核裂變反應(yīng)堆系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】核裂變反應(yīng)堆系統(tǒng)
[0001]本申請是申請日為2007年11月26日、申請?zhí)枮?00780049881.4、發(fā)明名稱為“用于在核反應(yīng)堆中提供燃料的方法和系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本申請涉及核反應(yīng)堆，以及與其相關(guān)的系統(tǒng)、應(yīng)用和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]結(jié)合系統(tǒng)和方法，描述并說明了其以下的實施方式和方面，其意圖為示例性的和說明性的，而不是對范圍的限制。
[0004]示例性的實施方式提供自動化的核裂變反應(yīng)堆以及用于其運行的方法。示例性的實施方式和方面包括而不限于核裂變?nèi)剂系脑俅问褂?、替代燃料和燃料幾何結(jié)構(gòu)、模塊化的燃料芯、快速流體冷卻、可變燒盡、可編程的核調(diào)溫器、快中子通量輻射、溫度驅(qū)動的中子吸收、低冷卻劑溫度芯、燃料補給等。
[0005]除了以上所述的示例性的實施方式和方面，通過參考附圖和通過研宄以下詳細描述，其他的實施方式和方面將會變得明顯。
【附圖說明】
[0006]在引用的附圖中，說明了示例性的實施方式。其意圖為認為此處所公開的實施方式和附圖是說明性的，而不是限制性的。
[0007]圖1A示意性地示出示例性的核裂變反應(yīng)堆；
[0008]圖1B和IC描繪了截面vs中子能；
[0009]圖1D至IH示出在核裂變反應(yīng)堆開機運行的時間期間的相對濃度；
[0010]圖1I和IJ示意性地示出示例性的核裂變反應(yīng)堆芯組件；
[0011]圖2A至2C示意性地示出示例性的核裂變?nèi)剂辖M件；
[0012]圖3A至3D示意性地示出示例性的核裂變?nèi)剂蠋缀谓Y(jié)構(gòu)；
[0013]圖4示意性地示出示例性的非連續(xù)的核裂變?nèi)剂喜牧希?br>[0014]圖5示意性地示出示例性的模塊化的核裂變?nèi)剂闲荆?br>[0015]圖6A至6C示意性地示出示例性的模塊化的核裂變設(shè)施；
[0016]圖7示意性地示出示例性的快速流體冷卻；
[0017]圖8示意性地示出示例性的核裂變?nèi)剂系目勺儫M；
[0018]圖9A示意性地示出示例性的核裂變?nèi)剂系目删幊痰臏囟日{(diào)節(jié)；
[0019]圖9B描繪了運行溫度曲線圖；
[0020]圖1OA和1B示意性地示出材料的示例性核輻射；
[0021]圖1lA至IlC示意性地示出核反應(yīng)性的示例性溫度控制；
[0022]圖12示意性地示出示例性的低冷卻劑溫度核裂變反應(yīng)堆；
[0023]圖13示意性地示出示例性的核裂變?nèi)剂系娜コ?；以?br>[0024]圖14A和14B示意性地示出示例性的核裂變爆燃波的再次傳播。
【具體實施方式】
[0025]概括地說，各實施方式提供自動化的核裂變反應(yīng)堆以及用于其運行的方法。全部通過非限制性舉例的方式給出，將首先描述示例性的反應(yīng)堆、堆芯核物理范例以及運行的細節(jié)。然后，將描述關(guān)于幾個示例性的實施方式和方面的細節(jié)，例如但不限于，核裂變?nèi)剂系脑俅问褂?、替代燃料和燃料幾何結(jié)構(gòu)、模塊化的燃料芯、快速流體冷卻、可變燒盡、可編程的核調(diào)溫器、快中子通量輻射、溫度驅(qū)動的中子吸收、低冷卻劑溫度芯、燃料補給等。
[0026]現(xiàn)在參考圖1A，通過舉例而不是限制的方式給出，核裂變反應(yīng)堆10作為在此描述的實施方式和方面的示例性的載體環(huán)境(host environment)。盡管考慮了反應(yīng)堆10的許多實施方式，但在許多所考慮的反應(yīng)堆10的實施方式中，共同的特性是核裂變爆燃波，或“焚燒波前端(burnfront) ”的產(chǎn)生和傳播。
[0027]考虎事項
