改进的熔融燃料反应堆热管理构造制造技术

技术编号:19879266 阅读:28 留言:0更新日期:2018-12-22 18:19
描述了熔融燃料盐反应堆的构造,其允许通过主冷却剂主动冷却反应堆的安全壳容器。此外,描述了自然循环的反应堆构造,其中反应堆芯是基本上平截头体形状,使得反应堆芯的热中心低于主热交换器的出口。描述了热交换器构造,其中焊接部件远离反应堆芯以减少由来自反应堆的中子通量造成的损坏。还描述了径向回路反应堆构造。

【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热管理构造相关申请本申请于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来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,该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,但是可以甚至更高,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,该范围应基于本文所附的权利要求。图1以框图形式图示出了熔融燃料反应堆的一些基本部件。图2A-图2C图示出了仅使用自然循环来使燃料盐围绕燃料环路(fuelloop)循环的反应堆的实施方案的不同视图。图3图示出了用于使裂变反应堆芯自然循环的改进的构造的实施方案,其中反应堆芯在底部处比在顶部处大。图4图示出了截头圆锥形反应堆芯设计(frustoconicalreactorcoredesign)的另一个实施方案。图5图示出了适合于使反应堆芯自然循环的十边形棱锥体(decagonalpyramid)(10个侧面的棱锥体)反应堆芯的平截头体。图6A-图6C图示出了将安全壳容器的主动冷却集成到主冷却剂环路(primarycoolantloop)中的反应堆设计的实施方案。图7是用于主动容器冷却的方法的实施方案的流程图。图8图示出了具有壳侧燃料热交换器构造的反应堆的实施方案。图9图示出了图8的反应堆的可选择的实施方案。图10图示出了具有壳侧燃料、U形管热交换器构造的反应堆的实施方案,其中单个管板位于反应堆芯的上方。图11图示出了具有壳侧燃料、U形管热交换器构造的反应堆的实施方案,其中单个管板在反应堆内但被横向地安装在远离反应堆芯的位置。图12A和图12B图示出了被称为径向环路反应堆(radialloopreactor)的可选择的反应堆设计。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以框图形式图示出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易裂变材料、任何增殖性材料(fertilematerial)或易裂变材料与增殖性材料的组合。燃料盐106可以或者可以不完全填充芯104,并且所示的实施方案被图示为具有在芯104中的燃料盐106的水平(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,以便实现和维持燃料处于持续的临界状态,在此期间,由在燃料中的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、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(primaryheatexchanger)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(primarycoolant)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。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图示出了一个热交换器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-si本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种熔融盐核反应堆,包括:基本上平截头体形状的反应堆芯,所述反应堆芯包含可裂变燃料盐,所述反应堆芯具有加热的燃料盐出口、冷却的燃料盐入口和在所述冷却的燃料盐入口上方的热中心;至少一个热交换器,所述至少一个热交换器在位于所述反应堆芯的加热的燃料盐出口下方的热交换器燃料盐入口处接收加热的燃料盐,将来自所述燃料盐的热传递至冷却剂,并且在被流体地连接至所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口的热交换器燃料盐出口处排出冷却的燃料盐;并且其中所述反应堆芯的所述热中心处在所述热交换器燃料盐出口下方的水平;并且其中当所述反应堆处于临界状态时,在强制流动损失的情况下,所述热中心的位置引起自然循环。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.02 US 62/330,7261.一种熔融盐核反应堆,包括:基本上平截头体形状的反应堆芯,所述反应堆芯包含可裂变燃料盐,所述反应堆芯具有加热的燃料盐出口、冷却的燃料盐入口和在所述冷却的燃料盐入口上方的热中心;至少一个热交换器,所述至少一个热交换器在位于所述反应堆芯的加热的燃料盐出口下方的热交换器燃料盐入口处接收加热的燃料盐,将来自所述燃料盐的热传递至冷却剂,并且在被流体地连接至所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口的热交换器燃料盐出口处排出冷却的燃料盐;并且其中所述反应堆芯的所述热中心处在所述热交换器燃料盐出口下方的水平;并且其中当所述反应堆处于临界状态时,在强制流动损失的情况下,所述热中心的位置引起自然循环。