本發(fā)明涉及一種熔鹽堆的主容器，尤其是能安全運行和核燃料自增殖且自足的、主要作為中子源，也可作為小型能源應用的熔鹽貧鈾堆的球形主容器。

背景技術：

中子源的種類較多，主要有放射性核素中子源、加速器中子源和反應堆中子源。雖然各有不同的作用和用途，如輻照生產醫(yī)用等放射性同位素、中子活化分析、中子散射等和科學技術研究，但其運行成本、使用和獲得中子的成本都較高。因此研發(fā)一種即能安全運行又能使運行和使用成本很低廉的中子源是實際應用中很需要的。

普通熔鹽堆以氟化釷熱中子熔鹽堆，即釷基熔鹽堆，為代表。其遇到的主要困難有：(1)與熔鹽相容或耐腐蝕的材料難題，(2)熔鹽內裂變產物的凈化難題，(3)一回路和凈化系統(tǒng)在其高放射性條件下的操作、運行和防護難題。其中材料難題已初步得到解決，而后二者解決的難度很大且成本很高。從熔鹽內凈化裂變產物，目前尚未得到有效的解決。

改性熔鹽堆采用把裂變產物一直保留在其熔鹽內的運行模式。雖然可以不凈化，但只能做到，待裂變產物積累到其最大允許程度后，整個主容器連同內部熔鹽一起報廢。改性熔鹽堆研發(fā)的最新概念型，是用天然鈾作為燃料最小限度燃料熔鹽分離的快中子轉換熔鹽堆，僅分離揮發(fā)性裂變產物和機械過濾貴金屬粒子，其余裂變產物全部保留在堆芯熔鹽內至堆芯及其燃料熔鹽整體報廢。

世界上運行的反應堆，如熱中子堆、鈉冷快堆等，都存在發(fā)生超臨界事故的風險，另外熱中子堆類的鈾資源利用率很低，鈉冷快堆的鈉化學活性也帶來很多問題和困難。核臨界安全問題和鈾資源利用率問題，是當前世界面臨的反應堆難題。

目前，上述這些難題都可以通過熔鹽貧鈾堆的應用而解決。熔鹽貧鈾堆已經申請中華人民共和國國家知識產權局發(fā)明專利，其申請?zhí)枮?01310204051.1。圓柱形隔板式主容器的熔鹽貧鈾堆不需要裂變產物凈化，就能實現輸入的只是貧鈾輸出的就是乏燃料，同時實現長期安全穩(wěn)定的正常運行，而且熔鹽核燃料熱膨脹的體積調整等問題都已經解決，發(fā)明專利申請?zhí)?01310192761.7。

技術實現要素：

為了克服現有的熱中子堆和鈉冷快堆等都存在發(fā)生超臨界事故的風險，熱中子堆類的鈾資源利用率很低，鈉冷快堆的鈉化學活性帶來的很多困難，及作為中子源其運行、使用和獲得中子的成本都較高的不足，本發(fā)明提供一種適用于熔鹽貧鈾堆的同心球面隔板式球形主容器，可以構成熔鹽貧鈾堆型的反應堆中子源，也可構成小型能源堆應用，該反應堆不僅能徹底消除發(fā)生超臨界事故的風險，大幅度提高鈾資源的利用率，無需凈化系統(tǒng)，實現貧鈾的高燃耗，而且能使該類熔鹽貧鈾堆中子源的運行、使用和獲得中子的成本都很低廉。作為小型 能源應用時獲得和使用能量的總成本也很低廉。

主容器是熔鹽堆的關鍵部件，也是熔鹽貧鈾堆的關鍵部件。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

用同心球面隔板式球形主容器，解決其球形主容器內裂變產物凈化的難題，不需要裂變產物凈化系統(tǒng)，實現其輸入的只是貧鈾輸出的就是乏燃料的燃耗模式，并同時實現長期安全穩(wěn)定的正常運行。

同心球面隔板式球形主容器的結構，采用多層同心球形的結構布置，沿球形主容器的半徑或直徑橫向布置球面形的隔板，用間隔數厘米的薄隔板把熔鹽隔斷成等厚度或特定厚度的薄片，每個球面形的隔板上設有一個或數個進料口和出料口，按運行條件和設計等需要，可以在進出料口設置可控閥或單向閥或壓力閥即只有達到設定壓力值時才開啟的閥，以按需要控制熔鹽流向和流動模式，并由相應的具體計算給定球面隔板的間隔。