[0028]在討論反應(yīng)堆10的細節(jié)之前，反應(yīng)堆10的實施方式背后的一些考慮事項將通過概述的方式給出，而不是解釋為限制。反應(yīng)堆10的一些實施方式反映了達到下面討論的所有注意事項。另一方面，反應(yīng)堆10的一些其他實施方式反映了達到所選的注意事項，而不需要滿足下面討論的所有考慮事項。下面討論的部分包括摘自以下論文的信息=AspenGlobal Change Institute 的 2003 年 7 月的研討會上展不的 Edward Teller、MurielIshikawa、Lowell WoocURoderick Hyde 和 John Nukolls 的、題為“Completely AutomatedNuclear Power Reactors For Long-Term Operat1n:1I1.Enabling Technology ForLarge-Scale, Low-Risk, Affordable Nuclear Electricity，，，University of CaliforniaLawrence Livermore Nat1nal Laboratory，出版號為 UCRL-JRNL-1227O8 (2OO3)。(該論文是為提交到2003年11月30日的Energy, The Internat1nal Journal而準(zhǔn)備的)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
[0029]預(yù)想的用于反應(yīng)堆10的實施方式中的核裂變?nèi)剂贤ǔＪ瞧毡榭傻玫模绲幌抻阝?天然的、貧化的或濃縮的)、釷、钚，或者甚至先前燃燒過的核裂變?nèi)剂辖M件。此外，可在反應(yīng)堆10的實施方式中使用不那么普遍可得的核裂變?nèi)剂?，例如但不限于，其他錒系元素或其同位素。雖然反應(yīng)堆10的實施方式考慮以滿功率在約1/3個世紀(jì)至1/2個世紀(jì)或更久的量級的時間長期運行，但反應(yīng)堆10的一些實施方式的方面不考慮核燃料補給(而是考慮在壽命終止時就地掩埋)，而反應(yīng)堆10的實施方式的一些方面考慮核燃料補給一些核燃料補給發(fā)生在停機期間而，一些核燃料更換發(fā)生在開機運行期間。也考慮到，可避免核裂變?nèi)剂系幕厥?，因而降低了轉(zhuǎn)移為軍事用途的可能性以及減緩了其他問題。
[0030]反應(yīng)堆10的實施方式背后的其他考慮事項包括以明顯安全的方式處理在運行過程中產(chǎn)生的長期存在的放射性。預(yù)期地，反應(yīng)堆10能夠減緩由于操作者的失誤引起的傷害、例如冷卻劑損失事故(LOCA)的嚴(yán)重事故，等等。在一些方面，可以以低風(fēng)險并且廉價的方式來實現(xiàn)停止運行。
[0031]因此，反應(yīng)堆10的一些實施方式可能需要位于地下，從而解決放射性到生物圈中的大的、突然的釋放或小的、穩(wěn)態(tài)的釋放。反應(yīng)堆10的一些實施方式可能需要最小化操作者的控制，因而盡可能實際地自動化那些實施方式。在一些實施方式中，考慮了面向生命周期的設(shè)計(life-cycle-oriented design)，其中反應(yīng)堆10的那些實施方式可以以盡可能實際地完全自動的方式，從啟動一直運行到壽命終止而停機。反應(yīng)堆10的一些實施方式為其自身提供模塊化的構(gòu)造。最后，可根據(jù)高功率密度來設(shè)計反應(yīng)堆10的一些實施方式。
[0032]反應(yīng)堆10的各種實施方式的一些特性起因于一些上面的考慮事項。例如，同時滿足實現(xiàn)以全功率運行1/3-1/2個世紀(jì)(或更久)而無核燃料補給以及避免核裂變?nèi)剂系幕厥盏脑竿托枰褂每熘凶幽茏V。如另一個實例，在一些實施方式中，對反應(yīng)堆10例如通過強的快中子吸收劑在局部反應(yīng)上實現(xiàn)的負反饋而設(shè)計有負的反應(yīng)性溫度系數(shù)U τ)。如進一步的實例，在反應(yīng)堆10的一些實施方式中，分布式的調(diào)溫器使核裂變?nèi)剂先紵膫鞑ズ肆炎儽疾Ｊ匠蔀榭赡?。該模式同時允許非濃縮的錒系燃料，例如天然鈾或釷的高平均燒盡，并且允許在芯的燃料充入中使用可核裂變材料的適度同位素濃縮的相當(dāng)小的“核裂變點火器”區(qū)域。如另一個實例，在反應(yīng)堆10的一些實施方式中，在主芯和次芯冷卻中提供多重冗余(multiple redundancy)。
