具有一体化主交换器的熔盐裂变反应堆、和包括这种反应堆的发电设备的制作方法

1.本技术涉及一种具有一体化主交换器这种类型的熔盐核裂变反应堆、以及一种包括这样的反应堆的发电设备。


背景技术：

2.通常，熔盐核裂变反应堆一方面包括反应堆堆芯，另一方面包括主热交换器，在该反应堆堆芯中，燃料盐发生自持核裂变反应，在该主热交换器中，热燃料盐将热量传递给传热盐。
3.在整个说明书中，术语“燃料盐”是指包括以下各项的组合物：
[0004]-至少一种载体盐，例如氟化物(比如lif、bef2或naf)或氯化物，该载体盐在室温时为固态(晶体)但当温度超过启动反应堆的某一温度后变为液态，以及
[0005]-基于包括可裂变或裂变同位素(例如铀233和/或铀235和/或钚239或其混合物)的重核的燃料。
[0006]
换言之，表述“燃料盐”不只是指一种或多种盐，而是指燃料组合物整体。
[0007]
术语“传热盐”是指包括至少一种盐(例如，氯化物或氟化物)的组合物，该组合物能够储存热量、不含可裂变或裂变重核并且不含放射性物质、在室温时处于固态(晶体)而超过某一温度后变为液态。再有，本文中，表述“传热盐”不只是指严格意义上的盐，而是指主热交换器中使用的整体热能组合物。
[0008]
在大多数已知的熔盐反应堆中，堆芯被密封在能够反射核裂变产生的中子的反射包壳中；主热交换器布置在该反射包壳外部，并且主热交换器具有其自身的包壳；燃料盐由布置在堆芯的反射包壳外部的泵从堆芯向交换器泵送。所有这些要素都集中在反应堆容器中。
[0009]
这种反应堆的体积大。为了减小体积，已经出现了具有一体化主交换器的反应堆，比如wo2015017928所披露的反应堆。在这种反应堆中，堆芯包含在反射式反应堆裙部中，该裙部本身包含在主容器中。反应堆裙部具有圆柱形部分，其上覆盖有反射帽和穿过该反射帽的中心导管，该圆柱形部分具有包围反应堆堆芯的圆形截面。
[0010]
在这种已知的早期反应堆中，反应堆堆芯填充有由石墨制成的慢化结构，在该慢化结构中形成用于燃料盐循环的通道。
[0011]
此外，主热交换器布置在主容器中、在堆芯上方。该交换器包括：入口导管，该入口导管进入主容器；围绕反应堆裙部的中心导管布置的多个管，这些管浸没在燃料盐中并且通过入口导管用于供应传热盐；以及出口导管，由交换器中的燃料盐加热的传热盐通过该出口导管从主容器流出。
[0012]
由慢化结构(燃料盐的重核的核裂变在该慢化结构中发生)实现的反应堆堆芯通过中心导管以及通过覆盖在堆芯顶上的反射帽与主交换器分开。
[0013]
将热交换器容纳在堆芯上方的主容器中能够减小反应堆的体积并消除主热交换
器运行所需的回路、阀门和泵，从而降低故障风险和失灵风险。然而，已知的熔盐反应堆仍然体积庞大，尤其是因为这样的熔盐反应堆应该在超过燃料盐的临界质量下运行良好。
[0014]
此外，为避免任何堆芯过热带来的风险，仍然需要使用控制棒。这些控制棒根据反应堆的纵向方向可滑动地安装，以便能够或多或少浸没在反应堆堆芯中。这些控制棒与由石墨制成的慢化结构相结合并且根据所浸没的控制棒的长度，能够控制燃料盐的温度以及控制由裂变产生的中子的速度。
[0015]
用这样的控制棒来控制反应堆是特别棘手的。另外，控制棒的存在大大增加了已知的反应堆的高度和体积，控制棒应该能够在几乎完全浸没的位置与几乎完全脱离堆芯的位置之间移动。
[0016]
最后，由石墨制成的慢化结构具有限制反应堆使用寿命的附加缺点：随着时间的推移，石墨会磨损并破碎，并且石墨颗粒会与燃料盐混合，从而破坏堆芯的中子平衡和/或改变堆芯的温度。
[0017]
此后，在已知的现有反应堆中设置应急冷却回路，这不仅增加了反应堆的体积和故障风险，而且还增加了反应堆的制造成本和维护成本。
[0018]
wo2010/129836描述了一种核裂变反应堆，该核裂变反应堆包括用作反应堆堆芯和主热交换器的平行六面体基体。该基体浸没在可产生裂变物质的盐池中，该可产生裂变物质的盐既用作慢化剂(用于热谱操作)、用作传热盐，又用作将要裂变的核的载体。基体包括：燃料盐通道，这些燃料盐通道靠近可产生裂变物质的传热盐并且燃料盐穿过这些燃料盐通道；以及通向盐池的通道，可产生裂变物质的传热盐穿过这些通向盐池的通道。燃料盐通过基体的通道从底部到达顶部，从基体的下表面到达基体的上表面，然后从基体的外部通过浸没在池中的一组软管和泵被输送返回到下表面。
[0019]
与wo2015017928的反应堆相比，wo2010/129836所提出的基体能够通过将反应堆堆芯与主热交换器相结合来减小反应堆的体积。然而，与基体外部的大量软管和泵相关的故障风险和失灵风险仍然存在，这些软管和泵还抵消了基体所赋予的体积方面的增益。此外，这些软管和泵存在于燃料盐回路中，必须提供比燃料盐的临界质量大得多的燃料盐质量，这进一步限制了空间方面的可能增益。另外，反应堆在热谱中运行，有必要提供调节装置(可产生裂变物质的传热盐池，其可以由控制棒补充)、紧急疏散罐、以及燃料盐再处理和再生回路。
[0020]
us2014/0348287提出了另一种类型的裂变反应堆，这种类型的裂变反应堆包括燃料盐穿过的蛇形管，该蛇形管浸没在用于冷却该蛇形管的液体铅容器中。


技术实现要素：

[0021]
本发明旨在通过提供一种极其紧凑的熔盐反应堆来克服上述缺点中的至少一个缺点，这种熔盐反应堆的使用寿命延长且有保证，并且其安全性提高。
[0022]
为此，本发明提供了一种熔盐核裂变反应堆，该熔盐核裂变反应堆包括：
[0023]-一个反应堆堆芯，燃料盐穿过该反应堆堆芯，该燃料盐包括能够裂变的重核，
[0024]-一个主包壳，该主包壳容纳反应堆堆芯，该主包壳对液体盐是不可渗透的，
[0025]-一个屏蔽物，主包壳容纳在该屏蔽物中，
[0026]-反应堆堆芯包括一个平行六面体基体，该平行六面体基体包括交替的燃料盐通
道层(或板)和传热盐通道层(或板)，燃料盐在这些燃料盐通道层(或板)中循环，传热盐在这些传热盐通道层(或板)中循环；因此，基体既形成反应堆堆芯(定义为裂变发生的容器)、又形成主热交换器，
[0027]-传热盐循环装置，该传热盐循环装置用于使主包壳内的传热盐在主包壳的传热盐入口开口、基体的传热盐通道、接着是主包壳的传热盐出口开口之间循环，
[0028]-燃料盐循环装置，该燃料盐循环装置用于使燃料盐在基体的燃料盐通道中循环。
[0029]
根据本发明的反应堆的特征在于，燃料盐循环装置被配置成通过基体的一个表面从燃料盐通道的一部分抽吸燃料盐并且通过基体的该同一表面将燃料盐推进到燃料盐通道的另一部分中。
[0030]
换言之，指定的是每个燃料盐通道都具有一个入口端部和一个出口端部，所有燃料盐通道的入口开口和/或其出口开口(即，所有燃料盐通道的入口开口、或者所有燃料盐通道的出口开口、或者所有燃料盐通道的入口开口和出口开口)都位于基体的同一表面上。
[0031]
燃料盐在基体的一侧上从基体流出并且在基体的同一侧上再次进入基体；燃料盐循环装置不会将燃料盐从基体的一侧引导到基体外的另一侧(与wo 2010/129836所建议的形成对比)。
[0032]
这能够大大减少反应堆的运行所需的燃料盐的质量，因此提供体积小且功耗低的特别紧凑的反应堆。应当注意，基体的(即，反应堆堆芯的)平行六面体形状也有助于反应堆的紧凑性和效率。
[0033]
此后，主包壳的尺寸可以尽可能地减小。正如稍后将看到的，主包壳的壁甚至可以在基体的表面中的至少两个表面上结合到基体。实际上，根据实施方式，在基体与主包壳之间仅设置有一个位于基体上方的容积以及可能地一个位于基体下方的容积以用于燃料盐循环，在基体与主包壳之间仅设置有位于基体的一侧上的侧向容积以及一个可能地位于基体的相对侧上的侧向容积以用于传热盐循环。
[0034]
本文的目的是提供一种反应堆，该反应堆的体积不超过几立方米(m3)(该反应堆的体积甚至可以在1m3范围内)并且该反应堆的功率在几兆瓦的范围内，而已知的反应堆在体积和功率方面都存在竞争关系。作为比较，wo2010/129836提供了一种反应堆，该反应堆的规模被确定成提供400mw的功率并且该反应堆的基体本身边长超过2.40m。
[0035]
在堆芯中未设置慢化设备(没有控制棒或由石墨制成的其他慢化结构、没有液体盐池或液体铅池等)，堆芯在快谱中运行，这意味着由燃料盐的核裂变产生的中子在基体中不会减慢。
[0036]
