使核反应堆冷却的方法以及包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子的核反应堆

摘要

本发明公开了一种使核反应堆的堆芯冷却的方法。该方法包括使核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。本发明也公开了核反应堆。该核反应堆具有中子慢化剂，所述中子慢化剂为包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液，或者该核反应堆具有紧急堆芯冷却系统，所述紧急堆芯冷却系统包括含有一定体积的含水溶液的容器，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。该核反应堆还可具有作为中子慢化剂的含水溶液和紧急堆芯冷却系统两者，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，所述紧急堆芯冷却系统包括包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请61/789,284的 优先权，其公开内容全文以引用方式并入本文。

背景技术

通常，在核发电中，热能是由可裂变物质(例如，钍、铀和钚) 的链式裂变产生的，并且发电所需的动力来源于热能。可裂变物质通 常以烧结体的形式制备并包含于核燃料棒中。核燃料棒被布置成捆以 形成核燃料组件。在核反应堆中，通常使用控制棒和慢化剂来控制额 外中子的数量和速度以及阻止可裂变物质的链式反应(反应率>1)。 慢化剂可包括例如重水(D₂O)、轻水(H₂O)、石墨和铍。依据慢化 剂的性质，可将核反应堆分类。例如，轻水核反应堆(LWR)包括加 压水反应堆(PWR)和沸水反应堆(BWR)。核反应堆的其他类型包 括包含重水慢化剂的重水核反应堆(HWR)和高温气冷反应堆 (HTGR)。

紧急关闭程序对于核发电厂的安全至关重要。为了终止核反应堆， 通常将由固态中子毒物(例如，氢化锆)形成的控制棒插入到堆芯中。 紧急堆芯冷却系统也是核反应堆所需的。紧急堆芯冷却系统用于终止 核反应堆的运行以及阻止核反应堆温度的提高。紧急堆芯冷却系统通 常包括包含可溶性硼的含水溶液的供应源。通常，紧急池通常含有泵 送到反应堆中以淬灭裂变反应的硼酸溶液，或者在一些情况下，五硼 酸钠溶液。

发明内容

在核反应堆的紧急关闭程序中使用硼酸存在一些问题。在20℃下， 硼酸在水中的溶解度通常报道为约4.7克/100克溶液。典型紧急关闭系 统中低浓度的可溶性硼可能在淬灭期间需要向反应堆系统引入大量的 水，并且如此大量的水可能破坏安全密封。此外，硼酸沉积物可造成 腐蚀，因而紧急事件期间引入硼酸通常将导致反应堆的堆芯不可恢复。 硼酸的腐蚀性还会限制其在反应堆正常运行期间控制中子流的效用。

在根据本公开的方法和核反应堆中提供了包含多面体硼烷阴离子 或碳硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液。在一些实施例中包括 B₁₀H₁₀^2-、B₁₁H₁₄^-、CB₁₁H₁₂^-、或B₁₂H₁₂^2-中的至少一者的多面体硼烷阴 离子或碳硼烷阴离子相对于硼酸具有较大重量％的硼和至少一些其离 解物相对于硼酸更易溶于水的盐。因此，包含多面体硼烷阴离子或碳 硼烷阴离子中的至少一者的含水溶液相对于硼酸溶液通常具有较大的 硼有效性，这会使紧急情况下快速淬灭核反应堆的堆芯所需的水较少。 人们也希望包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者的含 水溶液相对于硼酸溶液引起的系统腐蚀较小。

在一个方面，本公开提供了一种使核反应堆的堆芯冷却的方法。 该方法包括使核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多 面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。

在另一个方面，本公开提供了一种核反应堆。该核反应堆包含含 水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至 少一者。该含水溶液可为核反应堆中的中子慢化剂或存在于紧急堆芯 冷却系统中至少之一的情况。在一些实施例中，核反应堆具有紧急堆 芯冷却系统。紧急堆芯冷却系统包括含有一定体积的含水溶液的容器 和从所述容器向处于某一位置的施用装置引出的管道，以向所述核反 应堆的堆芯递送所述含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子 或碳硼烷阴离子中的至少一者。

