本實(shí)用新型涉及熔鹽堆反應(yīng)領(lǐng)域，具體涉及一種熔鹽堆堆芯和停堆系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

熔鹽堆是第四代國(guó)際核能論壇篩選出的六種候選堆型之一，也是唯一的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，在固有安全性、經(jīng)濟(jì)性、核燃料可持續(xù)發(fā)展及防核擴(kuò)散等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在熔鹽反應(yīng)堆中，含有裂變材料的熔鹽以高于500℃的溫度，流經(jīng)堆芯并達(dá)到臨界狀態(tài)，液態(tài)燃料發(fā)生裂變反應(yīng)釋放熱量，被自身吸收、帶走，不需要另外的冷卻劑，液態(tài)熔鹽在堆芯出口處溫度可達(dá)700℃～800℃。

熔鹽堆液態(tài)燃料中含有大量裂變產(chǎn)物及放射性核素，因而其一回路系統(tǒng)及堆芯反射層區(qū)域的放射性極強(qiáng)且溫度非常高，嚴(yán)重影響了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性及壽命，工程實(shí)現(xiàn)難度非常大。在控制棒的行程上，為了保證控制棒的運(yùn)動(dòng)精度和可靠性，堆內(nèi)構(gòu)件及與控制棒運(yùn)動(dòng)相關(guān)的部件，都要求有嚴(yán)格的熱處理和相當(dāng)高的制造精度，還專門為控制棒設(shè)置了形狀極為復(fù)雜的導(dǎo)向部件。目前，世界各國(guó)對(duì)熔鹽堆的研究主要集中在：日本石墨慢化熱譜熔鹽堆FUJI、法國(guó)快譜釷基熔鹽堆TMSR、俄羅斯嬗變?nèi)埯}堆MOSART。

日本在80年代開展了小型熔鹽堆FUJI-I的概念設(shè)計(jì)，之后參考美國(guó)MSBR堆芯設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了FUJI-II堆型，其進(jìn)口溫度為840K，出口溫度980K，熱功率為350MW，電功率150MW，使用與MSBR相同的熔鹽冷卻劑。其實(shí)質(zhì)是采用石墨作為慢化劑，熱中子譜，利用控制棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的緊急停堆及臨界安全。

MOSART概念由俄羅斯RRC-KI研究中心提出。2003年IAEA啟動(dòng)了由12個(gè)會(huì)員國(guó)16個(gè)研究所參加的合作研究計(jì)劃（CRP），研究放射性廢物有效焚燒先進(jìn)核能技術(shù)，其中一個(gè)重要的內(nèi)容就是通過MOSART技術(shù)研究，檢驗(yàn)和論證熔鹽堆降解長(zhǎng)壽命廢料毒性，在閉式循環(huán)中更有效產(chǎn)生電力的可行性。

MOSART內(nèi)部無任何構(gòu)件，堆芯為快中子譜，熱功率為2400MW，入口溫度為600℃，出口溫度為715℃，活性區(qū)半徑為1.7m，活性區(qū)高度為3.6m，控制棒布置在反射層區(qū)域。通過控制堆芯液態(tài)熔鹽燃料成分使堆芯維持臨界，利用控制棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的緊急停堆及臨界安全。

法國(guó)提出的釷基熔鹽堆TMSR概念，其堆芯設(shè)計(jì)和MOSART堆芯設(shè)計(jì)比較相似，堆芯內(nèi)不包含任何的固體構(gòu)件，沒有石墨慢化劑，區(qū)別僅僅是在堆芯周圍設(shè)置了增殖區(qū)，以此可以將燃料釷轉(zhuǎn)化為核燃料鈾。堆內(nèi)無任何構(gòu)件，堆芯為快中子譜，熱功率為2500MW，入口溫度為630℃，出口溫度為730℃，活性區(qū)半徑為1.25m，活性區(qū)高度為2.6m，控制棒布置在反射層。通過控制堆芯液態(tài)熔鹽燃料成分使堆芯維持臨界，利用控制棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的緊急停堆及臨界安全。

以上三種熔鹽堆的堆芯的結(jié)構(gòu)均為固體控制棒系統(tǒng)，堆芯結(jié)構(gòu)無法有效的對(duì)反應(yīng)性進(jìn)行控制，且經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行和輻照變形后，控制棒系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)線）仍然是反應(yīng)堆運(yùn)行中故障最多的系統(tǒng)之一，如因?qū)驒C(jī)構(gòu)變形、潤(rùn)滑不良、介質(zhì)腐蝕等因素引起的卡棒事故。尤其是在熔鹽堆高放射性、高溫運(yùn)行環(huán)境中，控制棒系統(tǒng)發(fā)生故障概率會(huì)顯著提高。另外上述三種熔鹽堆的頂部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，制造成本高昂。