根据本发明的可能的特征，燃料盐循环装置被配置成在没有燃料盐再生、主包壳没有燃料盐出口开口的封闭式循环中使燃料盐仅在主包壳内循环。
[0037]
根据本发明的可能的特征，屏蔽物至少包括：
[0038]-一个由碳质材料制成的反射层，该反射层朝向反应堆堆芯并且被配置成使燃料盐处于临界状态，
[0039]-一个屏蔽层，该屏蔽层用于减弱残余辐射和中子，该屏蔽层被配置成吸收或中和源自反应堆堆芯和/或反射层的伽马辐射以及从主包壳逃逸的将设法穿过屏蔽物的反射层的残余泄漏中子。
[0040]
关于屏蔽物的碳质反射层，根据燃料盐和被选择用于使反射层能够反射的碳质材
料的实际组合物，本领域技术人员能够使用普通中子代码模拟器来限定能够保证临界状态的反射层厚度。因此，例如，反射层可以由石墨制成并且厚度在15cm至30cm之间。为了使反应堆的使用寿命延长同时避免燃料盐的过度消耗，反射层优选地不仅包括大量石墨而且还包括硼针。
[0041]
类似地，本领域技术人员能够确定屏蔽层的大小，使得屏蔽层捕获由反应堆堆芯中的裂变燃料盐以及由反射层反射或减慢的中子以及设法穿过屏蔽物的反射层的任何残余中子发出的所有辐射。厚度为5cm至20cm的铅适合于制造这种屏蔽层。
[0042]
根据本发明的可能的特征，所有燃料盐通道在燃料盐通道层中沿着竖直方向延伸(因此所有燃料盐通道沿着与基体的上表面和下表面正交的方向延伸)，所有传热盐通道在传热盐通道层中沿着与基体的侧表面中的第一侧表面正交的水平方向延伸。由于基体为平行六面体，所以传热盐通道的方向也正交于基体的侧表面(下文中称为第二侧表面，该第二侧表面与前述第一侧表面相对)。
[0043]
优选地，在这种情况下，燃料盐循环装置包括：
[0044]-一个元件(其称为中央收集器)，该元件的一侧包括一个与基体的上表面相邻的大底座，该大底座覆盖所述上表面的中央部分或中央切片，该元件的另一侧包括一个顶部开口、一个呈锥形料斗形式的内表面，该内表面将该大底座连接到顶部开口，
[0045]-以及一个离心泵，该离心泵与中央收集器的顶部开口相对地布置、在中央收集器的顶部开口上方。
[0046]
有利地，中央收集器和离心泵被集成到主包壳中。因此，燃料盐不会从主包壳中流出。应当注意，另一方面，与离心泵相关联的用于离心泵运行的马达驱动和控制电子设备布置在主包壳外部、优选地位于屏蔽物的反射层外部、并且可能位于屏蔽物外部。
[0047]
根据本发明的可能的特征，传热盐循环装置的至少一部分布置在主包壳内。
[0048]
根据本发明的可能的特征，传热盐循环装置还包括一个集成到主包壳中的收集器，该收集器的一侧具有一个大底座，该大底座与基体的第一侧表面相邻，该收集器的另一侧(该侧可以是与大底座相对的一侧或与大底座相邻的一侧)具有至少一个开口，所述至少一个开口连接到主包壳的传热盐入口开口或连接到主包壳的传热盐出口开口。
[0049]
传热盐循环装置还包括至少一个泵，另一方面，所述至少一个泵优选地布置在主包壳外部、并且可能位于屏蔽物外部、或者至少位于所述屏蔽物的反射层外部。
[0050]
出于安全原因，可以设置一个第二泵以确保在第一泵发生故障的情况下的冗余并且因此保证传热盐的循环。优选地，该第二泵也布置在主包壳外部或屏蔽物的反射层外部。
[0051]
根据本发明的可能的特征，基体是一体地制成的。这能够保证燃料盐通道层与传热盐通道层之间的完美密封，以避免放射性燃料盐与传热盐混合并因此从反应堆堆芯流出。
[0052]
根据本发明的可能的特征，基体由选自以下的一种或多种材料制成：石墨烯、碳化硅(sic)泡沫、石墨烯和碳化硅泡沫(下文称为石墨烯/sic泡沫)、以及前述材料的组合。例如，可以做出如下安排：通过用石墨烯片材覆盖每个燃料盐层的表面以密封所述层来制造石墨烯/sic泡沫基体。
[0053]
优选地，燃料盐中央收集器和离心泵、或者更一般地燃料盐循环装置也由石墨烯制成。
[0054]
使用石墨烯具有许多优点：这种材料是3d可打印的；石墨烯是优良的热导体，这一点很重要，因为基体不仅是反应堆的堆芯，而且还是反应堆的主热交换器；石墨烯具有极好的机械力学性能；此外，与石墨不同，石墨烯不会破碎并且具有很高的耐磨性。sic碳化物泡沫、与石墨烯和sic泡沫具有相同的优点，只是添加了较低的体积质量。
[0055]
根据本发明的可能的特征，通过3d打印获得基体，表述“3d打印”包含任何增材制造技术。该制造工艺特别适于基体的形状和结构；该制造工艺能够非常容易地从一种单一材料获得层状结构以及层状结构的多通道，而不需要任何密封或粘合材料或紧固件来组装基体的不同层。
[0056]
换言之，3d打印能够获得一体化的基体。本发明不限于使用3d打印，也可以使用其他工艺，包括获得一体化的基体(例如，在具有贯通通道的基体的情况下，这些贯通通道可以通过对碳质材料块进行钻孔来获得)。
[0057]
根据本发明的可能的特征，除了屏蔽物的反射层和屏蔽物的外部屏蔽层之外，屏蔽物还包括一个钍层，该钍层将通过吸收从主包壳逃逸的泄漏中子而发生裂变(转化为u-233)。有利地，该钍层设置在反射层与屏蔽层之间，使得泄漏中子被反射层减慢且在热谱中穿透钍层。
[0058]
根据本发明的可能的特征，在基体的上表面与主包壳的上壁之间设置有一个上腔，该上腔一方面用于容纳燃料盐循环装置并确保所述盐的均化，该上腔另一方面用于容纳一个气体顶部空间，反应堆进一步包括连接到该气体顶部空间的气态裂变产物回收罐，以便回收气态裂变产物、特别是氙和/或氪。
[0059]
如上文已经提及的，在反应堆的运行循环期间，既不回收也不对其他裂变产物进行再处理。有利地，反应堆的大小使得这样的循环持续十年至十五年。在每个循环结束时完全排出并更换燃料盐。
[0060]
根据本发明的可能的特征，反应堆还包括：一个中性气体缓冲罐；以及一个用于将所述中性气体注入到气体顶部空间中以补偿燃料盐体积变化的装置。
[0061]
事实上，燃料盐经历了显著的体积变化，体积变化可能高达25％，这种体积变化将通过以下方式得到补偿：
[0062]-当燃料盐的体积减少时，通过将中性气体注入到主包壳中的气体顶部空间中以避免任何空化现象的产生，
[0063]-当燃料盐的体积增加时，通过回收积聚在气体顶部空间中的气体裂变产物。
[0064]
根据本发明的可能的特征，一个微量预热系统设置在传热盐循环装置中。该预热系统能够将传热盐的温度升高至其熔化温度(例如，在450℃的范围内)以启动反应堆。
[0065]
应当注意，另一方面，当装载有燃料盐并被容纳在主包壳中的基体被集成到屏蔽物中时，燃料盐以及堆芯中传热盐达到熔化温度。
[0066]
根据本发明的可能的特征，反应堆包括一个用于控制进/出主包壳的传热盐的抽吸/注入流动速率(或速率)的设备，即，用于控制传热盐在反应堆中循环的流动速率(或速率)的设备。这种设备本身能够控制反应堆的温度和裂变反应。
[0067]
在根据本发明的反应堆中，不需要在反应堆堆芯、控制棒或冷却系统中提供慢化结构，一方面是因为反应堆通过设计能够使自身稳定，另一方面是因为对传热盐的流动速率的控制能够主动地改变堆芯的温度。
[0068]
事实上，关于反应堆的自稳定的趋势，随着反应活性的增加，温度升高。由于燃料的液体盐性质，在燃料过热时燃料的高热膨胀将燃料从堆芯的活性区域推出，从而降低燃料在堆芯活性区域中的密度并降低临界裂变区的容积中的反应活性。温度立即下降。相反，当燃料盐冷却下来时，燃料盐的堆芯密度增加，裂变的可能性以及燃料盐产生热量的能力增加。这两种效应赋予反应堆固有的稳定性质并且使得反应堆能够遵循下游的功率需求(通过主交换器抽吸热量)。反应堆堆芯的平衡温度为约700℃。
[0069]
此后，堆芯的温度以及因此由反应堆产生的热功率仅通过控制传热盐抽吸流动速率来调节。
[0070]
根据本发明的可能的特征，燃料盐包括至少一种载体盐，所述至少一种载体盐选自氯化物(包括氯化钠(nacl))和氟化物。
[0071]
根据本发明的可能的特征，传热盐包括至少一种载体盐，所述至少一种载体盐选自氯化物(包括氯化钠(nacl))和氟化物。这种盐可以与燃料盐的载体盐相同。
[0072]
如上所述，根据本发明的基体和与其相关联的燃料盐循环装置特别适用于制造具有小尺寸的反应堆，这种反应堆的立方体基体例如可以具有35cm至120cm的边长，和/或这种反应堆的液态燃料盐的体积小于500升(litre)。
[0073]
