CN103258576B - 一种月球表面用核反应堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种月球表面用核反应堆，包括堆本体、热电偶转换器、钾热管辐射器和氢化锂屏蔽体，控制鼓驱动机构，该反应堆由三个相同的集成模块构成，每个模块为反应堆的三分之一，每个模块均包括堆本体、热电偶转换器、钾热管辐射器和氢化锂屏蔽体，氢化锂屏蔽体布置在堆本体上方，控制鼓驱动机构布置在氢化锂屏蔽体的上方；堆本体由反射层、燃料元件、锂热管和控制鼓组成；控制鼓均匀的布置在反射层内，可在控制鼓驱动机构的驱动下转动；锂热管由堆本体内引出后与热电偶转换器连接，热电偶转换器上配置钾热管辐射器。该发明提供了一种安全性高、方便运输和发射的月球表面用核反应堆。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆工程技术领域，特别涉及一种为月球基地提供能源的核反应堆。
背景技术
在月球表面建立科研或军事基地首先需要解决能源供给问题，目前采用的太阳能电池和Pu238同位素电池等方式很难满足大功率需求，且稳定性受环境影响较大。而核反应堆可以提供大功率的能源，且稳定性较好，因此，多国都在进行月球表面用核反应堆的方面的研究。
例如，美国的MohamedS.E1-Genk在文献“Spacenuclearreactorpowersystemconceptswithstaticanddynamicenergyconversion，EnergyConversionandManagement，49(2008)402-411”中提到了SAIRS，HP-STMCs以及S^4三种核反应堆，这三种核反应堆均为快堆，堆本体都是圆柱状的，但电功率、堆芯冷却方式和热电转换方式等均不相同。如SAIRS堆的电功率为100千瓦，采用钠热管冷却堆芯，碱金属进行热电转换；HP-STMCs堆的电功率为110千瓦，采用锂热管冷却堆芯，多级热电偶进行热电转换；S^4堆的电功率为93.6千瓦，采用氦氙二元混合气体冷却堆芯，闭式布雷顿循环进行热电转换。
俄罗斯的月球表面用核反应堆多采用热离子转换技术进行热电转换，电功率在150千瓦左右。
日本的MitsuruKAMBE在文献“Longlifetimefastspectrumreactorforlunarsurfacepowersystem”中提到了名叫RAPID(RefuelingbyAllPinsIntegratedDesign)-L的锂冷快中子核反应堆电源，该堆电功率200千瓦，采用锂回路进行冷却，水银热管辐射器进行散热。
上述各国所研究的月球表面用核反应堆堆本体均为圆柱状，堆本体多为一体化结构，质量较大，且电功率、堆芯冷却方式和热电转换方式等也有所差别，对运载和发射等要求也较高。为追求更高的安全性，方便堆的运载和发射，有必要寻求一种新型的月球表面用核反应堆。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种安全性高，方便运输和发射的月球表面用核反应堆。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种月球表面用核反应堆，包括堆本体、热电偶转换器、钾热管辐射器和氢化锂屏蔽体，控制鼓驱动机构，关键在于，该反应堆由三个完全相同的集成模块构成，每个模块为反应堆的三分之一，每个模块均包括堆本体、热电偶转换器、钾热管辐射器和氢化锂屏蔽体，氢化锂屏蔽体布置在堆本体上方，控制鼓驱动机构布置在氢化锂屏蔽体的上方；堆本体由反射层、燃料元件、锂热管和控制鼓组成；控制鼓均匀的布置在反射层内，可在控制鼓驱动机构的驱动下转动；锂热管由堆本体内引出后与热电偶转换器连接，热电偶转换器与钾热管辐射器连接。