本申请中：

术语诸如“一个”、“一种”和“所述”不旨在仅指单一实体，而是包括 可用于说明的特定示例的一般类别。术语“一个”、“一种”和“所述”可与 术语“至少一个(种)”互换使用。

后接列表的短语“包括(含)……中的至少一种”是指包括(含) 该列表中任何一个项目以及该列表中两个或更多个项目的组合。后接 列表的短语“……中的至少一种”是指该列表中任何一个项目以及该列 表中两个或更多个项目的组合。

术语“接触”包括使用本领域已知的任何适宜的方式(例如，泵送、 注射、倾倒、排放、置换、点施、或喷射含水溶液)将含水溶液施用 至堆芯。

术语“含水”是指包含水。水可为H₂O或D₂O。

除非另外说明，所有数值范围包括其端点和介于端点之间的非整 数值。

具体实施方式

可用于实施本公开的含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴 离子中的至少一者。多面体硼烷阴离子仅包含硼和氢原子。碳硼烷阴 离子仅包含碳、硼和氢原子。

在一些实施例中，阴离子为多面体硼烷阴离子。在一些实施例中， 多面体硼烷阴离子包括B₁₀H₁₀^2-、B₁₁H₁₄^-、或B₁₂H₁₂^2-中的至少一者。 在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B₁₀H₁₀^2-或B₁₂H₁₂^2-中的至少 一者。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子包括B₁₀H₁₀^2-。在一些实施 例中，多面体硼烷阴离子包括B₁₁H₁₄^-。在一些实施例中，多面体硼烷 阴离子包括B₁₂H₁₂^2-。通常，多面体硼烷阴离子通过I族元素的盐、II 族元素的盐、铵盐、或烷基铵盐的溶解在含水溶液中提供，其中烷基 为乙基或甲基。烷基铵盐可为单烷基铵盐、二烷基铵盐、三烷基铵盐、 或四烷基铵盐。在一些实施例中，多面体硼烷阴离子通过I族元素的盐、 铵盐、或四烷基铵盐(在一些实施例中，I族元素的盐)的溶解在含水 溶液中提供。适宜的盐的示例包括：Li₂B₁₀H₁₀、Na₂B₁₀H₁₀、K₂B₁₀H₁₀、 (NH₄)₂B₁₀H₁₀、[(C₂H₅)₃NH]₂B₁₀H₁₀、LiB₁₁H₁₄、NaB₁₁H₁₄、KB₁₁H₁₄、 NH₄B₁₁H₁₄、Li₂B₁₂H₁₂、Na₂B₁₂H₁₂、K₂B₁₂H₁₂和(NH₄)₂B₁₂H₁₂。

在一些实施例中，阴离子为碳硼烷阴离子。在一些实施例中，碳 硼烷阴离子包括CB₁₁H₁₂^-。通常，碳硼烷阴离子通过I族元素的盐、II 族元素的盐、铵盐、或烷基铵盐的溶解在含水溶液中提供，其中烷基 为乙基或甲基。烷基铵盐可为单烷基铵盐、二烷基铵盐、三烷基铵盐、 或四烷基铵盐。在一些实施例中，碳硼烷阴离子通过I族元素的盐、铵 盐、或四烷基铵盐(在一些实施例中，I族元素的盐)的溶解在含水溶 液中提供。适宜的盐的示例包括LiCB₁₁H₁₂、NaCB₁₁H₁₂、KCB₁₁H₁₂、 NH₄CB₁₁H₁₂。

可用于实施本公开的含水溶液可包含在上文任何其实施例中所述 的任何阴离子或盐的组合。而且，可用于实施本公开的含水溶液通常 不含有机聚合物。

多面体硼烷盐可由已知方法制备。例如，由金属硼烷或MB₃H₈起 始物制备MB₁₁H₁₄盐的方法可见于各自授予Dunks等人的美国专利 4,115,520；4,115,521；和4,153,672。

