改进的熔融燃料反应堆冷却和泵构造制造技术

描述了熔融燃料盐反应堆的构造，其包括共享主冷却剂环路的一部分但允许被动冷却来自反应堆的衰变热的辅助冷却系统。此外，描述了用于使熔融燃料循环通过反应堆芯和一个或更多个容器内热交换器的不同泵构造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的熔融燃料反应堆冷却和泵构造相关申请本申请在2017年5月1日作为PCT国际专利申请提交，并要求2016年5月2日提交的美国临时申请第62/330,726号的优先权的权益，所述临时申请特此通过引用并入。引言与固体燃料相比，在核反应堆中利用熔融燃料以产生功率提供了显著的优点。例如，与固体燃料反应堆相比，熔融燃料反应堆通常提供更高的功率密度，而同时由于相对高的固体燃料制造成本而具有降低的燃料成本。已经使用与其他氟化物盐例如UF6和UF3混合的四氟化铀(UF4)开发了适合于在核反应堆中使用的熔融氟化物燃料盐。熔融氟化物盐反应堆已经在600℃和860℃之间的平均温度运行。铀的二元、三元和四元氯化物燃料盐以及其他可裂变元素已经在标题为MOLTENNUCLEARFUELSALTSANDRELATEDSYSTEMSANDMETHODS的、共同转让(co-assign)的美国专利申请序号14/981,512中描述，该申请特此通过引用并入本文中。除了含有PuCl3、UCl4、UCl3F、UCl3、UCl2F2和UClF3中的一种或更多种的氯化物燃料盐之外，本申请还公开了具有改变的量的37Cl的燃料盐、溴化物燃料盐例如UBr3或UBr4、氯化钍(例如ThCl4)燃料盐以及用于在熔融燃料反应堆中使用燃料盐的方法和系统。氯化物盐反应堆的平均操作温度预计在300℃和600℃之间，但可以甚至更高，例如>1000℃。附图简述构成本申请的一部分的以下附图例证了所描述的技术，并且不意指以任何方式限制如所要求保护的本专利技术的范围，该范围应基于本文中所附的权利要求。图1以框图形式例证了熔融燃料反应堆的一些基本部件。图2A和图2B例证了主冷却环路(primarycoolingloop)和辅助冷却系统(ACS)的布局的实施方案。图3A-图3C例证了熔融燃料反应堆设计的实施方案，其具有用于每个主热交换器(primaryheatexchanger)的泵以驱动燃料盐流。图4例证了熔融燃料反应堆设计的可选择的实施方案，其类似于图3A-图3C的实施方案但是设置有内部反射器(innerreflector)。图5、图6和图7例证了可选择的泵构造的实施方案，其中叶轮被底部安装(bottommount)。图8例证了泵构造的又一实施方案，其中单个叶轮812A位于反应堆芯804内。图9例证了又一泵构造，其中叶轮直接地位于主热交换器的两个区段(section)之间。详细描述本公开内容描述了熔融燃料核反应堆的各种构造和部件。为了本申请的目的，将描述使用氯化物燃料的熔融燃料反应堆的实施方案，所述氯化物燃料例如是一种或更多种燃料盐例如PuCl3、UCl3和/或UCl4与一种或更多种非裂变盐(non-fissilesalt)例如NaCl和/或MgCl2的混合物。然而，将理解的是，可以使用现在已知或以后开发的任何类型的燃料盐，并且不管所使用的燃料的类型如何，本文描述的技术都可以同样适用。例如，燃料盐可以包括一种或更多种非裂变盐，例如但不限于NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3和/或NdCl3。注意，反应堆内燃料的最小操作温度和最大操作温度可以根据所使用的燃料盐而变化，以便在整个反应堆内将盐保持在液相内。最小温度可以低至300℃-350℃，并且最大温度可以高达1400℃或更高。类似地，除了另外明确讨论之外，在本公开内容中，热交换器通常将以简单的、单程、壳管式热交换器的方式提供，该壳管式热交换器具有一组管，并且在壳内的任一端具有管板。然而，将理解的是，通常可以使用任何设计的热交换器，尽管一些设计可以比其他设计更合适。