一种熔盐快堆的制作方法

1.本发明涉及一种熔盐快堆。


背景技术：

2.乏燃料是经过辐照、使用过的但未燃尽的核燃料。对于目前占主流的商业压水堆，当乏燃料从堆芯卸出100年后，其放射性毒性主要来自超铀核素(tru)的贡献。嬗变tru可大幅减少乏燃料放射性毒性并显著提高核燃料利用率。由于tru在快中子能谱下具有较大的裂变俘获比，嬗变tru需要消耗大量的高能中子，因此tru更适合采用快堆嬗变装置，例如具有快中子能谱的加速器驱动次临界系统(ads)和固态临界快堆(例如钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆)等。为了进一步改善快堆嬗变装置的tru嬗变能力，需增加tru装载量或延长嬗变装置运行周期。然而，tru元素的高装载量会显著减弱固态燃料嬗变装置的堆芯安全特性，嬗变装置运行周期的增加则会提高堆芯安全控制要求或加速器技术要求，从而限制tru嬗变能力。
3.作为液态燃料反应堆，熔盐快堆有望解决固态嬗变装置中高效嬗变tru的技术挑战。液态燃料盐的密度效应可以补偿tru高装载量引起的温度负反馈的减弱，同时在线后处理与在线添料使得熔盐快堆在不需要较高的初始剩余反应性前提下延长堆芯运行周期，从而降低了控制要求并提高嬗变能力。但是，目前熔盐快堆的载体盐一般为氟盐或氯盐，tru在氟盐和氯盐中的溶解度较低，溶解度最高分别为30％(如flinak)和45％(如nacl)，这在一定程度上限制了熔盐快堆的tru嬗变能力。此外，液态燃料盐的流动引起缓发中子的损失，也会减弱熔盐快堆的安全性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了解决现有技术中的液态燃料熔盐快堆存在超铀元素在载体盐中溶解度低而导致嬗变能力低以及缓发中子损失大等缺陷，而提供了一种熔盐快堆。本发明的熔盐快堆嬗变量高，缓发中子流失低，堆芯安全性高。
5.本发明通过下述技术方案解决上述技术问题。
6.本发明提供了一种熔盐快堆，其包括活性区壁和位于所述活性区壁内部的活性区；
7.所述活性区包括嬗变棒和燃料盐区，所述嬗变棒内设有容纳空间，所述燃料盐区用于容纳燃料盐；
8.所述嬗变棒排列于所述燃料盐区内，且所述嬗变棒设于所述活性区的中部；
9.所述中部的等效直径与所述活性区的等效直径的比值为0.6～0.9。
10.本发明中，所述活性区壁的材料可为本领域常规，较佳地为镍基合金、钼铼合金和铌锆合金中的一种或多种，更佳地为镍基合金。
11.本发明中，较佳地，所述活性区壁包括上壁、侧壁和下壁。
12.其中，较佳地，所述上壁的厚度为1～3cm；所述侧壁的厚度为1～5cm；所述下壁的
厚度为1～3cm。
13.其中，较佳地，所述上壁为具有弧度的圆锥形；所述下壁为具有弧度的圆锥形。
14.其中，较佳地，所述上壁的中心设有燃料盐出口；所述下壁的中心设有燃料盐进口。所述燃料盐进口较佳地为圆柱形；所述燃料盐出口较佳地为圆柱形。
15.较佳地，所述活性区壁内还包括上腔室，所述上腔室位于所述活性区和所述上壁之间，所述上腔室的底部与所述活性区连通。所述上腔室的高度较佳地为1～20cm。
16.较佳地，所述活性区壁内还包括下腔室，所述下腔室位于所述活性区和所述下壁之间，所述下腔室的顶部与所述活性区连通。所述下腔室的高度较佳地为1～20cm。