因此，非常有必要針對(duì)熔鹽堆堆芯設(shè)計(jì)、運(yùn)行特點(diǎn)，提出更為簡(jiǎn)單、有效的反應(yīng)性控制、運(yùn)行方法及快速停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，代替固體控制棒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆啟停、功率調(diào)節(jié)及快速停堆等功能，從根本上解決固體控制棒因采用機(jī)械傳動(dòng)帶來的諸多技術(shù)問題，大幅提高熔鹽堆反應(yīng)堆控制的可靠性及安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，目的在于提供一種熔鹽堆堆芯和停堆系統(tǒng)，該堆芯采用在熔鹽堆運(yùn)行狀態(tài)下為液態(tài)，停堆狀態(tài)及常溫狀態(tài)下均為固態(tài)的低熔點(diǎn)合金材料作為中子吸收體，可以避免高放射性、高溫運(yùn)行環(huán)境下，固體控制棒因機(jī)械傳動(dòng)帶來的諸多技術(shù)問題，這種設(shè)置還能夠使得堆芯上封頭的大量穿孔可以大幅縮減，熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)及其整體設(shè)計(jì)得以極大簡(jiǎn)化。本實(shí)用新型的停堆系統(tǒng)通過采用上述創(chuàng)新性的堆芯結(jié)構(gòu)能夠顯著提高熔鹽堆反應(yīng)性控制的可靠性及控制能力，簡(jiǎn)化熔鹽堆頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高工程可實(shí)現(xiàn)性及安全性。

本實(shí)用新型通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種熔鹽堆堆芯，包括石墨反射層和活性區(qū)，石墨反射層設(shè)置在活性區(qū)的外圍，石墨反射層的層內(nèi)設(shè)置有代替固體控制棒的吸收體，所述吸收體為合金材料且在熔鹽堆運(yùn)行狀態(tài)下為液態(tài)，停堆狀態(tài)及常溫狀態(tài)下均為固態(tài)。

現(xiàn)有技術(shù)的液態(tài)熔鹽堆均是采用固態(tài)控制棒（吸收體），如日本石墨慢化熱譜熔鹽堆FUJI、法國(guó)快譜釷基熔鹽堆TMSR、俄羅斯嬗變?nèi)埯}堆MOSART等，這些固態(tài)控制棒制作和運(yùn)行成本相當(dāng)高。因?yàn)槿埯}堆液態(tài)燃料中含有大量裂變產(chǎn)物及放射性核素，其一回路系統(tǒng)及堆芯反射層區(qū)域的放射性極強(qiáng)且溫度非常高，嚴(yán)重影響了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性及壽命，工程實(shí)現(xiàn)難度非常大。在控制棒的行程上，為了保證控制棒的運(yùn)動(dòng)精度和可靠性，堆內(nèi)構(gòu)件及與控制棒運(yùn)動(dòng)相關(guān)的部件，都要求有嚴(yán)格的熱處理和相當(dāng)高的制造精度，還專門為控制棒設(shè)置了形狀極為復(fù)雜的導(dǎo)向部件。而實(shí)用新型人通過研究創(chuàng)新性的將原本的一直處于固態(tài)的控制棒替換為且在熔鹽堆運(yùn)行狀態(tài)下為液態(tài)，停堆狀態(tài)及常溫狀態(tài)下均為固態(tài)的吸收體，一方面避免了高放射性、高溫運(yùn)行環(huán)境下，固體控制棒因機(jī)械傳動(dòng)帶來的諸多技術(shù)問題，另一方面還能夠使得堆芯上封頭的大量穿孔可以大幅縮減，熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)及其整體設(shè)計(jì)得以極大簡(jiǎn)化。再有，本實(shí)用新型的停堆系統(tǒng)通過采用上述創(chuàng)新性的堆芯結(jié)構(gòu)能夠快速利用流體壓差運(yùn)動(dòng)原理，顯著提高了熔鹽堆反應(yīng)性控制的可靠性及控制能力，簡(jiǎn)化熔鹽堆頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高工程可實(shí)現(xiàn)性及安全性。

吸收體可以為為熔點(diǎn)200-350℃的合金材料。

吸收體為銦鎘合金材料。

石墨反射層為環(huán)形，活性區(qū)設(shè)置在石墨反射層的環(huán)形區(qū)內(nèi)，石墨反射層的層內(nèi)設(shè)置有用于放置吸收體的金屬輸送裝置。金屬輸送裝置可以為金屬導(dǎo)管等具有輸送存儲(chǔ)功能的裝置。

