[发明专利]球形燃料反应堆

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆工程研究设计领域，涉及一种球形燃料反应堆。

背景技术

球形燃料元件已应用在高温气冷堆中，由于其有易于装料、换料，对放射性物质的良好包容能力等优点，得到了普遍的认同。熔盐堆综合性能良好，但高温下熔盐的强腐蚀性是工程上难以解决的问题。

发明内容

本发明球形燃料反应堆是把核燃料和固体冷却剂一起封装在球形固体中，制成球形燃料组件，并通过机械传送系统，使球形固体在反应堆和蒸汽发生器之间循环流动，达到热量由反应堆传递到蒸汽发生器的目的。

一般认为只有液体和气体才能作为反应堆冷却剂，本发明球形燃料反应堆是采用球形固体作为冷却剂。球形固体有良好的滚动能力，大量的球形固体颗粒聚集在一起流动，可以表现出一些和液体流动类似的特征，特别是当球形固体粒径较小时，其流动特性和液体流动特性很相似。球形燃料反应堆是让球形固体颗粒借助其自身重力在反应堆内由上往下流动，并用提升传送装置把球形固体颗粒提升到需要的高度，球形固体不断的上下循环流动。球形燃料反应堆利用这种球形固体颗粒的循环流动来传递热量。使热量由温度高地方传递到温度低的地方。把核燃料封装在球形固体中，固体对放射性物质有良好的包覆能力，可以阻止放射性物质的扩散，有利于安全。这种热量传递的过程不仅在反应堆里面有应用价值，在其它工业领域可能也有应用价值。

球形固体颗粒集体流动的特性与其粒径大小有很大关系，粒径越小，其流动特性越接近液体，性状和液体也越接近。球形固体颗粒是靠自身的滚动来流动，在重力作用下流动时实际上只有与壁面接触的球有滚动，其上方其他的球以平动为主。粒径越小，固体颗粒堆积时空隙率越小，导热能力越好。如果颗粒温度较高，颗粒通过热辐射传热也是需要考虑的，高温颗粒通过辐射传递热量的速度可能比接触热传导还快。球形固体颗粒传热速度比水的传热速度相比可能要慢，因为固体不能通过湍流传热。固体作为冷却剂的优势是核燃料可以弥散在固体里面，使热源不过分集中在某一点，因而可以弥补传热能力方面的不足。不能使反应堆局部温度过高，因此以球形固体作为冷却剂的反应堆体积功率密度可能要低一些。同样功率的反应堆其总体积可能要比压水堆体积大。

通过一些设计可以使单个核燃料球有自身的固有安全性，可以控制单个球里面的核燃料数量，因而产生的热量速度可以控制在一定限度，以至于核燃料球可以在自身温度升得太高之前就把热量通过热辐射传递出去，即使在周围没有其他冷却剂情况下。反应堆内还有较多的不含核燃料的粒径较小的冷却剂球，这些球也用来把热量传出反应堆。核燃料球通过热传导和热辐射把热量传递给这些冷却剂球，这些球也使反应堆有较大的热工裕量，事故情况下可以把热量传递到反应堆外面，还可以良好的包覆核燃料，提高了反应堆的安全性。反应堆容器外部可以放置较多的固体材料，并使之与反应堆容器保持良好的接触，这样反应堆的余热可以通过热传导和热辐射传递出来，反应堆不会熔化。

本发明球形燃料反应堆主回路由反应堆容器、蒸汽发生器、提升传送装置组成，反应堆下部出口的高度处于低于或等于蒸汽发生器上部入口的高度，反应堆设置两套提升传送装置，分别用来把球形固体由反应堆下部出口提升传送到蒸汽发生器上部入口，把球形固体由蒸汽发生器下部出口提升传送到反应堆容器上部入口。球形固体在反应堆容器内吸收核反应产生的热量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升传送装置把球提升传送到蒸汽发生器入口，球形固体在蒸汽发生器里面靠自身重力下落，并把热量传给冷侧的水，落出蒸汽发生器后，提升传送装置再把球提升传送到反应堆容器上部入口。如此不断循环，达到把热量由反应堆传出到蒸汽发生器的目的。球形燃料反应堆对于热中子和快中子反应堆都是适用的，可分别设计成两种类型的反应堆。