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1、10申请公布号CN104145309A43申请公布日20141112CN104145309A21申请号201280059567522申请日2012100213/251,71720111003USG21C1/22200601G21C3/54200601G21C5/12200601G21C19/48200601G21D1/00200601G21F9/28200601G21F9/3020060171申请人原子能转换公司地址美国马萨诸塞州72发明人M马西LC德万74专利代理机构北京市柳沈律师事务所11105代理人赵碧洋54发明名称核反应堆及相关方法和装置57摘要一种核反应堆包括可裂变材料、熔盐和慢化剂。
2、的组合，所述慢化剂包括一种或多种氢化物、一种或多种氘化物或它们中的两种或多种的组合。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014060386PCT国际申请的申请数据PCT/US2012/0584112012100287PCT国际申请的公布数据WO2013/077941EN2013053051INTCL权利要求书5页说明书23页附图10页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书5页说明书23页附图10页10申请公布号CN104145309ACN104145309A1/5页21一种装置包括可裂变材料，熔盐，以及慢化剂材料，其包括一种或多种氢化物、一种或多种氘化物或它们中。
3、的两种或更多种的组合。2如权利要求1所述的装置，其中所述慢化剂材料包括金属氢化物。3如权利要求1所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氢化锆的形式。4如权利要求3所述的装置，其中所述慢化剂材料包括ZRH16。5如权利要求1所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氢化锂的形式。6如权利要求1所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氢化钇的形式。7如权利要求6所述的装置，其中所述形式包括氢化钇IIYH2。8如权利要求6所述的装置，其中所述形式包括氢化钇IIIYH3。9如权利要求1所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氘化锆的形式。10如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括反应堆的乏核燃料的至少部分。11如权利。
4、要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括整个乏核燃料锕系元素向量。12如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括未处理的乏核燃料。13如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括除了乏核燃料之外的材料。14如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括来自退役武器的钚。15如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括来自退役武器的铀。16如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括天然铀。17如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括新燃料。18如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括贫化铀。19如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括天然铀、富集铀、贫化铀、来自乏核。
5、燃料的钚或铀、从过量核武器材料下混合的钚、钍和裂变材料、超铀材料或它们中的任何两种或更多种的组合。20如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括在001025范围中的裂变与可转换比。21如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料包括U233、U235、PU239或PU241中的至少一种。22如权利要求21所述的装置，其中所述可裂变材料还包括U238。23如权利要求21所述的装置，其中所述可裂变材料还包括钍。24如权利要求1所述的装置，其中所述熔盐包括氟化盐。25如权利要求1所述的装置，其中所述熔盐包括氯化盐。26如权利要求1所述的装置，其中所述熔盐包括碘化盐。27如权利要求1所述的装置，其。