17.更佳地，所述活性区和所述上腔室之间，和/或，所述活性区和所述下腔室之间还设有导流板。所述导流板较佳地设有凹槽和小孔，所述凹槽的形状和大小与所述嬗变棒的横截面相同，用于将所述嬗变棒固定于所述燃料盐区内，所述小孔用于连通所述活性区与所述上腔室、和/或所述活性区与所述下腔室，以此实现燃料盐的流通。所述导流板的厚度较佳地为1～5cm。所述导流板的材料较佳地为镍基合金、钼铼合金和铌锆合金中的一种或多种，更佳地为镍基合金。较佳地，所述导流板和所述活性区壁的材料相同。
18.本发明中，较佳地，所述活性区壁的外围设有反射层和堆容器。
19.其中，所述反射层的材料可为本领域常规，较佳地为石墨、铍或氧化铍，更佳地为氧化铍。
20.其中，较佳地，所述反射层的厚度为15～60cm。
21.其中，所述堆容器的材料可为本领域常规，较佳地为镍基合金、钼铼合金和铌锆合金中的一种或多种，更佳地为镍基合金。
22.其中，较佳地，所述堆容器的厚度为2～10cm。
23.本发明中，本领域技术人员知晓，所述活性区的等效直径是指所述活性区实际截面面积相等的圆的直径。所述中部的等效直径是指所述中部实际截面面积相等的圆的直径。
24.本发明中，较佳地，所述活性区的等效直径为80～300cm。
25.本发明中，较佳地，所述活性区为圆柱体形。
26.本发明中，较佳地，所述活性区的高度与所述活性区的等效直径的比值为0.5～2.5。
27.本发明中，较佳地，所述活性区由嬗变棒和燃料盐区组成。此时，所述活性区壁的内壁与所述嬗变棒的外壁围成的空间即为所述燃料盐区。
28.本发明中，所述嬗变棒可为本领域常规的嬗变棒。例如韩金盛等.次锕系核素在铅冷快堆中的嬗变性能[j].同位素,2019,32(1):8.、胡文超等.大型先进压水堆中次锕系核素嬗变特性[j].强激光与粒子束,2017,29(003):84-89.、或胡文超等.基于ap1000型反应堆嬗变237np制备238pu研究[j].核安全,2017,016(004):78-83.等文献中报道的嬗变棒。本领域技术人员知晓，所述嬗变棒一般用于固态燃料反应堆(如压水堆、铅冷快堆、钠冷快堆和气冷快堆等)或液态燃料反应堆(如熔盐热堆)。所述嬗变棒内一般含有可以通过中子核反应变为非放射性核素或短寿命核素的长寿命高放核废料，以实现核废物最小化；所述长寿命高放核废料一般为超铀元素和/或长寿命裂变产物。
[0029]
其中，所述嬗变棒内的所述容纳空间为嬗变区，所述容纳空间较佳地用于填充超
铀元素氧化物、超铀元素氮化物或超铀元素碳化物。
[0030]
其中，较佳地，所述嬗变棒包括由内向外的所述容纳空间、中间层和包壳，且所述容纳空间、所述中间层和所述包壳同轴设置；所述中间层为中子毒物层或裂变产物层。
[0031]
其中，较佳地，所述容纳空间中的超铀元素氧化物为truo2；所述容纳空间中的超铀元素氮化物为trun；所述容纳空间中的超铀元素碳化物为tru3c2、truc
x
，其中x为0.6～0.92、tru2c3或truc2；tru为镎的同位素(
237～238
np)、钚的同位素(
238～242
pu)、镅的同位素(
241～244
am)和锔的同位素(
242～248
cm)中的一种或多种。
[0032]
其中，较佳地，所述容纳空间的等效半径为1～10cm。
[0033]
其中，所述中子毒物层中的中子毒物可为本领域常规的中子毒物，较佳地为硼及其化合物、铕及其化合物、钆及其化合物或钐及其化合物，更佳地为gd2o3。
[0034]
其中，所述裂变产物层中的裂变产物可为本领域常规的长寿命裂变产物，较佳地为se、sr、zr、nb、tc、pd、sn、i、cs和sm中的一种或多种。
[0035]
其中，较佳地，所述中间层的材料不为增殖材料，会导致tru嬗变效果不佳。其中，所述增殖材料是指本领域常规的增殖材料，例如为钍的化合物，更具体地例如为tho2、thc2或th3n4。