这样的反应堆与已知的熔盐反应堆相比可以被描述为“微型反应堆”(特别是当基体的边长测量为约40cm时)或“小型反应堆”(特别是当基体的边长测量为约100cm时)，已知的熔盐反应堆具有比前面提到的反应堆大得多的尺寸。发明人惊奇地注意到，基体的小尺寸、基体的原始结构(平行六面体千层)的小尺寸、以及燃料盐循环装置的小尺寸、以及燃料盐在基体内部的封闭式回路循环(燃料盐不从基体流出，除了基体的容纳燃料盐循环装置的上表面的一侧上的少量燃料盐之外)的组合获得了具有完美操作的反应堆，尽管燃料盐的量接近临界质量。另外，所获得的效率是优异的并且高于已知的反应堆的效率。
[0074]
此外，发明人还发现，根据本发明的反应堆可以用燃料盐运行，该燃料盐基本上包含来自常规核电厂的副产物(或废放射性材料)作为反应堆堆芯中裂变起点的材料，比如具有低裂变同位素含量的钚、具有低裂变同位素含量的低铀(贫化铀几乎不含其天然同位素u-235)和/或少量锕系元素(镎-237、镅-241、镅-243以及锔-244和锔-245)，最初只需要非常少量的铀235或铀233和/或钚239。
[0075]
因此，根据本发明的反应堆可以用作核工业副产物(或废放射性材料)的焚烧炉，同时产生能量。由于反应堆在基体内以快谱运行，这些副产品(或废放射性物质)被完全销毁且无害。
[0076]
关于燃料盐通道的形状，可以考虑两个变型。在第一变型中：
[0077]-燃料盐通道是直线的且贯通的、从基体的上表面延伸到基体的下表面，
[0078]-在基体的上表面与主包壳的上壁之间设置有一个上腔以容纳燃料盐循环装置(不包括所述装置的马达驱动和控制元件)，
[0079]-在基体的下表面与主包壳的下壁之间设置有一个下腔以用于燃料盐的循环，
[0080]-在基体的上表面侧的燃料盐循环装置包括，
[0081]-一个中央收集器具有一个大底座、一个呈锥形料斗形式的内表面、以及一个顶部开口，该大底座仅覆盖基体的上表面的中央部分或中央切片(即，仅覆盖通道中的部分通道，与收集器相对地开口的通道在下文中称为“中央通道”，而不与收集器相对地开口的通
道称为“外围通道”)，
[0082]-一个离心泵，离心泵被配置成将来自中央收集器的燃料盐朝向基体上表面的外围部分或外围切片喷射。
[0083]
因此，燃料盐被中央收集器和离心泵吸入到中央通道中，使得燃料盐在中央通道中从基体的下表面朝向基体的上表面循环，然后燃料盐以相反的方式(即，从基体的上表面朝向基体的下表面循环)被朝向外围通道喷射。因此，中央通道的出口端部在基体的上表面侧，并且中央通道的入口端部在基体的下表面侧，而外围通道的入口端部在基体的上表面侧，外围通道的出口端部在基体的下表面侧。
[0084]
在燃料盐通道的第二变型中：
[0085]-燃料盐通道为u形通道，每个燃料盐通道的入口端部和出口端部都位于基体的上表面上，
[0086]-在基体的上表面与主包壳的上壁之间设置有一个上腔，以容纳燃料盐循环装置(不包括所述装置的马达驱动和控制元件)并确保燃料盐的均化。
[0087]
与第一变型不同，基体的下表面可以位于主包壳的下壁上。
[0088]
在该第二变型中，可以做出的安排是：
[0089]-每个燃料盐通道层都包括两个u形燃料盐通道，这两个u形燃料盐通道对称地布置在所述层的中心轴线的两侧，每个u形燃料盐通道的出口端部位于基体的上表面的中央切片中，并且每个u形燃料盐通道的入口端部位于所述上表面的外围切片中(基体的上表面因此被“划分”成包括所有u形通道的出口端部的矩形中央切片和在中央切片的两侧延伸并且包括所有u形通道的入口端部的两个矩形外围切片)；
[0090]-与第一变型类似，有利地，燃料盐循环装置在基体的上表面一侧包括，
[0091]-一方面，一个中央收集器，该中央收集器具有一个大底座、一个呈锥形料斗形式的内表面、以及一个顶部开口，该大底座仅覆盖基体的上表面的中央切片，
[0092]-以及另一方面，一个离心泵，该离心泵被配置成将来自中央收集器的顶部开口的燃料盐朝向基体上表面的两个外围切片喷射。
[0093]
类似地，对于传热盐通道可以考虑两个变型：在第一变型中，传热盐通道是直线的且贯通的，并且在第二变型中，传热盐通道是u形通道。
[0094]
更具体地，在第一变型中：
[0095]-传热盐通道是直线的且贯通的，从基体的第一侧表面延伸直到其相对的侧表面(称为第二侧表面)，所有传热盐通道都具有在基体的第一侧表面一侧的入口端部和在基体的第二侧表面一侧的出口端部，
[0096]-在基体的第一侧表面与主包壳的第一侧壁之间设置有一个上游混合腔，“主包壳的第一侧壁”是指所述包壳的沿着基体的第一侧表面延伸的壁，
[0097]-在基体的第二侧表面与主包壳的第二侧壁之间设置有一个下游混合腔，“主包壳的第二侧壁”是指所述包壳的沿着基体的第二侧表面延伸的壁，
[0098]-主包壳的传热盐入口开口通向上游混合腔(该上游混合腔例如形成在主包壳的第一侧壁中)，而主包壳的传热盐出口开口通向下游混合腔(该下游混合腔例如形成在主包壳的第二侧壁中)，
[0099]-传热盐循环装置包括至少一个泵，至少一个所述泵位于主包壳的外部、优选地位
于屏蔽物的反射层的外部、或者位于屏蔽物的外部，至少一个所述泵被配置成通过主包壳的传热盐入口开口将传热盐注入到上游混合腔中，或者至少一个所述泵被配置成通过主包壳的传热盐出口开口从下游混合腔抽吸传热盐。
[0100]
在与传热盐通道的形状相关的第二变型中：
[0101]-传热盐通道为u形通道，每个u形传热盐通道都具有一个入口端部和一个出口端部，该入口端部和该出口端部均位于基体的第一侧表面上，
[0102]-一个单一侧腔设置在基体的第一侧表面与主包壳的第一侧壁之间，
[0103]-主包壳的传热盐入口开口和传热盐出口开口均设置成通向该单一侧腔；传热盐入口开口和传热盐出口开口例如形成在主包壳的第一侧壁中、或者形成在与该第一侧壁相邻的面中靠近所述第一面以便通向单一侧腔。
[0104]
优选地：
[0105]-每个传热盐通道层都包括两个u形传热盐通道，这两个u形传热盐通道对称地布置在所述层的中心轴线的两侧，每个u形传热盐通道的端部中的一个端部位于基体的第一侧表面的中央切片中，并且每个u形传热盐通道的另一个端部位于所述第一侧表面的外围切片中(换言之，基体的第一侧表面被“划分”成三个矩形部分，即包括u形通道的端部中的一个端部(例如，出口端部)的中央切片和包括u形通道的另一个端部(例如，入口端部)的两个外围切片)。
[0106]
总而言之，关于通道的形状，最终可以考虑四种主要实施方式：
[0107]-第一实施方式，其中，燃料盐通道和传热盐通道是直线的且贯通的通道；
[0108]-第二实施方式，其中，燃料盐通道和传热盐通道是u形通道；
[0109]-第三实施方式，其中，燃料盐通道是直线的且贯通的通道，并且传热盐通道是u形通道；
[0110]-第四实施方式，其中，燃料盐通道是u形通道，并且传热盐通道是直线的且贯通的通道。
[0111]
在第二实施方式(其中，所有通道都是u形通道)中，在基体的下表面与主包壳的下表面之间未设置燃料盐循环均化腔，这是因为燃料盐从基体的上表面一侧的所有通道流出(不像第一实施方式和第三实施方式，其中燃料盐通道是贯通的)。类似地，在该第二实施方式中，一个单一侧腔对于混合和循环传热盐是必要的(不像第一实施方式和第四实施方式，其中传热盐通道是贯通的)。
[0112]
因此，第二实施方式(其中，所有通道都是u形的)比其他实施方式更紧凑。事实证明，在“微型”基体的情况下，第二实施方式在效率方面也更有利，这种“微型”基体的边长不超过45cm，并且这种“微型”基体被设计用于产生2兆瓦至3热兆瓦(或一电兆瓦内)的功率。第二实施方式在“小”基体的情况下也是非常有效的，这种“小”基体的边长测量为约100cm，并且这种“小”基体被设计用于产生一百热兆瓦(或30至50mw(e))范围内的功率。尽管如此，第一实施方式(其中，所有通道都是贯通的)也提供了非常令人满意的结果，特别是在尺寸为产生五十电兆瓦或更少电兆瓦的“小”基体的情况下。
[0113]
根据本发明的可能的特征，燃料盐通道和传热盐通道在燃料盐层和传热盐层的厚度方向上的尺寸在5mm至12mm之间。优选地，关于燃料盐通道，当这些通道是直线的且贯通的通道时，该尺寸在7mm至12mm之间、理想地在10mm内，并且当这些通道由u形通道组成时，
该尺寸在5mm至10mm之间、理想地在7mm内。优选地，传热盐通道的沿着层的厚度方向的尺寸在5mm至10mm之间、理想地在7mm内，无论传热盐通道是由直线的且贯通的通道组成还是由u形通道组成。
