燃料组件及用于同位素生产的熔盐快堆堆本体

1.本实用新型涉及燃料组件及用于同位素生产的熔盐快堆堆本体。


背景技术：

2.核医学是放射性同位素应用的主要学科，如核医学诊断最常用的放射性核素
99m
tc，通过其母体核素
99
mo衰变产生；放射性治疗用放射性核素
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i等。生产这类医用放射性核素的主要方式是建造专用的医用同位素生产堆。目前，生产此类同位素的反应堆多为水冷反应堆，如美国橡树岭国家实验室(oak ridge national laboratory，ornl)的高通量同位素反应堆(high flux isotope reactor，hfir)、澳大利亚的池式轻水反应堆(open pool australian light-water reactor，opal)、中国先进研究堆(china advanced research reactor，carr)以及中国绵阳研究堆(china mianyang research reactor，cmrr)等。此类同位素生产反应堆建堆成本、燃料元件的制备、靶件的制备成本高，且同位素的提取涉及靶件的切割、溶解、化学处理等过程，后处理工艺复杂，进一步增加了综合成本，同时还会产生大量固、液类放射性废物。美国为实现
99
mo的国产化率先提出使用均匀水溶液堆进行
99
mo的生产，以uo2(no3)2溶液或者uo2so4溶液作为核燃料。如美国babcock and wilcox(bw)公司提出的医用同位素生产堆(medical isotope production reactor，mipr)就是一种以uo2(no3)2为燃料的水溶液堆，但水溶液堆中的水分子受到中子辐照后容易产生大量h2和o2气体混合物，这两种气体的集聚一方面会影响反应堆的稳定运行，另一方面还会有潜在的爆炸风险。部分靶件采用了高浓铀，不符合民用核技术应用的防核扩散的要求。
3.现有的溶液型反应堆少一道放射性实体包容屏障，裂变产物潜在泄漏风险较大。因此经济成本以及核安全问题是制约这类溶液型同位素生产堆的关键因素。然而，采用现有液态熔盐堆一般使用石墨通道类型组件，燃料盐在石墨通道内循环流动，同位素在线提取流程较困难。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统熔盐堆一般使用石墨通道类型组件，燃料盐在石墨通道内循环流动，存在同位素在线提取流程较困难的缺陷，提供了燃料组件及用于同位素生产的熔盐快堆堆本体，其方便多种同位素生产和提取、最大化中子经济性、最大化副产品经济性同时兼顾高效发电。因此该设计在经济性和安全性上具有很好的优势。
5.本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.本实用新型的燃料组件包括燃料容纳管，用于填装燃料盐；
7.所述燃料容纳管自下而上包括组件燃料区12和燃料气室13；
8.所述燃料容纳管的上部自下而上依次设有第一支撑栅格15和第一顶部固定装置17；所述第一支撑栅格上部设有第一泄压排气孔16。其中，所述燃料容纳管的长度可为51-520cm，半径可为1-5cm。较佳地，所述组件燃料区的高度可为50-500cm，所述的燃料气室的
高度可为1-20cm。
9.其中，所述燃料容纳管的外壁为合金包壳14；所述合金包壳的厚度可为0.01-0.5cm。一般来说，本领域技术人员知晓所述包壳材料可为tzm合金，合金密度可为10.22g/cm3。
10.其中，所述燃料盐可为本领域常规的燃料盐，一般是以nacl熔盐作为载体盐，ucl3作为燃料，溶解于nacl中；nacl:ucl3的摩尔比可为55:45，密度一般为1.2-3.6g/cm3，
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u富集度可为0-19.75％，
37
cl富集度可为90％-99％。一般来讲，
99
mo、
131
i、
89
sr、
131
te、
89
kr等同位素可直接在燃料组件内通过
235