6、中所述熔盐包括氟化锂。28如权利要求27所述的装置，其中所述氟化锂富含浓缩LI7。29如权利要求1所述的装置，其中所述熔盐中锕系元素的溶解度足以允许可裂变材料变为临界。权利要求书CN104145309A2/5页330如权利要求29所述的装置，其中所述熔盐中锕系元素的溶解度至少为03。31如权利要求29所述的装置，其中所述熔盐中锕系元素的溶解度至少为12。32如权利要求29所述的装置，其中所述熔盐中锕系元素的溶解度至少为20。33如权利要求1所述的装置，其中所述熔盐基本上不包括铍。34如权利要求1所述的装置，其中所述熔盐包括一定量的铍。35如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料与熔盐结合。3。
7、6如权利要求1所述的装置，其中所述可裂变材料和熔盐与慢化剂不同。37如权利要求36所述的装置，其中所述熔盐提供一些慢化。38一种装置包括可裂变材料，其包括与基本上没有铍的熔融氟化锂盐结合的反应堆乏核燃料，以及氢化锆慢化剂，其与所结合的可裂变材料和盐不同。39一种核反应慢化剂结构包括氢化物或氘化物以及用于熔盐燃料流过所述结构或围绕所述结构流动或两者的一个或多个通道，所述结构被配置为使得熔盐燃料在所述结构中时处于临界状态中。40如权利要求39所述的结构，其中所述慢化剂材料包括金属氢化物。41如权利要求39所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氢化锆的形式。42如权利要求41所述的结构，其中所述慢化剂材。
8、料包括ZRH16。43如权利要求39所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氢化锂的形式。44如权利要求39所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氢化钇的形式。45如权利要求44所述的装置，其中所述形式包括氢化钇IIYH2。46如权利要求44所述的装置，其中所述形式包括氢化钇IIIYH3。47如权利要求39所述的装置，其中所述慢化剂材料包括氘化锆的形式。48如权利要求39所述的结构，包括至少两种这种通道。49如权利要求39所述的结构，包括通过通道分开的板。50如权利要求39所述的结构，包括至少两个这种平行通道。51如权利要求39所述的结构，其中所述一个或多个通道为管状。52如权利要求39所述的结构，在三。
9、个维度中的每一个中延伸并且包括三维分立结构元件，每一个三维分立结构元件在三个维度中的每一个中具有比所述结构的大小更小的大小，分立结构元件被布置在分立结构之间或在分立结构内或两者中具有一个或多个通道的结构中。53如权利要求39所述的结构，包括在三个维度中布置的球状体、或球体、或卵状体、或它们中的任何两种或更多种的组合。54如权利要求39所述的结构，包括其中形成有通道的整块慢化剂材料。55如权利要求39所述的结构，包括一组分立元件。56如权利要求55所述的结构，其中所述分立元件相同。57如权利要求39所述的结构，具有入口端和出口端，并且其中一个或多个通道从入口端向出口端延伸。58如权利要求39所述。
10、的结构，包括棒。59如权利要求58所述的结构，其中所述棒包括圆柱体、环形棒、翅片棒、螺旋棒、扭曲权利要求书CN104145309A3/5页4螺旋棒、环形螺旋棒、环形扭曲螺旋棒、具有绕线间隔物的棒、或具有绕线间隔物的环形棒或它们中的两种或更多种的组合中的至少一种。60如权利要求39所述的结构，包括可以相对于所述结构移动的反应性控制元件。61一种方法包括在核反应堆中，使可裂变材料和熔盐流过包括一种或多种氢化物、氘化物或它们中的两种或更多种的组合的慢化剂材料。62如权利要求61所述的方法，其中使所述可裂变材料和熔盐流过慢化剂材料包括使燃料盐混合物流过反应堆堆芯，燃料盐混合物包括可裂变材料和熔盐。63。
11、如权利要求62所述的方法，包括使燃料盐混合物流过裂变产物去除系统。64如权利要求62所述的方法，包括使燃料盐混合物流过换热器。65如权利要求61所述的方法，其中所述可裂变材料包括整个乏核燃料锕系元素向量。66如权利要求61所述的方法，其中所述可裂变材料包括乏核燃料的锕系元素的部分而非全部。67如权利要求61所述的装置，其中所述可裂变材料包括未处理的乏核燃料。68一种方法包括，形成包括慢化剂材料的核反应堆慢化剂结构，所述慢化剂材料包括一种或多种氢化物、氘化物或它们的组合以及用于可裂变燃料流过所述结构的一个或多个通道。69一种核反应堆包括初级回路包括包括慢化剂结构的反应堆堆芯，所述慢化剂结构包括慢。
