一种熔盐堆径向屏蔽结构及含其的熔盐堆

摘要

本发明公开了一种熔盐堆径向屏蔽结构及含其的熔盐堆。该熔盐堆径向屏蔽结构，从熔盐堆的活性区至外围的方向，依次包括：反射层、含硼石墨层、合金屏蔽层，其中，所述反射层包覆熔盐堆的活性区，所述含硼石墨层包覆所述反射层，所述合金屏蔽层包覆所述含硼石墨层。本发明熔盐堆径向屏蔽结构不仅可减少熔盐堆堆内结构材料和堆容器材料的辐照损伤，包括离位原子损伤率和氦产生率，同时可有效降低堆外中子和光子的辐射剂量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种熔盐堆径向屏蔽结构及含其的熔盐堆。

背景技术

熔盐堆作为第四代核反应堆，具有经济、安全、可持续、防核扩散等优点。小型模块化熔盐堆SM-MSR(small modular reactor)具有选址灵活、安装模块化等优点，将熔盐堆固有的安全性、在线换料和良好的中子经济性等优点结合起来，具有良好的发展前景。但由于其内部结构件不易更换，外屏蔽结构有限，需要关注反应器的寿命及其反应器内屏蔽设计。

目前的反应堆一般使用钨、铅、不锈钢等重元素来屏蔽光子，而水、混凝土、石墨或碳化硼等较轻的材料则用来屏蔽中子。大多数屏蔽设计的目标是反应堆建筑物外的辐射防护。而对反应堆内部材料的屏蔽分析却没有引起足够的重视。

在MSFR(熔盐快堆)中，采用弯曲侧壁作为堆内屏蔽结构来减少对主容器的辐射损伤。在HTGR(高温气冷堆)中，堆内屏蔽采用堆芯固定的反射层块慢化快中子，并采用碳化硼(B

在小型模块化熔盐堆中，石墨反射器也可以减少主容器的快中子损伤，但它带来了较高的热中子通量，会在主容器中产生大量的氦。目前小型模块化熔盐堆处在概念设计阶段，研究较多的是中子物理和热工安全这两方面，在堆整体屏蔽设计这一阶段的研究较少。

综上所述，由于其小型化、堆内通量高、堆整体屏蔽重量和厚度受限等特殊性，如何采用堆内屏蔽方法降低堆容器氦脆和结构材料辐照损伤dpa，同时减轻堆外屏蔽设计厚度是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的小型模块化熔盐堆的堆内结构材料和堆容器材料辐照损伤大的缺陷，提供一种熔盐堆径向屏蔽结构及熔盐堆。该熔盐堆径向屏蔽结构不仅可减少熔盐堆堆内结构材料和堆容器材料的辐照损伤，包括离位原子损伤率和氦产生率，同时可有效降低堆外中子和光子的辐射剂量。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题。

一种熔盐堆径向屏蔽结构，从熔盐堆的活性区至外围的方向，依次包括：反射层、含硼石墨层、合金屏蔽层，其中，所述反射层包覆熔盐堆的活性区，所述含硼石墨层包覆所述反射层，所述合金屏蔽层包覆所述含硼石墨层。

本发明中，所述熔盐堆是指本领域常规的小型模块化熔盐堆。所述熔盐堆的热功率可为本领域常规的小型模块化熔盐堆的热功率，例如150MWt。

本发明中，所述活性区是指本领域常规的小型模块化熔盐堆中的活性区。

其中，所述活性区可按本领域常规由燃料组件阵列组装而成。较佳地，所述燃料组件为石墨构件和位于其中心的熔盐通道组成的最小单元；所述石墨构件较佳地为六棱柱石墨。

其中，所述活性区的半径可为本领域常规的小型模块化熔盐堆的活性区的半径，例如为135cm。

本发明中，所述反射层可为本领域常规的石墨反射层。所述石墨反射层的材质可为本领域常规的熔盐堆内核级石墨材料，例如超细颗粒石墨。本发明中的反射层可以充分慢化快中子，降低快中子对堆芯石墨材料的辐照注量率和合金容器的辐照注量率。