u裂变生产，燃料组件不停堆装卸，到达同位素提取周期后可直接将燃料组件取出进行同位素的分离、纯化并提取；所述燃料盐无需泵驱动，装载在燃料组件区中。以氯化钠熔盐作为载体盐，是由于氯化物熔盐的重金属溶解度较高、中子散射截面较小，可提高燃料盐中裂变核素的装载量与快堆堆本体的堆芯的快中子通量，适合作为快堆燃料。液态熔盐能够在热泳力情况下形成局部自然对流，利于消除局部热点，从而极大提高了燃料组件的热工安全特性。燃料盐经过
235
u裂变反应生产
99
mo、
131
i、
89
sr等裂变同位素。
11.其中，所述第一支撑栅格的横截面尺寸不限，一般半径可小于所述燃料容纳管半径；较佳地，所述第一支撑栅格半径可为0.5-4.5cm。
12.其中，本领域技术人员知晓，反应堆燃料栅元是指反应堆栅格中分出具有代表性的基本单元。所述反应堆燃料栅元的横截面为正六边形，半径可为2-6cm。
13.其中，所述第一顶部固定装置的横截面尺寸本领域技术人员知晓一般大于第一支撑栅格的尺寸，一般半径大小可与所述反应堆燃料栅元的横截面半径相等，例如可以为2-10cm。所述第一支撑栅格高度可以为4-20cm。
14.其中，所述反应堆燃料栅元一般可以整体通过机械支撑结构浸没在熔盐冷却池中。本领域技术人员知晓，所述熔盐冷却池为本领域常规使用的在反射层环绕的区域内，直接由冷却盐形成的熔盐冷却区域。
15.本实用新型还提供用于同位素生产的熔盐快堆堆本体，包括若干前述的燃料组件1、反射层2、辐照舱3、熔盐冷却池4、气体收集室5、熔盐换热器6和堆容器19；
16.若干所述的燃料组件形成燃料组件阵列，浸设于所述熔盐冷却池中；所述反射层包覆所述熔盐冷却池；若干所述辐照舱设于所述反射层；所述气体收集室罩设于所述燃料组件顶部，用于通过所述泄压排气孔收集所述燃料组件中产生的气体；所述熔盐换热器设于所述熔盐冷却池的外周处；所述堆容器设于所述反射层外部。
17.其中，所述快堆堆本体的直径可为170-600cm，高度可为120-520cm。
18.其中，所述燃料组件阵列的横截面可呈六角形。
19.其中，所述燃料组件阵列中按照本领域常规还设有若干控制棒通道。所述燃料组件阵列中所述燃料组件个数为若干个，控制棒通道个数可为6个。
20.一般来说，所述控制棒通道的半径可为2-6cm，长度可为60-530cm，侧壁厚度可为0.01-0.5cm。所述控制棒通道设有
59
co控制棒，其吸收中子活化生成放射性同位素副产品
60
co，从而提高了反应堆的总体经济性。一般来说，本领域技术人员知晓所述侧壁的材料可为tzm合金，合金密度可为10.22g/cm3。
21.一般来说，所述控制棒包括双层合金套管22和设于所述双层合金套管的夹层的吸
收体23；所述双层合金套管和所述吸收体之间可以设有间隙24；本领域技术人员知晓所述双层合金套管的内层管道一般为惰性气体通道。
22.其中，所述惰性气体通道用于输送惰性气体，可以是氦气；所述合金套管长度可为60-510cm，内径可为0.4-1cm，厚度可为0.2-0.6cm，外径可为2-3cm，厚度可为0.1-0.5cm。一般来说，本领域技术人员知晓所述合金套管材料为tzm合金，合金密度可为10.22g/cm3。
23.其中，所述吸收体长度可为60-510cm，内径可为1-1.1cm，外径可为1.5-3cm；一般吸收体的材料可为
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co。
24.其中，所述间隙24厚度可为0.01-0.1cm。
25.其中，所述反射层厚度可为0-200cm，但不为0。一般来说，本领域技术人员知晓所述反射层为石墨材料，密度可为1.5-2.5g/cm3，可降低中子泄漏，提高快堆堆本体的堆芯中子经济性，减少燃料消耗，同时减小了中子对堆容器的辐照。反射层的石墨材料对中子有很强的慢化作用，可提高反射层内辐照区的热中子通量，高的热中子通量可提高
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pu等辐照同位素的产量及比活度。
26.其中，所述熔盐换热器包含冷却盐通道，冷却盐从所述熔盐换热器入口9流入，所述熔盐换热器出口10流出，排出快堆堆本体的堆芯的热量。