[0033]核裂變反應(yīng)堆的示例性的實施方式
[0034]既然已描述了在反應(yīng)堆10的一些實施方式背后的一些考慮事項，將解釋關(guān)于反應(yīng)堆10的示例性的實施方式的進一步的細節(jié)。應(yīng)強調(diào)，反應(yīng)堆10示例性的實施方式的下列描述只是通過非限制性舉例的方式給出，而不是通過限制的方式給出。如上所述，考慮了反應(yīng)堆10的幾個實施方式，還有反應(yīng)堆10的進一步的方面。在討論了關(guān)于反應(yīng)堆10的示例性的實施方式的細節(jié)之后，也將討論其他的實施方式和方面。
[0035]仍然參考圖1A，反應(yīng)堆10的示例性的實施方式包括放置在反應(yīng)堆壓力容器12內(nèi)的核裂變反應(yīng)堆芯組件100。考慮了核裂變反應(yīng)堆芯組件100的幾個實施方式和方面，其將在后面討論。將在后面詳細討論的關(guān)于核裂變反應(yīng)堆芯組件100的一些特征包括核裂變?nèi)剂喜牧虾推湎鄳?yīng)的核物理學(xué)、燃料組件、燃料幾何結(jié)構(gòu)，以及核裂變爆燃波的起爆和傳播。
[0036]反應(yīng)堆壓力容器12適當(dāng)?shù)厥乾F(xiàn)有技術(shù)已知的任何可接受的壓力容器，并且可由可接收地用于反應(yīng)堆壓力容器的任何材料制成，例如但不限于，不銹鋼。在反應(yīng)堆壓力容器12內(nèi)，中子反射器(未示出)和輻射屏蔽(未示出)包圍核裂變反應(yīng)堆芯組件100。在一些實施方式中，反應(yīng)堆壓力容器12位于地下。在這種情形中，反應(yīng)堆壓力容器12也可用作為核裂變反應(yīng)堆芯組件100的掩埋桶(burial cask)。在這些實施方式中，反應(yīng)堆壓力容器12適當(dāng)?shù)乇桓綦x材料如干砂的區(qū)域(未示出)包圍，用于長期環(huán)境隔離。隔離材料的區(qū)域(未示出)可具有直徑為約10m的尺寸。然而，在其他實施方式中，反應(yīng)堆壓力容器12位于地表上或接近地表。
[0037]反應(yīng)堆冷卻劑回路14將熱量從核裂變反應(yīng)堆芯組件100中的核裂變轉(zhuǎn)移到應(yīng)用換熱器16。可以根據(jù)具體應(yīng)用的需要來選擇反應(yīng)堆冷卻劑。在一些實施方式中，適當(dāng)?shù)?，反?yīng)堆冷卻劑是氦(He)氣。在其他實施方式中，適當(dāng)?shù)?，反?yīng)堆冷卻劑可以是其它的加壓惰性氣體，例如氖、氬、氪、氙，或其他流體，例如水或氣態(tài)或超流體二氧化碳，或液態(tài)金屬，例如鈉或鉛，或金屬合金，例如Pb-Bi，或有機冷卻劑，如聚苯或碳氟化合物。適當(dāng)?shù)兀鶕?jù)需要，反應(yīng)堆冷卻劑回路可以由鉭(Ta)、鎢(W)、鋁(Al)、鋼或其他含鐵或非鐵類合金制成，或由鈦基合金或鋯基合金制成，或由其他金屬或合金制成，或由其他結(jié)構(gòu)材料或復(fù)合材料制成。
[0038]在一些實施方式中，應(yīng)用換熱器16可以是蒸汽發(fā)生器，其產(chǎn)生蒸汽作為原動力，用于旋轉(zhuǎn)機器，如在發(fā)電站20內(nèi)的渦輪發(fā)電機18。在這種情形中，適當(dāng)?shù)兀肆炎兎磻?yīng)堆芯組件100在高工作壓力和高溫下運行，例如高于約1，000K，并且在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽可能是過熱蒸汽。在其他實施方式中，應(yīng)用換熱器16可以是在較低的壓力和溫度下(即，不需要過熱蒸汽)產(chǎn)生蒸汽的任何蒸汽發(fā)生器，并且核裂變反應(yīng)堆芯組件100在低于約550Κ的溫度下運行。在這些情形中，應(yīng)用換熱器16可以為諸如用于海水的淡化廠或用于通過蒸飽將生物質(zhì)加工成乙醇等的應(yīng)用提供工藝用熱(process heat)。