本发明中，所述含硼石墨层可为本领域常规的含有硼元素的石墨层。

其中，所述硼元素可为本领域常规的B-10元素。

其中，所述硼元素的质量分数较佳地为3-5％，更佳地为5％，％是指硼的质量占所述含硼石墨层的质量的百分比。

本发明中，较佳地，所述含硼石墨层的表面不含硼元素，即硼元素存在于所述含硼石墨层的内部。例如：将硼元素注入石墨反射层得到的含硼石墨层。

更佳地，所述含硼石墨层中的硼元素以B-10单质形式和/或被包覆的含硼颗粒的形式存在于所述含硼石墨层的内部。

本发明中，较佳地，所述含硼石墨层包括石墨涂层。

本发明中，较佳地，所述含硼石墨层包括石墨涂层和含硼石墨砖。

本发明中，较佳地，所述含硼石墨层包括被包覆的含硼颗粒和石墨基体，所述被包覆的含硼颗粒分散于所述石墨基体中。

在本发明的一个较佳实施方案中，所述含硼石墨层选自以下两种选型之一：

选型一：所述含硼石墨层由石墨涂层和含硼石墨砖组成，石墨涂层在含硼石墨砖的表面，其中，硼B-10的含量为3％-5％，％是指硼的质量占所述含硼石墨层的质量的百分比。

其中，所述含硼石墨砖可为本领域常规市售可得的含硼石墨砖，其组成是B-10元素和碳元素，B是以B-10单质的形式存在于石墨中。由于表面为石墨涂层，B-10主要分布在石墨内部，表面不含B-10。

如果所述含硼石墨砖中含硼的质量分数过大，一方面实际生产制造的水平可能无法达到，另一方面可能会降低燃料的利用率；如果质量分数过小则会影响堆内的中子通量的屏蔽效果。

选型二：所述含硼石墨层由石墨基底和碳化硅包覆的碳化硼颗粒组成，所述碳化硅包覆的碳化硼颗粒均匀分散于所述石墨基底中，其中，硼B-10的含量为3％-5％，％是指硼的质量占所述含硼石墨层的质量的百分比。

其中，较佳地，所述碳化硅包覆的碳化硼颗粒的结构为：最里层是碳化硼颗粒，其次是真空容氦层，最外层是碳化硅层。

其中，较佳地，所述碳化硅包覆的碳化硼颗粒中从里至外各层的半径分别是250μm-280μm、340μm-350μm和380μm-400μm；例如：从里至外各层的半径分别为250μm、340μm和380μm。

其中，碳化硅包覆的碳化硼颗粒可由本领域常规的制备方法制备得到。例如：将硼元素采用碳化硅包壳包覆后，填压在反射层石墨中制得。

本发明采用的含硼石墨层，最大程度降低了反应堆内热中子通量，减少了对堆容器合金的辐照注量率。

本发明上述含硼石墨层的第一种选型，采用含硼石墨砖作为含硼石墨层，采用将含硼石墨与熔盐接触的部分作处理，即在含硼石墨砖表面增加一层石墨涂层的方式，避免硼元素融入到堆内熔盐，影响反应堆正常运行。

本发明上述含硼石墨层的第二种选型，将碳化硼采用碳化硅材料包覆成颗粒，再均匀填充于石墨，形成以石墨为基底的含硼石墨材料。既可保证该含硼石墨屏蔽层有效地屏蔽热中子，又能够避免硼元素融入到反应堆熔盐中，影响反应堆正常运行。

本发明中，所述合金屏蔽层的材质较佳地为镍基哈氏合金。合金屏蔽层不仅有固定堆内组件的作用，而且可将中子与下降环腔内的熔盐反应产生的光子和堆内裂变链式反应产生的光子一并屏蔽，可以有效屏蔽堆内光子通量，大大降低堆容器合金内的光子注量率，降低堆外的辐射剂量。

