在核裂变反应堆中的被动反应性控制制造技术

核反应堆包括位于核反应堆堆芯中的被动反应性控制核燃料装置。被动反应性控制核燃料装置包括多壁燃料室，其具有外壁室和被包含在外壁室内的内壁室。内壁室被定位于外壁室内以将在熔融燃料状态下的核燃料保持在高中子价值区域内。当核燃料的温度满足负反应性反馈膨胀温度条件时，内壁室允许核燃料的至少一部分以熔融燃料状态移动到较低中子价值区域同时熔融核燃料保持在内壁室内。导管包含多壁燃料室，并使导热流体流过导管并与外壁室热连通。

Passive Reactivity Control in Nuclear Fission Reactors

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在核裂变反应堆中的被动反应性控制相关申请的交叉引用本申请要求标题为“PassiveReactivityControlinaNuclearFissionReactor”且于2016年12月22日提交的美国临时专利申请第62/438,323号的优先权利益，该临时专利申请针对其公开内容或教导特别地通过引用被并入本文。
本专利技术总体上涉及在核裂变反应堆中的反应性控制，没有限制地包括与其相关的结构、材料、和操作。背景快谱核裂变反应堆(“快中子反应堆”)，例如钠快反应堆，通常包括包含核反应堆堆芯的反应堆容器。核反应堆堆芯包括用于放置燃料组件装置和其他反应堆支撑和控制装置的装置位置的阵列。在核反应堆堆芯内的裂变核燃料受到中子碰撞，其导致裂变反应。在增殖和燃烧快中子反应堆中，裂变链式反应产生“快谱中子”，这些中子又与增殖性的核燃料碰撞，从而将增殖性的核燃料转化(“增殖”)为裂变核燃料。液态冷却剂流经核反应堆堆芯，从在核反应堆堆芯中发生的核裂变反应中吸收热能。然后，加热的冷却剂进入热交换器和蒸汽发生器，将所吸收的热能转换为蒸汽，以便驱动产生电的涡轮机。这种核反应堆的设计涉及材料、结构、和控制系统的组合以实现理想的操作参数，包括核反应堆堆芯稳定性、高效热生成、长期结构完整性等。概述所描述的技术提供了一种快速作用的被动反应性控制核燃料装置，其在高中子通量下通过液态/熔融核燃料的热膨胀起作用并对核裂变快反应堆引入负功率反馈。核反应堆包括位于核反应堆堆芯中的被动反应性控制核燃料装置。被动反应性控制核燃料装置包括多壁燃料室，其包括外壁室和被包含在外壁室内的内壁室。内壁室被定位于外壁室内以将在熔融燃料状态下的核燃料保持在核反应堆堆芯的高中子价值区域内。内壁室还被配置成当内壁室的内部温度满足负反应性反馈膨胀温度条件时允许核燃料的至少一部分在熔融燃料状态下移动到核反应堆堆芯的较低中子价值区域，同时熔融核燃料保持在内壁室内。导管包含多壁燃料室，并使导热流体流过导管并与外壁室热连通。导热流体作为冷却剂来操作，并且导热流体的流动温度通常小于在核反应期间在内壁室内的温度。提供这个概述来以简化形式引入下面在详细描述中进一步描述的一系列概念。本概述并不意欲识别所主张的主题的关键特征或本质特征，也不意欲限制所主张的主题的范围。其他实现方式也在本文中被描述和列举。附图的简要说明图1示出了具有包含被动反应性控制核燃料装置的核反应堆堆芯的示例核裂变反应堆的局部剖面透视图。图2示出了具有包括被动反应性控制组件装置的核反应堆堆芯装置的位置的阵列的示例核反应堆堆芯的横截面视图。图3示出了包含在核反应堆堆芯的高中子价值区域内的在固态燃料状态下的核燃料的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。图4A示出了被动反应性控制核燃料装置沿着长轴的透视图，以及图4B示出了被动反应性控制核燃料装置沿着长轴的横截面视图。图5示出了包含在核反应堆堆芯的高中子价值区域内的熔融燃料的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。图6示出了包含在核反应堆堆芯的高中子价值区域之外膨胀的熔融燃料的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。图7示出了包含熔融燃料的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图，该熔融燃料在核反应堆堆芯的高中子价值区域之外膨胀并使其被包含在其中的内壁室膨胀。图8示出了在熔融燃料被致密化之后包括在核反应堆堆芯的高中子价值区域内的核燃料的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。图9示出了可选的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。