四烷基硼氢化铵盐在多种条件下的热解提供B₁₀H₁₀^2-阴离子的盐 已有报道。参见例如，(1)W.E.Hill等人的“硼化学4”，盖蒙出版社， 牛津，1979年，第33页(“BoronChemistry4.”PergamonPress,Oxford 1979,p33)；(2)Mongeot等人的《法国化学会通报385》，1986年 (Soc.Chim.Fr.385,1986)；和(3)均颁予Sayles的美国专利4,150,057 和4,391,993。四烷基硼氢化铵起始物(R₄NBH₄)可通过在含水溶液或 醇溶液中使硼氢化钠与一种或多种摩尔当量的四烷基铵盐(例如，四 烷基硫酸氢铵)接触来制备。美国专利7,524,477(Spielvogel等人)中 报道了通过调节温度(例如，通过使用精确的内部温度读数、冷却反 应混合物的方法、以及特定的跃变和等温特征)，四烷基硼氢化铵盐 的热解可以良好的收率提供B₁₀H₁₀^2-和/或B₁₂H₁₂^2-阴离子的盐。例如， 在制备B₁₀H₁₀^2-、B₉H₉^-、B₁₁H₁₄^-和/或B₁₂H₁₂^2-的一些方法中，R₄NBH₄为溶解的、悬浮的、或与具有至少约100℃沸点的溶剂混合并加热的。 可用的溶剂的示例包括C₈-C₁₈烷烃或C₈-C₁₈烷烃的混合物，包括正十 二烷以及正癸烷和正十二烷的混合物。在制备B₁₀H₁₀^2-、B₉H₉^-、B₁₁H₁₄^-和/或B₁₂H₁₂^2-的其他方法中，使R₄NBH₄和三烷基胺硼烷加合物的混合 物热解。硼烷与三烷基胺硼烷的比率通常介于约1:3至约3:1之间，并 且该比率可为1:1。在这些方法中，约185℃温度下的热解通常以约1.4:1 的比率提供四烷基铵B₁₀H₁₀^2-和四烷基铵B₁₂H₁₂^2-盐的混合物。多面体 硼烷盐的各种阳离子可通过例如离子交换法提供。

制备B₁₂H₁₂^2-盐的另外方法在例如以下专利中报道：美国专利 7,718,154(Ivanov等人)，其描述了在路易斯碱存在下金属氢化物与 烷基硼酸反应产生路易斯碱-硼烷复合物，该复合物热分解形成B₁₂H₁₂^2-盐；以及美国专利7,563,934(Banavali等人)，其描述了金属硼烷与 XBH₃反应，其中X为取代的胺、取代的膦、或四氢呋喃。

CB₁₁H₁₂^-盐的合成也是已知的。参见例如，Knoth,W.H.的《美国 化学协会期刊》，1967年，第89卷，第1274页(JournaloftheAmerican ChemicalSociety,1967,vol.89,page1274)；Jelinek,T.等人的《捷克斯 洛伐克化学通讯集》，1986年，第51卷，第819页(Collectionof CzechoslovakChemicalCommunications,1986,vol.51,page819)；以及 Franken,A.等人的《捷克斯洛伐克化学通讯集》，2001年，第66卷， 第1238-1249页(CollectionofCzechoslovakChemicalCommunications, 2001,vol.66,pages1238-1249)。

对于两种天然存在的硼同位素(¹¹B和¹⁰B)，¹⁰B为更好的中子 吸收体，其具有大约3800靶恩(3.8×10^-24m²)的热中子吸收截面。因 此，在一些实施例中，任何前述盐中包含的多面体硼烷阴离子富含¹⁰B。 可采用多种方法来合成富含¹⁰B的多面体硼烷盐。一般而言，合成以富 含¹⁰B的硼酸开始，其可被转化成硼烷盐。富集的硼烷可用例如任何上 述方法来提供富含¹⁰B的盐。在一些实施例中，上述热解混合物中包含 的四烷基硼氢化铵盐或三烷基胺硼烷加合物中的至少一种富含¹⁰B。来 自同位素富集硼酸的同位素富集B₁₁H₁₄^-盐描述于美国专利7,641,879 (Spielvogel)中。