[0114]
现在描述在每一个传热盐通道层都包括两个u形通道的情况下的传热盐循环装置。
[0115]
在这种情况下，可以做出如下安排：传热盐循环装置所包括的中央收集器类似于针对燃料盐循环装置所描述的中央收集器(即，中央收集器具有一个呈锥形料斗形式的内表面连接的大底座和一个顶部开口)，该中央收集器的大底座仅覆盖基体的第一侧表面的中央切片，并且该中央收集器的顶部开口连接到主包壳的传热盐入口开口或出口开口。
[0116]
替代性地，传热盐循环装置包括一个具有一体化导管的一体式收集器，该一体式收集器优选具有平行六面体外部形状，该一体式收集器具有一个内前表面、一个相对的前表面、以及四个侧壁，该内前表面与基体的第一侧表面相对地延伸。收集器的内前表面形成三个锥形料斗，即一个与基体的第一侧表面的中央切片相对地延伸的中央料斗、以及两个与基体的第一侧表面的两个外围切片相对地延伸的外围料斗。中央料斗通过导管延伸，该导管形成为横跨收集器的厚度并且通向位于收集器的一个侧壁上的第一侧向开口。每一个外围料斗均通过横跨收集器的厚度形成的次级导管延伸，这两个次级导管连接主导管(也横跨收集器的厚度形成)，该主导管通向位于收集器的一个侧壁(优选地，第一侧向开口所在的侧壁)上的第二侧向开口。收集器的第一侧向开口连接到主包壳的传热盐出口开口，而收集器的第二开口连接到主包壳的传热盐入口开口，反之亦然。
[0117]
优选地，这样的一体式收集器(具有三个料斗和一体化导管)由石墨或石墨烯制成。因此，这样的一体式收集器有助于来自反应堆堆芯的中子的反射。有利地，这样的一体式收集器通过3d打印制造。
[0118]
这样的一体式收集器与前面描述的中央收集器(具有一个单一料斗)相比还具有两个主要优点。第一个优点是，这样的一体式收集器保证了注入(或抽吸，取决于所施加的循环方向)的传热盐的体积在基体的第一侧表面的两个外围切片之间的均匀分布。第二个优点是，这样的一体式收集器还保证了传热盐在基体的入口处的热均匀性，这是因为进入主包壳的冷的传热盐直接被注入基体中。相反，当使用具有一个单一料斗的中央收集器时，不能完全排除传热盐在侧腔中具有不均匀的温度，具有较冷的区域或热点，这是由于在所述腔中的混合不充分。
[0119]
不管所考虑的收集器(中央收集器(具有一个单料斗)或一体式收集器(具有三个料斗和一体化导管))如何，传热盐循环装置还包括至少一个泵，所述至少一个泵位于主包壳的外部并且可能位于屏蔽物的反射层的外部，所述至少一个泵被配置成通过主包壳的传热盐出口开口以及通过中央收集器的顶部开口或一体式收集器的第一侧向开口(在中央收集器的顶部开口或一体式收集器的第一侧向开口连接到所述出口开口的情况下)从反应堆中抽吸(热的)传热盐，或者经由主包壳的传热盐入口开口以及通过中央收集器的顶部开口或一体式收集器的第一侧向开口(在中央收集器的顶部开口或一体式收集器的第一侧向开口连接到所述入口开口的情况下)将(冷的)传热盐注入收集器中。
[0120]
如引言中所指出的，本发明还提供了一种包括根据本发明的核裂变反应堆的发电设备。
[0121]
根据可能的特征，该发电设备包括：
[0122]-一个次级热交换器，其被供应有来自反应堆的热传热盐，在该次级热交换器中，热传热盐将热量传递到超临界相的二氧化碳，
[0123]-一个超临界co2涡轮机，其连接到次级热交换器的出口，
[0124]-一个发电机(例如高速发电机)，其与超临界co2涡轮机联接或集成，
[0125]-一个功率电子转换器。
[0126]
根据可能的特征，超临界co2涡轮机是在仅部分流体经历两级压缩和中间冷却的封闭式循环中运行的涡轮机。
[0127]
根据可能的特征，发电机包括一个封闭的外罩壳(包含所有先前定义的元件)，即具有一体化主热交换器、次级热交换器、超临界co2涡轮机、发电机、以及功率电子转换器的核裂变反应堆。优选地，该外罩壳还包封一个计算机控制单元和一个连接到该控制单元的电信装置(例如5g发射器/接收器)，从而能够远程地控制一个出于安全原因而保持本地不可访问的控制单元。
[0128]
该控制单元被配置成监测由适当传感器测量的给定数量的所谓的被动参数，并且被配置成(通过控制传热盐循环泵)主动地控制传热盐的流动速率或循环速度，最后的这个参数是发电设备(除了用于对稍后描述的外罩壳的通风翅片进行定向的装置以外)的唯一所谓的主动参数。
[0129]
在所监测的被动参数中，可以涉及确保燃料盐的循环的离心泵的转速、气体顶部空间的压力、中性气体缓冲罐中的压力、气体裂变产物回收罐中的压力、次级热交换器的或co2涡轮机的泵的速度或流动速率、源自发电机的电流和/或电压和/或电功率、基体中的燃料盐的温度、主包壳的出口处的传热盐的温度、外部罩壳内的空气温度等。
[0130]
根据本发明的可能的特征，发电设备的外部罩壳包括可定向的且马达驱动的通风翅片，这些通风翅片可以在外部罩壳被密封的封闭位置与打开位置之间枢转，从而使得在过热的情况下，罩壳的内部与外部之间的空气循环到释热翅片。
[0131]
本发明涉及一种反应堆和一种发电设备，其特征在于，结合了前面和稍后提到的全部特征或部分特征。
附图说明
[0132]
根据一种实施方式，将很好地理解本发明，并且本发明的优点将在参考附图阅读以下出于说明性和非限制性目的给出的详细描述后更好地显现，在附图中：
[0133]
[图1]图1是根据本发明的基体的第一实施方式的立体图；
[0134]
[图2]图2示出了根据图1所示的基体沿竖直平面的截面；更具体地，该图的左侧部分是根据图1所示的基体的燃料盐层沿竖直平面yz的横截面；图2的右侧部分是根据图1所示的基体的传热盐层的沿平面yz的截面；
[0135]
[图3]图3示出了根据本发明的基体的第二实施方式的沿竖直平面的截面；更具体地，该图的左侧部分是沿竖直平面yz的燃料盐层的截面，而该图的右侧部分是沿平面yz的传热盐层的截面；
[0136]
[图4]图4是根据本发明的反应堆的一部分的分解立体图，展示了图1所示的基体以及反应堆的燃料盐循环装置的一部分；
[0137]
[图5]图5是图1所示的基体的立体图，中央收集器与该基体相关联，两个泵用于使传热盐循环；
[0138]
[图6]图6是图1所示的基体的立体图，与该基体相关联的一体式收集器用于传热盐的循环；
[0139]
[图7]图7是从所述收集器的内前表面看到的、用于传热盐的循环的一体式收集器的立体图；
[0140]
[图8]图8是从所述收集器的外前表面看到的、图7所示的一体式收集器的立体图；
[0141]
[图9]图9是根据本发明的反应堆的一部分的分解立体图，展示了图1所示的基体以及包括图7和图8所示的一体式收集器的反应堆的传热盐循环装置的一部分；
[0142]
[图10]图10是根据本发明的发电机的实施方式的示意性立体图，该发电机的外罩壳的一部分已经被拉下。
[0143]
上述附图中所示的相同元件用相同的附图标记标识。
具体实施方式
[0144]
图1示出了根据本发明的基体的第一实施方式，其中燃料盐通道和传热盐通道是u形通道。该基体10包括交替的燃料盐层11和传热盐层12。层11和层12具有方形截面(在yz平面中)并且形成可以是立方体的集合。基体还包括两个端部层，这两个端部层形成基体的第一侧表面15和第二侧表面16。有利地，这些端部层是传热盐层、具有矩形截面(在yz平面中)，这些端部层的高度(根据z方向)大于层11和层12的高度。上表面13和下表面14可以是方形或矩形。
[0145]
此外，基体在其第三侧表面16和第四侧表面17中的每一个处包括条带19。条带19和端部层15、16的突出(向上)部分界定上腔200，该上腔旨在接纳燃料盐循环装置的至少一部分并且旨在确保所述燃料盐的混合和热均匀性。
[0146]
如随后将看到的，除了该上腔200之外，反应堆堆芯还包括与基体的第一侧表面15相对的至少一个侧腔201(例如，参见图5)。该侧腔201旨在容纳传热盐循环装置的至少一部分并且旨在确保所述传热盐的混合和热均匀性。
[0147]
基体在燃料盐层中装载有燃料盐并且在传热盐层中装载有传热盐。因此，基体既形成根据本发明的反应堆的堆芯又形成根据本发明的反应堆的主热交换器。
[0148]
根据定义，在根据本发明的反应堆中使用的燃料盐含有重核，这些重核包含可裂变同位素(能够在快中子或热中子轰击的作用下裂变)和/或裂变同位素(仅能够在快中子轰击的作用下裂变)、而且还包含旨在反应堆中焚烧的少量锕系元素。只有一小部分可裂变同位素和/或裂变同位素是必需的。