图10示出了示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图，其中液态金属燃料在核反应堆的高中子价值区域之外膨胀。图11示出了另一可选的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。图12示出了另一可选的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图，其中液态金属燃料在核反应堆的高中子价值区域之外膨胀。图13示出了在内壁室中包括可选的增压室形状的示例被动反应性控制核燃料装置的横截面视图。详细描述快核反应堆通常被设计为增加核燃料(如铀、钚、钍)的利用效率，并限制在裂变反应中的中子的慢化。在许多实现方式中，例如相比于一般轻水反应堆，快核反应堆可以俘获在天然铀中潜在地可得到的明显更多的能量。然而，可以在不同类型的核反应堆(包括轻水反应堆)中使用所描述的技术。被称为“增殖和燃烧”快反应堆的快核反应堆的特定分类包括能够生成(“增殖”)比它消耗的更多的裂变核燃料的核反应堆。例如，中子经济性高到足以从增殖性的核反应堆燃料(例如铀-238核或钍-232燃料)中增殖比它燃烧的更多的裂变核燃料。“燃烧”被称为“燃耗”或“燃料利用”，并代表多少能量从核燃料中被提取的度量。较高燃耗一般减少在核裂变反应终止之后剩余的核废物的量。快核反应堆的另一个特定分类基于在核裂变反应中使用的核燃料的类型。金属燃料快核反应堆采用金属核燃料，其具有高热导率和比在陶瓷燃料快反应堆中的更快的中子谱的优点。金属燃料可以展示高裂变原子密度，并且通常被混合成合金，尽管纯铀金属已经在一些实现方式中被使用。在快核反应堆中，由铀和钚的中子俘获产生的少数锕系元素可以被用作金属燃料。金属锕系元素燃料通常是锆、铀、钚、和少数锕系元素的合金。图1示出了具有包含一个或更多个被动反应性控制核燃料装置(例如被动反应性控制核燃料装置104)的核反应堆堆芯102的示例核裂变反应堆100的局部剖面透视图。在核反应堆堆芯102内的其他元件包括核燃料组件装置(例如核燃料组件装置106)和可移动反应性控制组件装置(例如可移动反应性控制组件装置108)。省略了示例核裂变反应堆100的某些结构，例如冷却剂循环回路、冷却剂泵、热交换器、反应堆冷却剂系统等，以便简化绘图。因此，应当理解的是，示例核裂变反应堆100可以包括在图1中未示出的不同和/或附加结构。根据需要，示例核裂变反应堆100的实现方式可以针对任何应用而依尺寸被制造。例如，根据需要，可以在低功率(约5兆瓦热)至约1000兆瓦热)应用和大功率(约1000兆瓦热及以上)应用中使用示例核裂变反应堆100的各种实现方式。在一个实现方式中，示例核裂变反应堆100是具有大于或等于0.1MeV的平均中子能量的快谱核裂变反应堆，但是也设想了其他配置。然而，应当理解的是，可以在不同类型的核反应堆(包括轻水反应堆)中使用所描述的技术。核反应堆堆芯102的一些结构部件可以由难熔金属(例如钽(Ta)、钨(W)、铼(re)、或碳复合材料、陶瓷等)制成。可以选择这些材料以解决核反应堆堆芯102通常操作时的高温。这些材料的结构特性(包括抗蠕变性、机械加工性、耐腐蚀性等)也可能与选择有关。这些结构部件限定在核反应堆堆芯102内的装置位置的阵列。核反应堆堆芯102被布置在包含导热流体(例如冷却剂)的池的反应堆容器110中。例如，在各种实现方式中，反应堆冷却剂系统(未示出)包括布置在反应堆容器110中的液态钠冷却剂的池(未示出)。在这种情况下，核反应堆堆芯102浸没在反应堆容器110内的液态钠冷却剂的池中。反应堆容器110被安全壳容器116包围，安全壳容器116在从反应堆容器110发生泄漏的不太可能的情况下帮助防止液态钠冷却剂的损失。在可选的实现方式中，液态冷却剂可以流过贯穿核裂变反应堆100的冷却剂回路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于核反应堆堆芯的被动反应性控制核燃料装置，所述被动反应性控制核燃料装置包括：多壁燃料室，所述多壁燃料室包括：内壁室，所述内壁室配置成将处于熔融燃料状态的核燃料定位在所述核反应堆堆芯的高中子价值区域内，所述内壁室还被配置成当所述核燃料的温度满足负反应性反馈膨胀温度条件时允许所述核燃料的至少一部分以熔融燃料状态移动到所述核反应堆堆芯的较低中子价值区域内同时保持在所述内壁室内，在熔融燃料状态下的所述核燃料到所述较低中子价值区域的移动增加了在所述核反应堆堆芯中的负反应性反馈，以及外壁室，所述外壁室包含所述内壁室，在所述外壁室和所述内壁室之间的间隙热隔离所述内壁室。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.22 US 62/438,3231.