在同心球面層之間，還可以沿徑向設置按特定要求定位的薄隔板，使得在每一對進料口和出料口之間形成管狀的熔鹽通道。按運行條件和設計需要，可以在通道上設置可控閥或壓力閥或單向閥或柔性塞，以使熔鹽按需要的模式流動同時防止熔鹽無序流動及乏燃料逆向流動，也能把管狀通道中的熔鹽核燃料分成段，利于按熔鹽段為單位換料。例如讓熔鹽核燃料在其通道中實現定向即單向流動。同時也能解決熔鹽熱膨脹的流動問題和通道中已經分成段的熔鹽的分批次加料和換料問題。單或多條熔鹽通道的平面投影形狀可以設計成螺旋形、折疊形等，與連向堆芯外的管道一起，布滿二球面間的夾層且無交叉和重復。

每個層的進料口數與出料口數及通道數可相同或不同。即每個通道雖可只有一個進料口和一個出料口，但兩個或多個通道可共用一個進料口或出料口。有特殊需要時一個通道也可在中部分岔成兩或多個通道。通道的橫截面積應基本相等，橫截面積的大小根據具體應用不同的要求由相應的計算給定。

熔鹽核燃料的流向可從最內層逐層流向外層，到最外層就變成乏燃料。有特殊用途或需要時也可從最外層流向最內層。最內層、最外層和需要的中間層，都有相應的通道連接到堆芯外的加料、出料、貯料等控制和保障裝置。

同心球面隔板式球形主容器的熔鹽貧鈾堆，作為中子源應用時，其主容器的球心部分可設置為空腔并設置有通道連接到堆芯外，以構成其工作空間和工作通道，空腔的大小可按需要設計和布置，用于放置被輻照物或導出中子等。雖然主要應用中子，而其產生的熱能也可開展綜合利用以提高總效益。也可在設計時就考慮充分利用其多用途性，如熱能和中子源聯供。

作為小型能源應用時，其球心部分為熔鹽核燃料或加入的部分新料，并設置有加料通道連接到堆芯外。當核燃料全部在球形主容器內并用其器壁傳熱時，其器壁可以部分或全部制成板式熱交換器，這種器壁型緊湊型板式熱交換器可以是單層或多層，用金屬或碳碳復合物等制造，內通氣體或熔鹽冷卻劑，大幅度增加的球形主容器熱交換面積，有利于堆芯熱能更有效的導出。

這樣即可同時解決熔鹽貧鈾堆球形主容器不需要裂變產物凈化，無需凈化系統(tǒng)，就能實現其輸入的只是貧鈾輸出的就是乏燃料的燃耗模式，并同時實現長期安全穩(wěn)定的正常運行和熔鹽核燃料熱膨脹的體積調整等問題。其不足就是結構顯得稍復雜些，但仍比固體核燃料反應堆結構簡單的多得多。優(yōu)化和簡化可從其通道的結構、數量和粗細等方面著手考慮和設計。

球形主容器內徑向隔板與同心球面隔板構成的通道、可控閥等的密封性要求不高，微量甚至少量熔鹽泄漏對該堆的正常運行影響不大。堆芯內整體的隔板結構采用模塊化設計、各模塊間非焊接堆積安裝和模塊整塊更換的模式。并可根據輻照劑量和使用壽命的需要，容易的全部或部分的更換隔板模塊。這有利于其堆芯的低成本運行和維護。

同心球面隔板式球形主容器，頂部設有可開啟的蓋板，用以較方便的更換模塊化設計的內部隔板模塊等，也用來對隔板模塊施加一定的壓力以提高該主容器與其內隔板間、以及隔板模塊之間等的密封性。其外面還設有排出熔鹽乏燃料和加料機構、貯罐等。

熔鹽貧鈾堆同心球面隔板式球形主容器中的熔鹽在球面間的薄片或管狀通道中自然循環(huán)冷卻，沿徑向形成的各熔鹽薄片的核素密度分布、中子通量、功率密度、燃耗等有所不同且沿徑向近似連續(xù)的變化，也很容易的以通道段為單位添加熔鹽新料或移除乏燃料，這樣就可以在貧鈾或釷的熔鹽型介質內，形成球形的穩(wěn)定臨界的活性區(qū)。也能夠實現可轉換材料的高燃耗和高放裂變產物的高嬗變。這有利于其廣泛的應用。

維護、更換隔板等停堆時，堆芯內的核燃料熔鹽要順序分區(qū)段泵出，或用冷卻氣體或清洗鹽加壓排出，不同區(qū)段排出的熔鹽存貯在不同的貯罐中。重新開堆時，再依照能構成原堆芯內核燃料熔鹽分布的方法，順序的輸入。

正常停堆時，可用類似的辦法。只是排出的核燃料熔鹽量到停堆的要求即可。

緊急情況下或熔鹽溫度超過設定值時，只需直接排出活性區(qū)及其附近足夠停堆的熔鹽即可。乏燃料等區(qū)的熔鹽可排出到另外的貯罐中。分區(qū)段排出可減小損失。

