具有允许开发、在燃料和操作模式方面通用的一回路设计的快中子反应堆类型的熔盐核反应堆的制作方法

本发明涉及熔盐核反应堆或msr(熔盐反应堆)领域。更具体地，本发明涉及所谓的低功率或中功率msr，也称为amr(先进模块化反应堆)领域。因此，本发明的主要目的是适应此类反应堆(更具体地，快中子反应堆类型的那些反应堆)的一回路的设计，以允许在燃料(铀、钚、钍、次锕系元素)和操作模式(燃烧器或增殖堆)两方面的大的通用性。此处并且在本发明的上下文中，“熔盐反应堆”应理解为其通常的技术含义，即意指这样的核反应堆：其中核燃料呈液体形式，溶解在温度通常为500℃至900℃的熔盐中，该盐充当冷却剂。

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)、或者氯化钠(nacl)和氯化镁(mgcl2)，其既作为冷却剂，又通过由金属或陶瓷(诸如sic)制成的反应堆容器内的第一流体作为减速剂。

2、容器含有通常在环境压力下、在通常为500℃至900℃的高温下的熔盐。

3、可裂变燃料可以是铀235、钚或铀233，后者源自钍的转换。熔盐反应堆可以是自持增殖反应堆，其具有其自己的包含待辐照的可转换同位素的增殖区(breeding blanket)。

4、核反应由反应堆容器内燃料的可裂变材料的浓度、由几何形状或还有由临界区内存在的材料(例如石墨减速剂单元)来触发。

5、因此，熔盐反应堆可以使用石墨减速，产生热中子，或者不用减速剂，产生快中子。

6、因此，减速剂的存在或不存在定义了熔盐反应堆的两大类，即分别是热中子反应堆和快中子反应堆。

7、从2000年左右开始，熔盐反应堆经过评价，然后被采纳为第四代国际论坛的一部分。此后，他们进行了研究，旨在将其部署为第四代反应堆，尤其是小型模块化反应堆(smr)，这是先进的核反应堆(amr)，其功率容量可高达每单位300mwe：[1]。

8、理论上，熔盐快中子反应堆在可使用的燃料(铀、钚、钍、次锕系元素)和其操作模式(燃烧器或增殖堆)两方面提供大的通用性的优势。

9、这里回顾一下，“燃烧器”模式对应于这样的反应堆操作：其中存在可裂变同位素的大量消耗，而可裂变材料的增殖有限。

10、对于核反应堆，“增殖堆”模式是借此反应堆使用可转换材料来产生其消耗的全部或部分可裂变燃料的操作。因此，反应堆堆芯中由裂变产生的中子被可转换材料吸收，这进而产生新的可裂变产物。

11、在燃烧器模式下，熔盐快中子反应堆可以通过可裂变同位素使用：铀235、铀233、钚的可裂变同位素、和次锕系元素的可裂变同位素。

12、在增殖堆模式中，熔盐快中子反应堆可以使用与上面列出的相同的可裂变同位素，并且通过可转换同位素可以使用：铀238、钍232、钚的可转换同位素、和次锕系元素的可裂变同位素。

13、然而，迄今为止，还没有任何设计发挥熔盐快中子反应堆的上文提及的巨大的通用性。

14、因此，仍然需要改进快中子熔盐反应堆类型的反应堆，特别是当设想这些反应堆为smr时，以便在可使用的燃料和操作模式(燃烧器或增殖堆)两方面发挥大的通用性。

15、因此，本发明的目的是至少部分地满足这种需要。

技术实现思路

1、为了实现这一点，本发明的一方面涉及快中子反应堆类型的熔盐核反应堆，其包括：

2、-反应堆容器，其具有围绕中心轴线的旋转对称性，在内部界定液体形式的燃料的一回路，并且在所述容器中至少一种盐是熔融的，所述容器的内部没有减速剂材料；

3、-至少一个热交换器，其在反应堆的一回路和二回路之间交换热，并且布置在反应堆容器的内部；

4、-第一壳体，其形式为中心轴线与反应堆容器的中心轴线重合的至少一个中空圆柱体，所述第一壳体布置在反应堆容器中，以将反应堆容器的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，远至中心区域的顶部，在该顶部熔盐燃料液体被偏转朝向外围区域的顶部以穿过交换器，然后下降回外围区域的底部，在该底部熔盐燃料液体被偏转朝向反应堆的堆芯；

5、-中子反射体，其布置在堆芯的外围、倚靠反应堆容器，以维持堆芯中的中子通量。

6、在本发明的上下文中，“没有任何减速剂材料”意指允许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，快中子的动能超过1ev，而热中子的动能低于1ev，通常约为0.025ev。可以参考出版物[3]，并且特别是图4，其针对几种类型的反应堆示出了中子通量的热份额和快份额。

7、因此，根据本发明的熔盐反应堆被认定为快中子反应堆。

8、通常，根据本发明的熔盐反应堆可具有0至0.05范围内的热中子份额和0.6至0.65范围内的快份额。

9、根据本发明的中子反射体的材料可以选自石墨、碳化硅、mgo、镍、不锈钢或钨。

10、根据第一替代方案，

11、-一回路的熔盐燃料液体是呈盐形式的ucl3的比例范围优选为25mol％至30mol％的nacl-ucl3和比例范围优选为5mol％至36mol％的pucl3与贫铀的混合物，

