本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆內(nèi)的裂變速率的管理。具體地，本發(fā)明涉及其中燃料被容納在多個燃料管內(nèi)的反應(yīng)堆內(nèi)的裂變速率的管理。

背景技術(shù)：

熔鹽核反應(yīng)堆基于溶解在熔鹽中的臨界質(zhì)量的可裂變材料。這通常被稱為燃料鹽。所述燃料鹽在1950年代到1970年代在橡樹嶺國家實驗室中率先采用，但還沒有被成功地商業(yè)化。所述燃料鹽具有優(yōu)于其它類型的反應(yīng)堆的多個潛在的優(yōu)點(diǎn)，包括由釷產(chǎn)生可裂變233鈾的能力、生成比鈾/钚反應(yīng)堆低很多水平的超鈾錒廢物、在高溫下操作、避免揮發(fā)性的放射性可裂變產(chǎn)物在固體燃料棒中的積聚以及比傳統(tǒng)反應(yīng)堆中高很多的可裂變材料的燃耗比。

GB 2508537公開了一種熔鹽反應(yīng)堆，其中所述核由浸在冷卻劑罐中的一個陣列的大致垂直的管構(gòu)成，每一個管都容納有熔鹽燃料。出于安全和效率的原因，優(yōu)選的是對于整個核保持均勻的發(fā)電速率。如果所有燃料管容納有相等濃度的可裂變材料，則發(fā)電由于較高的中子水平朝向核的中心將是最大的。為了減輕這種影響，在GB 2508537中提出來所述陣列朝向中心更寬地分隔開(或者等同地，選定的燃料管保持空閑)，或者裂變同位素和/或再生同位素的濃度朝向陣列的中心減少。

在反應(yīng)堆的操作期間，燃料被消耗。這減少了核產(chǎn)生的動力。因此，為了延長反應(yīng)堆的操作，新燃料必須被添加以替換已消耗掉的燃料。這可以通過將一定數(shù)量的裂變同位素直接添加到燃料管來實現(xiàn)，但裂變產(chǎn)物(其中有許多用作中子毒物)的增加使這在幾個周期后是不經(jīng)濟(jì)的。用過的燃料管可以從核中移除并用新的燃料管代替。然而，為了從所述陣列移除用過的燃料管，用過的燃料管必須相對于其它燃料管被抬高。這需要從冷卻劑中移除，否則由于燃料管仍然會在非常高的溫度下而造成顯著的安全風(fēng)險，或者需要冷卻劑足夠深，使得燃料管可以在仍然在冷卻劑中時被從核抬高并移除。這顯著增加了反應(yīng)堆的尺寸和資源成本，并且很可能不能使用熔鹽作為冷卻劑用于熔鹽反應(yīng)堆。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種操作核裂變反應(yīng)堆的方法。該反應(yīng)堆包括反應(yīng)堆核和容納冷卻劑的冷卻劑罐。所述反應(yīng)堆核包括燃料組件的陣列。每一個燃料組件大致垂直地延伸且包括容納一個或多個可裂變?nèi)剂系娜剂瞎堋Ｈ剂瞎芙诶鋮s劑中。所述方法包括：對燃料組件中的每一個中燃料濃度和/或裂變速率進(jìn)行監(jiān)測和/或建模；和根據(jù)監(jiān)測和/或建模的結(jié)果，在不需要從冷卻劑中提起燃料管地情況下，使燃料組件在陣列內(nèi)水平移動，從而控制反應(yīng)堆核中的裂變速率。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種核裂變反應(yīng)堆。所述反應(yīng)堆包括核、容納冷卻劑的冷卻劑罐、燃料組件移動單元和反應(yīng)堆核控制器。所述核包括燃料組件的陣列，每一個燃料組件大致垂直地延伸且包括容納可裂變?nèi)剂系囊粋€或多個燃料管。燃料管浸在冷卻劑中。燃料組件移動單元被構(gòu)造為在不需要從冷卻劑中提起燃料管地情況下使燃料組件在陣列內(nèi)水平移動。反應(yīng)堆核控制器被構(gòu)造成確定燃料組件單元的新的構(gòu)造，并使燃料組件移動單元移動燃料組件，以便獲得新的構(gòu)造。

根據(jù)又一個方面，提供一種用于核裂變反應(yīng)堆中的燃料組件。燃料組件大致垂直地延伸且包括容納可裂變材料的一個或多個燃料管、第一連接單元和第二連接單元。第一連接單元位于每一個燃料組件的頂端處，并且被構(gòu)造成被反應(yīng)堆的燃料組件移動單元接合，以使燃料組件移動單元能夠移動燃料組件。第二連接單元被構(gòu)造為與核裂變反應(yīng)堆中的另一個燃料組件或固定結(jié)構(gòu)接合，以可釋放地將燃料組件固定在燃料組件的陣列中的適當(dāng)位置處。燃料組件被構(gòu)造為使得當(dāng)燃料組件被浸在冷卻劑流體中時，冷卻劑流體能夠在燃料管之間流動。