12、化剂材料，所述慢化剂材料包括一种或多种氢化物、氘化物或它们的组合，以及通路，可裂变材料和熔盐可以沿所述通路从回路中慢化剂结构的出口端流向慢化剂结构的进入端。70如权利要求69所述的反应堆，包括次级回路和换热器以在初级回路和次级回路之间交换热量。71如权利要求69所述的反应堆，包括中间回路、次级回路、换热器以在初级回路和中间回路之间交换热量，并且还包括额外的换热器以在中间回路和次级回路之间交换热量。72如权利要求69所述的反应堆，还包括冷冻阀。73一种方法包括通过将慢化剂结构连接到通路以形成初级回路而构造核反应堆，所述慢化剂结构包括慢化剂材料，所述慢化剂材料包括一种或多种氢化物、氘化物或它们的组。
13、合，可裂变材料和熔盐可以沿所述通路从慢化剂结构的出口端流向慢化剂结构的进入端。74一种核反应堆燃料包括熔盐中的轻水反应堆的乏燃料，其中熔盐中乏燃料的重核素的溶解度足以允许可裂变材料变为临界。75如权利要求74所述的装置，其中所述乏燃料包括整个乏核燃料锕系元素向量。76如权利要求74所述的装置，其中所述乏燃料包括未处理的乏核燃料。77如权利要求74所述的装置，其中所述熔盐基本上不包括铍。权利要求书CN104145309A4/5页578一种方法包括，形成核反应堆燃料，所述方法包括将轻水反应堆的乏燃料与熔盐混合，其中熔盐中乏燃料的锕系元素的溶解度足以允许可裂变材料变为临界。79如权利要求78所述的方。
14、法，其中所述乏燃料包括整个乏核燃料锕系元素向量。80如权利要求78所述的方法，其中所述乏燃料包括未处理的乏核燃料。81如权利要求78所述的方法，其中所述可裂变材料包括乏核燃料的锕系元素的部分而非全部。82一种方法包括操作轻水反应堆，从轻水反应堆中重获乏核燃料，将重获的乏核燃料与熔盐结合，以及使用具有熔盐的重获的乏核燃料操作熔盐反应堆。83如权利要求82所述的方法，其中所述乏核燃料包括整个乏核燃料锕系元素向量。84如权利要求82所述的方法，其中所述乏核燃料包括未处理的乏核燃料。85如权利要求82所述的方法，其中所述可裂变材料包括乏核燃料的锕系元素的部分而非全部。86一种方法包括，通过使用来自另一。
15、反应堆的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而减少现有乏核燃料的供应。87一种方法包括，通过使用来自另一反应堆的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而使用现有乏核燃料生成电力。88一种方法包括，通过使用来自另一反应堆的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而减少核武器材料的供应。89一种方法包括，通过使用来自另一反应堆的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而减少现有贫化铀的供应。90一种方法包括在反应堆堆芯中接收流体，所述流体具有与来自轻水核反应堆的乏核燃料的裂变与可转换比相似的裂变与可转换比。91如权利要求90所述的方法，其中所述流体包括熔盐混合物。92一种装置包括反应堆，其包括核燃料和与燃料不同的熔盐冷却剂。
16、，以及慢化剂元件，其包括一种或多种氢化物或氘化物。93如权利要求92所述的装置，其中所述氢化物中的至少一种包括金属氢化物。94如权利要求92所述的装置，其中所述慢化剂元件包括与一种或多种氢化物结合的石墨。95一种装置包括反应堆，其包括处于亚临界状态中的核燃料和靠近核燃料的中子加速器驱动源，以及慢化剂元件，其包括一种或多种氢化物或氘化物。96如权利要求95所述的装置，其中所述加速器驱动源包括重金属目标。97如权利要求96所述的装置，其中所述慢化剂元件靠近所述重金属目标。98如权利要求95所述的装置，其中所述慢化剂元件靠近所述核燃料。权利要求书CN104145309A5/5页699如权利要求95所。
17、述的装置，其中所述燃料包括钍。100如权利要求95所述的装置，其中所述燃料包括乏核燃料。101如权利要求95所述的装置，其中所述燃料包括来自乏核燃料的超铀材料。102如权利要求95所述的装置，其中所述燃料包括来自乏核燃料的少数锕系元素材料。权利要求书CN104145309A1/23页7核反应堆及相关方法和装置技术领域0001此描述涉及核反应堆及相关方法和装置。背景技术0002反应堆堆芯内的核燃料中的自持核反应可以用于生成热量并且转而电能。在典型的熔盐反应堆有时称为MSR中，核燃料溶解在熔盐中。在一些提出的MSR中，核燃料将包括从其他反应堆的乏核燃料有时称为SNF或简单地称为乏燃料中重获的锕系元。
