[发明专利]熔盐堆堆芯及熔盐堆系统

说明书

本发明公开了一种熔盐堆堆芯及熔盐堆系统。熔盐堆堆芯包括堆芯活性区、反射层、冷却剂进口和冷却剂出口，反射层围绕堆芯活性区的外侧设置，反射层内设置有控制鼓；堆芯活性区设置有冷却剂管道区和燃料熔盐区，冷却剂管道区设置有多根冷却剂管道，冷却剂管道内流通有氦氙混合气或超临界二氧化碳；燃料熔盐区内填充有燃料熔盐；冷却剂管道区与燃料熔盐区的体积比为(6～9):10；冷却剂管道的顶端与冷却剂出口相连，所述冷却剂管道的底端与所述冷却剂进口相连。本发明的熔盐堆堆芯结构简单、提升了堆芯的换热效率、降低了堆芯的建造成本和建造门槛、运行更加安全，同时极大程度上提高了熔盐堆系统的电功率。

技术领域

本发明涉及一种熔盐堆堆芯及熔盐堆系统。

背景技术

核电具有能量密度大、工作性能稳定、环境适应性好等优势，可为深空、深海探测以及偏远地区的能源稳定供应提供有力保障。不同于常规大型商业堆，小型反应堆在建设周期、建设成本风险、运行安全性以及部署灵活性方面更具优势。小型反应堆已受到世界各国广泛关注，特别是核能发达的国家，如美国与俄罗斯。美国从上世纪六十年代开始已启动空间堆研究项目，发展了多种空间堆，包括SNAP系列空间堆、710空间堆和SP-100空间堆等；2000年后，提出了普罗米修斯计划，推出了用于木星探索的200KWe的空间堆；2015年，美国国家航空和宇宙航行局NASA启动了Kilopower计划，设计的空间堆在1kWe到10kWe之间可调，采用斯特林电机，热管冷却。俄罗斯在空间堆发展方面几乎与美国同步，提出了Romashka、BUK、TOPAZ等系列小型堆。

小型堆根据用途可分为空间堆、深海堆、车载堆、动力堆等，功率为千瓦到兆瓦级。为推动小型堆的应用，在确保辐射安全的情况下，应尽可能降低小型堆的重量与体积。理论上，各种类型反应堆，如传统轻水堆、重水堆以及6种四代先进反应堆(铅冷堆、钠冷快堆、高温气冷堆、超临界水堆、熔盐堆以及气冷快堆)均可设计成小型堆，但性能各异。

其中，熔盐堆是唯一一种采用液态燃料的反应堆，无需制作燃料元件，可在线加料、在线提取燃料进行后处理，可维持低堆芯初始剩余反应性运行，具有独特的经济与安全特性。目前，国内外已设计出热功率为50kW的热管熔盐堆，其中热管采用钠作为冷却剂。但是，单根热管的导热功率受工质、热管几何结构等限制，导出功率限值为10～20kW，对于功率为兆瓦级的小型堆堆芯而言，需布置上百根热管才能导出堆芯热量，且热管冷端需要连接换热器，将热量交换至热电转换系统工质(如:气态冷却剂)，热电转换系统工质经过热电转换系统进行发电，堆系统内包括多个传热回路、堆芯结构复杂，造成堆芯建造成本高、可实现性差，同时也影响堆芯的安全性。为了避免堆芯系统过于复杂，只能减少热管根数，为了使堆芯内热量及时传导出去，堆芯功率只能设计到千瓦级。另外，为了简化堆芯系统以及反应堆系统的结构，热管堆多采用温差发电元件，其热电转换效率仅为4～7％，热损失率高达93～96％。为了解决上述问题，当前急需开发一种结构简单、导热效率高的熔盐堆堆芯，以及高发电功率的熔盐堆系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术中热管堆堆芯结构复杂、换热效率低、建造成本高、门槛高、安全性差，以及熔盐堆系统发电功率低的缺陷，提供一种熔盐堆堆芯及熔盐堆系统。本发明的熔盐堆堆芯结构简单、提升了堆芯的换热效率、降低了堆芯的建造成本和建造门槛、运行更加安全，同时极大程度上提高了熔盐堆系统的电功率。

本发明采用氦氙混合气体或超临界二氧化碳的冷却剂换热系统，冷却剂气体吸热后可采用直接闭式布雷顿循环进行热电转换，堆系统仅需一个换热回路，大幅简化了熔盐堆系统结构。本发明的熔盐堆系统可将小型模块化熔盐堆的发电功率从千瓦级提升至兆瓦，对小型模块化熔盐堆功率的提升取得了质的飞越。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种熔盐堆堆芯，其包括堆芯活性区、反射层、冷却剂进口和冷却剂出口，所述反射层围绕所述堆芯活性区的外侧设置，所述反射层内设置有控制鼓；