[0149]
除了这样的基体之外，根据本发明的反应堆还包括主包壳20和屏蔽物21，比如图5、图6和图9中可以看到的以虚线所示的主包壳和屏蔽物。主包壳20的功能是容纳基体并且限制基体所包含的燃料盐。
[0150]
屏蔽物包括外部屏蔽层211、以及面向反应堆内部的至少一个反射层210。反射层210基本上由碳质材料(如石墨或石墨烯)组成。有利地，该反射层包括15cm至30cm厚的石墨块，该石墨块结合有硼针。有利地，外部屏蔽层211包括5cm至20cm厚的铅块，该铅块在必要时可能含有硼针。
[0151]
当达到临界状态时，基体中所包含的燃料盐中存在的裂变核开始裂变并产生快中子，这引起其他可裂变核或裂变核的裂变以及任何微小锕系元素的解体。这些中子速度快，但并非都能撞击到能够裂变的原子核，有些中子从主包壳逃逸；然后，这些中子被屏蔽物的反射层210反射、或者减慢直到被该反射层吸收。因此，几乎所有在基体的燃料盐通道中产生的中子都被反射层210反射或吸收。设法穿过反射层的小百分比的残余中子被屏蔽物的由铅制成的屏蔽层211吸收，该屏蔽层还减弱了由基体中参与裂变反应的中子和由反射层210中减慢的中子发出的伽马辐射。
[0152]
根据本发明的反应堆还包括用于使燃料盐循环的装置和用于使传热盐循环的装置，随后根据基体的实施方式予以描述。燃料盐在反应堆堆芯中的循环能够保证燃料盐的完美热均匀性。
[0153]
图1所示的基体10(第一实施方式)的层在图2的截面中是可见的；除了形成基体的侧表面17、18的端部层之外，其他层都是相同的。
[0154]
每个燃料盐层11(参见图2的左侧部分)都具有实心面并且相对于该层的竖直中心轴线对称的两个u形通道110穿过每个燃料盐层，在u形通道中，燃料盐根据竖直方向从顶部到底部然后从底部到顶部循环。每个燃料盐通道110都具有入口端部111和出口端部112。两个通道的出口端部112位于基体的上表面13的中央区段130中。两个燃料盐通道的入口端部111位于基体的上表面13的两个外围切片131中。
[0155]
类似地，每个传热盐层12(参见图2的右侧部分)都具有实心面并且相对于该层的水平中心轴线对称的两个u形通道穿过每个传热盐层，在这些u形通道中，传热盐根据水平方向以一种方向(从图的右侧到左侧)然后以另一种方向循环。每个传热盐通道120a、120b都具有：入口端部121，该入口端部通向基体的侧表面15的外围切片151a、151b；以及出口端部122，该出口端部通向基体的侧表面15的中央切片150。
[0156]
换言之，燃料盐层和传热盐层具有相同的结构，但是燃料盐层和传热盐层以90
°
偏移定向，使得u形通道在燃料盐层11中基本上竖直延伸并且都通向基体的上表面13，而u形通道在传热盐层12中基本上水平延伸并且都通向基体的侧表面中的一个侧表面、在这种情况下是表面15(称为“第一”侧表面)。在这样的基体中，下表面14和侧表面16至18是不可见的。
[0157]
应当注意，形成基体的侧表面17、18的端部层是优选地与基体的其他传热盐层略有不同的传热盐层，因为这些端部层相对于这些端部层的水平中心轴线不对称。因此，在所展示的示例中，这些端部层17、18中的每一个都包括下通道和上通道，该下通道与基体的其他传热盐层的下通道120a相同，但该上通道比基体的其他传热盐层的通道120b宽。因此，该上通道部分地与上腔200相对地延伸，这能够确保该上腔的冷却。
[0158]
例如，每个层(无论是燃料盐层11还是传热盐层12)都为10mm厚(根据x方向)，并且每个盐燃料通道110或传热盐通道120a、120b优选在层11的厚度方向上(即，根据x方向)的测量宽度为7mm。因此，每层的燃料盐通道与相邻层的传热盐通道在这两个层的交点处相距约3mm。应当注意，在附图中未按比例，特别是在图2中，与通道的宽度(根据y方向)相比，分隔同一层的两个通道的材料113的厚度和分隔同一通道的两个分支的材料114的厚度可以纤细得多。例如，u形通道的宽度可以在96mm的范围内，而分隔同一层的两个通道的材料113的厚度和分隔同一通道的两个分支的材料114的厚度为3mm。然后获得40cm边长的基体。
[0159]
除了形成基体的侧表面17和18的两个端部层之外，可以使所有的传热盐层都相同，例如具有96mm宽的通道。因此，例如，传热盐的这些端部层包括与其他层一样的96mm宽的下通道、以及更宽的上通道，本文测量为113mm(参见图1和图4)。这允许传热盐在上腔200的侧壁上循环，以用于冷却该上腔。
[0160]
图3示出了根据本发明的基体的第二实施方式，其中燃料盐通道和传热盐通道是笔直的且贯通的。
[0161]
与第一实施方式的基体10类似，基体10’是立方体的，因此该基体的表面是方形的，并且上条带与该基体相关联以在该基体的上表面13’上方形成上腔。另外，下条带(未示出)也与基体10’相关联以在基体的下表面14’下方形成下腔。基体还设置两个侧腔，包括：与表面15’相对的上游腔，来自次级热交换器的冷传热盐被注入到该上游腔中；以及与表面16’相对的下游腔，从基体流出的热传热盐从该下游腔沿次级热交换器的方向被吸向反应堆堆芯的外部。
[0162]
与基体10一样，基体10’由交替叠加的燃料盐层11’和传热盐层12’组成，这些燃料盐层和传热盐层相同或相似(燃料盐层和传热盐层之间可能存在细微差异，特别是在通道直径和/或层厚度方面)但相对于彼此枢转90
°
。
[0163]
每个燃料盐层11’都包括直线的且贯通的燃料盐通道110’，这些燃料盐通道都沿竖直方向从基体的上表面13’一直延伸到基体的下表面14’。在位于燃料层的中央切片130’中的通道(称为中央通道)中，燃料盐从底部到顶部循环，使得这些中央通道的入口端部111’位于基体的下表面14’上，并且这些中央通道的出口端部112’位于基体的上表面13’上。在位于燃料层的两个外围切片131’中的通道(称为外围通道)中，燃料盐以另一方向循环。因此，这些外围通道的入口端部111’位于基体的上表面13’上，而外围通道的出口端部112’位于基体的下表面14’上。因此，对于所有的燃料盐层，中央通道以相同的方式限定，从上方看，基体的上表面13’可以被“划分”成三个矩形切片，即中央切片130’(包括中央通道的出口端部)以及两个外围切片131’(包括外围通道的入口端部)。
[0164]
例如，燃料盐层11’的厚度在10mm至15mm之间(根据x方向)，传热盐层12’的厚度在8mm至13mm之间(根据x方向)。此外，每个燃料盐通道110’的直径包括在7mm至12mm之间、优选在10mm的范围内，燃料盐通道沿y方向的间隔约3mm，而每个传热盐通道120’的直径包括在5mm至10mm之间、优选在7mm的范围内，传热盐通道沿z方向的间隔约3mm。
[0165]
不考虑所使用的基体，由于上条带19，上腔200(参见图4)形成在基体10的上方、位于盖37(该盖在反应堆堆芯的顶部处封闭反应堆堆芯)与基体的上表面13之间，以便容纳特别是燃料盐循环装置(不包括所述装置的马达驱动和控制单元)。
[0166]
此外，当反应堆配备有具有u形通道的基体(比如图2中的基体10)时，基体直接放置在主包壳20的下壁上。当反应堆配备有具有贯通通道的基体(比如图3的基体10’)时，例如使用下条带(未示出)在基体的下表面14’与主包壳的下壁之间留出空间，以便形成下燃料盐循环均化腔(未示出)。
[0167]
无论反应堆是配备有基体10(根据图2)还是配备有基体10’(根据图3)，燃料盐循环装置都可以包括中央收集器30和离心泵31，比如图4所展示的中央收集器和离心泵。
[0168]
中央收集器30具有：一个大矩形底座32，该大矩形底座的尺寸与基体的上表面13、13’的中央切片130、130’的尺寸一致；呈锥形料斗形式的内表面33(下表面，朝向基体)；以
及顶部开口34。在图4中，因为该图由分解图组成，所以收集器被示出为距基体一定距离，当然，收集器实际上被压靠在基体的上表面13上。
[0169]