27.其中，所述辐照舱的位置本领域技术人员知晓可根据同位素种类或产量而设置于反射层中，所述辐照舱中可设置辐照靶件，进行辐照同位素的生产。
28.其中，所述辐照舱的个数可为1-10个。
29.其中，所述辐照靶件与燃料组件设计类似，包括辐照容纳管，用于装填辐照核素熔盐，在辐照区内被高通量的热中子辐照，生产
238
pu等航空核电池用工业同位素或其他中子活化同位素。
30.所述辐照容纳管自下而上包括组件辐照区和气室；
31.所述辐照容纳管的外壁为合金包壳；
32.所述辐照容纳管的上部自下而上依次设有第二支撑栅格和第二顶部固定装置；所述第二支撑栅格和所述第二顶部固定装置之间设有第二泄压排气孔。
33.其中，所述辐照靶件内热中子通量可为1
×
10
12
n/cm2·
s-1
×
10
15
n/cm2·
s量级。
34.其中，所述熔盐冷却池中一般以氯化物熔盐或氟化物熔盐作为冷却剂；可以为氯化物熔盐，密度为1.2-1.55g/cm3，其在高温下具有低蒸汽压，能够以较高的能量转换效率实现热能转换与应用。并且，氯化物熔盐的中子散射截面较小，可提高快堆堆本体的堆芯的快中子通量，适合作为快堆的冷却剂。快堆堆本体的堆芯产生的热量通过热传导传递到熔盐冷却池中，冷却池中的冷却剂无需泵驱动，热量通过熔盐换热器导出，因此减小熔盐冷却池中由于熔盐流动产生压力对燃料组件的机械损害。
35.其中，所述气体收集室按照常规还设有通气入口7和通气出口8，所述燃料组件中产生的气体通过泄压排气孔进入气体收集室；在使用时，可携载气体从通气入口进入，从通气出口流出，携带出快堆堆本体的堆芯裂变气体，同时可收集到
131
te、
89
kr等气态同位素以及部分贵金属同位素如
131
te，之后按照本领域常规进入同位素分离及纯化等系统；所述气体收集室是为了避免燃料盐膨胀或生成裂变气体而产生压力对组件的损害，同时
131
te、
89
kr等气态同位素可经所述泄压排气孔排放到所述气体收集室，方便了气态同位素的收集与提取。可见所述泄压排气孔降低了有害裂变气体对燃料组件阵列反应性的影响，提高了反应
堆运行的安全性与稳定性。
36.其中，所述堆容器的厚度可为0.2-5cm。一般来说，本领域技术人员知晓所述堆本体材料可为tzm合金，合金密度可为10.22g/cm3。
37.一般来说，本领域技术人员知晓所述燃料组件阵列为高通量快中子谱区。
38.一般来说，本领域技术人员知晓所述反射层为高通量热中子谱区。
39.其中，与传统熔盐堆相比，没有快堆堆本体的堆芯外燃料回路的设计，可节省燃料，同时无需考虑缓发中子流失带来的临界安全问题，反应性更可控。且燃料组件装卸灵活，方便同位素的及时提取与处理。
40.本实用新型的积极进步效果在于：
41.1、本实用新型提供的燃料组件中装填较低饱和蒸气压的液态熔盐，工作压力为常压，燃料组件内部能够形成局部自然对流，使得内部温度更加均匀，利于消除包壳材料边界局部热点，包壳材料及压力边界合金材料无需太厚，同时具有更高的安全性，并且熔盐的运行温度可以在500℃-1000℃，具有较高的热电转换效率；
42.燃料组件中产生的裂变气体中子毒物如
135
xe可以通过第一泄压排气孔进入燃料气室，并被排出堆外；而燃料气室能够在不停堆时在线收集气态同位素并分离与纯化，有效提高了中子经济性，且停堆后不存在碘坑启动的问题，机动性更高。
43.2、本实用新型提供的熔盐快堆堆本体的设计功率较高，具有更高的中子利用率、较高的同位素生产能力以及潜在的热电转化效率，并且燃料组件阵列中的钴控制棒作为反应性控制系统，能够吸收中子活化产生同位素
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co，堆外反射层设有辐照舱，有效利用泄漏中子生产
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pu，最大化提高中子经济性的同时还可以最大化提高堆内同位素副产品，具有很好的综合经济性优势。同时，在事故停堆后冷却剂热容量大，可以形成自然循环实现余热导出，安全性高。
44.可以在不停堆时，更换堆本体中的某个组件，并且可以对溶解在熔盐中的裂变产物
131
i、
89
sr、
99
mo等同位素进行化学分离与纯化提取，无需复杂的靶件切割与溶解等工艺流程。