[0036]
其中，较佳地，所述中间层的厚度为2～20cm。
[0037]
其中，较佳地，所述包壳的材料可为本领域常规的耐高温、耐辐照、耐腐蚀材料，较佳地为碳化硅、碳碳复合材料、镍基合金、钼铼合金和铌锆合金中的一种或多种。
[0038]
其中，较佳地，所述包壳的厚度为1～10cm。
[0039]
较佳地，所述中间层和所述包壳之间设有隔热层，所述隔热层的材料为气体(如氦气等)或固体(如8ysz(8mol％y2o
3-92mol％zro2)、zro2、al2o3或sio2等)，所述隔热层的厚度为1～5mm。
[0040]
本发明中，所述嬗变棒的形状可为本领域常规，较佳地，所述嬗变棒的横截面为圆形、六边形或四边形。
[0041]
本发明中，较佳地，所述嬗变棒按三角形栅格、四边形栅格或沿圆周排列于所述燃料盐区内，更佳地，所述嬗变棒按正三角形栅格排列于所述燃料盐区内。其中，所述四边形栅格可例如韩金盛等人发表的论文：次锕系核素在铅冷快堆中的嬗变性能[j].同位素,2019,32(01):22-28中图2记载的排列方式。
[0042]
本发明中，所述嬗变棒的个数以及所述嬗变棒之间的中心间距可根据所述熔盐快堆的功率水平和临界需求做调整。中心间距是指相邻的嬗变棒的中心的间距。较佳地，所述嬗变棒的个数为4～37。
[0043]
本发明中，所述燃料盐可为本领域常规的燃料盐，一般包括核燃料和载体盐。申请人研究发现，由于含有超铀元素的所述嬗变棒插入所述熔盐快堆会引起反应性的增加，含有裂变产物层的所述嬗变棒插入所述熔盐快堆会引起反应性减小，为此，本领域技术人员在理解本发明的技术方案后知晓，可以通过调整所述熔盐快堆中易裂变核燃料的浓度来实现堆芯临界。
[0044]
其中，所述载体盐较佳地为氯盐或氟盐，更佳地为氯化钠或氟锂铍。
[0045]
其中，所述核燃料较佳地为超铀元素和/或增殖元素的氯化物或氟化物；其中，超铀元素为镎的同位素(
237～238
np)、钚的同位素(
238～242
pu)、镅的同位素(
241～244
am)和锔的同位
素(
242～248
cm)中的一种或多种，增殖元素为钍(
232
th)、天然铀(
235
u重量百分比为0.72％)或贫铀(
235
u重量百分比为0.2％)的一种或多种，增殖元素更佳地为钍。
[0046]
其中，较佳地，所述核燃料占所述燃料盐的摩尔百分比为1.0～50.0％。
[0047]
本发明中，较佳地，在堆芯运行初期，所述嬗变棒中超铀元素占所述熔盐快堆中超铀元素的质量份额为50％～100％。
[0048]
本发明中，较佳地，所述熔盐快堆的运行功率为100～3000mwth。
[0049]
本发明中，较佳地，所述熔盐快堆在堆芯运行初期的核燃料比功率为350～1550kw/kg。其中，所述核燃料比功率是指核反应堆堆芯内单位质量核燃料(如tru)所产生的热功率，单位为kw/kg。
[0050]
本发明中，较佳地，所述熔盐快堆的堆芯初始剩余反应性为500～4000pcm。
[0051]
本发明中，所述熔盐快堆在以一定功率运行时，当堆芯内的核燃料不足以维持堆芯临界时，可通过在线后处理和在线添料维持堆芯临界。
[0052]
其中，所述在线后处理可为本领域常规操作，后处理的核素及后处理周期依据实际后处理能力来确定。
[0053]
其中，所述在线添料可为本领域常规操作，添料的核素可包括
233
u、
235
u、
237
np、
239
pu、
241
pu、
243
cm和
245