本發(fā)明的有益效果是：基于熔鹽貧鈾堆不會發(fā)生超臨界事故，能確保核臨界安全；具有負反饋能保持在臨界狀態(tài)，實現長期安全穩(wěn)定運行；堆內完成整個閉合的鈾钚循環(huán)鏈；正常運行時只需要用貧鈾，自身不需要有鈾濃縮和裂變產物凈化；能實現貧鈾的高燃耗；以及結構簡單、運行操作簡易、長壽命、高效低成本，還非常適合大規(guī)模推廣應用等的優(yōu)異性能，結合本發(fā)明的同心球面隔板式球形主容器，能夠構成熔鹽貧鈾堆中子源等，解決其球形主容器內裂變產物凈化的難題，不需要裂變產物凈化系統(tǒng)，實現對該堆直接輸入的只是貧鈾而直接輸出的就是乏燃料的燃燒模式，并同時實現低成本的長期安全穩(wěn)定的正常運行，因此能為各種應用提供非常廉價的中子，而其產生的熱能也可開展綜合利用。它也可作為小型能源堆應用以提供廉價的能源。

這些獨特性能表明，同心球面隔板式球形主容器熔鹽貧鈾堆，有廣闊的應用前景和產業(yè)發(fā)展空間。例如，用于生產同位素的生產堆、開展中子輻照、中子散射等科學研究和試驗的中子源、研究堆和實驗堆，以及對最大體積有限制，希望體積越小越好，同時對輸出功率要求不高的特殊用途堆，或小型能源堆等。

與圓柱形隔板式主容器的相比，這種堆可能不太適合作為中型和大型的能源堆應用。因其同心球形的主容器結構，由內層向外傳導熱量較困難，需要層層進行熱交換，直到最外層。熔鹽通過隔板和主容器壁熱交換的效率不高。因此，只能做到小功率輸出。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的作為中子源應用的熔鹽貧鈾堆的同心球面隔板式球形主容器的橫剖面構造示意圖。

圖2是本發(fā)明的作為小型能源應用的熔鹽貧鈾堆的同心球面隔板式球形主容器的橫剖面構造示意圖。

圖1中，1.球形主容器的器壁系統(tǒng)，2.出料控制存貯裝置及管道，3.頂蓋系統(tǒng)，4.進出料口及閥裝置，5.中子源使用和實驗裝置及管道，6.同心球面薄隔板，7.熔鹽貯罐系統(tǒng)，8.球心實驗用空腔，9.加料控制存貯裝置及管道。

圖2中，1.球形主容器的器壁系統(tǒng)，2.出料控制存貯裝置及管道，3.頂蓋系統(tǒng)，4.進出料口及閥裝置，5.加料控制存貯裝置及管道，6.同心球面薄隔板，7.熔鹽貯罐系統(tǒng)。

具體實施方式

建造新反應堆時，要按照對反應堆實際應用條件下的具體指標要求，如作為中子源或小型能源，同時按照用同心球面隔板式球形主容器的熔鹽貧鈾堆的要求設計建造，才能滿足該堆的正常運行的特殊性能的要求。在實現其優(yōu)異性能如不會發(fā)生超臨界事故、用負反饋保持在臨界狀態(tài)實現長期安全穩(wěn)定的運行、能實現高燃耗、長壽命等的條件下，為應用提供很廉價的中子或能量。

在圖1中，熔鹽新料由加料控制存貯裝置及管道(9)進入球心實驗用空腔(8)的外部，原熔鹽由設置在同心球面薄隔板(6)上的進出料口及閥裝置(4)及出料控制存貯裝置及管道(2)排出堆芯，被輻照物通過中子源使用和實驗裝置及管道(5)置于球心實驗用空腔(8)中進行輻照，頂蓋系統(tǒng)(3)用于加壓力和維護，熔鹽貯罐系統(tǒng)(7)存貯分區(qū)排出的熔鹽和清洗鹽等，球形主容器的器壁系統(tǒng)(1)用于支撐、定位內部結構和導出熱能等。

在圖2中，熔鹽新料由加料控制存貯裝置及管道(5)進入球心內，原熔鹽由設置在同心球面薄隔板(6)上的進出料口及閥裝置(4)及出料控制存貯裝置及管道(2)排出堆芯，頂蓋系統(tǒng)(3)用于加壓力和維護，熔鹽貯罐系統(tǒng)(7)存貯分區(qū)排出的熔鹽和清洗鹽等，球形主容器的器壁系統(tǒng)(1)用于支撐、定位內部結構和導出熱能等。