定的导向轨道来实现。反应堆容器上方入口设置导向槽道，使核燃料球能够缓缓的往下流动。这种传输系统对固体颗粒的直径还是有一定的要求的，太小接近粉末状的固体可能并不适合采用这种传输装置，因为很难保证传输过程中不流失。传送带应该设计成有一定的柔性，以减小核燃料球与传送带的碰撞损伤，钢丝布能够满足这一要求。机械传送系统需要有冷却措施，以防止其温度上升太高降低机械强度。两套提升传送装置应该保持同样的流量，相互之间保持协调是必要的。球形燃料反应堆的控制捧直径与压水堆的控制棒相比要大，主要是因为核燃料球在反应堆容器内往下流动是一个机械运动的过程，机械运动对于其运动的部件有机械强度的要求，细小的控制棒显然不能满足机械强度的要求，应该采用柱状的控制棒，其直径较大。为了与核燃料球机械移动的特性向适应，控制棒柱的截面形状设计成环形跑道那样的形状，其侧面与核燃料球流进反应堆容器的方向平行，这样可以减小流动阻力。如果有固体慢化剂，控制棒可以置于慢化剂中制成机械强度较高的棒柱，则对于控制棒没有特殊要求。反应堆控制棒装在一个由耐高温高硬度材料制成的空心柱管里面，套管壁应较厚，有较高的机械强度。因为机械运动的特性，球形燃料反应堆对于堆内构件的机械强度要求更高。多根控制棒柱布置在反应堆容器里面可能会增加球形固体流动的阻力，球形固体颗粒的流动性比液体要差一些。如果是多环路的反应堆，球形固体流动方向的不一致可以弥补其流动性能的不足。与压水堆一样，控制棒相互连接固定起来，做成控制棒组件，控制棒的上下移动可以实现对反应堆内反应性的控制。核燃料球形固体由内层核燃料和外层冷却剂组成。球形燃料反应堆并不需要冷却剂持续处于液态，但也允许冷却剂在固态和液态之间转变。对于功率密度不大的反应堆，可以采用固体冷却剂，也不需要固体冷却剂熔化，这样可以选用一些耐高温材料作为冷却剂，固体承受外力的能力较强，球不容易发生破损。即使发生轻微的破损，放射性裂变产物也较难扩散开来，固体颗粒冷却剂也不会流失，有利于系统的安全。对于小功率堆，采用固体冷却剂系统有较高的固有安全性。用于做冷却剂的固体材料应中子截面低、热导率高、比热容大、耐高温、高硬度，以至于很高的温度下仍然能良好的包覆放射性物质，氧化镁、氧化铝、碳化硅是比较常见的耐高温材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
PCT国内申请，权利要求书已公开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.25 CN 20121025958071.一种球形燃料反应堆，其特征在于：核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，形成核燃料球形固体；所述核燃料球形固体是一个由内层核燃料，外层冷却剂，外围有耐高温高强度固体制成的包壳，内层核燃料和外围包壳之间有支撑组成的刚性结构；显著的特征是所述核燃料球形固体不仅有外围包壳，其内部还包含有固体冷却剂，固体冷却剂不仅起到包覆放射性裂变产物的作用，还起到了冷却核燃料的作用；所述反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，所述反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把所述核燃料球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把所述核燃料球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口；所述核燃料球形固体在反应堆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正蔚，
申请(专利权)人：李正蔚，
类型：发明
国别省市：广东;44