本发明中，较佳地，所述反射层和所述含硼石墨层的厚度比为(0.75-1):1

本发明中，所述反射层的厚度较佳地为15-25cm，更佳地为15cm。

本发明中，所述含硼石墨层的厚度较佳地为10-20cm，更佳地在20cm。

本发明中，所述合金屏蔽层的厚度较佳地为1-5cm，更佳地为1cm。

在本发明的一些较佳实施方案中，对于热功率为150MWt的熔盐堆，所述反射层的厚度为15cm，所述含硼石墨层的厚度为20cm。在本发明的熔盐堆径向屏蔽结构的使用过程中，对于其它热功率的熔盐堆，在熔盐堆的功率密度相同的情况下，每一层的厚度及比例可参考该实施方案进行调整。

本发明还提供一种熔盐堆，所述熔盐堆包括前述熔盐堆径向屏蔽结构。

本发明中，所述熔盐堆可为本领域常规的小型模块化熔盐堆。

本发明中，所述熔盐堆还可按照本领域常规包括活性区。所述熔盐堆径向屏蔽结构包覆所述活性区。

其中，所述活性区可按本领域常规由燃料组件阵列组装而成。较佳地，所述燃料组件为石墨构件和位于其中心的熔盐通道组成的最小单元，所述石墨构件较佳地为六棱柱石墨。

本发明中，所述熔盐堆还可按照本领域常规包括堆容器，所述堆容器包覆在所述熔盐堆径向屏蔽结构的最外围。

其中，所述堆容器的材质较佳地为镍基哈氏合金。

其中，所述堆容器的厚度较佳地为3cm-5cm，更佳地为3cm。

其中，较佳地，在所述合金屏蔽层与所述堆容器之间，还包括熔盐下降腔室。

所述熔盐下降腔室的厚度较佳地为3cm-5cm，更佳地在4cm。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

1)本发明提供了一种熔盐堆径向屏蔽结构，包含了反射层、含硼石墨层、合金屏蔽层。该结构适用于熔盐堆，优势在于利用反射层石墨可以慢化堆芯快中子，而外层含硼石墨层可将石墨反射层慢化成的热中子吸收，同时慢化了反射回来的快中子，此处的快中子主要来自热中子与下降腔内燃料盐反应产生的裂变快中子，最后通过合金屏蔽层和堆容器最大限度地降低γ的通量，达到同时降低中子和γ通量的目的。

2)本发明还可通过进一步地调整含硼石墨层屏蔽结构的厚度，可有效降低堆容器外侧中子和光子通量，保证堆芯石墨和堆金属结构材料的辐照寿命满足预期设计寿命，且使熔盐堆的燃料利用率较高。

3)本发明为了有效吸收堆内的热中子，将硼元素注入石墨内而不是合金中，避免合金内产生大量的嬗变气体氦气，从而影响堆内合金材料结构和功能的完整性。

附图说明

图1为本发明实施例1中熔盐堆径向屏蔽方案俯视图。径向屏蔽层示意图。

图2为模块化熔盐堆中心纵剖面。

图3为加20cm厚的含硼石墨砖后，堆芯径向的石墨离位损伤率。

图4为加20cm厚的含硼石墨砖后，燃料利用率变化情况。

图5为含硼颗粒石墨屏蔽层。

附图标记如下：

石墨构件1

熔盐通道2

反射层3

含硼石墨层4

合金屏蔽层5

熔盐下降腔室6

堆容器7

上腔室熔盐通道8

下腔室熔盐通道9

碳化硅包覆的碳化硼颗粒10

碳化硼颗粒101

真空容氦层102

碳化硅层103

石墨基底11

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

以下实施例中的熔盐堆堆芯的熔盐通道中的熔盐可为本领域常规，例如LiF-BeF2-ThF4-UF4。

实施例1

本实施例的熔盐堆堆芯的俯视图见图1，其包括石墨构件1，熔盐通道2，反射层3，含硼石墨层4，合金屏蔽层5，熔盐下降腔室6，堆容器7，上腔室熔盐通道8，下腔室熔盐通道9。反射层3包覆由石墨构件1及熔盐通道2组成的活性区，含硼石墨层4包覆在反射层3外，合金屏蔽层5包覆在含硼石墨层4外，熔盐下降腔室6在合金屏蔽层5与堆容器7之间。熔盐堆中心纵剖面如图2所示。