包括富含¹⁰B的盐的至少一些盐(例如，Li₂B₁₀H₁₀、Na₂B₁₀H₁₀、 K₂B₁₀H₁₀、(NH₄)₂B₁₀H₁₀、LiB₁₁H₁₄、NaB₁₁H₁₄、KB₁₁H₁₄、NH₄B₁₁H₁₄、 Li₂B₁₂H₁₂、Na₂B₁₂H₁₂、K₂B₁₂H₁₂和(NH₄)₂B₁₂H₁₂)可商购自宾夕法尼亚 州巴伦西亚的硼特殊品有限公司(BoronSpecialtiesLLC,Valencia,PA)。

在一些实施例中，多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子通过 Li₂B₁₀H₁₀、LiB₁₁H₁₄、LiCB₁₁H₁₂、或Li₂B₁₂H₁₂的溶解在含水溶液中提 供。在一些实施例中，多面体硼烷盐为Li₂B₁₀H₁₀。在一些实施例中， 多面体硼烷盐为Li₂B₁₂H₁₂。在一些实施例中，多面体硼烷盐为LiB₁₁H₁₄。 在一些实施例中，碳硼烷盐为LiCB₁₁H₁₂。与其他多面体硼烷盐或碳硼 烷盐相比，由于锂的原子量低，故此类盐可具有最高重量百分比的硼。 此外，如下文更详细的讨论，锂盐可具有最高水中溶解度的多面体硼 烷盐的一些。⁷Li是最常见的锂同位素，其占该原子的92.5％。然而， ⁷Li是中子透明的，并且在一些实施例中，其可用于将要富含⁷Li的 Li₂B₁₀H₁₀、LiB₁₁H₁₄、LiCB₁₁H₁₂、或Li₂B₁₂H₁₂中的任一者。⁷Li的富集 可通过将根据上述方法制备的(Et₄N)₂B₁₀H₁₀、Et₄NB₁₁H₁₄、 (Et₄N)₂B₁₂H₁₂、或碳硼烷盐与可商购获得的⁷LiOH在水中处理来进行。

由于多面体硼烷盐和碳硼烷盐通常高的硼含量，故它们可用于例 如本文所公开的方法和核反应堆中。尽管硼酸仅为17.5重量％的硼， 但通常可用于实施本公开的多面体硼烷盐和碳硼烷盐具有基于该盐的 总分子量计至少25重量％的硼。例如，Cs₂B₁₀H₁₀为28重量％的硼。在 其他示例中，Li₂B₁₀H₁₀、Na₂B₁₀H₁₀和(NH₄)₂B₁₀H₁₀分别为81.9重量％、 65.9重量％和70.1重量％的硼。在另外示例中，Li₂B₁₂H₁₂、Na₂B₁₂H₁₂和(NH₄)₂B₁₂H₁₂分别为83.3重量％、69.1重量％和72.9重量％的硼。在 另一个示例中，LiCB₁₁H₁₂、NaCB₁₁H₁₂和KCB₁₁H₁₂分别为79.3重量％、 71.6重量％和65.3重量％的硼。在一些实施例中，多面体硼烷盐或碳硼 烷盐具有基于该盐的总分子量计至少30、35、40、45、50、55、60、 或65重量％的硼。

由于多面体硼烷盐在水中的高溶解度，故其可用于例如本文所公 开的方法和核反应堆中。尽管通常报道硼酸在20℃下具有仅约4.7克 /100克溶液的水中溶解度，通常，可用于实施本公开的多面体硼烷盐 在20℃下具有至少15克/100克溶液的溶解度或至少三倍的硼酸的水中 溶解度。在一些实施例中，可用于实施本公开的多面体硼烷盐在20℃ 下具有至少20、25、30、35、40、45、或至少50克/100克溶液的水中 溶解度。人们也希望某些碳硼烷盐具有可用的水中溶解度。例如， CB₁₁H₁₂^-是非常弱的配位阴离子。许多不同盐的水中溶解度和确定这些 溶解度的方法报道于下文实例中。

根据本公开的方法可实施于任何类型的核反应堆，并且类似地， 根据本公开的核反应堆包括多种类型。在一些实施例中，核反应堆为 轻水反应堆、沸水反应堆、加压水反应堆、小型模块化反应堆、或重 水反应堆。在一些实施例中，核反应堆为轻水反应堆，所述轻水反应 堆可为沸水反应堆或加压水反应堆。