45.3、与传统回路式熔盐堆相比，本实用新型大大节省了回路中的核燃料，更经济；多一层燃料放射性实体屏障，更安全；不存在缓发中子先驱核的流失问题，倍增周期更长，反应性更加可控；不存在衰变热流入回路等诸多热工安全问题，因此具有更高的经济性和安全特性。
附图说明
46.图1为本实用新型一实施例的熔盐快堆堆本体纵截面示意图。
47.图2为本实用新型一实施例的燃料组件纵截面示意图。
48.图3为本实用新型一实施例的熔盐快堆堆本体的堆芯横截面示意图。
49.图4为本实用新型一实施例的燃料栅元横截面示意图。
50.图5为本实用新型一实施例的控制棒横截面示意图。
51.图6为本实用新型一实施例的辐照舱位置示意图。
52.图中的标号分别表示为：1、燃料组件阵列；2、反射层；3、辐照舱；4、熔盐冷却池；5、气体收集室；6、熔盐换热器；7、通气入口；8、通气出口；9、熔盐换热器入口；10、熔盐换热器
0.1cm的间隙24，双层合金套管的内层管道为氦气通道；合金套管长度为258cm，内径为0.6cm，厚度为0.4cm，外径为1.9cm，厚度为0.45cm；(合金套管尺寸：长度也可为60-510cm，内径也可为0.4-1cm，厚度也可为0.2-0.6cm，外径也可为1.5-3cm，厚度也可为0.1-0.5cm)；吸收体长度为258cm，内径为1.05cm，外径为1.85cm；(吸收体尺寸：长度也可为60-510cm，内径也可为1-1.1cm，外径也可为1.5-3cm)。反射层包覆熔盐冷却池，反射层厚度可为100cm，也可为0-200cm，但不为0，为1.86g/cm3，也可为1.5-2.5g/cm3密度的石墨材料，可降低中子泄漏，提高快堆堆本体的堆芯中子经济性，减少燃料消耗，同时减小了中子对堆容器的辐照，反射层的石墨材料对中子有很强的慢化作用，可提高反射层内辐照区的热中子通量，高的热中子通量可提高辐照同位素的产量及比活度。反射层2内设置辐照舱，个数为6个，也可为1-10个，辐照舱具体位置通过快堆堆本体的堆芯几何优化确定，确定准则为尽可能减小对燃料组件反应性的影响的同时尽可能提高同位素产量，例如，
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pu的辐照舱在图6的(1，5)及其对称位置。辐照舱内布置辐照靶件，包括辐照容纳管，辐照靶件内核素经高通量热中子辐照，来生产
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pu等航空核电池用工业同位素或其他中子活化同位素，辐照容纳管自下而上包括组件辐照区和气室，辐照容纳管的外壁为合金包壳，辐照容纳管的上部自下而上依次设有第二支撑栅格和第二顶部固定装置，第二支撑栅格和第二顶部固定装置之间设有第二泄压排气孔，辐照靶件内热中子通量可为1
×
10
12
n/cm2·
s-1
×
10
15
n/cm2·
s量级。熔盐换热器包含冷却盐通道，氯化钠熔盐为冷却剂，密度为3.6g/cm3，也可为1.2-1.55g/cm3，冷却剂通过自然循环的方式将一回路热量传递至二回路熔盐换热器6。二回路熔盐换热器6由单独冷却剂通道构成，冷却剂从熔盐换热器入口9流入，熔盐换热器出口10流出，将熔盐冷却池4内热量带出并传递到下一级热能利用系统。气体收集室罩设于燃料组件顶部，用于通过泄压排气孔收集燃料组件中产生的气体，气体收集室设有通气入口7和通气出口8，可携载气体从通气入口进入，从通气出口流出，携带出燃料组件的裂变气体，同时收集到
131
te、
89
kr等气体同位素以及部分贵金属同位素如
131
te，之后进入同位素分离及纯化等系统；气体收集室是为了避免燃料盐膨胀或生成裂变气体而产生压力对组件的损害。反射层外部为堆容器19，材料为tzm合金，合金密度为10.22g/cm3，厚度为2cm，也可为0.2-5cm。
57.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、优化改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

技术特征：