2.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,其中所述反应堆芯具有一深度,所述深度是在所述反应堆芯中的所述燃料盐的顶部水平和所述反应堆芯中的所述燃料盐的底部之间的距离,所述反应堆还包括:其中在所述热中心的所述热交换器燃料盐出口下方的距离与所述热中心的所述反应堆芯的所述深度的比率在0.1和0.45之间。3.如权利要求1或2所述的熔融盐核反应堆,其中所述反应堆芯的形状选自圆锥的平截头体、棱锥的平截头体、梯形棱柱体或双曲线体。4.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,还包括:安全壳容器,所述安全壳容器容纳所述反应堆芯和所述至少一个热交换器。5.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,还包括:由马达驱动的至少一个叶轮,所述叶轮位于所述热交换器燃料盐入口和所述反应堆芯的加热的燃料盐出口之间的通道中,并且适于将燃料盐流驱动入所述热交换器中。6.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,其中当所述反应堆处于亚临界状态时,在强制流动损失的情况下,所述热中心的位置引起自然循环。7.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,还包括:至少一个导流挡板,所述至少一个导流挡板在所述反应堆芯和所述至少一个热交换器之间引导燃料盐流。8.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,还包括:上部中子反射器,所述上部中子反射器界定所述反应堆芯的顶部;下部中子反射器,所述下部中子反射器界定所述反应堆芯的底部;以及至少一个内部中子反射器,所述至少一个内部中子反射器界定所述反应堆芯的侧面,所述至少一个内部中子反射器位于所述至少一个热交换器和所述反应堆芯之间。9.如权利要求8所述的熔融盐核反应堆,其中所述反应堆芯的加热的燃料盐出口是在所述上部中子反射器和至少一个内部中子反射器之间的管道。10.如权利要求8或9所述的熔融盐核反应堆,其中所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口是在所述下部中子反射器和至少一个内部中子反射器之间的管道。11.如权利要求1所述的熔融盐核反应堆,其中所述至少一个热交换器是壳管式热交换器,其中所述燃料盐流过所述壳管式热交换器的管。12.如权利要求1、2、3-9或11所述的熔融盐核反应堆,其中所述至少一个热交换器是壳管式热交换器,其中所述燃料盐流过所述壳管式热交换器的壳。13.如权利要求4所述的熔融盐核反应堆,其中进入的冷的冷却剂在所述冷却剂流入所述至少一个热交换器中之前冷却所述安全壳容器的第一部分。14.如权利要求4所述的熔融盐核反应堆,其中从所述热交换器燃料盐出口排出的所述冷却的燃料盐在经由所述反应堆芯的冷却的燃料盐入口进入所述反应堆芯之前冷却所述安全壳容器的第二部分。15.一种用于主动地冷却在熔融燃料盐核反应堆中的安全壳容器和燃料盐的方法,包括:使主冷却剂邻近所述安全壳容器的第一部分流入所述安全壳容器中,从而冷却所述第一部分;使主冷却剂流入在所述安全壳容器内并与所述安全壳容器间隔开的热交换器中,所述热交换器排出冷却的燃料盐;将排出的冷却的燃料盐按路线发送通过邻近所述安全壳容器的第二部分的通道,从而冷却所述第二部分;将冷却的燃料盐按路线发送通过邻近中子反射器的通道,从而冷却所述中子反射器;以及其中冷却的中子反射器邻近所述安全壳容器的第三部分,使得冷却所述中子反射器间接地冷却所述第三部分。16.如权利要求15所述的方法,其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括:使所述冷却剂流过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道,所述冷却剂入口管道被热连接至所述安全壳容器的所述第一部分。17.如权利要求15或16所述的方法,其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括:使所述冷却剂通过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道流动到邻近热交换器的冷却的燃料盐出口的热交换器冷却剂入口。18.如权利要求15或16所述的方法,其中使所述主冷却剂流入所述安全壳容器中还包括:使所述冷却剂流过在所述安全壳容器内部的冷却剂入口管道,所述冷却剂入口管道被热连接至所述安全壳容器的所述第一部分。19.如权利要求15或16所述的方法,其中所述燃料盐是至少一种裂变盐和至少一种非裂变盐的混合物。20.如权利要求15或16所述的方法,其中所述燃料盐包括以下裂变盐中的一种或更多种:UF6、UF4、UF3、T...

【专利技术属性】
技术研发人员:瑞恩·阿博特小安塞尔莫·T·西斯内罗斯丹尼尔·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

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