cm中的一种或多种，控制添料后所述熔盐快堆的剩余反应性在100pcm～1000pcm以内。
[0054]
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0055]
本发明所用试剂和原料均市售可得。
[0056]
本发明的积极进步效果在于：
[0057]
本发明的熔盐快堆同时采用了固态燃料和液态燃料，在不影响堆芯安全性能前提下提高了堆芯运行初期的核燃料比功率，在不突破液态燃料盐溶解度前提下改善了tru装载量，进而提高了tru的嬗变量。本发明的熔盐快堆的液态燃料盐仅需提供少量的核燃料即可维持反应堆的临界运行，从而减少了由于燃料盐流动带来的缓发中子损失，提高了堆芯的固有安全。
[0058]
本发明的熔盐快堆可进行在线后处理与在线添料，可延长反应堆运行时间和tru在堆内的嬗变时间，从而进一步提高tru的嬗变量。
附图说明
[0059]
图1为实施例1的熔盐快堆的主视示意图。
[0060]
图2为实施例1的熔盐快堆的俯视示意图。
[0061]
图3为实施例1的熔盐快堆的导流板的示意图。
[0062]
图4为对比例1的熔盐快堆的主视示意图。
[0063]
图5为对比例1的熔盐快堆的俯视示意图。
[0064]
图6为对比例2的熔盐快堆的俯视示意图。
[0065]
附图标记说明
[0066]
活性区壁 1
[0067]
反射层 2
[0068]
堆容器 3
[0069]
上导流板 4
[0070]
下导流板 5
[0071]
上腔室 6
[0072]
下腔室 7
[0073]
燃料盐出口 8
[0074]
燃料盐入口 9
[0075]
嬗变棒 10
[0076]
燃料盐区 11
[0077]
凹槽 12
[0078]
小孔 13
[0079]
容纳空间 101
[0080]
中间层 102
[0081]
包壳 103
具体实施方式
[0082]
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
[0083]
实施例1
[0084]
如图1～3所示，实施例1提供了一种固液混合燃料熔盐快堆，其包括活性区壁1和位于活性区壁1内部的活性区；活性区由嬗变棒10和燃料盐区11组成；活性区壁1的内壁与嬗变棒10的外壁围成的空间即为燃料盐区11；嬗变棒10内设有容纳空间101，燃料盐区11用于容纳燃料盐；嬗变棒10排列于燃料盐区11内，且嬗变棒10设于活性区的中部；中部的等效直径与活性区的等效直径的比值为0.77。中部为位于活性区中心的一正六边形区域(如图2中虚线区域所示)。此时中部的等效直径的计算方法即为计算该正六边形实际截面面积相等的圆的直径。嬗变棒排列过程中，嬗变棒的外壁在正六边形区域范围内。
[0085]
活性区的等效直径为135cm。活性区为圆柱体形。活性区的高度为135cm。
[0086]
嬗变棒10内的容纳空间101为嬗变区，容纳空间101用于填充超铀元素氮化物trun，其中tru是从压水堆卸料燃耗为60gwd/ton、冷却5年后的乏燃料中分离得到，其具体成分为6.3％
237
np:2.7％
238
pu:45.9％
239
pu:21.5％
240
pu:10.7％
241
pu:6.7％
242
pu:3.4％
241
am:1.9％
243
am:0.8％
244
cm:0.1％
245
cm，百分比为摩尔百分比。
[0087]
其中，嬗变棒10包括由内向外的容纳空间101、中间层102和包壳103，且容纳空间101、中间层102和包壳103同轴设置；中间层102为中子毒物层。嬗变棒10的横截面为圆形。容纳空间101、中间层102和包壳103三者的横截面均为圆形。嬗变棒10按三角形栅格排列于燃料盐区11内。嬗变棒10的中心间距为51.8cm，嬗变棒10的个数为19。