18、素。发明内容0003广义上，我们在这里描述的内容是一种使用熔盐和通常至少部分是来自另一反应堆的乏燃料的可裂变材料以及选择和构造为引起临界反应的慢化剂的核反应堆方法和装置。0004总地，在一方面中，一种装置包括可裂变材料、熔盐和慢化剂材料，所述慢化剂包括一种或多种氢化物、一种或多种氘化物或它们的组合。0005实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。慢化剂材料包括金属氢化物。慢化剂材料包括氢化锆的形式。慢化剂材料包括ZRH16。慢化剂材料包括氢化锂的形式。慢化剂材料包括氢化钇的形式，例如氢化钇IIYH2、或氢化钇IIIYH3或它们的组合。慢化剂材料包括氘化锆的形式。0006可裂变材料包括反应堆的乏。
19、核燃料的至少部分。可裂变材料包括整个乏核燃料锕系元素向量。可裂变材料包括未处理的乏核燃料。可裂变材料包括除了乏核燃料之外的材料。可裂变材料包括来自退役武器的钚或铀。可裂变材料包括天然铀。可裂变材料包括新燃料。可裂变材料包括贫化铀。可裂变材料包括天然铀、富集铀、贫化铀、来自乏核燃料的钚、从过量核武器材料下混合DOWNBLENDED的钚、钍和裂变材料、超铀材料或它们中的任何两种或多种的组合。可裂变材料包括在001025范围中的裂变与可转换比SSILETOFERTILERATIO。可裂变材料包括U233、U235、PU239或PU241中的至少一种。可裂变材料还包括U238。可裂变材料还包括钍。00。
20、07熔盐包括氟化盐。熔盐包括氯化盐。熔盐包括碘化盐。熔盐包括氟化锂。熔盐富含浓缩LI7其具有比LI6低的热中子俘获截面。熔盐中锕系元素的溶解度足以允许可裂变材料变为临界。熔盐中锕系元素的溶解度至少为03。熔盐中锕系元素的溶解度至少为12。熔盐中锕系元素的溶解度至少为20。熔盐基本上不包括铍。熔盐包括一定量的铍。可裂变材料与熔盐结合。可裂变材料和熔盐与慢化剂不同。盐提供慢化。0008总地，在一方面中，一种装置包括可裂变材料和氢化锆慢化剂，所述可裂变材料包括与基本上没有铍的熔融氟化锂盐结合的反应堆乏核燃料，所述氢化锆与所结合的可裂变材料和盐不同。0009总地，在一方面中，一种核反应慢化剂结构包括氢。
21、化物或氘化物以及用于熔盐燃料流过所述结构或围绕所述结构流动或两者的一个或多个通道，所述结构被配置为使得熔说明书CN104145309A2/23页8盐燃料在所述结构中时处于临界状态中。0010实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。慢化剂材料包括金属氢化物。慢化剂材料包括氢化锆的形式。慢化剂材料包括ZRH16。慢化剂材料包括氢化锂的形式。慢化剂材料包括氢化钇的形式，例如氢化钇IIYH2、或氢化钇IIIYH3或它们的组合。慢化剂材料包括氘化锆的形式。0011存在至少两种这种通道。板通过通道分开。存在至少两个这种平行通道。通道中的一个或多个为管状。所述结构包括三维分立结构元件，每一个三维分立结构元件。
22、在三个维度中的每一个中具有比所述结构的大小小的大小。分立结构元件被布置在分立结构之间或在分立结构内或两者中具有一个或多个通道的结构中。所述结构包括在三个维度中布置的球状体、或球体、或卵状体、或它们的任何一种或多种的组合。所述结构包括其中形成通道的整块慢化剂材料。所述结构包括一组分立元件。所述分立元件相同。0012所述结构具有入口端和出口端，并且一个或多个通道从入口端向出口端延伸。所述结构包括棒。所述棒包括圆柱体、环形棒、翅片棒、螺旋棒、扭曲螺旋棒、环形螺旋棒、环形扭曲螺旋棒、具有绕线间隔物的棒、或具有绕线间隔物的环形棒或它们中的两种或多种的组合中的至少一种。所述结构包括可以相对于所述结构移动的。
23、反应性控制元件。0013总地，在一方面中，在核反应堆中，可裂变材料和熔盐流过包括一个或多个氢化物、氘化物或它们中的两种或多种的组合的慢化剂材料。0014实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。可裂变材料和熔盐流过慢化剂包括使可裂变材料和熔盐作为混合物流动。所述混合物流过裂变产物去除系统。燃料盐混合物流过换热器。可裂变材料包括整个乏核燃料锕系元素向量。可裂变材料包括乏核燃料的锕系元素的部分而非全部。可裂变材料包括未处理的乏核燃料。0015总地，在一方面中，核反应堆慢化剂结构由包括一种或多种氢化物、氘化物或它们的组合的慢化剂材料以及用于可裂变燃料流过所述结构的一个或多个通道形成。0016总地，在一。
24、方面中，核反应堆包括具有反应堆堆芯的初级回路。所述反应堆堆芯包括具有包括一种或多种氢化物、氘化物或它们的组合的慢化剂材料的慢化剂结构以及可裂变材料和熔盐可以从回路中慢化剂结构的出口端流向慢化剂结构的进入端的通路。0017实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。所述反应堆包括次级回路和换热器以在初级回路和次级回路之间交换热量。所述反应堆包括中间回路、次级回路、换热器以在初级回路和中间回路之间交换热量，并且还包括额外的换热器以在中间回路和次级回路之间交换热量。所述反应堆包括冷冻阀。0018总地，在一方面中，核反应堆通过将慢化剂结构连接到通路以形成初级回路而构造，所述慢化剂结构包括慢化剂材料，所述慢。