一种用于核反应堆堆芯的被动反应性控制核燃料装置，所述被动反应性控制核燃料装置包括：多壁燃料室，所述多壁燃料室包括：内壁室，所述内壁室配置成将处于熔融燃料状态的核燃料定位在所述核反应堆堆芯的高中子价值区域内，所述内壁室还被配置成当所述核燃料的温度满足负反应性反馈膨胀温度条件时允许所述核燃料的至少一部分以熔融燃料状态移动到所述核反应堆堆芯的较低中子价值区域内同时保持在所述内壁室内，在熔融燃料状态下的所述核燃料到所述较低中子价值区域的移动增加了在所述核反应堆堆芯中的负反应性反馈，以及外壁室，所述外壁室包含所述内壁室，在所述外壁室和所述内壁室之间的间隙热隔离所述内壁室。2.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，进一步地，其中，所述内壁室的热隔离有助于将所述核燃料保持在熔融状态中。3.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，还包括：导管，所述导管包含所述外壁室，并被配置成使导热流体流过所述导管并与所述外壁室热连通。4.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，在熔融燃料状态下的所述核燃料到所述核反应堆堆芯的所述较低中子价值区域的移动降低了在所述核反应堆堆芯内的反应性。5.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，当所述核燃料的温度不满足核燃料熔化温度条件时，所述核燃料以固态燃料状态被存储在所述内壁室内。6.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，所述核燃料的所述熔化温度超过在包含所述外壁室的导管内的导热流体的流动温度。7.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，所述内壁室在所述内壁室的增加的内部温度下是可膨胀的。8.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，所述核燃料包括固态多孔增殖性的核燃料和结合材料。9.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，所述核燃料包括固态多孔增殖性的核燃料、结合材料、和裂变核燃料。10.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，在熔融燃料状态下的所述核燃料包括裂变核燃料和核半透明载体介质的溶液，所述核半透明载体介质由熔化的结合材料形成。11.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，当所述内壁室在所述内壁室的增加的内部温度下没有膨胀时，所述内壁室不与所述外壁室物理地接触。12.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，当所述内壁室在所述内壁室的增加的内部温度下膨胀时，所述内壁室将热从所述内壁室内辐射到在所述外壁室外部流动的导热流体。13.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，当所述内壁室在所述内壁室的增加的内部温度下膨胀以物理地接触所述外壁室时，所述内壁室将热从所述内壁室内传导至在所述外壁室外部流动的导热流体。14.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，当所述内壁室在所述内壁室的增加的内部温度下已经膨胀到允许在所述外壁室和固定到所述内壁室的触头之间进行物理接触时，所述内壁室将热从所述内壁室内传导至在所述外壁室外部流动的导热流体。15.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，从所述内壁室到在所述外壁室外部流动的导热流体的热传递降低了所述核燃料的温度并将所述核燃料转变为固态燃料状态。16.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，还包括：固定到所述内壁室并与所述核燃料热连通的一个或更多个导热触头，所述导热触头被配置为当所述内壁室膨胀时物理地接触所述外壁室。17.根据权利要求1所述的被动反应性控制核燃料装置，其中，当所述内壁室在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰西·R·奇塔姆三世，J·R·吉尔兰，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