[0088]
其中，容纳空间101的等效半径为3.9cm。中子毒物层中的中子毒物为gd2o3。中间层102的厚度为11cm。包壳103的材料为镍基合金。包壳103的厚度为1cm。中间层102和包壳103之间设有隔热层(图中未示出)，隔热层的材料为氦气，隔热层的厚度为1mm。
[0089]
活性区壁1的材料为镍基合金。活性区壁1包括上壁、侧壁和下壁。上壁的厚度为2cm；侧壁的厚度为2cm；下壁的厚度为2cm。其中，上壁为具有弧度的圆锥形；下壁为具有弧度的圆锥形。上壁的中心设有燃料盐出口8；下壁的中心设有燃料盐进口。燃料盐进口为圆柱形；燃料盐出口8为圆柱形。
[0090]
活性区壁1内还包括上腔室6，上腔室6位于活性区和上壁之间，上腔室6的底部与活性区连通。上腔室6的高度为10cm。活性区壁1内还包括下腔室7，下腔室7位于活性区和下壁之间，下腔室7的顶部与活性区连通。下腔室7的高度为10cm。
[0091]
活性区和上腔室6之间设有上导流板4，活性区和下腔室7之间还设有下导流板5。两块导流板均设有凹槽12和小孔13，凹槽12的形状和大小与嬗变棒10的横截面相同，凹槽12的数量与嬗变棒10的数量相同，用于将嬗变棒10固定于燃料盐区11内，小孔13用于连通活性区与上腔室6、和活性区与下腔室7，以此实现燃料盐的流通。两块导流板的厚度均为2cm。两块导流板的材料均为镍基合金。
[0092]
活性区壁1的外围设有反射层2和堆容器3。反射层2的材料为氧化铍。反射层2的厚度为40cm。堆容器3的材料为镍基合金。堆容器3的厚度为5cm。
[0093]
液态燃料盐的成分为55％nacl-1％trucl
3-44％thcl3，百分比为摩尔百分比，cl-37的丰度为24.23％。
[0094]
在堆芯运行初期，嬗变棒10中超铀元素占熔盐快堆中超铀元素的质量份额为83.80％。熔盐快堆在堆芯运行初期的核燃料比功率为642.89kw/kg。熔盐快堆的堆芯反应性温度系数为-0.08pcm/k，堆芯内的有效缓发中子份额为235.2pcm，其中液态燃料盐的有效缓发中子份额仅为9.39pcm。
[0095]
熔盐快堆的初始剩余反应性为2364pcm，当剩余反应性为0甚至负值时，进行在线后处理和在线添料。在线后处理的核素及后处理周期为：难溶裂变产物(xe、kr等)的去除周期设为30s，易溶裂变产物(sm、eu、gd等)的去除周期为1000天，锕系核素(pa、np等)的提取周期为1000天。在线添料的添料核素为tru和钍的混合燃料盐，添料后的堆芯剩余反应性处于100pcm～1000pcm之间。
[0096]
熔盐快堆以2500mwth运行，运行10年、20年和30年的tru年嬗变量分别为334.33kg/gwth/year、296.61kg/gwth/year和268.79kg/gwth/year。
[0097]
实施例2
[0098]
实施例2的固液混合燃料熔盐快堆与实施例1的不同之处仅在于嬗变棒10相关参数。
[0099]
嬗变棒10相关参数与实施例1的不同之处如下：
[0100]
嬗变棒10排列于燃料盐区11内，且嬗变棒10设于活性区的中部；中部的等效直径与活性区的等效直径的比值为0.80。容纳空间101的等效半径为4.1cm。中间层102为裂变产物层，裂变产物的材料为tc-99，裂变产物层的厚度为12cm。嬗变棒10按三角形栅格排列于燃料盐区11内。嬗变棒10的中心间距为54.2cm，嬗变棒10个数为19。