25、化剂材料包括一种或多种氢化物、氘化物或它们的组合，可裂变材料和熔盐可以沿所述通路从慢化剂结构的出口端流向慢化剂结构的进入端。0019总地，在一方面中，核反应堆燃料包括熔盐中的轻水反应堆的乏燃料，其中熔盐中乏燃料的锕系元素的溶解度足以允许可裂变材料变为临界。0020实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。所述乏燃料包括整个乏核燃料锕系元素向量。所述乏燃料包括未处理的乏核燃料。所述熔盐基本上不包括铍。0021总地，在一方面中，核反应燃料通过将轻水反应堆的乏燃料与熔盐混合而形成；熔说明书CN104145309A3/23页9盐中乏燃料的锕系元素的溶解度足以允许可裂变材料变为临界。在一些实现方式中，乏燃。
26、料包括整个乏核燃料锕系元素向量；并且乏燃料包括未处理的乏核燃料。可裂变材料包括乏核燃料的锕系元素的部分而非全部。0022总地，在一方面中，操作轻水反应堆，乏核燃料从轻水反应堆中重获，重获的乏核燃料与熔盐结合，并且使用具有熔盐的重获的乏核燃料操作熔盐反应堆。0023实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。所述乏核燃料包括整个乏核燃料锕系元素向量。所述乏核燃料包括未处理的乏核燃料。所述可裂变材料包括乏核燃料的锕系元素的部分而非全部。0024总地，在一方面中，通过使用来自另一反应堆的未处理的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而减少现有乏核燃料的供应。0025总地，在一方面中，通过使用来自另一反应堆的未。
27、处理的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而使用现有乏核燃料生成电力。0026总地，在一方面中，通过使用来自另一反应堆的未处理的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而减少核武器材料的供应。0027总地，在一方面中，通过使用来自另一反应堆的未处理的乏核燃料作为燃料操作熔盐核反应堆而减少现有乏核燃料的供应。0028实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。所述流体包括熔盐混合物。0029总地，在一方面中，反应堆的组合包括核燃料和与燃料不同的熔盐冷却剂以及包括一种或多种氢化物或氘化物的慢化剂元件。0030实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。氢化物中的至少一种包括金属氢化物。所述慢化剂元件包括与一种或多种氢。
28、化物结合的石墨。0031总地，在一方面中，反应堆的组合包括处于亚临界状态中的核燃料和靠近核燃料的中子加速器驱动源以及包括一种或多种氢化物或氘化物的慢化剂元件。0032实现方式可以包括下列特征中的一个或多个。所述加速器驱动源包括重金属目标。所述慢化剂元件靠近所述重金属目标。所述慢化剂元件靠近所述核燃料。所述燃料包括钍。所述燃料包括乏核燃料。所述燃料包括来自乏核燃料的超铀材料。所述燃料包括来自乏核燃料的少数锕系元素。0033这些和其他方面、特征和实现方式可以被表示为装置、方法、成分、进行业务的方法、用于执行功能的部件或步骤以及其他方式。0034根据下列描述并根据权利要求其他方面、特征、实现方式和优。
29、点将变得清楚。附图说明0035图1是示意图。0036图2、5、6、7、8和9是反应堆堆芯的剖视图。0037图3是与仿真相关联的示意图。0038图4是中子通量的图。0039图10是流程图。0040图11是横截面图。说明书CN104145309A4/23页10具体实施方式0041除了其他事物之外，我们在这里描述的内容的实现方式有希望使用来自现有核反应堆的乏核燃料在一些情况下没有进一步处理和使用已尝试或被认为是可行的核反应堆技术的元件以相对低成本安全地产生电力。我们建议使用以生成电力的核反应堆使乏燃料成为从环境和处理角度而言问题少得多的状态在反应堆中发生的核反应在包括乏燃料的大多数锕系元素中引入裂变。