例如，除了壳管式热交换器之外，板式热交换器、板壳式热交换器、印刷电路式热交换器和板翅式热交换器也可以是合适的。图1以框图形式例证了熔融燃料反应堆的一些基本部件。通常，熔融燃料反应堆100包括反应堆芯104，该反应堆芯104包含在操作温度为液体的可裂变燃料盐106。可裂变燃料盐包括当暴露于低能热中子或高能中子时能够经历裂变的任何核素的盐。此外，为了本公开内容的目的，可裂变材料包括任何裂变材料、任何增殖性材料或者裂变材料和增殖性材料的组合。燃料盐106可以完全填充芯104或者可以不完全填充芯104，并且所示的实施方案被例证为具有在芯104中的燃料盐106的位置(level)上方的任选的顶部空间102。可以基于正在使用的特定燃料盐106的特性和类型来选择反应堆芯104的尺寸，以便实现和维持处于持续的临界状态的燃料，在此期间，由在燃料中中子的持续产生而产生的热导致熔融燃料在其处于反应堆芯中时的温度升高。临界指的是其中中子的损失速率(lossrate)等于或小于反应堆芯中的中子的产生速率的状态。通过在芯104周围提供一个或更多个反射器108A、108B、108C以将中子反射回到芯中来改进反应堆100的性能。反射器可以由现在已知或以后开发的任何中子反射材料制成，例如石墨、铍、钢或碳化钨。熔融燃料盐106在反应堆芯104和位于芯104的外部的一个或更多个主热交换器110之间循环。循环可以使用一个或更多个泵112来驱动。主热交换器110将热从熔融燃料盐106传递至主冷却剂114，主冷却剂114通过主冷却剂环路115循环。在实施方案中，主冷却剂可以是另一种盐，例如NaCl-MgCl2或铅。例如，在实施方案中，主冷却剂是42MgCl2+58NaCl盐。包括Na、NaK、超临界CO2和铅铋共晶的其他冷却剂也是可能的。在实施方案中，反射器108在每个主热交换器110和反应堆芯104之间，如图1中所示。例如，在实施方案中，具有2米(m)的直径和3m的高度的圆柱形反应堆芯104被竖直地定向，使得圆柱体的平端分别在顶部上和底部上。整个反应堆芯104被完全地封装在反射器108中，在反射器108之间设置有用于燃料盐106流入和流出反应堆芯104的通道。尽管图1例证了一个热交换器110，但是取决于实施方案，可以使用任何数目的热交换器110，热交换器110围绕芯104的外部被间隔开。例如，预期具有两个、四个、六个、八个、十个、十二个和十六个主热交换器的实施方案。如上文所讨论的，可以使用任何设计的热交换器，但是通常，热交换器110将根据壳管式热交换器来讨论。在壳管式热交换器实施方案中，燃料盐可以流过管，所述管被容纳在填充有主冷却剂的壳内。燃料盐经由壳中的一个或更多个管板进入管，以防止燃料盐与主冷却剂混合。这被称为管侧燃料(tube-sidefuel)或壳侧冷却剂(shell-sidecoolant)构造。可选择地，燃料盐可以流过壳并且主冷却剂可以流过管，这被称为管侧冷却剂或壳侧燃料构造。热交换器部件的盐接触表面可以被包覆以防止腐蚀。其他保护选项包括保护性涂层、松配合衬垫(loosefittingliner)或压配合衬垫。在实施方案中，管的内表面上的包层(cladding)是钼，钼与基础热交换器管材料共挤出。对于其他燃料盐接触表面(管板的外表面和壳的外表面)，包层材料是钼合金。镍和镍合金是其他可能的包层材料。在需要焊接的情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种熔融燃料核反应堆，包括：燃料环路，所述燃料环路包括反应堆芯和安全壳容器内的一个或更多个主热交换器，所述一个或更多个主热交换器被配置成将由核裂变产生的热传递至冷却剂；主冷却剂环路，所述主冷却剂环路包括所述一个或更多个主热交换器和功率回收系统，所述功率回收系统被配置成使所述冷却剂循环以将来自所述一个或更多个热交换器的能量传递至所述功率回收系统；以及辅助冷却系统，所述辅助冷却系统包括一个或更多个辅助热交换器，所述一个或更多个辅助热交换器被配置成将来自所述冷却剂的能量传递到环境空气并将所述空气排放到大气中；其中所述辅助冷却系统被配置成使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.02 US 62/330,7261.