12、-第一壳体的布置在一个或多个交换器上方的那部分是自身封闭的圆柱体环，而布置在一个或多个交换器下方的那部分是中空圆柱体，

13、-中子反射体由碳化硅(sic)制成。

14、-一回路的熔盐燃料液体是优选含量为34mol％的呈盐形式的nacl-ucl3与优选比例范围为5％至20％的浓缩(haleu)铀u235的混合物。

15、-第一壳体是自身封闭的圆柱体环，

16、-中子反射体是石墨。

17、根据另一个有利的实施方式，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。

18、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。换言之，该第二壳体形成同轴布置在第一壳体内部且在反应堆容器的中心的开放式柱。该中心柱有利地使得能够对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进行指引，并且能够形成用于控制棒和/或安全棒的空间。

19、作为优选，第二壳体的外径是第一壳体的内径的5％至30％。

20、作为进一步优选，第一壳体和(在适用的情况下)第二壳体通过从封闭反应堆容器的堆芯头塞(core head plug)悬挂来固定。第一壳体和(在适用的情况下)第二壳体优选由不锈钢制成。

21、在本发明的上下文中，堆芯头塞可以由反应堆封闭板支撑或与反应堆封闭板一体形成，该反应堆封闭板形成反应堆堆坑的上部部分。

22、根据另一个有利的实施方式，反应堆包括至少一个偏转器，优选为部分环面的形式，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。换言之，这个(这些)环面偏转器使得可以优化反应堆容器内的燃料液体的流量的分布。一个或多个偏转器优选由不锈钢制成。

23、根据另一个有利的实施方式，反应堆容器包括在熔盐燃料液体的顶部上的覆盖气体充气室，通常称为反应堆覆盖气体充气室，其填充有惰性气体，诸如氩气。该覆盖气体充气室使得能够吸收反应堆容器内的燃料盐液体在经历液位变化时的热膨胀。

24、根据一个有利的结构变型，一个或多个热交换器包括限定用于与二回路交换的部分的一束卡口管类型的管(中空管各自开口进入盲管)，其基本上竖直地至少部分地插入熔盐燃料液体中，开放式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。

25、有利地，用于第二流体的入口歧管和出口歧管布置在反应堆覆盖气体充气室中。通过此类布置，避免了这些歧管和一回路的盐之间的直接接触，从而增加了它们的寿命和交换器的操作可靠性，因为唯一的浸没部分只是管束的高度的一部分。

26、对于通常为150mwth的功率，核反应堆可具有以下尺寸特征中的一种和/或另一种：

27、-反应堆容器的内径在1.5m至2m之间；

28、-在反应堆容器内部的一回路的高度在2.5m至4m之间。

29、当反应堆运行时，一回路的熔盐燃料液体的温度可以在500℃至900℃之间。

30、作为优选，在一个或多个交换器中循环的第二流体是基于熔盐nacl-mgcl2、nacl-mgcl2-kcl、或nacl-mgcl2-kcl-zncl2的混合物。

31、有利地，第二流体进入所述一个或多个交换器的温度约为550℃，而其离开所述一个或多个交换器的温度约为600℃。

32、核反应堆的功率有利地低于300mwth，这对应于smr类型的反应堆所寻求的功率范围。

33、因此，本发明基本上在于：形成快中子反应堆类型的熔盐核反应堆，其设计是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的反应堆容器中的圆柱形壳体的设计，这使得可以有效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交换热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，在堆芯外围的中子反射体使得可以使用多种类型的燃料液体。

34、有利的是，可以使用单个交换器，也就是说，具有用于与二回路交换的单个出口的交换器。

35、因此，该壳体使得能够确保含有氯化物盐和铀/钚燃料的第一液体仅通过自然对流在反应堆容器内的循环。

36、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，在容器底部的下部转向区域改变方向(所述转向可以优选地通过具有环面部分横截面的偏转器来实现)，然后穿过堆芯的中心部分而上升，变得更热。

37、随着其所获得的高温，熔盐液体继续上升远至交换器上方的水平，然后通过上部转向区域返回到该交换器，所述转向优选地通过具有环面部分横截面的偏转器来实现。

38、最终，根据本发明的熔盐快中子核反应堆提供了许多优点，包括：

39、-一回路仅通过自然对流的循环，具有在一回路和二回路之间使用单个交换器的可能性；

40、-通过与现有技术的解决方案相比，流体回路简化，尤其是消除了序言中引用的msfr设计中所需的所有管道和泵；

41、-可以设计包含尺寸减小的燃料一回路的反应堆容器的尺寸，通常直径小于2m且总高度小于4m，这使得反应堆符合smr类型的模块化反应堆的要求。因此，根据本发明的具有反应堆容器、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，然后在反应堆的寿命内使用。当需要拆卸它时，可以将此类回路整个装载到运输罐中，以便可以在合适的设施中对其进行处理。换句话说，本发明使得能够极大地简化中小功率熔盐快中子核反应堆的制造、部署和拆除。

42、-可以使用一个相同的一回路结构和相同的反应堆容器，只需要调整壳体和中子反射体，以适合不同的熔盐燃料液体，并从而受益于熔盐快中子反应堆技术提供的通用性。

43、通过阅读参考以下附图以非限制性说明的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显而易见。