1.一种燃料组件，其特征在于，其包括燃料容纳管，用于填装燃料盐；所述燃料容纳管自下而上包括组件燃料区和燃料气室；所述燃料容纳管的上部自下而上依次设有第一支撑栅格和第一顶部固定装置；所述第一支撑栅格的上部设有第一泄压排气孔。2.如权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，所述燃料容纳管的长度为51-520cm，半径为1-5cm；所述第一支撑栅格半径为0.5-4.5cm；所述第一顶部固定装置的横截面半径为2-10cm，所述第一支撑栅格高度为4-20cm。3.如权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，所述组件燃料区的高度为50-500cm；所述的燃料气室的高度为1-20cm。4.如权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，所述燃料容纳管的外壁为合金包壳；所述合金包壳的厚度为0.01-0.5cm。5.一种用于同位素生产的熔盐快堆堆本体，其特征在于，其包括若干如权利要求1-4任一项所述的燃料组件、反射层、辐照舱、熔盐冷却池、气体收集室、熔盐换热器和堆容器；若干所述的燃料组件形成燃料组件阵列，浸设于所述熔盐冷却池中；所述反射层包覆所述熔盐冷却池；若干所述辐照舱设于所述反射层中；所述气体收集室罩设于所述燃料组件顶部，用于通过所述泄压排气孔收集所述燃料组件中产生的气体；所述熔盐换热器设于所述熔盐冷却池的外周处；所述堆容器设于所述反射层外部。6.如权利要求5所述的熔盐快堆堆本体，其特征在于，所述熔盐快堆堆本体的直径为170-600cm，高度为120-520cm；所述堆容器的厚度为0.2-5cm。7.如权利要求5所述的熔盐快堆堆本体，其特征在于，所述燃料组件阵列的横截面呈六角形；所述燃料组件阵列中设有若干控制棒通道；所述燃料组件阵列中所述燃料组件个数为若干个，控制棒通道个数为6个。8.如权利要求7所述的熔盐快堆堆本体，其特征在于，所述控制棒通道的半径为2-6cm，长度为60-530cm，厚度为0.01-0.5cm；所述控制棒通道设有控制棒；所述控制棒包括双层合金套管和设于所述双层合金套管的夹层的吸收体，所述双层合金套管和所述吸收体之间设有间隙。9.如权利要求8所述的熔盐快堆堆本体，其特征在于，所述合金套管长度为60-510cm，内径为0.4-1cm，厚度为0.2-0.6cm，外径为2-3cm，厚度为0.1-0.5cm；所述吸收体长度为60-510cm，内径为1-1.1cm，外径为1.5-3cm；所述间隙的厚度为0.01-0.1cm。10.如权利要求5所述的熔盐快堆堆本体，其特征在于，所述反射层的厚度为0-200cm，但不为0；所述熔盐换热器包含冷却盐通道，冷却盐从所述熔盐换热器的入口流入，所述熔盐换热器的出口流出；所述熔盐换热器中，二回路冷却盐从熔盐换热器的入口流入，从熔盐换热器的出口流出；所述气体收集室上还设有通气入口和通气出口；所述辐照舱中设置一个辐照靶件；所述辐照靶件包括辐照容纳管，用于装填辐照核素熔盐；所述辐照容纳管自下而上包括组件辐照区和辐照气室；所述辐照容纳管的外壁为合金包壳；所述辐照容纳管的上部自下而上依次设有第二支撑栅格和第二顶部固定装置；所述第二支撑栅格和所述第二顶部固定装置之间设有第二泄压排气孔；
所述辐照舱的个数为1-10个。

技术总结
本实用新型提供燃料组件及用于同位素生产的熔盐快堆堆本体。该燃料组件包括燃料容纳管，燃料容纳管自下而上包括组件燃料区和燃料气室，其上部自下而上依次设有第一支撑栅格和第一顶部固定装置，支撑栅格的上部设有第一泄压排气孔。该熔盐快堆堆本体，包括若干燃料组件、反射层、辐照舱、熔盐冷却池、气体收集室、熔盐换热器和堆容器，燃料组件浸设于熔盐冷却池中，反射层包覆熔盐冷却池，辐照舱设于反射层中，气体收集室罩设于燃料组件顶部，熔盐换热器设于熔盐冷却池的外周处，堆容器设于反射层外部。本实用新型方便多种同位素生产和提取，在经济性和安全性上具有很好的优势。在经济性和安全性上具有很好的优势。在经济性和安全性上具有很好的优势。


技术研发人员：刘小林 徐洪杰 邹杨 周波 严睿 赵恒
受保护的技术使用者：中国科学院上海应用物理研究所
技术研发日：2021.09.18
技术公布日：2022/5/25