[0039]可選的反應(yīng)堆冷卻劑泵22使反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)經(jīng)過核裂變反應(yīng)堆芯組件100和應(yīng)用換熱器16。注意，雖然說明性的實施方式示出泵和重力驅(qū)動的循環(huán)，但是其它方式可以不使用泵或循環(huán)結(jié)構(gòu)，或其他的類似地在幾何構(gòu)造上受到限制。當(dāng)核裂變反應(yīng)堆芯組件100大體上位于與應(yīng)用換熱器16垂直地共面而導(dǎo)致不產(chǎn)生熱驅(qū)動力(thermal driving head)時，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置反應(yīng)堆冷卻劑泵22。當(dāng)核裂變反應(yīng)堆芯組件100位于地下時，也可以設(shè)置反應(yīng)堆冷卻劑泵22。然而，當(dāng)核裂變反應(yīng)堆芯組件100位于地下時，或以任何一種方式使得核裂變反應(yīng)堆芯組件100在應(yīng)用換熱器16下面被垂直地隔開時，可能在離開反應(yīng)堆壓力容器12的反應(yīng)堆冷卻劑和在較低溫的離開應(yīng)用換熱器16的反應(yīng)堆冷卻劑(離開應(yīng)用換熱器16的反應(yīng)堆冷卻劑的溫度低于離開反應(yīng)堆壓力容器12的反應(yīng)堆冷卻劑的溫度)之間形成熱驅(qū)動力。當(dāng)存在足夠的熱驅(qū)動力時，不需要設(shè)置反應(yīng)堆冷卻劑泵22來提供足夠的循環(huán)使反應(yīng)堆冷卻劑經(jīng)過核裂變反應(yīng)堆芯組件100以從在開機運行期間的裂變中去除熱量。
[0040]在一些實施方式中，可設(shè)置多于一個的反應(yīng)堆冷卻劑回路14，從而在諸如冷卻劑損失事故(LOCA)或流量損失事故(LOFA)或主至次泄漏的嚴(yán)重事故事件中，向其他反應(yīng)堆冷卻劑回路14中的任意一個提供冗余。每個反應(yīng)堆冷卻劑回路14通常額定為全功率運行，雖然一些應(yīng)用可以去除該限制。
[0041]在一些實施方式中，在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)14的線路中設(shè)置一次性關(guān)停24，例如反應(yīng)堆冷卻劑截止閥。在每個所設(shè)置的反應(yīng)堆冷卻劑回路14中，在來自反應(yīng)堆壓力容器12的出口線路以及在從應(yīng)用換熱器16的出口到反應(yīng)堆壓力容器12的返回線路中設(shè)置有關(guān)停24。一次性關(guān)停24是快速動作的關(guān)停，其在緊急情況下，例如檢測到反應(yīng)堆冷卻劑中的相當(dāng)數(shù)量的裂變產(chǎn)物時，快速關(guān)閉。除了自動致動的常規(guī)閥的冗余系統(tǒng)(redundant system)(未示出)，也設(shè)置了一次性關(guān)停24。
[0042]設(shè)置排熱換熱器26來去除余熱(after-life heat)(衰變熱)。排熱換熱器26包括配置為將衰變熱去除冷卻劑循環(huán)經(jīng)過核裂變反應(yīng)堆芯組件100的主回路。排熱換熱器26包括耦合到設(shè)計的排熱熱管網(wǎng)絡(luò)(未示出)的次回路。在一些情形中，例如，為了冗余的目的，可設(shè)置多于一個的排熱換熱器26。每個所設(shè)置的排熱換熱器26可以位于核裂變反應(yīng)堆芯組件100之上的一垂直距離處，從而提供足夠的熱驅(qū)動力來使能衰變熱去除冷卻劑的自然流動，而不需要衰變熱去除冷卻劑泵。然而，在一些實施方式中，可以設(shè)置衰變熱去除泵(未示出)，或者，如果設(shè)置了反應(yīng)堆冷卻劑泵，則反應(yīng)堆冷卻劑泵在適當(dāng)時可以用于去除衰變熱。
[0043]既然已經(jīng)給出反應(yīng)堆10的示例性的實施方式的概述，那么將討論其它實施方式和方面。首先，將討論核裂變反應(yīng)堆芯組件100的實施方式和方面。首先，將描述