一种熔融燃料核反应堆，包括：燃料环路，所述燃料环路包括反应堆芯和安全壳容器内的一个或更多个主热交换器，所述一个或更多个主热交换器被配置成将由核裂变产生的热传递至冷却剂；主冷却剂环路，所述主冷却剂环路包括所述一个或更多个主热交换器和功率回收系统，所述功率回收系统被配置成使所述冷却剂循环以将来自所述一个或更多个热交换器的能量传递至所述功率回收系统；以及辅助冷却系统，所述辅助冷却系统包括一个或更多个辅助热交换器，所述一个或更多个辅助热交换器被配置成将来自所述冷却剂的能量传递到环境空气并将所述空气排放到大气中；其中所述辅助冷却系统被配置成使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。2.如权利要求1所述的熔融燃料核反应堆，其中由于在所述熔融燃料核反应堆中的所述冷却剂的密度的不同，在所述反应堆芯中的余热导致所述冷却剂流过所述辅助热交换器。3.如权利要求1或2所述的熔融燃料核反应堆，其中如果在所述反应堆芯中存在足够的余热以导致所述冷却剂流过所述辅助热交换器，则所述辅助冷却系统使来自所述主冷却剂环路的冷却剂循环到所述一个或更多个辅助热交换器。4.如权利要求1或从属于权利要求1的任一权利要求所述的熔融燃料核反应堆，其中所述燃料环路被封闭在所述安全壳容器和容器头部内，其中所述安全壳容器没有穿透部。5.如权利要求4所述的熔融燃料核反应堆，其中所述冷却剂通过所述容器头部中的穿透部流动至所述主热交换器和从所述主热交换器流动。6.一种熔融燃料核反应堆，包括：安全壳容器和容器头部；反应堆芯，所述反应堆芯被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述反应堆芯具有上部区域和下部区域；热交换器，所述热交换器被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述热交换器通过上部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述上部区域并且通过下部通道被流体地连接至所述反应堆芯的所述下部区域，所述反应堆芯、热交换器以及上部通道和下部通道形成燃料环路；以及叶轮，所述叶轮被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内，所述叶轮被附接至轴，所述轴通过位于所述安全壳容器和所述容器头部的外部的马达是可旋转的；其中所述叶轮位于所述燃料环路内，使得当通过所述马达旋转时，使流体循环通过所述燃料环路。7.如权利要求6所述的熔融燃料核反应堆，其中所述轴穿透所述容器头部，并且将所述叶轮可旋转地连接至位于所述容器头部上方的马达。8.如权利要求6所述的熔融燃料核反应堆，其中所述轴被封闭在所述安全壳容器和所述容器头部内并且不穿透所述安全壳容器和所述容器头部，并且所述轴经由电磁耦合器可旋转地连接至所述马达。9.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位于所述上部通道中。10.如权利要求6、7或8所述的熔融燃料核反应堆，其中所述叶轮位...

【专利技术属性】
技术研发人员：小瑞恩·阿博特，小安塞尔莫·T·西斯内罗斯，罗伯特·A·科宾，丹尼尔·弗劳尔斯，查尔斯·格雷戈里·弗里曼，马克·A·哈弗斯塔德，克里斯托弗·J·约翰斯，布莱恩·C·凯莱赫，凯文·克雷默，杰弗里·F·拉特科夫斯基，J·D·麦克沃特，
申请(专利权)人：泰拉能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US