30、，减少它们的放射性半衰期。我们在这里描述的内容的至少一些实现方式修改先前开发的熔盐反应堆技术以使得能够使用来自其他反应堆的乏燃料。0042在至少一些实现方式中，修改后的熔盐反应堆的重要特征在于熔融燃料盐混合物包括在乏核燃料中包含的全部材料。当我们提到乏燃料SNF或乏核燃料时，我们指乏燃料集合中除了技术上并非是乏燃料的部分的覆层材料之外的全部燃料材料。实际上，至少在一些实现方式中，核反应堆堆芯使用全部乏燃料而不需要任何分离或其他操作。0043此外，在至少一些实现方式中，重要特征在于氢化锆的形式ZRHX，其中X可以在1到4的范围内被用作慢化剂。在一些情况下，氢化锆慢化剂被用作形成静止反应堆堆芯的元。
31、件的部分。在一些情况下，氢化锆慢化剂在可以插入和移除反应堆堆芯的可移动慢化剂元件中使用。在一些情况下，氢化锆慢化剂在静止反应堆堆芯和慢化剂元件两者中使用。在产生具有适当能级以使得乏燃料在反应堆堆芯内变为临界否则可能不能这样做的中子时，氢化锆可以比其他慢化剂更有效。在一些情况下，固定或可移动或两种慢化剂元件可以是一种或多种氢化物。在一些情况下，所述元件可以是一种或多种氘化物。在一些情况下，所述元件可以是氢化物或氘化物的组合。0044虽然我们在这里描述的一些实现方式考虑使用乏燃料和例如氢化锆的高度有效的慢化剂的熔盐反应堆的组合，但是在一些实现方式中，可能不需要在单个设施中包括全部执行特征。0045。
32、图1是在初级回路102中包括核反应堆堆芯106的示例核反应堆发电厂100的示意图。熔融液体燃料盐混合物103在初级回路102内连续循环流动105，包括通过反应堆堆芯106。初级回路负载足够多的燃料盐混合物以填充回路，包括反应堆堆芯。在给定时间反应堆堆芯中的燃料盐混合物的部分处于临界配置，生成热量。已穿出反应堆堆芯并且在回路的其余部分中的燃料不处于临界配置。当在反应堆堆芯中燃料盐混合物处于该临界配置时，中子在锕系元素中引入裂变，生成热量，并且将锕系元素转变为裂变产物。0046在一些实现方式中盐我们有时互换地使用简单的词盐和燃料盐混合物或燃料以快质量流率行进通过初级回路；该速率大约为800千克每秒。
33、。在一些实现方式中，所述速率可以高于800千克每秒或低于800千克每秒。盐快速移动，因为通过反应堆堆芯106中裂变的锕系元素在盐中生成大量热量，并且在该热盐中承载的热量必须快速移动到换热器112。0047因为盐如此快速行进，所以在每一次通过回路期间在反应堆堆芯中仅小部分锕系元素裂变。然而，锕系元素通过反应堆堆芯许多次。在一些情况下，在通过反应堆堆芯相当于10年的次数之后，例如给定锕系元素的初始量的大约30可以被转变为裂变产物。0048在燃料盐混合物103中溶解的锕系元素可以是各种锕系元素和锕系元素的组合说明书CN104145309A105/23页11并且可以从各种源和源的组合产生。在一些实现方。
34、式中，例如，锕系元素可以来自由现有核反应堆143生成的乏核燃料139。在一些实现方式中，锕系元素从退役武器152产生并且包括钚和/或铀。在一些示例中，源可以包括天然铀155。在一些示例中，源可以包括富集过程剩下的贫化铀159。在一些示例中，源可以包括新燃料157其可以包括富含U235的铀、或例如U233、U235、PU239或PU124的可转换钍和裂变物质的混合物。在一些示例中，源可以包括新燃料157、退役武器钚或铀152、天然铀155、贫化铀159或乏核燃料139。0049反应堆堆芯中中子能级分布影响堆芯中在燃料盐混合物中发生锕系元素裂变的效率。0050截面是当中子与核子作用例如，碰撞时发生。
35、特定反应的概率的测度。例如，吸收截面测量中子在入射在核子上时将由特定同位素的核子吸收的概率。每一种同位素具有唯一一组截面，其作为入射中子的动能的函数变化。0051系统的中子总数中动能的分布例如由中子能谱表示。在裂变反应期间产生的中子平均具有在中子能谱的“快速”区域中的初始动能。快中子具有大于例如10KEV的动能。超热中子具有在例如1EV和10KEV之间的动能。热中子具有例如大约0025EV的动能。在核反应堆的上下文中，热中子更广泛地指具有低于例如1EV的动能的热中子。0052在一些实现方式中，希望反应堆堆芯包括堆芯中的燃料盐混合物具有包括大的热中子总数的中子能谱，因为在许多情况下热中子比快中子。
36、更容易在锕系元素中引入裂变。减少反应堆堆芯中热中子总数减小反应堆堆芯中锕系元素裂变的速率。0053用于燃料盐混合物的盐的选择除了其他事物之外取决于盐对混合物内中子的能级可能具有的影响。0054当选择用于熔盐反应堆的盐成分时应考虑若干不同因素。重要的考虑是盐中重核子的溶解度通常，溶解度越高越好、包括盐的同位素的中子俘获截面通常，俘获截面越低越好和包括盐地同位素的慢化能力通常，慢化能力越高越好。0055重核溶解度取决于盐地化学成分例如，氟化锂具有比氟化钾更高的核素溶解度。在一些实现方式中，优选盐成分是具有更高重核素溶解度的盐成分。根据我们的分析，若干盐成分在下面的部分中详述具有足够高以允许反应堆堆。
