一种钍基熔盐增殖堆堆芯制造技术

本发明专利技术公开了一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区是由燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元阵列组成，所述活性区包括中子提供区、功率展平区和增殖区，所述功率展平区包围所述中子提供区，所述增殖区包围所述功率展平区。本发明专利技术的钍基熔盐增殖堆堆芯通过改变石墨慢化剂栅元的熔盐、石墨体积比，将堆芯活性区分为混合有热谱和快谱的若干区，提高堆的增殖性能；通过设置功率展平区，延长石墨的更换周期至10年，使得反应堆具有负的温度反应性系数；通过设置轴向增殖区，可进一步提高堆的增殖性能，同时有利于堆的热工水力特性。

【技术实现步骤摘要】
一种钍基熔盐增殖堆堆芯
本专利技术涉及熔盐堆堆芯设计领域，具体涉及一种钍基熔盐增殖堆堆芯。
技术介绍
熔盐堆是六种第四代反应堆候选堆型中唯一使用液态燃料的反应堆，在固有安全性、经济性、防核扩散和核燃料可持续发展等方面具有其独特优势。熔盐堆的燃料一方面无需像传统反应堆那样进行制造，另一方面还兼顾冷却剂的功能，当含有裂变材料的燃料熔盐以以高于自身熔点的入口温度进入堆芯并临界时，燃料发生裂变产生热量，同时又将热量带至二回路。自熔盐堆概念诞生以来，世界上主要的熔盐增殖堆概念设计研究主要为：美国橡树岭国家实验室的熔盐增殖堆MSBR(MoltenSaltBreederReactor)，法国国家科学研究院的无慢化熔盐快堆MSFR(MoltenSaltFueledReactor)，熔盐堆实验MSRE(MoltenSaltReactorExperiment)，日本的FUJI系列熔盐堆以及俄国的熔盐嬗变堆MOSART。熔盐堆实验MSRE(MoltenSaltReactorExperiment)是唯一建成并运行的采用石墨为慢化剂的熔盐堆。慢化剂栅元为侧面开凹槽，横截面近似为正方形的四棱柱。相邻慢化剂的凹槽拼合在一起形成熔盐流道，供燃料盐流动带出热量。慢化剂栅元下端插入打孔的栅格板中固定其位置，排布成近似圆形的堆芯。热堆的典型堆型为MSBR，采用FLiBe熔盐作为载体盐，石墨作为慢化剂和反射层，堆芯入口温度约560℃，出口温度约700℃，热功率为2250MW。据评估，MSBR具有正的温度反应性系数，对反应堆的安全性有严重影响，且其堆芯石墨需以四年为周期进行更换，这使得反应堆的成本也较高，其增殖比在1.06左右。快堆的典型代表MSFR是法国国家科学研究院CNRS提出的无石墨慢化的熔盐堆快堆概念。MSFR能谱由热谱向快谱的转变可以获得较大的负温度反应性系数和空泡系数、较大的增殖比和无石墨寿命限制等独特优点。但氟盐的慢化性能较好，使得MSFR具有较大的燃料装载量，成本高，堆的倍增时间长(大于30年)，且快堆技术难度也较大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中堆芯增殖比不超过1.06，石墨更换周期不超过4年，温度反应性系数为正的缺陷，提供一种高功率混合能谱钍基熔盐增殖堆堆芯，其堆芯的增殖比可达1.08以上，其石墨更换周期达10年，提高了100％以上，其温度反应性系数为负。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题：一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区包括燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元的阵列，所述活性区包括中子提供区和增殖区，所述中子提供区和所述增殖区的体积比为2.0:1～2.5:1，所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:7.2～1:3.2，所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:3.2～1:1.8。通过大量的不同燃料熔盐和石墨体积比的堆芯计算，并综合考虑有效增殖系数、温度反应性系数和增殖比进行优化选择，将所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比设置为1:7.2～1:3.2，将所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比设置为1:3.2～1:1.8。燃料熔盐和石墨的体积比等于在堆芯横截面中燃料熔盐和石墨的面积比。如此能够实现综合热谱反应堆和快谱反应堆的优点，达到较高的增殖比，使得增殖比从现有技术的1.06提高到本专利技术的1.08以上。由于在核燃料裂变中，可裂变核子数以增殖比为底数呈指数增长，因此即便很小的提高，经过指数运算，都会使结果产生巨大的增加，从而显著提高反应堆的效率。优选地，所述活性区还包括第一功率展平区，所述第一功率展平区包围所述中子提供区，所述增殖区包围所述第一功率展平区，所述中子提供区和所述第一功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01。通过设置第一功率展平区，展平了堆芯功率分布，通过将第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比设置为1:1.8～1:0.01，优化了温度反应性系数，延长石墨更换周期。优选地，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区位于所述活性区的中央。通过第一功率展平区和第二功率展平区的配合作用，进一步优化了温度反应性系数，使得温度反应性系数为负，保证了反应堆的安全，延长石墨更换周期。优选地，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区位于所述活性区的中央。通过将第一功率展平区和第二功率展平区层叠设置，进一步优化了温度反应性系数，使得温度反应性系数为负，保证了反应堆的安全，延长石墨更换周期。优选地，所述燃料熔盐为FLiBe熔盐。优选地，所述燃料熔盐为LiF-BeF2-(Th+U)F4熔盐。优选地，所述燃料熔盐为氯盐。优选地，所述增殖区包括径向增殖区和轴向增殖区，所述径向增殖区和所述轴向增殖区将所述中子提供区包裹在内。这样的结构能够提供中子经济性。优选地，所述反射层包括径向反射层和轴向反射层，所述径向反射层围绕在活性区外围，所述轴向反射层位于所述径向反射层的两侧。优选地，所述轴向反射层包括上反射层和下反射层，所述上反射层位于所述活性区的正上方，并呈圆台状，所述下反射层位于所述活性区的正下方，并呈圆台状。优选地，所述慢化剂栅元的中间设置有燃料孔道，用于使燃料熔盐流经并冷却石墨慢化剂。通过改变燃料孔道的直径，能够改变燃料熔盐和石墨的体积比。优选地，所述慢化剂栅元的侧面设置有鳍，用于形成栅元之间的缝隙供燃料熔盐流通并冷却石墨慢化剂。通过改变鳍的大小，能够改变栅元之间的缝隙的大小，进而能够改变燃料熔盐和石墨的体积比。在不影响中子经济性的前提下节约石墨用料，并减轻了石墨反射层的正温度反应性效应。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术的钍基熔盐增殖堆堆芯通过改变石墨慢化剂栅元的熔盐、石墨体积比，将堆芯活性区分为混合有热谱和快谱的若干区，将堆芯的增殖比提高到1.08以上；通过设置功率展平区，延长石墨的更换周期至10年，使得反应堆具有负的温度反应性系数；通过设置轴向增殖区，可进一步提高堆的增殖性能，同时有利于堆的热工水力特性。附图说明图1为本专利技术的实施例1的堆芯的截面结构示意图。图2为本专利技术的实施例1的堆芯的侧视结构示意图。图3为本专利技术的实施例1的一种慢化剂栅元的截面结构示意图。图4为本专利技术的实施例1的另一种慢化剂栅元的截面结构示意图。图5为本专利技术的实施例1的慢化剂栅元组合后的立体结构示意图。图6为本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区包括燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元的阵列，所述活性区包括中子提供区和增殖区，所述中子提供区和所述增殖区的体积比为2.0:1～2.5:1，所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:7.2～1:3.2，所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:3.2～1:1.8。

