一回路通过自然对流循环的快中子型熔盐核反应堆的制作方法

本发明涉及熔盐核反应堆(“熔盐反应堆”，缩写msr)领域。更具体地，本发明涉及所谓的低功率或中功率msr反应堆或amr(“先进模块化反应堆”的缩写)领域。因此，本发明的主要目的是简化这种反应堆、更特别是快中子反应堆的一回路的架构。此处并且在本发明的上下文中，表述“熔盐反应堆”应理解为其通常的技术含义，即其中核燃料呈液体形式、溶解在温度通常为500至900℃的充当冷却剂的熔盐中的核反应堆。

背景技术：

1、熔盐反应堆依赖于使用熔盐、例如氟化锂(lif)和氟化铍(bef2)或甚至氯化钠(nacl)和氯化镁(mgcl2)，既作为冷却剂流体，又作为反应堆槽中的第一流体的减速剂，所述反应堆槽由金属或陶瓷制成，通常由sic制成。

2、槽含有通常在常压下的高温、通常为500至900℃的熔盐。

3、裂变燃料可以是铀235、钚或甚至铀233，后者则来自于钍的转换。熔盐反应堆本身可以使用含有待辐照的可转换同位素的可转换覆盖物来处理其增殖功能。

4、核反应由反应堆槽中燃料的可裂变材料浓度或由通过石墨减速剂块触发的。

5、因此，熔盐反应堆可以通过石墨减速，产生热中子，或者不用减速剂产生快中子。

6、因此，减速剂的存在与否定义了熔盐反应堆的两大类，分别是热中子反应堆和快中子反应堆。

7、从21世纪初开始，对熔盐反应堆进行了评估，然后将其保留在第四代国际论坛的背景下。它们现在是国际研究的主题，旨在部署为第四代反应堆，尤其是小型模块化反应堆(smr)，这是先进核反应堆(缩写amr)，其功率容量可以至多为每单元300mwe。

8、尽管在安全潜力方面很有前景，但熔盐反应堆可以需要昂贵且复杂的系统和组件。

9、事实上，在熔盐反应堆中，含有溶解的铀或钚的燃料一回路构成了第一安全屏障，因此必须满足在密封性方面非常苛刻的设计标准。该一回路必须包括所谓的堆芯区域，其中核裂变反应堆串联在一起；和与所述堆芯流体连接的热交换区域，其中堆芯中产生的热量被传输到二回路。

10、在传统设计中，堆芯连接至多个流体循环回路，每个流体循环回路包括交换器和适合于确保来自相关交换器和去往相关交换器的循环的泵。

11、例如，在第四代保留的方案中，源自格勒诺布尔lpsc实验室研究的均相间接冷却反应堆，由缩写msfr(“熔盐快反应堆”)指代，其燃料为一种由钍确保增殖的液体氟化盐，包含大约十二或十六个流体循环回路。环路的每个组件都会增加整个流体回路的复杂性：[1]。

12、对于熔盐反应堆、特别是smr型熔盐反应堆的设计，发明人寻求开发一种设计，其最小化管道和部件的数量，尤其是保留smr固有的主要优点，即通过以下方式增强模块化能力：工厂制造用于运输到施工现场的组件，还提高可靠性。

13、专利申请wo2018213669 a2描述了一种热中子型氟化物盐和熔融钍/铀燃料反应堆，其中一回路通过自然对流进行循环。所提出的架构不能复制到快中子型反应堆。

14、因此，需要增强熔盐型反应堆、快中子型反应堆，尤其是当它们被视为amr反应堆时，以便减轻上述缺点，更具体地具有模块形式的反应堆槽，其可以在工厂以标准方式制造并且易于运输。