熔盐堆的活性区由燃料组件阵列组装而成，燃料组件为六棱柱的石墨构件1和位于其中心的熔盐通道2组成的最小单元，熔盐通道2的两端与上腔室熔盐通道8和下腔室熔盐通道9连通。熔盐堆的热功率为150MWt。

堆芯组件活性区的半径为135cm；反射层3是石墨反射层，其厚度为15cm；含硼石墨层4的厚度为20cm；合金屏蔽层5的厚度为1cm；熔盐下降腔室6的厚度为4cm；堆容器7的合金厚度为3cm。

含硼石墨层4由石墨涂层和含硼石墨砖组成，其元素组成是B-10元素和碳元素，B是以B-10单质的形式存在于石墨中，在含硼石墨砖的表面有一层石墨涂层，B-10主要分布在石墨内部，表面不含B-10。含硼石墨层4中含硼B-10浓度为5％，％是指硼的质量占含硼石墨层4的质量的百分比。

堆容器7和合金屏蔽层5的材料均采用镍基哈氏合金。

此实例中，堆外中子通量下降到8.33×10

实施例2

本实施例的熔盐堆除了以上含硼石墨层4与实施例1不同，其余与实施例1中的熔盐堆物理和几何参数均相同。同样包括石墨构件1，熔盐通道2，反射层3，含硼石墨层4，合金屏蔽层5，熔盐下降腔室6，堆容器7。反射层3包覆由石墨构件1及熔盐通道2组成的活性区，含硼石墨层4包覆在反射层3外，合金屏蔽层5包覆在含硼石墨层4外，熔盐下降腔室6在合金屏蔽层5与堆容器7之间。

熔盐堆的活性区由燃料组件阵列组装而成，燃料组件为六棱柱的石墨构件1和位于其中心的熔盐通道2组成的最小单元，熔盐通道2的两端与上腔室熔盐通道8和下腔室熔盐通道9连通。

堆芯组件活性区半径为135cm。反射层3是石墨反射层，其厚度为15cm；含硼石墨层4的厚度为20cm；合金屏蔽层5为1cm；熔盐下降腔室6的厚度为4cm；堆容器7的合金厚度为3cm。

本实施例中，含硼石墨层4的材料为碳化硼颗粒石墨层，材料微观结构示意图如图5所示，包括石墨基底11和碳化硅包覆的碳化硼颗粒10，碳化硅包覆的碳化硼颗粒10均匀填充于石墨基底11中，碳化硅包覆的碳化硼颗粒10的最里层是碳化硼颗粒101，其次是真空容氦层102，最外层是碳化硅层103。该结构从里至外半径分别是250μm、340μm和380μm。碳化硼颗粒石墨层中含硼B-10质量分数为5％，％是指硼的质量占含硼石墨层4的质量的百分比。

堆容器7和合金屏蔽层5的材料采用镍基哈氏合金。

此实例中，碳化硼颗粒石墨层保证含硼材料中的硼元素不会溶至熔盐中从而影响反应堆正常运行。堆外中子通量下降了2个数量级，堆芯石墨、堆内屏蔽合金及容器合金材料可正常服役10年以上。与无内屏蔽模型相比，燃料利用率降低了5.78％，在可接受范围内。

对比例1

将实施例1中的含硼石墨层改为石墨层(即不含硼)，合金屏蔽层改为含硼合金层，其中含硼合金层是将硼元素注入合金层得到，其他同实施例1。

效果实施例氦脆结果研究

通过蒙特卡罗方法计算实施例和对比例中的氦气产生率。结果如下表所示：

如上表结果所示，实施例1和实施例2中的氦气产生率都较低，几乎对合金的性能不会产生影响，但对比例1将硼元素注入至合金中，在合金中将会产生大量氦气，严重影响到合金的各方面性能，包括力学，抗辐照性能等。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。