[0101]
在堆芯运行初期，嬗变棒10中超铀元素占熔盐快堆中超铀元素的质量份额为85.67％，熔盐快堆的核燃料比功率为594.22kw/kg，熔盐快堆的堆芯反应性温度系数为-0.1pcm/k，堆芯内的有效缓发中子份额为238.1pcm，其中液态燃料盐的有效缓发中子份额仅为3.21pcm。
[0102]
熔盐快堆的初始剩余反应性为3217pcm，当剩余反应性为0甚至负值时，进行在线后处理和在线添料。在线后处理和在线添料的操作同实施例1。
[0103]
熔盐快堆以2500mwth运行，运行10年、20年和30年的tru年嬗变量分别为341.21kg/gwth/year、323.71kg/gwth/year和305.02kg/gwth/year。
[0104]
对比例1
[0105]
如图4～5所示，对比例1的液态燃料熔盐快堆与实施例1的不同之处仅在于对比例1的活性区中只含液态燃料盐，而不设有嬗变棒。
[0106]
在堆芯运行初期，熔盐快堆的核燃料比功率为304.99kw/kg，熔盐快堆在运行初期的堆芯反应性温度系数为-1.79pcm/k，其燃料盐的有效缓发中子份额为325.8pcm。
[0107]
熔盐快堆的初始剩余反应性为3076pcm，当堆芯内核燃料不足以维持堆芯临界时(此时剩余反应性为0甚至为负值)，进行在线后处理与在线添料。在线后处理和在线添料的操作同实施例1。
[0108]
熔盐快堆以2500mwth运行，运行10年、20年和30年的tru年嬗变量分别为235.11kg/gwth/year、198.86kg/gwth/year和183.13kg/gwth/year。
[0109]
对比例2
[0110]
如图6所示，对比例2的固液混合燃料熔盐快堆与实施例1的不同之处仅在于嬗变棒10的几何结构及排列方式，具体为：
[0111]
容纳空间101的等效半径为3.94cm。中间层102为中子毒物层，中子毒物层为gd2o3，中子毒物层的厚度为10cm。活性区由嬗变棒10和燃料盐区11组成。
[0112]
对比例2中，活性区的中部为位于活性区中心的一正六边形区域(如图6中虚线区域所示)。此时中部的等效直径的计算方法即为计算该正六边形实际截面面积相等的圆的直径。中部的等效直径与活性区的等效直径的比值为0.83。嬗变棒10沿着该六边形区域排列于该正六边形区域范围外。
[0113]
嬗变棒10的中心间距为31.88cm，嬗变棒10个数为18。
[0114]
在堆芯运行初期，嬗变棒10中超铀元素占熔盐快堆中超铀元素的质量份额为87.89％，熔盐快堆的核燃料比功率为689.84kw/kg，熔盐快堆的堆芯反应性温度系数为-0.13pcm/k，堆芯内的有效缓发中子份额为370.6pcm，其中液态燃料盐的有效缓发中子份额仅为8.08pcm。
[0115]
熔盐快堆的初始剩余反应性为3069pcm，当剩余反应性为0甚至负值时，进行在线后处理和在线添料。在线后处理和在线添料的操作同实施例1。
[0116]
熔盐快堆以2500mwth运行，运行10年、20年和30年的tru年嬗变量分别为232.13kg/gwth/year、162.26kg/gwth/year和126.98kg/gwth/year。
[0117]
各实施例和对比例运行结果对比如下表1所示。
[0118]
表1实施例1～2和对比例1～2的运行结果对比
[0119][0120]
对比例2中，除了嬗变量低于实施例1外，对比例2的反应堆运行时，容易出现局部过热现象。因此，实施例1的堆芯安全性高于对比例2。