具有竖直轴35的离心泵31布置在收集器的顶部开口33的上方；因此，该离心泵的旋转使得容纳在基体的与收集器相反方向延伸的通道(在基体10’的情况下是中央通道，在基体10的情况下是u形通道的中央分支)中的燃料盐的向上吸入，该燃料盐朝向基体的上表面的外围切片131、131’喷射。如果基体具有u形通道的基体(比如基体10)，则燃料盐被推入(基体10的)u形通道的外围分支中，以随后经由u形通道的中心分支朝向基体的上表面返回。如果基体是具有贯通通道的基体(比如基体10’)，则从离心泵逐出的燃料盐被推入外围通道中，直至到达反应堆的下混合均化腔。之后，燃料盐通过中央通道上升到基体中。
[0170]
收集器30和离心泵31被容纳在反应堆堆芯中在基体上方设置的上腔200中。
[0171]
该上腔从底部到顶部(参见图4)不仅集成了收集器30和离心泵31，而且还集成了：
[0172]-一个扩散器36，该扩散器由覆盖上腔的整个表面的多孔板组成并且位于离心泵的正上方；该扩散器36使得燃料盐能够膨胀而不受由于从泵出来的流向燃料盐层中的下降通道的流体循环所引起的湍流的干扰；
[0173]-一个可拆卸盖37，该可拆卸盖带有膨胀设备和脱气系统。该盖37包括一个设备，该设备能够承受堆芯中所包含的燃料盐在低温结晶时固相与高温熔化时液相之间整个体积的膨胀率达到25％，
[0174]-一个跨接器39，传热盐在该跨接器中循环。该跨接器包括四个通道。这些通道中的每一个通道都具有入口端部390，该入口端部在跨接器的水平壁中、位于跨接器的前表面上，冷的传热盐通过该入口端部注入。通道从该入口端部开始在水平壁中沿y方向水平向后延伸，以“倾斜”到相邻的竖直壁中，然后在该竖直壁中沿y方向(但向前)再次延伸，直到通向所述竖直壁中跨接器的前表面的出口端部391。
[0175]
离心泵的竖直轴35穿过盖37，以联接到位于堆芯上方的、处于屏蔽物21外部的远程马达(未示出)。用于对离心泵的轴35进行密封和对中的套筒38借助于带有六个螺钉(例如，m6螺钉)和由不锈钢/碳制成的扁平垫圈的夹紧凸缘而紧固到上腔的盖37上。该套筒38由碳质材料(例如，石墨烯)制成，该套筒的长度足以穿过主包壳20的和屏蔽物21的上壁。该套筒包括以下系统或布置：
[0176]-一个锥形轴承组，锥形轴承组能够确保对泵的轴的高度进行对中和调整，
[0177]-一个极高温o形环垫圈组，极高温o形环垫圈组位于泵的轴与套筒之间，从而确保动态密封，
[0178]-套筒外围的一个极高温o形环垫圈组，极高温o形环垫圈组确保与套筒所穿过的包壳上壁和屏蔽物上壁的静态密封，
[0179]-穿过套筒的一个或多个竖直内部通道，称为气体交换通道，使得气体能够在堆芯的上腔与为此设置的选择性储器(未示出)之间进行交换。在正常运行模式(热反应堆)下，裂变产生的气体以及反应的毒物(特别是氙-135)通过这些气体交换通道从堆芯排出。在反应堆冷停堆模式中，通过一个气体交换通道注入中性气体，从而能够补偿盐的结晶所产生的体积减小；套筒可以例如包括两个直径为5mm的通道，这两个通道用于裂变气体的抽吸和中性气体的注入；
[0180]-穿过套筒的一个竖直内通道，称为填充/排放通道，用于向基体中添加燃料盐或
从基体移除燃料盐：
[0181]-一个测量探针组；套筒包括例如两个直径为5mm的通道，这两个通道供温度探针和/或压力探针从堆芯的上腔向屏蔽物的外部通过。
[0182]
如前所述，根据本发明的反应堆还包括用于使传热盐循环的装置。这些装置可以包括一个中央收集器40(比如在图5中可见的中央收集器)和至少一个泵41。图5的示例使用具有u形通道的基体，比如图1和图2中的基体。因此，在基体与主包壳20之间设置有单一侧腔201，以用于均化传热盐并容纳传热盐循环装置的一部分。该侧腔201与基体10的第一侧表面15相对地设置。应当注意，在图5中，还可以看到容纳燃料盐循环装置(在该图中未示出)的上腔200。
[0183]
像燃料盐收集器30一样，传热盐中央收集器40包括一个大底座，该大底座的尺寸与基体的第一侧表面15的中央切片150一致，使得收集器40与传热盐u形通道的出口端部122相对地延伸。应当注意，图5中未示出跨接器39。然而，应该容易理解的是，当跨接器39处于适当位置时，其通道的出口端部391与收集器40相对地打开，而所述通道的入口端部通向腔201。
[0184]
收集器40还包括呈料斗形式的内表面(在图5中不可见)，该内表面允许将在第一侧表面15的中央切片150处吸入的传热盐向上引导到收集器的顶部开口47。
[0185]
传热盐循环装置还包括：
[0186]-一个抽吸导管45，该抽吸导管将泵41连接到中央收集器40的顶部开口47。该抽吸导管45穿过主包壳20的上壁，穿过在所述包壳的上壁中形成的与侧腔201成一直线的传热盐出口开口42，
[0187]-一个入口导管46，该入口导管将该次级热交换器的出口与反应堆的堆芯连接，该入口导管46通过冷却剂盐入口开口43穿过主包壳，该冷却剂盐入口开口形成在所述包壳的上壁中、与侧腔201成一条直线，该导管46包括开口44，该开口通向侧腔201并能够将冷传热盐注入该腔中。之后，该冷传热盐分布在基体的侧表面15的两个外围切片151a、151b之间，以在抽吸泵41产生的吸力的作用下通过u形通道的入口端部121进入u形通道。
[0188]
在图5所展示的示例中，传热盐循环装置包括一个冗余系统，该冗余系统具有一个第二抽吸泵、一个连接到收集器40的第二顶部开口的第二抽吸导管、以及一个第二入口导管。这种冗余系统是可选的，不是必需的。
[0189]
代替中央收集器40，传热盐循环装置可以包括一个一体式收集器50(比如图6至图9中所示的收集器)，该一体式收集器与抽吸泵41(类似于图5中所示的抽吸泵)相关联。一体式收集器50是大体上呈平行六面体的元件，该元件占据整个侧腔201。该一体式收集器50具有：
[0190]-一个内前表面501，该内前表面覆盖基体的第一侧表面15或15’的整个表面并压靠在该第一侧表面上，
[0191]-一个相反的外前表面，该外前表面是平面的并且与主包壳的第一侧表面相对地延伸，
[0192]-四个侧壁504至507。
[0193]
内前表面501形成三个锥形料斗，这三个锥形料斗包括中央料斗502以及两个外围料斗503a、503b，该中央料斗的底座与基体的第一侧表面的中央切片150或150’相对应。下
料斗503a与基体的第一侧表面的下外围切片151a或151’a相对应并且与该下外围切片相对地延伸。上料斗503b的高度大于下料斗503a的高度，因为该上料斗不仅覆盖基体的侧表面15的上外围切片151b或151’b而且覆盖条带19，从而完全覆盖较大的上通道(其设置在形成基体的侧表面17、18的端部层中)的入口端部以及完全覆盖跨接器39的四个通道的入口端部391。换言之，在一体式收集器50的内表面501具有与在传热盐的形成基体的侧表面17、18的端部层中相同的不对称性。
[0194]
中央料斗502通向横跨收集器厚度形成的抽吸导管508，抽吸导管508的出口端部位于收集器的上侧壁505上；该出口端部通向形成在主包壳20的上壁中的传热盐出口开口51(参见图6)。该传热盐出口开口51通过导管(未示出)连接到位于主包壳20或屏蔽物21外部的抽吸泵(未示出)。此外，每个外围料斗503a、503b通向次级导管509a、509b(横跨收集器的厚度形成)，该次级导管连接主导管510(也横跨收集器的厚度形成)，该主导管的出口端部位于收集器的上侧壁505上；该出口端部通向形成在主包壳20的上壁中的传热盐入口开口52。
[0195]
为了确保传热盐在料斗503a与503b之间的均匀分布，即，当料斗503a和503b不对称时，在基体的所有传热盐通道中具有相同的传热盐压力(和相同的流动速率)，下部的次级导管509a具有比次级导管509b小的截面。
[0196]
本发明涉及一种发电设备，比如图10中示意性示出的发电设备。该发电设备包括：
[0197]-一个如前所述的反应堆100，
[0198]-一个盐/co2次级热交换器101，
[0199]-一个涡轮机103，
[0200]-一个发电机；在所展示的示例中，涡轮机103是具有集成发电机的涡轮机，
[0201]-一个功率电子转换器104，
[0202]-一个计算机控制单元105。
[0203]
通过位于收集器40或50上方的泵41所泵送的热传热盐输送至设置在反应堆100外部的次级热交换器101。
[0204]
次级热交换器101允许在再加热的传热盐与二氧化碳之间进行热交换，传热盐和二氧化碳这两种流体逆流循环。次级热交换器包含配备有u形多管交换器的容器，该容器和该u形多管交换器均由哈氏合金(-n)制成。二氧化碳穿过u形多管，而传热盐填充其中安装有多管的容器的主室。