15、因此，本发明的目的是至少部分地解决这种需要。

技术实现思路

1、为了实现这一点，本发明的一方面涉及一种快中子型熔盐核反应堆，包括：

2、-反应堆槽，其围绕中心轴线是轴对称的，在内部界定液体形式的燃料的一回路，在所述燃料中至少一种盐是熔融的，槽的内部没有减速剂材料；

3、-盖帽，其封闭反应堆槽；

4、-反应堆的一回路和二回路之间的至少一个热交换器，布置在反应堆槽内；

5、-第一壳体，其形式为中心轴线与反应堆槽的中心轴线重合的至少一个中空圆柱体，第一壳体布置在反应堆槽内以将其内部分为中心区域和外围区域，热交换器布置在所述外围区域中，使得当反应堆运行时，熔盐燃料液体经由自然对流在这样的回路中循环：从中心区域的限定发生裂变反应的反应堆堆芯的底部起，自该底部熔盐燃料液体由于加热而上升至中心区域的顶部，在该顶部熔盐燃料液体被偏转至外围区域的顶部以穿过交换器，然后下降至外围区域的底部，在该底部熔盐燃料液体被偏转至反应堆的堆芯。

6、在本发明的上下文中，堆芯的盖帽可以由反应堆的形成槽井的顶部部分的封闭板支撑或完全形成。

7、在本发明的上下文中，表述“没有减速剂材料”应理解为意指能够使核反应堆被认定为热中子核反应堆的任何材料。通常意义上，快中子的动能大于1ev，而热中子的动能小于1ev，通常约为0.025ev。可以参考出版物[2]，特别是图4，其针对几种类型的反应堆示出了中子通量的热中子份额和快中子份额。

8、因此，根据本发明的熔盐反应堆被认定为快中子。

9、通常，根据本发明的熔盐反应堆可以具有0至0.05的热中子份额和0.6至0.65的快中子份额。

10、根据有利的实施方式，核反应堆包括同心地布置在第一壳体内部的第二壳体，以便引导燃料液体在其被偏转的两个区域之间上升。

11、根据该实施方式，第二壳体的内部有利地限定在其内部延伸有核反应控制棒和/或安全棒的空间。换句话说，该第二壳体形成同轴布置在第一壳体内部且在反应堆槽的中心的开放式柱。该中心柱有利地使得能够使得由此引导到第一壳体与第二壳体之间的环形空间中的上升燃料液体定向，并且能够形成用于控制棒和/或安全棒的位置。

12、优选地，第二壳体的外直径为第一壳体的内直径的5至30％。

13、更优选地，第一壳体和在合适的情况下第二壳体通过从封闭反应堆槽的盖帽悬挂来固定。第一壳体和在合适的情况下第二壳体的材料优选选自不锈钢或基于镍的合金。

14、根据另一个有利的实施方式，反应堆包括至少一个偏转器，优选为环面部分的形式，布置在第一壳体的下方和/或上方，以便分配经偏转的熔盐燃料液体的流量。换句话说，这个环面偏转器或这些环面偏转器使得可以优化反应堆槽内的燃料液体的流量的分布。一个或多个偏转器的材料优选选自不锈钢或基于镍的合金。

15、根据有利的变型实施方式，第一壳体的布置在一个或多个交换器上方的部分的厚度大于其布置在一个或多个交换器下方的部分的厚度。反应堆槽底部厚度的减小使得可以最大化燃料盐的体积并允许链式核反应发生，这种减小的厚度从而界定了反应堆的堆芯。

16、有利地，第一壳体的布置在一个或多个交换器上方的部分的厚度比其布置在一个或多个交换器下方的部分的厚度大3％至100％。

17、根据另一个有利的实施方式，反应堆槽包括在熔盐燃料液体上方的充气室，通常称为覆盖气体充气室，其填充有惰性气体，例如氩气或甚至氦气。该充气室一方面可以吸收反应堆槽中的燃料盐液体在经历液位变化时的热膨胀，另一方面可以回收燃料盐中核裂变产生的气态裂变产物。