金屬輸送裝置為2個(gè)或以上，2個(gè)或以上所述的金屬輸送裝置均勻分布在石墨反射層內(nèi)。

還包括設(shè)置在石墨反射層外的壓力容器，壓力容器和石墨反射層之間還設(shè)置有隔熱氣腔。隔熱氣腔用于減少處于高溫狀態(tài)的石墨反射層向壓力容器傳熱。

一種熔鹽堆停堆系統(tǒng)，包括如前所述的熔鹽堆堆芯、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、存貯罐，所述存貯罐用于存儲(chǔ)因壓差變化從金屬輸送裝置中溢出的吸收體，熔鹽堆堆芯的金屬輸送裝置、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、存貯罐三者相連通。

金屬輸送裝置、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、存貯罐三者數(shù)量一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)金屬輸送裝置為多個(gè)時(shí)，壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)和存貯罐也為多個(gè)，一個(gè)金屬輸送裝置、一個(gè)壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、一個(gè)存貯罐構(gòu)成一個(gè)完整的閉合回路，多個(gè)金屬輸送裝置也就意味著多個(gè)相互獨(dú)立的完整的閉合回路。

通過壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變密閉回路中的氣體壓力，來提升（或降低）吸收體在金屬輸送裝置內(nèi)的高度，從而向堆芯引入負(fù)（或正）反應(yīng)性，完成反應(yīng)堆啟停、功率調(diào)節(jié)、燃耗補(bǔ)償、快速停堆等反應(yīng)性控制功能。金屬輸送裝置可以為金屬導(dǎo)管。

在事故工況下，可以靠?jī)?nèi)部?jī)?chǔ)存的氣體壓力，快速將吸收體（液態(tài)）注入金屬輸送裝置，向堆芯引入較大負(fù)反應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)緊急停堆。

壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括氣管、單向減壓閥、貯氣罐、泄壓罐、外部氣源，所述氣管的一端和金屬輸送裝置相連，氣管的另一端和單向減壓閥相連，貯氣罐的一端和存貯罐相連通，貯氣罐的另一端和單向減壓閥相連，單向減壓閥和泄壓罐相連，泄壓罐和外部氣源相連。

還包括電控閥和氣源閥，所述電控閥設(shè)置在泄壓罐和單向減壓閥之間，氣源閥設(shè)置在外部氣源和泄壓罐之間。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本實(shí)用新型可以避免高放射性、高溫運(yùn)行環(huán)境下，固體控制棒因機(jī)械傳動(dòng)帶來的諸多技術(shù)問題；

2、本實(shí)用新型設(shè)置還能夠使得堆芯上封頭的大量穿孔可以大幅縮減，熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)及其整體設(shè)計(jì)得以極大簡(jiǎn)化；

3、本實(shí)用新型的停堆系統(tǒng)通過采用上述創(chuàng)新性的堆芯結(jié)構(gòu)能夠顯著提高熔鹽堆反應(yīng)性控制的可靠性及控制能力，簡(jiǎn)化熔鹽堆頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高工程可實(shí)現(xiàn)性及安全性。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為熔鹽堆堆芯徑向結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為熔鹽堆停堆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中標(biāo)記及對(duì)應(yīng)的零部件名稱：

1-活性區(qū)，2-石墨反射層，3-隔熱氣腔，4-壓力容器，5-金屬輸送裝置，6-氣管，7-存貯罐，8-貯氣罐，9-單向減壓閥，10-電控閥，11-泄壓罐，12-氣源閥，13-外部氣源。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本實(shí)用新型，并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

實(shí)施例1

一種熔鹽堆堆芯，包括石墨反射層2和活性區(qū)1，石墨反射層2設(shè)置在活性區(qū)1的外圍，石墨反射層2的層內(nèi)設(shè)置有代替固體控制棒的吸收體，所述吸收體為合金材料且在熔鹽堆運(yùn)行狀態(tài)下為液態(tài)，停堆狀態(tài)及常溫狀態(tài)下均為固態(tài)。

石墨反射層2為環(huán)形，活性區(qū)1設(shè)置在石墨反射層2的環(huán)形區(qū)內(nèi)，石墨反射層2的層內(nèi)設(shè)置有用于放置吸收體的金屬輸送裝置5。金屬輸送裝置5可以為金屬導(dǎo)管等具有輸送存儲(chǔ)功能的裝置。

金屬輸送裝置5為2個(gè)或以上，2個(gè)或以上所述的金屬輸送裝置5均勻分布在石墨反射層2內(nèi)。

還包括設(shè)置在石墨反射層2外的壓力容器4，壓力容器4和石墨反射層2之間還設(shè)置有隔熱氣腔3。隔熱氣腔3用于減少處于高溫狀態(tài)的石墨反射層2向壓力容器4傳熱。