37、芯中的燃料盐混合物保持临界的重核素溶解度。溶解度需要多高取决于使用的燃料。在基于具有十个ZRH16环稍后更详细地讨论并使用富含20U235的新燃料的模型的仿真中，035重核素溶解度就足够了。先前提出的熔盐增值反应堆设计计划使用具有12重核素的盐。在这里描述的系统中使用整个乏燃料锕系元素向量，我们估计需要至少20溶解度。全部百分比以MOL表示。0056中子俘获截面取决于盐中特定一种或多种核素的同位素成分。LI7具有低于LI6的中子俘获截面，并且因此是当使用氟化锂盐时，用于氟化锂盐地更好的锂同位素。通常，预计氯盐不如氟盐有用，因为氯主要由CL35组成，其具有更高的中子俘获截面。如在后续部分中解释的。
38、，在考虑使用的盐中，其他成分可以有利地包括例如锂的更轻的元素，其具有比例如氯的更重的元素大的慢化能力。0057在一些实现方式中，燃料盐混合物103包括熔融卤化盐例如，LIF重核素FX。在前面和后续化学式中，重核素可以是例如镧系元素，或可以是锕系元素，或可以是两说明书CN104145309A116/23页12者的组合。存在可以在熔盐反应堆中使用的至少三大类卤化盐可以使用氯化盐，可以使用氟化盐，并且可以使用碘化盐，或可以使用它们中的任何两种或多种的组合。在一些实现方式中，在核反应堆系统100中使用氟化盐可以具有优点。如前所述，例如，在天然氯化盐中具有7555的天然丰度的同位素CL35具有高热中子吸。
39、收截面。相比之下，氯化盐因此减少反应堆堆芯的中子能谱中热中子的数量。0058适当的盐成分可以包括单独采用的下列盐成分中的每一个和它们中的任何两种或多种的组合LIF重核素FX、NAFBEF2重核素FX、LIFNAF重核素FX、NAFKF重核素FX和NAFRBF重核素FX。使用这些核素的示例成分可以包括下列核素中的每一个或它们中的任何两种或多种的组合85MOL重核素FX34MOLNAF575MOLBEF2、12MOL重核素FX76MOLNAF12MOLBEF2、15MOL重核素FX25MOLNAF60MOLBEF2、22MOL重核素FX33MOLLIF45MOLNAF、22MOL重核素FX78MO。
40、LLIF、25MOL重核素FX482MOLNAF268MOLKF、27MOL重核素FX53MOLNAF20MOLRBF、275MOL重核素FX465MOLNAF26MOLKF和30MOL重核素FX50MOLNAF20MOLKF。0059虽然具有高重核素溶解度的盐是有用的，但是应考虑除了重核素溶解度之外的考虑。具有最高摩尔百分比的重核素FX成分不一定是最理想的。例如，30MOL重核素FX50MOLNAF20MOLKF具有比22MOL重核素FX78MOLLIF高的重核素浓度，但是22MOL重核素FX78MOLLIF可能更好，因为第二盐中的锂具有比第一盐中的钠或钾大的慢化能力。例如锂的更轻的元素具有。
41、比例如钠的更重的元素大的慢化能力。0060在一些实现方式中，燃料盐混合物103包括包含溶解的重核LIF重核素FX的氟化锂盐。在一些实现方式中，LIF重核素FX混合物可以包含高达例如22MOL重核素FX。锂是非常轻的元素并且其慢化能力可以使得其对于热谱反应堆是中子有利的。特别地，LI7具有理想中子属性。LI6的热中子吸收截面941靶显著高于LI70045靶。由锂吸收的中子降低反应堆的反应性，因为由锂吸收的中子不可用于分裂锕系元素。因此，在一些实现方式中，盐中的锂可以富集，使得其具有高份额的LI7，其减少燃料盐混合物吸收热中子的趋势。0061在一些实现方式中，铍可以加入熔融卤化盐以降低盐融化温度。。
42、在一些实现方式中，燃料盐混合物103包括包含溶解的重核子LIFBEF2重核素FX的氟化铍锂盐。然而，燃料盐混合物中的铍的存在可以降低LI7富集的有效性，因为使用BE9在N,反应中产生LI6。因此，在一些实现方式中，没有铍加入熔盐。在一些实现方式中，加入减少的量的铍。0062此外，加入铍可以减少盐中锕系元素的溶解度。因为与新燃料相比每千克乏核燃料存在更少裂变材料，所以可能需要更高锕系元素浓度以使得核反应堆系统101变为临界。从盐整个去除BEF2可以将盐地锕系元素的溶解度从123增大为22，足以使得燃料盐混合物在未首先处理乏核燃料以增大裂变与可转换比例如，通过去除铀的情况下达到临界。在一些实现方式。
43、中，导致的锕系元素溶解度的增大允许核反应堆发电厂100使用整个乏核燃料向量作为燃料。在一些实现方式中，还可以使用与燃料的其他元素结合的乏核燃料的混合物或其部分。0063在操作期间，燃料盐混合物103填充反应堆堆芯106。来自反应堆堆芯106中的说明书CN104145309A127/23页13裂变反应的一些自由中子可以引起反应堆堆芯106中其他燃料原子中的裂变。当反应堆堆芯106中产生的中子数量等于或基本上等于失去例如，通过裂变、吸收或输送出系统例如，“泄露”的中子数量时，反应堆堆芯中的燃料盐混合物可以处于临界或自持状态。当处于临界状态时，核反应是自持的。0064在一些实例中，反应堆堆芯中的燃料。