本發(fā)明的進(jìn)一步方面在權(quán)利要求2及以下權(quán)利要求中闡述。

附圖說明

一些優(yōu)選實施例現(xiàn)在將僅通過示例的方式并參照附圖來說明，在附圖中：

圖1是燃料組件的示例性陣列的一部分的俯視圖；

圖2是示例性裂變反應(yīng)堆的俯視圖；

圖3A-3E是燃料組件的示例性陣列的俯視圖；

圖4是反應(yīng)堆的方框圖；以及

圖5是示例性的燃料組件的側(cè)視圖。

具體實施方式

為了解決上述問題并允許反應(yīng)堆有效地操作，提出一個解決方案，即垂直燃料管可以在陣列內(nèi)移動并在不需要將所述垂直燃料管抬高到陣列上方的情況下從陣列中移除。為了方便起見，該陣列被劃分成可以水平移動的多個燃料組件。這些燃料組件的協(xié)同運(yùn)動可以在燃料用完時獲得朝向陣列中心的燃料管運(yùn)動，并且具有小于最小水平的可裂變材料/增殖性材料的燃料管沿著“退出行列”移出陣列。新的燃料管可以被添加到陣列的外邊緣處。以這種方式，在反應(yīng)堆的整個壽命中可以基本上保持可裂變材料的濃度隨位置的變化。

每個燃料組件限定陣列單元，即包圍所述燃料組件且不含有另一個燃料組件的任何部分的區(qū)域。這些單元可以具有任何形狀的水平橫截面(所述水平橫截面將允許陣列中的行水平移動)，例如具有三角形或平行四邊形形狀的水平橫截面(平行四邊形在本文中用于包括菱形、矩形或方形的橫截面以及通常的平行四邊形)。圖1是燃料組件的示例性陣列的一部分的俯視圖。燃料組件101包括燃料管102。每個燃料組件可以被認(rèn)為限定一個單元103，如虛線所示。為了確保燃料管的緊密堆疊，燃料管和所述陣列的單元的邊緣之間的間隙可以被最小化。

當(dāng)每個燃料組件中的燃料耗盡時，所述燃料組件朝向陣列的中心移動。一旦燃料組件的燃料被充分耗盡，所述燃料組件不能再用于核(“用過”)中，所述燃料組件被移出陣列。要提及的是該運(yùn)動不需要將燃料組件提起到冷卻劑外：所述燃料組件在陣列內(nèi)基本上水平移動(盡管可能需要一些小的垂直運(yùn)動以脫離鎖定機(jī)構(gòu))。

圖2示出了可裂變反應(yīng)堆的俯視圖。反應(yīng)堆核包含燃料組件201的陣列(在本示例中顯示出具有方形橫截面)并被障板區(qū)段202和沸騰區(qū)段(boiler segment)203包圍。所述陣列具有包含用過的燃料組件的燃料“退出行”204。當(dāng)新的用過的燃料組件被添加到退出行(通常從核的中心添加)時，用過的燃料組件朝向陣列的邊緣移動。陣列邊緣處的在退出行的端部處的用過的燃料組件然后遠(yuǎn)離核被移除到“用過的燃料存儲部”205中，直到所述燃料組件已被充分冷卻以從冷卻劑安全地提取出來為止。“用過的燃料通道”206可以設(shè)置在包圍核(例如，障板和沸騰區(qū)段)的任何反應(yīng)堆部件中，以便將用過的燃料組件從核中移除。

冷卻劑內(nèi)的耗盡的燃料存儲位置優(yōu)選地在核周圍設(shè)置的任何中子反射器的外側(cè)(以防止在用過燃料內(nèi)的進(jìn)一步反應(yīng))，更優(yōu)選地在冷卻劑中的任何沸騰管或其它熱提取之外(以允許熱提取在冷卻劑的更溫暖的區(qū)域中，并更有效地操作)。

圖3A至3E是燃料組件的示例性陣列300的示意性俯視圖，顯示了燃料組件如何可以移動通過陣列300。在圖3A中，退出行301由對角線陰影的燃料組件示出。這些燃料組件的燃料被耗盡。陣列中的其它燃料組件(實心填充的三角形)具有基于其在陣列中的位置的燃料濃度。圖3B和圖3C示出燃料組件在被耗盡時如何可以從核的中心移動到退出行。在圖3B中，耗盡的燃料組件中的一個和退出行中的燃料組件向左移動，從而將最外側(cè)燃料組件推動到陣列的邊緣外，并且在陣列中形成平行四邊形間隙302。在圖3C中，要移動到退出行的另一個燃料組件移動到該間隙中，并且陣列外的用過的燃料組件303被移動到用過的燃料存儲區(qū)域。標(biāo)有棋盤圖案的行304被選擇為靠近核移動。這可以根據(jù)陣列的每一行中的當(dāng)前燃料濃度來進(jìn)行。在圖3D中，行304沿對角線向下且向左移動以填充陣列中心的間隙。這在陣列的邊緣處留下間隙，該間隙在圖3E中接著被新的燃料組件305填充。