如圖1所示，正常運(yùn)行工況下，活性區(qū)1為高放射性、高溫液態(tài)燃料，金屬裝置5需要，布置在靠近活性區(qū)1的石墨反射層2中。隔熱氣腔3用于減少高溫狀態(tài)下的石墨反射層2向壓力容器4的傳熱。在滿足石墨反射層2布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下，盡量縮短金屬裝置5與活性區(qū)1的距離，并增加金屬裝置5的流通面積，從而提高反應(yīng)性控制能力。本實(shí)施例采用的低熔點(diǎn)合金為“銦鎘合金”，該合金中子吸收截面大，熔點(diǎn)約為300℃。在熔鹽堆冷停堆或常溫下，充滿金屬裝置5的吸收體為固態(tài)，控制系統(tǒng)回路壓力略高于大氣壓。

實(shí)施例2

如圖2所示，一種熔鹽堆停堆系統(tǒng)，包括如前所述的熔鹽堆堆芯、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、存貯罐7，所述存貯罐7用于存儲(chǔ)因壓差變化從金屬輸送裝置5中溢出的吸收體，熔鹽堆堆芯的金屬輸送裝置5、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、存貯罐7三者相連通。

金屬輸送裝置5、壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、存貯罐7三者數(shù)量一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)熔鹽堆后備反應(yīng)性控制要求，可設(shè)置多個(gè)相互獨(dú)立的低熔點(diǎn)合金反應(yīng)性控制系統(tǒng)，采用與固體控制棒類似的分組控制策略。

通過壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變密閉回路中的氣體壓力，來提升或降低吸收體在金屬輸送裝置5內(nèi)的高度，從而向堆芯引入負(fù)或正反應(yīng)性，完成反應(yīng)堆啟停、功率調(diào)節(jié)、燃耗補(bǔ)償、快速停堆等反應(yīng)性控制功能。

在事故工況下，可以靠?jī)?nèi)部?jī)?chǔ)存的氣體壓力，快速將吸收體液態(tài)注入金屬輸送裝置5，向堆芯引入較大負(fù)反應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)緊急停堆。

壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括氣管6、單向減壓閥9、貯氣罐8、泄壓罐11、外部氣源13，所述氣管6的一端和金屬輸送裝置5相連，氣管6的另一端和單向減壓閥9相連，貯氣罐8的一端和存貯罐7相連通，貯氣罐8的另一端和單向減壓閥9相連，單向減壓閥9和泄壓罐11相連，泄壓罐11和外部氣源13相連。

還包括電控閥10和氣源閥12，所述電控閥10設(shè)置在泄壓罐11和單向減壓閥9之間，氣源閥12設(shè)置在外部氣源13和泄壓罐11之間。

在熔鹽堆一回路裝入熔鹽燃料或進(jìn)行熔鹽燃料加熱之前，將控制系統(tǒng)回路壓力提升至備用壓力~2.0MPa。在熔鹽堆啟堆過程中，首先利用外部氣源13向控制系統(tǒng)回路注入氣體，依靠單向減壓閥9，貯氣罐8與氣管6之間出現(xiàn)壓差，將金屬裝置5內(nèi)的液態(tài)低熔點(diǎn)合金逐步移出，回流至堆芯頂部存貯罐7，向堆芯引入正反應(yīng)性。然后，關(guān)閉電控閥10，利用氣源閥12將泄壓罐11內(nèi)的壓力降至備用壓力。此時(shí)，若再次打開電控閥10，控制系統(tǒng)回路泄壓，依靠單向減壓閥9，貯氣罐8與氣管6之間出現(xiàn)壓差，能夠?qū)⒌腿埸c(diǎn)合金存貯罐7內(nèi)的液態(tài)合金，重新注入金屬裝置5，向堆芯引入負(fù)反應(yīng)性。

功率調(diào)節(jié)及燃耗反應(yīng)性補(bǔ)償過程中，利用外部氣源13提升或降低控制系統(tǒng)回路壓力，移出或注入金屬裝置5內(nèi)的液態(tài)吸收體，向堆芯引入所需反應(yīng)性。關(guān)閉控制系統(tǒng)電控閥10，利用氣源閥12將泄壓罐11內(nèi)的壓力降至備用壓力。

若需要快速停堆，打開所有控制系統(tǒng)回路電控閥10進(jìn)行快速泄壓，貯氣罐8與氣管6出現(xiàn)較大壓差，將存貯罐7的液態(tài)合金快速注入導(dǎo)管5，向堆芯引入較大負(fù)反應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)快速停堆。

因此，本實(shí)用新型還可以涉及一種熔鹽堆反應(yīng)性控制方法。該方法的目的在于將熔鹽堆的反應(yīng)性依據(jù)需要控制成正反應(yīng)性或者負(fù)反應(yīng)性。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。