18、根据有利的构造变型，一个或多个热交换器包括限定能够与二回路交换的部分的卡口管类型的管束，具有各自出现在盲管内的中空管，其基本上竖直地至少部分浸入熔盐燃料液体中，出现的中空管连接至入口歧管，并且盲管连接至第二流体的出口歧管。

19、有利地，第二流体入口歧管和出口歧管布置在覆盖气体充气室中。通过这种布置，避免了这些歧管和一回路的盐之间的直接接触，这增加了它们的使用寿命以及交换器操作的安全性，因为唯一浸入的部分仍然是管束高度的一部分。

20、对于通常为150mwth的功率，核反应堆可以具有以下尺寸特征中的一者和/或另一者：

21、-反应堆槽的直径为1.5至2m；

22、-反应堆槽内的一回路的高度为2.5至4m。

23、优选地，一回路的熔盐燃料液体选自作为盐的nacl-ucl3(优选地ucl3比例为25至30％mol)和pucl3(优选地比例为5至36％mol)与贫铀u235(优选小于0.3％原子)的混合物，或作为盐的nacl-ucl3(优选至34％mol)与浓缩铀u235(haleu)(优选比例为5至20％)的混合物。

24、当反应堆运行时，一回路的熔盐燃料液体的温度可以为550至750℃。

25、优选地，在一个或多个交换器中循环的第二流体基于熔盐nacl-mgcl2、nacl-mgcl2-kcl或甚至nacl-mgcl2-kcl-zncl2的混合物。

26、有利地，第二流体在一个或多个交换器的入口处的温度为约500℃，而其在一个或多个交换器的出口处的温度为约600℃。

27、核反应堆的功率有利地为10至300mwth，这对应于amr类型的反应堆所寻求的功率范围。

28、因此，本发明基本上在于：生产快中子型熔盐核反应堆，其在反应堆槽中具有圆柱形壳体、没有减速剂或具有非常少的能使反应堆被认定为热中子反应堆的减速剂，这使得可以很好地分隔出在其外围界定的那些区域(在该外围中布置有在一回路和二回路之间的一个或多个热交换器)和壳体内部的区域(该区域的底部限定了在其中发生核裂变链式反应的反应堆堆芯)之间的流体区域。

29、有利的是可以布置单个环形交换器，即具有与二回路的单个交换环路。

30、因此，该壳体使得可以保证氯化物盐和铀/钚燃料第一液体仅通过自然对流在反应堆槽内循环。

31、因此，当反应堆运行时，离开交换器的低温熔盐液体下落在堆芯的外围，在槽底部的底部转向区域改变方向，这可以优选地通过具有部分环面横截面的偏转器实现，然后通过在堆芯的中心部分被加热而上升。借助它获得的高温，熔盐液体继续上升至交换器上方的水平，然后通过顶部转向区域返回到交换器，优选地通过具有部分环面横截面的偏转器实现。

32、最终，根据本发明的熔盐快中子核反应堆提供了许多优点，其中可以列举：

33、-一回路仅通过自然对流的循环，可以在一回路和二回路之间使用一个或多个交换器。在单个交换器的情况下，后者是环形的并且在反应堆槽的圆周上延伸；

34、-与现有技术的解决方案相比，简化了流体回路，特别是消除了序言中引用的msfr概念中所需的所有管道和泵；

35、-可以采用包含尺寸减小的燃料一回路的反应堆槽的尺寸，通常直径小于2m且总高度小于4m，这使得反应堆符合模块化amr反应堆的要求。因此，根据本发明的具有反应堆槽、内部圆柱形壳体及其第一/第二交换器的一回路可以在工厂制造，运输到现场，然后在反应堆的使用寿命内使用。在拆卸过程中，此类回路可以整个装入运输容器中，以便在合适的工厂进行处理。换句话说，本发明使得能够极大地简化低功率和中功率的快中子型熔盐核反应堆的制造、部署和拆卸。

36、通过阅读参考以下附图以说明性和非限制性方式给出的本发明的示例性实施方式的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得更加明显。