44、盐混合物是否处于临界状态主要通过这些因素确定燃料盐混合物的核属性、用于制造核反应堆堆芯106的材料的属性，以及反应堆堆芯中燃料盐混合物和其他材料的几何布置。这三个因素的组合主要确定空间中的中子和整个反应堆堆芯106的能量以及从而在反应堆堆芯106中发生反应的速率。反应堆堆芯106可以被设计为通过布置混合物、几何布置和材料使得中子产生速率完全或大约等于中子丢失速率，而保持反应堆堆芯中的燃料盐混合物处于临界状态。0065通常，U235和PU239在热中子能区域中比它们在快中子能区域中具有更大的裂变截面，也就是说，这些核子更容易通过热中子而非快中子裂变。0066中子俘获是另一可能的核反应并且可以在U。
45、238和中子之间发生。在中子俘获反应中，核子吸收入射在其上的中子，但不再发射中子或经历裂变。0067在一些实例中，用于将U238改变为PU239的最有效的中子能处于超热区域中。当U238捕获中子以变为U239，U239衰变为NP239，NP239衰变为PU239时产生PU239裂变同位素。用于将U238转变为U239并且最终转变为PU239的最优能量范围由U238截面确定。图11中，U238的裂变截面1102比全部低于大约1MEV的能量的俘获截面1104低，意味着具有低于1MEV的动能的中子相比引起U238裂变具有被U238俘获的更大可能性。在从大约5EV到10KEV的范围中俘获中子的可能性相。
46、对于裂变的可能性最大。这是用于将U238转变为PU239的良好范围。0068一些实现方式所需的热和超热中子能谱可以通过引入慢化材料而实现。在一些实现方式中，可以例如在反应堆堆芯元件中引入慢化材料。在一些实现方式中，慢化材料可以插入和移除反应堆堆芯106。在一些实现方式中，可以使用两者的组合。在一些实现方式中，慢化元件通过例如降低燃料盐混合物中中子的能量将中子能谱改变为更高具有更有用的特性。0069材料的慢化效率MOD被定义为每次碰撞中子能的平均对数降低乘以宏观散射截面S除以宏观吸收截面A，如在等式11和12中所示。007000710072在等式11中，E0是在与核子碰撞之前中子的动能，E是在与。
47、核子碰撞之后中子的动能，并且A是核子的原子质量。0073如等式11所指示的，中子在它们散射出具有较大原子质量的核子时，通常丢失较小部分的它们的动能。相反，中子在它们散射出具有较小原子质量的核子例如，碳、氢、锂时，通常丢失较大部分的它们的动能。低原子质量的核子意味着中子需要经历与慢化剂的较少碰撞以减慢为特定能量。0074每次中子与核子碰撞，存在中子将被该核子俘获的有限可能性。通常，应使在例如说明书CN104145309A138/23页14慢化剂的非燃料材料中俘获的中子最小，因为其不会导致裂变。为了减少中子俘获，具有更高慢化效率的慢化剂应是具有低俘获截面和低原子质量的慢化剂。低俘获截面意味着对于与。
48、慢化剂的每次碰撞，存在中子将被俘获的低可能性。0075一些核反应堆系统的反应堆堆芯使用石墨作为慢化剂。在一些实现方式中，反应堆堆芯106使用具有比石墨单独具有的慢化效率高的慢化效率的慢化剂材料。0076在一些实现方式中，代替石墨，或在一些实现方式中除了石墨之外氢化锆的形式例如，ZRH16可以用作反应堆堆芯106中的慢化剂。存在其他态的氢化锆ZRHX，其中X可以处于1到10的范围内，并且氢化锆的物理属性在其他态之间改变。在一些实现方式中，可以使用包括更小的晶体的粉末状氢化锆。在一些实现方式中，更小的晶体可以形成为固体形状使用例如下列处理中的一种或任何组合烧结晶体，使用例如焦油的粘合剂将晶体粘合在。
49、一起，或任何其他适当的处理。0077氢化锆具有比石墨更大的慢化能力，因为其具有高密度的氢核子。氢化锆中的氢核子大约比石墨中的碳核子轻12倍。遵循等式11，核子通常需要比与石墨的碰撞更少的与氢化锆的碰撞以达到热能。在一些实现方式中，在反应堆堆芯106中使用氢化锆而非单独使用石墨可以增大在超热和热能范围中中子的数量。0078将慢化剂用作氢化锆还可以提供增大U238改变为PU239的速率的优点。该增大通过以与消耗裂变和可裂变锕系元素相同或基本上相同的速率产生裂变PU239可以允许核反应堆系统作为所谓的转变器反应堆而操作。虽然次锕系元素例如，除了铀和钚之外的锕系元素更容易使用快中子裂变，但是它们仍可以使用在反应堆堆芯106中存在的中子能谱在这种实现方式中裂变。0079可以单独和组合使用其他类型的慢化剂作为静止反应堆堆芯106中、或可移动慢化元件中或它们两者中的慢化剂。例如，可以使用石墨、氢化锆、氘化锆或其他慢化剂材料中的任何两种或多种的任何适当的组合。0080在一些实现方式中，慢化剂材料具有高密度的轻原子核子例如，单独的氢、氘、锂等或它们中的任何两种或多种的任何组合。ZRH中氢的浓度是每一锆原子16个氢原子。具有相似或更高密度的氢的另外的或其他材料或它们的组合可以用作慢化剂。