【技术特征摘要】
1.一种钍基熔盐增殖堆堆芯，包括活性区和反射层，所述反射层包覆所述活性区，所述活性区包括燃料熔盐和由石墨制成的慢化剂栅元的阵列，所述活性区包括中子提供区和增殖区，所述中子提供区和所述增殖区的体积比为2.0:1～2.5:1，所述中子提供区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:7.2～1:3.2，所述增殖区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:3.2～1:1.8。2.如权利要求1所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述活性区还包括第一功率展平区，所述第一功率展平区包围所述中子提供区，所述增殖区包围所述第一功率展平区，所述中子提供区和所述第一功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01。3.如权利要求2所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为1:1.8～1:0.01，所述第二功率展平区为燃料熔盐，所述增殖区临接并围绕所述第一功率展平区，所述第一功率展平区临接并围绕所述中子提供区，所述中子提供区临接并围绕所述第二功率展平区，所述第二功率展平区位于所述活性区的中央。4.如权利要求2所述的钍基熔盐增殖堆堆芯，其特征在于，所述活性区还包括第一功率展平区和第二功率展平区，所述中子提供区和所述第二功率展平区的体积比为1:1～2.0:1，所述第一功率展平区的燃料熔盐和石墨的体积比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚芬，伍建辉，严睿，邹杨，陈金根，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31