在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开方法冷 却的是轻水反应堆。在轻水反应堆中，初冷却剂为H₂O，其流经反应 堆的堆芯以提取热量而产生蒸汽或用于其他有用的目的。对于发电而 言，蒸汽可用于驱使发电涡轮机。在热核反应堆中，初冷却剂水也充 当热化中子的中子慢化剂，中子可提高可裂变物质的反应率。采用各 种反应率控制机制诸如机械操作控制棒和初冷却剂与可溶性中子毒物 的化学处理来调节反应率和所得的热产生。

在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开方法冷 却的是沸水反应堆(BWR)。BWR是上述轻水反应堆中的一种类型， 其中使初冷却剂水受热至沸腾以产生蒸汽。初冷却剂水通常保持在也 含有反应堆的堆芯的反应堆压力容器中。在根据本公开的方法和核反 应堆的一些实施例中，本文所公开的含水溶液包含在反应堆压力容器 中。

在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开的方法 冷却的是加压水反应堆(PWR)。PWR是上述轻水反应堆中的一种类 型，其中初冷却剂水以过热状态保持在也含有反应堆的堆芯的密封压 力容器中。然后，使这种未沸腾的热水与转为蒸汽并驱使涡轮机的二 级较低压水系统交换热量。在PWR中，初冷却剂水的压力和温度均是 受控的。在根据本公开的方法和核反应堆的一些实施例中，本文所公 开的含水溶液包含在反应堆压力容器中。

在一些实施例中，根据本公开的核反应堆和/或根据本公开方法冷 却的是重水反应堆(HWR)。同上文所述PWR操作HWR，但初冷却 水为D₂O而非H₂O。

在一些实施例中，核反应堆为小型模块化反应堆。此类反应堆通 常具有小于500兆瓦特(MW)的电输出。模块化反应堆在中央工厂场 所设计制造和组装，然后送至其新场所安装。小型模块化反应堆可为 轻水冷却的或重水冷却的且可为沸水反应堆或加压水反应堆。

在一些实施例中，根据本公开的方法可用作核反应堆的紧急关闭 程序。即将关闭的核反应堆可为上述的那些核反应堆中的任何一个。 在一些实施例(包括根据本公开的方法和核反应堆的实施例)中，紧 急堆芯冷却系统可用于紧急关闭程序。在一些紧急堆芯冷却系统中， 喷嘴定位成将冷却剂直接喷射到燃料棒上，从而抑制蒸汽的产生。紧 急堆芯冷却系统可包括含有冷却剂的容器和从所述容器向处于某一位 置的施用装置引出的管道，以向所述核反应堆的堆芯递送所述冷却剂。 施用装置可使用使冷却剂与核反应堆的堆芯接触布置的任何方法(例 如，泵送、注射、倾倒、排放、置换、点施、或喷射含水溶液)。在 一些实施例中，施用装置为注射器或喷射器(例如，莲蓬头或喷嘴)。 在任何上述实施例中包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少 一者的含水溶液可用作紧急堆芯冷却系统中的冷却剂。使多面体硼烷 阴离子或碳硼烷阴离子与核反应堆的堆芯接触且可充当中子毒物，使 得核裂变反应终止。可用的紧急关闭系统的示例在美国专利申请公布 2010/0239062(Yeon等人)和2012/0243651(Malloy)中示出。

要求多数核反应堆(包括BWR和PWR类型的那些)具有含可溶 性硼的有效紧急池在紧急关闭情况下成为必要。通常，紧急池含有泵 送到反应堆中以淬灭裂变反应的饱和硼酸或五硼酸钠溶液。在紧急关 闭情况下，与硼酸和五硼酸钠溶液相比，本文所公开的含水溶液提供 了若干优点，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中 的至少一者。第一，在一些实施例中，与硼酸和五硼酸钠相比，多面 体硼烷盐和碳硼烷盐的溶解度更大可使中子毒物的引入更快，从而导 致裂变反应的淬灭更快。由于溶解度提高，故与多面体硼烷盐和一些 多面体碳硼烷盐一起使用的水的体积可能较小，这可保护反应堆系统 的安全密封。在沸水反应堆中，由于可溶性硼系统在紧急事件中造成 腐蚀，故在此类事件期间引入传统可溶性硼将导致反应堆的堆芯不可 恢复。已知硼酸和五硼酸钠沉积物在反应堆系统中通过多个机制(例 如，电化腐蚀和归因于pH下降的腐蚀)造成严重腐蚀。由于本文所公 开的多面体硼烷盐和碳硼烷盐更易溶和中性的pH，据信它们将会有相 当小的腐蚀性。