更復(fù)雜的運(yùn)動可以例如通過只移動行的一部分到中心處留下的間隙中來實現(xiàn)，以在陣列中的另一個點(diǎn)處形成新的間隙，其中另一行可以在不同的方向(有效地是穿過陣列的“之字形”管)上移動到所述新的間隙中。通常，對于三角形陣列，陣列中的行和部分行可以被移出該陣列，或者可以通過在行中產(chǎn)生平行四邊形形狀的間隙(即，兩個陣列單元的間隙)并移動所述行或所述部分行來填充該間隙而在陣列內(nèi)移動。在平行四邊形陣列的情況下，僅需要留出單個單元的間隙來允許一行的移動。

新的燃料組件可以從陣列上方下降，或者所述燃料組件可以被水平地帶到陣列的邊緣。如果新的燃料組件從上方下降，則所述燃料組件原則上可以在陣列中的任何一點(diǎn)處被加入，但是在燃料組件中的可裂變材料的濃度降低時通過在陣列的外面添加所述燃料組件并朝向陣列的內(nèi)部移動燃料組件來獲得最大優(yōu)點(diǎn)。

作為占滿用過的燃料組件的退出行的一種可選方案，退出行可以沒有燃料組件，且移動到退出行的燃料組件被立即從核水平地移除。然而，這種方法可能會影響與退出行相鄰的燃料組件的穩(wěn)定性。至于另外的一種可選方案，可以通過在特定的方向上相對于所需的退出行遠(yuǎn)離該行移動所有燃料組件而形成臨時的退出行，從而形成使用過的燃料可以移動通過的空的通道。作為又一個可選方案，燃料組件可以成行地順序移動，使得用過的燃料組件一次只移動一“步”(即，打開用過的燃料組件前面的間隙，并且一旦通過則關(guān)閉燃料組件后面的間隙)。

所述運(yùn)動可以基于燃料組件內(nèi)的可裂變材料的裂變速率和/或的濃度的監(jiān)測來執(zhí)行。這可以被直接測量或者為輔助指標(biāo)，例如：

·燃料組件中的可裂變材料的濃度

·燃料組件所產(chǎn)生的熱量

·燃料組件的溫度

·燃料組件產(chǎn)生的電離輻射

·裂變產(chǎn)物的生成速率

·燃料組件內(nèi)外的中子通量。

作為一種替代方案，陣列內(nèi)的可裂變材料的裂變速率和/或濃度可以預(yù)先被建模，以便確定在反應(yīng)堆的生命周期中將遵循的運(yùn)動方式。

圖4是顯示可以用于實施上述方法的反應(yīng)堆的方框圖。該反應(yīng)堆包括包含如前所述的燃料組件陣列402的反應(yīng)堆核401、燃料組件移動單元403以及反應(yīng)堆核控制器404。燃料組件移動單元被構(gòu)造成使燃料組件在陣列內(nèi)水平移動而不需要將所述燃料組件從冷卻劑中提起，例如如上所述。這可以例如通過燃料組件陣列上方的起重機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，所述起重機(jī)構(gòu)可以抓起燃料組件的頂部處的連接單元。反應(yīng)堆核控制器被構(gòu)造成確定用于燃料組件的新的構(gòu)造(例如，從上述的燃料組件的監(jiān)測結(jié)果來確定，或者從如上所述的建模結(jié)果來確定，或者重新找到之前由建模結(jié)果確定的構(gòu)造)，并使燃料組件移動單元移動燃料組件以獲得所述新的構(gòu)造。

反應(yīng)堆還可以包括傳感器組件405，所述傳感器組件被構(gòu)造成監(jiān)測燃料組件內(nèi)的可裂變材料的裂變反應(yīng)速率和/或濃度，并且當(dāng)確定新的構(gòu)造時，反應(yīng)堆核控制器可以使用監(jiān)測結(jié)果。

圖5示出了燃料組件500的示例性結(jié)構(gòu)。燃料組件保持多個燃料管501，每一個燃料管都具有顯示在附圖的左側(cè)的結(jié)構(gòu)。燃料管通過上柵格502和下柵格503保持在燃料組件內(nèi)的適當(dāng)位置處，所述上柵格和所述下柵格在距離燃料組件的上末端和下末端一定距離處支撐所述管。這確保了燃料管懸浮在冷卻劑中而沒有過分靠近冷卻劑罐的基部或頂部。燃料組件由結(jié)構(gòu)管504支撐，并且燃料組件的側(cè)部大多數(shù)被打開，以允許冷卻劑流動通過燃料管。

