[发明专利]熔盐反应堆

说明书

一种装置，该装置被适配为用于通过核裂变产生能量，该装置包括具有芯容器材料的芯容器，该芯容器包围具有内管材料的内管，该内管和/或该芯容器具有入口和出口，该装置进一步包括具有可裂变材料的熔融燃料盐以及熔融慢化剂盐，该熔融慢化剂盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种金属氘氧化物或其组合以及氧化还原元素，该氧化还原元素具有的还原电势大于该内管材料的还原电势或者大于该内管材料和该芯容器材料的还原电势，其中该熔融慢化剂盐位于该芯容器中并且该熔融燃料盐位于该内管中，或者其中该熔融燃料盐位于该芯容器中并且该熔融慢化剂盐位于该内管中。本发明还涉及使用该装置来控制核裂变过程的方法以及熔盐用于慢化在裂变反应过程中产生的裂变中子的用途，该熔盐包含至少一种金属氢氧化物、至少一种氘氧化物或其组合以及氧化还原元素。

技术领域

本发明涉及熔盐核裂变反应堆，该反应堆包括反应堆芯，该反应堆芯包括带有可裂变材料的熔融燃料盐、带有用于中子慢化的慢化剂材料的熔融慢化剂盐。在下文中，此类反应堆将简称为熔盐反应堆或MSR。本发明还涉及在核裂变反应堆中使用该熔融慢化剂盐来控制核裂变过程的方法。

本发明更具体地涉及用于MSR的慢化剂材料、用于慢化MSR的方法、以及慢化剂材料在MSR中的用途。

现有技术

核裂变产生典型地在从100keV至2MeV的能量范围内的高能中子。发生裂变事件的概率取决于中子能量。在所谓的快速反应堆中，由裂变产生的未慢化的中子直接与其他核进行相互作用。热和超热核裂变反应堆依赖于慢化剂来降低能量以提高裂变概率。核裂变反应堆因此能通过两种不同的原理来运行，即快速反应堆以及热和超热反应堆。

在快速反应堆中，高能中子直接与裂变材料进行相互作用以产生能量、裂变产物和高能中子。快速反应堆不依赖于存在慢化剂，因而在本专利中将不作考虑。

在热和超热反应堆中，由裂变产生的高能中子与慢化剂交换能量并且最终与裂变材料发生相互作用以产生能量、裂变产物和更多的高能中子。第二代和第三代轻水反应堆(LWR)是此类反应堆的典型实例并且是商业核反应堆系列的中坚力量。水冷反应堆具有的固有缺点在于冷却水必须保持在非常高的压力下才能达到合理的高工作温度。在这样的构造中由各种故障造成的蒸气和气体爆炸已经造成了核工业中一些最严重的事故。类似的缺点对于用作慢化剂的水也存在。

无论关于裂变燃料的设计选择如何，都必须通过与热和超热核裂变反应堆中的慢化剂材料相互作用来使高能中子减速。对于第二代和第三代核反应堆，裂变材料以固态形式，作为空心管之内的金属混合物或金属氧化物，被保持在裂变载体中。裂变材料一直处于固态并且因此是固定的。较新的第三代和第四代裂变反应堆典型地是基于固态陶瓷氧化物燃料但是还包括新型设计，在该新型设计中裂变材料为固态且固定的(例如卵石床反应堆)；液态且固定的(稳定盐反应堆)；或液态且循环的(熔盐反应堆)。

无论与燃料相关的设计选择如何，适当的慢化剂材料通常应为中子与裂变原子之间的相互作用提供以下特征：

·应存在较高的通过散射进行相互作用的概率。这等同于中子在多次相互作用之间的短平均自由程并且影响慢化剂和反应堆芯的大小。

·应包括轻重量的慢化剂原子。在散射事件中中子将能量传递给慢化用材料并且被减速。原子越轻，每次相互作用传递的能量就越大。

·应存在低的中子吸收概率。吸收在慢化剂中减少了可用于裂变的中子流量并且增加了材料活化的严重程度。因此，在慢化剂中具有低吸收度典型地是有利的。

理想的慢化剂应提供多种附加的特征：

·它在工作条件下应为液态。使用处于液态的慢化剂提供了使用固态慢化剂不可获得的冷却可能性。这还改进了在中子辐射下的使用寿命并且能够实现化学再处理。

·它应可以在高温下工作。反应堆芯中的高工作温度具有与外冷却回路交换更多能量的潜能，并且因此承载了具有更高反应堆效率的可能性。更高的温度还产生了更高的涡轮机效率，并且能够实现不同的工业过程的热生产。