在一些实施例中，根据本公开的方法还可用作核反应堆正常运行 期间的中子慢化剂。例如，对于²³⁵U，较慢的中子更易于引起裂变反 应。为了减慢反应堆的堆芯中的中子，使用了慢化剂。慢化剂可包括 上述的轻水或重水和本文所公开的多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离 子。尽管在一些情况下，包含中子慢化剂的核反应堆可为上述那些核 反应堆中的任何一个，但在无中子慢化剂的情况下操作小型模块化反 应堆。通过充当“化学补偿物”，本文所公开的多面体硼烷阴离子或碳硼 烷阴离子的存在可有利于能量升级。整个燃料负载寿命中，由燃料棒 释放的能量将持续减少，这导致反应堆的能量输出降低。这是不期望 的。为了平衡反应性，将燃料自身的一部分用中子毒物覆盖，这使中 子流且因此裂变反应平稳。进一步的能量升级通过在慢化剂中使用“化 学补偿物”来实现。

硼酸的某些特性限制其作为化学补偿物的效用。例如，起因于沉 积物的硼酸腐蚀可影响压力容器和相关系统的完整性。由于溶解度的 提高，多面体硼烷盐和某些多面体碳硼烷盐将不易于沉积，并且如果 确实发生沉积，不希望它们具有相同的腐蚀性。而且，将硼酸用作化 学补偿物导致微酸性pH，这可造成燃料棒包壳的腐蚀。为了使pH回 到可接受的水平，向水中添加⁷LiOH。然而，存在过多LiOH也可造成 包壳的腐蚀。为了进一步保护包壳免于腐蚀，通常添加与燃料包壳材 料互相作用的贫氧化锌。多面体硼烷盐和碳硼烷盐是pH中性的，这可 降低或消除这些反应堆中使用的昂贵的LiOH和贫氧化锌。

此外，使用根据本公开的方法和核反应堆中的含水溶液中的多面 体硼烷盐将不会向反应堆的堆芯引入当前不存在的任何附加原子。多 面体硼烷阴离子和碳硼烷阴离子通常是热稳定的且无毒的。笼形结构 的多面体硼烷阴离子和碳硼烷阴离子使它们具有高度的化学稳定性， 这允许它们长期储存。然后，含有这些盐的含水溶液在需要时即可使 用。

本公开的一些实施例

在第一实施例中，本公开提供了一种使核反应堆的堆芯冷却的方 法，该方法包括：

使核反应堆的堆芯与含水溶液接触，所述含水溶液包含多面体硼 烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者。

在第二实施例中，本公开提供了第一实施例的方法，其中将含水 溶液用作核反应堆正常运行期间的中子慢化剂。

在第三实施例中，本公开提供了第一实施例的方法，其中核反应 堆的堆芯与含水溶液接触是在核反应堆的紧急关闭期间进行的。

在第四实施例中，本公开提供了一种核反应堆，该核反应堆包含 含水溶液，所述含水溶液包含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的 至少一者，作为中子慢化剂、处于紧急堆芯冷却系统中、或既作为中 子慢化剂又处于紧急堆芯冷却系统中。

在第五实施例中，本公开提供了第四实施例的核反应堆，其中该 核反应堆包含处于紧急堆芯冷却系统中的含水溶液，所述含水溶液包 含多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者，所述紧急堆芯冷 却系统包括：

含有一定体积的含水溶液的容器，所述含水溶液包含多面体硼烷 阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者；和

从所述容器向处于某一位置的施用装置引出的管道，以向所述核 反应堆的堆芯递送所述含水溶液。

在第六实施例中，本公开提供了第五实施例的核反应堆，其中施 用装置为注射器或喷射器。

在第七实施例中，本公开提供了第一至第六实施例中任一个的方 法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者 富含¹⁰B。