燃料組件的頂部具有用于連接到反應(yīng)堆的燃料組件移動單元的提起點(diǎn)505。提起點(diǎn)可以被燃料組件移動單元接合，以便水平并且垂直地移動燃料組件。燃料組件的垂直移動可以被限制為不同于用過的燃料冷卻位置，以在發(fā)生故障的情況下熱時防止燃料組件被從冷卻劑中提起。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是提起點(diǎn)僅是可以由反應(yīng)堆的燃料組件移動單元接合的可能的連接單元的一個示例。

燃料組件的底端506被成形為與在反應(yīng)堆罐的底板上的互補(bǔ)插口接合。在所示的示例中，燃料組件具有錐形底部，但所述燃料組件也可以是任何適當(dāng)?shù)男螤?，從而允許所述燃料組件被容納到插口中并通過重力保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩榱舜_保燃料組件被安全可靠地保持，燃料組件可以被構(gòu)造成例如通過將額外的質(zhì)量增加到燃料組件的底部而在熔鹽冷卻劑中被動浮動。為了允許燃料組件水平運(yùn)動，燃料組件被提起足以使燃料組件的底部脫離插口的距離，而不需要將燃料管從冷卻劑中移除，并且所述燃料組件接著可以如上所述水平移動。另外或可選地，機(jī)械固定裝置、磁性固定裝置或其它固定裝置可以用于固定燃料組件的基部，只要這些固定裝置可以在燃料組件要被移動時脫開即可。在磁性連接的情況下，這可以是在燃料組件上的電磁體與反應(yīng)堆中的電磁體或者鐵磁或順磁材料之間，或者反之亦然，或者在燃料組件上的永磁體(例如，鐵磁材料)與反應(yīng)堆中的另一個永磁體或順磁材料之間。燃料組件還可以具有附件，從而允許所述燃料組件被固定到相鄰的燃料組件。這些附件將被釋放以允許燃料組件在陣列內(nèi)移動。如果多個組件要一起移動(例如，如圖3B中所示)，則所述組件可以在所述移動期間保持被連接。通常，燃料組件將具有連接單元，所述連接單元被構(gòu)造成與另一個燃料組件接合或者與反應(yīng)堆的固定結(jié)構(gòu)接合，以便將燃料組件可釋放地固定在適當(dāng)位置。

燃料組件可以包括一個或多個傳感器，以確定燃料管中的可裂變材料的裂變速率或濃度，可選地，每一個燃料管或燃料管的子集可以單獨(dú)地包括這樣的傳感器，并且可以對于每一個燃料管單獨(dú)地確定速率或濃度。

雖然這樣的燃料組件管理系統(tǒng)可以被應(yīng)用于許多反應(yīng)堆設(shè)計，但是尤其適合于熔鹽反應(yīng)堆，這是由于反應(yīng)堆在接近大氣壓下工作且冷卻劑鹽不與空氣發(fā)生反應(yīng)。在涉及高壓或空氣反應(yīng)性的冷卻劑鹽的反應(yīng)堆中，具有冷卻劑的開口的頂面會造成額外的火災(zāi)風(fēng)險。

燃料組件中的燃料管的數(shù)量應(yīng)該根據(jù)反應(yīng)堆的所需中子來選擇。每個組件有更多個管允許各個管更靠近(并因此對于給定的反應(yīng)速率在每一個管中需要較少的燃料)，但是減少了調(diào)節(jié)核中的反應(yīng)速率時可獲得的精細(xì)控制的量(由于大堆的管必須被同時移動)。相反，每個組件有更少的管允許對反應(yīng)速率更精細(xì)的控制(在每個組件僅具有單個管的限制下，每一個管的位置可以被優(yōu)化)，但在整個核上需要較大的管平均距離(因為組件的邊緣處的管必須足夠遠(yuǎn)離相鄰的組件，以允許移動自由)。

類似地，燃料組件的形狀、組件內(nèi)的管的堆疊以及反應(yīng)堆核的形狀可以全部根據(jù)所需的中子來改變。

為了允許對中子更大的控制，組件也可以被設(shè)置成使燃料管中的一個、多個或全部已經(jīng)被空管或者容納有中子吸收劑、緩和劑和/或反射堆的管代替?？梢怨芾磉@些組件的運(yùn)動，以便橫過核獲得期望的裂變速率。

中子的進(jìn)一步控制可以通過在燃料鹽內(nèi)包括不同燃燒速率的中子吸收劑來獲得，使得燃料鹽的反應(yīng)性以較低的速率下降，這僅是因為裂變同位素的耗盡。