[0205]
在次级热交换器101的出口处，冷却的传热盐通过软管被输送返回到反应堆的侧腔201，以在该侧腔处将其推送至堆芯的主热交换器(基体)的传热盐通道。反应堆100外部的所有传热盐管道都可以由-n制成。
[0206]
传热盐管道和次级热交换器101配备一个微量加热系统，微量加热系统能够使盐的温度在启动阶段期间快速上升。事实上，在冷停堆后，传热盐在室温时结晶。根据盐的实际组成，盐在高于约450℃的温度时达到熔化。跟踪系统使得位于反应堆外部的盐能够达到液相。跟踪系统仅在反应堆的冷启动时才通电。
[0207]
传热盐回路进一步包括以下设备，该设备能够承受传热盐在低温时的结晶固相与高温熔化时的液相之间的整个体积膨胀达到25％。
[0208]
堆芯的功率由从堆芯抽吸的热量来控制、因此由传热盐的流动速率来控制，这归
功于传热盐抽吸泵41的控制。该参数是反应堆唯一能够主动控制的操作参数。
[0209]
在次级热交换器101的出口处，超临界相的二氧化碳被送至封闭式循环涡轮机103，再压缩，以将热量转化为机械能。涡轮机中使用过的流体(超临界相的二氧化碳)的运行循环包括两级压缩，其中仅对部分流体进行中间冷却，这能够回收更大量的热量。
[0210]
超临界co2循环在热力学方面和涡轮机的规模方面非常令人关注。这两个主要技术限制是热交换器的制造(特别是在环临界区域)以避免温度的任何交叉、以及二氧化碳高效涡轮机的制造。
[0211]
从次级热交换器101流出的主流动速率的流体以200巴(bar)和约550℃进入涡轮机103，在该涡轮机中膨胀，并以79巴和约440℃流出到达第一三级高温交换器从而下降至约168℃-79巴，然后在第二三级低温交换器中下降至约70℃-77巴，然后被分成两流(与涡轮机相关联的两个三级交换器，分别是高温交换器和低温交换器，在图10中由块102示出)：
[0212]-一部分在预冷却器中被冷却，从而下降至约32℃-77巴，然后在主压缩机中从约77巴被压缩至200巴，最后在低温交换器中再加热至约158℃；
[0213]-另一部分在再压缩机中被压缩至200巴，然后与从低温交换器出来的另一部分流体混合。
[0214]
之后，在返回到盐/co2次级热交换器101之前，总流量在高温交换器中被再加热到397℃，因此循环是封闭的。
[0215]
涡轮机的两个三级热交换器(co2/co2交换器)102是印刷电路热交换器(pche)或三周期极小曲面(tpms)类型，并且在此位于涡轮机103的上方。低温冷却器(co
2-空气)是具有交叉混合的多管翅片类型，环境空气混合风扇可以位于发电机主轴的端部处或者位于独立于发电机主轴的设备中。
[0216]
次级热交换器101(盐/co2交换器)的入口温度高于没有三级交换器102时的入口温度，并且假设涡轮机的多变效率在90％的范围内且交换器的效率在95％的范围内，则总效率接近50％。由于封闭式循环co2涡轮机(例如，在pche或tpms型交换器102中)中的热回收，由涡轮机“冷却”的co2的温度高于在没有热回收器102时的温度，这保证了次级交换器101的入口/出口温度的较低增量并因此保证了较高的总效率。为了更加紧凑，螺旋循环泵集成到涡轮机的旋转轴中并且位于紧接第一减压级之后。
[0217]
涡轮机103的转速在每分钟数万转的范围内。
[0218]
涡轮机优选地经由行星齿轮系联接到非常高速的发电机，从而允许将旋转机械功率转换成电流-电压控制的三相电功率。在所示的示例中，发电机被集成到块103中，该块因此被称为具有集成发电机的涡轮机。
[0219]
由此产生的电流被发送至功率电子转换器104，从而确保额定电压和频率与当地标准相对应。
[0220]
发电机的轴还配备有旨在起动涡轮机的电动机，特别是确保二氧化碳的初始循环流量，特别是在反应堆冷启动时。
[0221]
如前所述，发电设备还包括一个计算机控制单元105，该计算机控制单元用于被动监测使用各种传感器测量的一些操作参数并且用于主动控制传热盐抽吸泵41。该控制单元集成了比如至少5g连接的电信装置，从而一方面允许传输针对监测的操作参数测量的值，另一方面允许远程控制传热盐抽吸泵41以便例如调节反应堆堆芯的温度或控制反应堆的
停堆。
[0222]
此外，外罩壳配备有可定向的翅片107，在过热的情况下，这些可定向的翅片可以打开以确保罩壳内部与外部之间的通风。这些通风翅片可以在外罩壳内的空气温度超过预定阈值时自动置于打开位置，或者可以使用遥控器。尽管如此，这些通风翅片的大小被设置成不允许对发电设备的元件(特别是反应堆和控制单元)进行任何访问，以防止任何污染的风险并避免任何侵入反应堆或发电设备的可能性。

技术特征：
1.一种熔盐核裂变反应堆(100)，其包括：-一个反应堆堆芯，燃料盐穿过所述反应堆堆芯，所述燃料盐包括能够裂变的重核，-一个主包壳(20)，所述主包壳包容所述反应堆堆芯，所述主包壳对于液体盐是不可渗透的，-一个屏蔽物(21)，所述主包壳容纳在所述屏蔽物中，-所述反应堆堆芯包括一个平行六面体基体(10；10’)，所述平行六面体基体包括交替的燃料盐通道层(11；11’)和传热盐通道层(12；12’)，所述燃料盐在所述燃料盐通道层中循环，所述传热盐在所述传热盐通道层中循环，-一个传热盐循环装置(40，41)，所述传热盐循环装置用于使所述传热盐在所述主包壳内在所述主包壳的一个传热盐入口开口(43，52)、所述基体的传热盐通道(120；120’)、接着是所述主包壳的一个传热盐出口开口(42，51)之间循环，-一个燃料盐循环装置(30，31)，所述燃料盐循环装置用于使所述燃料盐在所述基体的燃料盐通道(110；110’)中循环，其特征在于，所述燃料盐循环装置被配置成通过所述基体的一个表面(13；13’)从所述燃料盐通道的一部分抽吸所述燃料盐并通过所述基体的同一表面将所述燃料盐推进到所述燃料盐通道的另一部分中。2.根据权利要求1所述的反应堆，其特征在于，所述燃料盐循环装置(30，31)被配置成在没有所述燃料盐再生、所述主包壳(20)不具有燃料盐出口的封闭式循环中使所述燃料盐仅在所述主包壳内循环。3.根据权利要求1或2中的一项所述的反应堆，其特征在于，所述屏蔽物(21)包括：至少一个由碳质材料制成的反射层(210)，所述反射层朝向所述反应堆堆芯定向并且被配置成使所述燃料盐处于临界状态；以及屏蔽层(211)，所述屏蔽层用于减弱残余辐射和中子，所述屏蔽层被配置成吸收或中和源自所述反应堆堆芯和/或源自所述反射层的伽马辐射以及吸收或中和将设法穿过所述屏蔽物的反射层(210)的残余泄漏中子。4.根据权利要求1至3所述的反应堆，其特征在于，所有燃料盐通道(110；110’)在所述燃料盐通道层(11；11’)中沿着正交于所述基体的上表面(13；13’)的竖直方向延伸，并且所有传热盐通道(120a，120b；120’)在所述传热盐通道层(12；12’)中沿着正交于所述基体的侧表面中的第一侧表面(15；15’)的方向延伸。5.根据权利要求4所述的反应堆，其特征在于，所述燃料盐循环装置至少包括：-一个元件(30)，其称为所述中央收集器，所述元件布置在所述主包壳(20)中、与所述基体的上表面(13；13’)相对地位于所述基体的上表面上方，所述主收集器在一侧上包括一个大底座(32)，所述大底座与所述基体的上表面(13；13’)相邻，所述大底座覆盖所述上表面的中央部分或中央切片(130；130’)，并且所述主收集器在另一侧上包括一个顶部开口(34)、一个呈锥形料斗形式的内表面(33)，所述呈锥形料斗形式的内表面将所述大底座连接到所述顶部开口，-以及一个离心泵(31)，所述离心泵布置在所述主包壳(20)中、与所述中央收集器的顶部开口(34)相对地位于所述中央收集器的顶部开口上方。6.根据权利要求4或5中的一项所述的反应堆，其特征在于，所述传热盐循环装置包括：-一个元件(40)，其称为所述收集器，所述元件被集成到所述主包壳中，所述收集器在