在第八实施例中，本公开提供了第一至第七实施例中任一个的方 法或核反应堆，其中多面体硼烷阴离子或碳硼烷阴离子中的至少一者 由溶解的I族元素的盐或铵盐提供。

在第九实施例中，本公开提供了第八实施例的方法或核反应堆， 其中I族元素的盐或铵盐具有至少25重量％的硼。

在第十实施例中，本公开提供了第八或第九实施例的方法或核反 应堆，其中I族元素的盐或铵盐在20℃下具有至少15克/100克溶液的 水中溶解度。

在第十一实施例中，本公开提供了第一至第十实施例中任一个的 方法或核反应堆，其中阴离子为包括B₁₀H₁₀^2-、B₁₁H₁₄^-、或B₁₂H₁₂^2-中 的至少一者的多面体硼烷阴离子。

在第十二实施例中，本公开提供了第十一实施例的方法或核反应 堆，其中多面体硼烷阴离子包括B₁₀H₁₀^2-或B₁₂H₁₂^2-中的至少一者。

在第十三实施例中，本公开提供了第十二实施例的方法或核反应 堆，其中多面体硼烷阴离子来自溶解的盐，所述盐选自由以下项组成 的组：Li₂B₁₀H₁₀、Na₂B₁₀H₁₀、K₂B₁₀H₁₀、(NH₄)₂B₁₀H₁₀、Li₂B₁₂H₁₂、 Na₂B₁₂H₁₂、K₂B₁₂H₁₂、(NH₄)₂B₁₂H₁₂、以及它们的组合。

在第十四实施例中，本公开提供了第十一实施例的方法或核反应 堆，其中Li₂B₁₀H₁₀或Li₂B₁₂H₁₂富含⁷Li。

在第十五实施例中，本公开提供了第十一实施例的方法或核反应 堆，其中多面体硼烷阴离子包括B₁₁H₁₄^-，其中所述多面体硼烷阴离子 来自溶解的盐，所述盐选自由以下项组成的组：LiB₁₁H₁₄、NaB₁₁H₁₄、 KB₁₁H₁₄和(NH₄)B₁₁H₁₄，并且任选地，其中LiB₁₁H₁₄富含⁷Li。

在第十六实施例中，本公开提供了第一至第十实施例中任一个的 方法或核反应堆，其中阴离子为碳硼烷阴离子，其中所述碳硼烷阴离 子包括CB₁₁H₁₂^-，其中所述碳硼烷阴离子来自溶解的盐，所述盐选自由 以下项组成的组：LiCB₁₁H₁₂、NaCB₁₁H₁₂、KCB₁₁H₁₂、NH₄CB₁₁H₁₂， 并且任选地，其中LiCB₁₁H₁₂富含⁷Li。

在第十七实施例中，本公开提供了第一至第十五实施例中任一个 的方法或核反应堆，其中该核反应堆为轻水反应堆、沸水反应堆、压 水反应堆、小型模块化反应堆、或重水反应堆。

以下特定而非限制性示例将有助于说明本公开。

实例

下表中的盐可用于根据本公开的任何上述实施例中的方法和核反 应堆。

下表中标示的盐溶解度通过以下程序确定。向位于磁性搅拌盘上 的带有温度计和搅拌子的2颈圆底烧瓶添加已知量的水(25克或50 克)。将溶质(盐)分析称重并以大约0.1g增量添加到溶剂中，同时 测量溶液的温度。添加溶质直至添加和搅动后在溶液中观察到浑浊。 然后，以克/100克溶液计算溶解度并提供在下表中。测量的温度范围 为18℃至21℃。

表：以克/100克溶液计的盐溶解度

Li Na K Cs (C₂H₅)₃NH B₁₂H₁₂^2-盐 54.7 50.4 40.7 2.3 1.6 B₁₀H₁₀^2-盐 58.4 56.9 38.0 4.2 15.7

本领域的技术人员可在不脱离本公开的范围和实质的情况下得知 本公开的各种变型和替代形式，并且应当理解，本发明未不当地限于 本文前述的例示性实施例。