一侧上具有一个大底座，所述大底座靠近所述基体的第一侧表面(15；15’)，所述收集器在另一侧上具有至少一个开口，所述至少一个开口连接到所述主包壳的传热盐入口开口(43)或者连接到所述主包壳的传热盐出口开口(42)，-一个或两个泵(41)，所述一个或两个泵布置在所述主包壳(20)外部。7.根据权利要求1至6之一所述的反应堆，其特征在于，所述基体(10；10’)是一体地制成的。8.根据权利要求1至7之一所述的反应堆，其特征在于，所述基体(10；10’)由选自以下的一种或多种材料制成：石墨烯、碳化硅泡沫、石墨烯和碳化硅泡沫、前述材料的组合。9.根据权利要求1至8之一所述的反应堆，其特征在于，所述基体(10；10’)通过3d打印获得。10.根据权利要求3所述的反应堆，其特征在于，所述屏蔽物(21)包括位于所述反射层(210)与所述屏蔽层(211)之间的一个钍层，所述钍层旨在通过吸收从所述主包壳(20)逃逸的且被所述反射层(210)减慢的泄漏中子而发生裂变。11.根据权利要求1至10之一所述的反应堆，其特征在于，所述反应堆包括：-一个气体顶部空间，所述气体顶部空间位于所述基体(10；10’)上方，-一个气体裂变产物回收罐，所述气体裂变产物回收罐与所述气体顶部空间相连接，-一个中性气体缓冲罐，以及出于补偿所述燃料盐的体积变化的目的用于将所述中性气体注入所述气体顶部空间的装置。12.根据权利要求1至11之一所述的反应堆，其特征在于，在所述传热盐循环装置(40，41，45，46；50，41)中设置有一个微量预热系统。13.根据权利要求1至12之一所述的反应堆，其特征在于，所述反应堆包括一个用于控制所述传热盐在所述反应堆中的循环流动速率的设备。14.根据权利要求1至13之一所述的反应堆，其特征在于，所述基体是一个边长为35cm至120cm的立方体和/或所述基体的处于液态的燃料盐的体积小于500升。15.根据权利要求1至14之一所述的反应堆，其特征在于，所述燃料盐通道(110；110’)和所述传热盐通道(120a，120b；120’)在所述燃料盐层和所述传热盐层的厚度方向上的尺寸在5mm至12mm之间。16.根据权利要求4所述的反应堆，其特征在于：-所述燃料盐通道(110’)是直线的且贯通的、从所述基体的上表面(13’)延伸到所述基体的下表面(14’)，-在所述基体的上表面(13’)与所述主包壳(20)的上壁之间设置有一个上腔(200)，以容纳所述燃料盐循环装置(30，31)、但不包括所述燃料盐循环装置的马达驱动和控制元件，-在所述基体(14’)的下表面与所述主包壳(20)的下壁之间设置有一个下循环均化腔，-所述燃料盐循环装置在所述基体的上表面(13’)的一侧包括一个中央收集器(30)和一个离心泵(31)，所述中央收集器具有一个大底座(32)、一个呈锥形料斗形式的内表面(33)、以及一个顶部开口(34)，所述大底座覆盖所述基体的上表面的中央部分或中央切片(130’)，所述离心泵(31)被配置成将来自所述中央收集器的顶部开口的燃料盐推向所述基体的上表面的外围部分或外围切片(131’)。17.根据权利要求4所述的反应堆，其特征在于：
‑
每个燃料盐通道层(11)都包括两个u形燃料盐通道(110)，两个所述u形燃料盐通道对称地布置在所述燃料盐通道层的中心轴线的两侧上，每个u形燃料盐通道(110)都具有一个出口端部(112)和一个入口端部(111)，所述出口端部位于所述基体的上表面的中央切片(130)中，所述入口端部位于所述上表面的外围切片(131)中，-在所述基体的上表面(13)与主包壳(20)的上壁之间设置有一个上腔(200)，以容纳所述燃料盐循环装置(30，31)、但不包括所述燃料盐循环装置的马达驱动和控制元件，-所述燃料盐循环装置在所述基体的上表面(13)的一侧包括一个中央收集器(30)和一个离心泵(31)，所述中央收集器具有一个大底座(32)、一个呈锥形料斗形式的内表面(33)、以及一个顶部开口(34)，所述大底座覆盖所述基体的上表面的中央切片(130)，所述离心泵(31)被配置成将来自所述中央收集器的顶部开口的燃料盐推向所述基体的上表面的外围切片(131)。18.根据权利要求4所述的反应堆，其特征在于：-所述传热盐通道(120')是直线的且贯通的、从所述基体的第一侧表面(15')延伸直到所述基体的与第一侧表面相对的第二侧表面(16')，所有传热盐通道都具有一个入口端部(121')和一个出口端部(122')，所述入口端部设置在所述基体的第一侧表面(15')的一侧，所述出口端部设置在所述基体的第二侧表面(16')的一侧，-在所述基体的第一侧表面(15')与所述主包壳(20)的第一侧壁之间设置有一个上游混合腔，-在所述基体的第二侧表面(16’)与所述主包壳(20)的第二侧壁之间设置有一个下游混合腔，-所述主包壳的传热盐入口开口通向所述上游混合腔，而所述主包壳的传热盐出口开口通向所述下游混合腔，-所述传热盐循环装置包括至少一个位于所述主包壳(20)外部的泵(41)，所述至少一个泵被配置成通过所述主包壳的传热盐入口开口将所述传热盐注入到所述上游混合腔，或者通过所述主包壳的传热盐出口开口从所述下游混合腔抽吸所述传热盐。19.根据权利要求4所述的反应堆，其特征在于：-每个传热盐通道层都包括两个u形传热盐通道(120a，120b)，所述两个u形传热盐通道对称地布置在所述传热盐通道层的中心轴线的两侧，每个u形传热盐通道的一个端部位于所述基体的第一侧表面的中央切片(150)中并且另一个端部位于所述第一侧表面的外围切片(151a，151b)中，-一个单一侧腔(201)设置在所述基体的第一侧表面(15)与所述主包壳(20)的第一侧壁之间，-所述主包壳的传热盐入口开口(43，52)和传热盐出口开口(42，51)均设置成通向所述单一侧腔(201)。20.根据权利要求19所述的反应堆，其特征在于，所述传热盐循环装置包括一个具有一体化导管的一体式收集器(50)，所述一体式收集器具有一个内前表面(501)、一个相反的外前表面、以及四个侧壁(504-507)，所述内前表面(501)形成一个与所述基体的第一侧表面的中央切片(150)相对地延伸的锥形中央料斗(502)、和一个与所述基体的第一侧表面的两个外围切片(151a，151b)相对
地延伸的两个锥形外围料斗(503)，所述中央料斗通过一个导管(508)延伸，所述导管由横跨所述收集器的厚度形成并且通向位于所述收集器的一个侧壁(505)上的第一侧向开口，每个所述外围料斗(503)由横跨所述收集器的厚度形成的次级导管(509)延伸，所述次级导管连接一个主导管(510)，所述主导管通向位于所述收集器的一个侧壁(505)上的第二侧向开口，所述收集器的第一侧向开口连接到所述主包壳的传热盐出口开口(51)，而所述收集器的第二开口连接到所述主包壳的传热盐入口开口(52)，反之亦然。21.一种发电设备，其特征在于，所述发电设备包括：-一个根据权利要求1至20之一所述的核裂变反应堆(100)，-一个次级热交换器(101)，其被供应有来自所述反应堆的热传热盐，并且在所述次级热交换器中，所述热传热盐将热量传递到超临界相的二氧化碳，-一个超临界co2涡轮机(103)，其连接到所述次级热交换器(101)的出口，-一个发电机(103)，其与所述超临界co2涡轮机联接或集成，以及-一个功率电子转换器(104)。22.根据权利要求21所述的发电设备，其特征在于，所述发电设备包括一个外罩壳(106)，所述外罩壳包封所述核裂变反应堆(100)、所述次级热交换器(101)、所述超临界co2涡轮机(103)、所述发电机(103)、以及所述功率电子转换器(104)，所述外罩壳还容纳一个计算机控制单元(105)，所述计算机控制单元具有一个能够远程地控制所述控制单元的电信装置，其特征在于，所述外罩壳(106)包括可定向的且马达驱动的通风翅片(107)，所述通风翅片能够在所述外部罩壳被密封的封闭位置与打开位置之间枢转，从而使得空气能够在所述罩壳的内部与外部之间循环。

技术总结
熔盐核裂变反应堆包括燃料盐流经的堆芯、用于使燃料盐循环的装置(30，31)、传热盐流经的主热交换器、不渗透液体盐并容纳反应堆堆芯的主包壳、以及屏蔽物。反应堆包括平行六面体基体(10)，该平行六面体基体包括交替的燃料盐通道层(11)和传热盐通道层(12)。基体既形成发生裂变的反应堆堆芯，又形成反应堆的主热交换器。用于使燃料盐循环的装置完全位于主包壳内，并且被配置成从燃料盐通道的位于基体的一侧上的一部分抽吸燃料盐并将燃料盐推进到通道的位于基体的同一侧上的另一部分中。道的位于基体的同一侧上的另一部分中。道的位于基体的同一侧上的另一部分中。


技术研发人员：J-L
受保护的技术使用者：纳雷阿公司
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2023/10/6