所述的每个模块包括2个热电偶转换器，2个钾热管辐射器和三分之一的氢化锂屏蔽体，三分之一的堆本体。所述的控制鼓共由6个大鼓和6个小鼓均匀相间布置组成，每个模块分别由2个大鼓和2个小鼓均匀相间的布置在反射层内。所述的堆本体中燃料元件与锂热管的布置关系为每根燃料元件至少布置两根锂热管对其进行冷却。所述的锂热管是经过弯折后靠着氢化锂屏蔽体外侧引出。所述控制鼓的材料为BeO。所述的反射层为BeO材料，燃料元件为UN燃料元件，热电偶转换器为硅锗热电偶转换器。所述的钾热管辐射器由多段组成，各段之间通过Ti柔性连接管连接。所述的核反应堆为正六边形的形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)核反应堆分为三个完全相同的集成模块，单个模块质量小，方便运输和发射。
(2)单个模块不会发生临界事故，安全性高。
(3)反应堆内每根燃料元件至少由两根锂热管进行冷却，可以有效避免单根锂热管失效引起的问题，可靠性更高。
(4)控制鼓由6个大鼓和6个小鼓组成，可以有效的减轻反应堆质量，控制堆芯反应性和功率分布，同时两种控制鼓均可实现独立停堆的功能。
附图说明
图1核反应堆结构立体示意图
图2核反应堆系统布置截面图
图3堆本体截面示意图
图4堆本体模块截面示意图
1月壤坑、2反射层、3燃料元件、4锂热管、5控制鼓、6热电偶转换器、7钾热管辐射器、8Ti柔性连接、9氢化锂屏蔽体、10吸收体、11控制鼓驱动机构
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明以电功率为100千瓦的月球表面用核反应堆为例，其结构如图1所示。月球表面用核反应堆为正六边形，布置在月壤坑1中构成一个达到临界的反应堆能量系统，如图2所示。如图3所示，月球表面用核反应堆主要包括堆本体、热电偶转换器6、钾热管辐射器7和氢化锂屏蔽体9、控制鼓驱动机构11，其中堆本体由反射层2、燃料元件3、锂热管4以及控制鼓5组成。本实施例中反射层2采用BeO材料的反射层，燃料元件3采用UN燃料元件，热电偶转换器6采用硅锗热电偶转换器，整个反应堆有12个控制鼓5(6个大鼓和6个小鼓)，均匀相间的布置在反射层2内。控制鼓5可以有效的控制堆芯反应性和功率分布，并可减轻核反应堆重量。氢化锂屏蔽体9布置在堆本体上方，与BeO反射层2保持约200mm的距离，以方便布置锂热管4；锂热管4由堆本体内引出后，经过一定弯折靠着氢化锂屏蔽体9外侧引出后与上方的硅锗热电偶转换器6相连，这样很好的保证了氢化锂屏蔽体9的屏蔽效果；控制鼓驱动机构11布置在氢化锂屏蔽体9上方，穿过氢化锂屏蔽体9后连接控制鼓5，通过控制鼓驱动机构11带动控制鼓5的转动。
整个反应堆质量约为3吨，由三个相同的模块构成，单个模块包括两个硅锗热电偶转换器6，两个钾热管辐射器7，三分之一的氢化锂屏蔽体9，以及三分之一的堆本体。每个模块独立包装、运输和发射，其中单个模块的堆本体截面示意图如图4所示，单个模块分别由2个大鼓和2个小鼓均匀相间的布置在反射层2内。钾热管辐射器7由多段组成，发射时可将钾热管辐射器7通过Ti柔性连接管8进行折叠，可以减少布置空间。
当三个模块均到达月球基地，在月壤坑1中完成组装后，可以将钾热管辐射器7展开，然后通过控制鼓驱动机构11转动控制鼓5鼓体上的B4C吸收体10的位置到堆本体的最外侧，则可使反应堆达到临界状态。一套控制鼓驱动机构11仅调节一个控制鼓5鼓体，控制鼓5鼓体的材料是BeO，下部支撑在BeO反射层2上。反应堆堆芯内产生的热能由布置在UN燃料元件3之间的锂热管4带出，经硅锗热电偶转换器6将热能转换为电能以供月球基地使用。其中每根燃料元件3至少由两根锂热管4进行冷却，可以有效避免单根锂热管4失效引起的堆内局部温度过高的问题，提高可靠性。剩余的废热通过布置在硅锗热电偶转换器6上的钾热管4辐射器排出。
Claims (9)
1.一种月球表面用核反应堆，包括堆本体、热电偶转换器、钾热管辐射器、氢化锂屏蔽体和控制鼓驱动机构，其特征在于，该反应堆由三个相同的集成模块构成，每个模块独立包装、运输和发射，每个模块为反应堆的三分之一，每个模块均包括堆本体、热电偶转换器、钾热管辐射器、氢化锂屏蔽体和控制鼓驱动机构，氢化锂屏蔽体布置在堆本体上方，控制鼓驱动机构布置在氢化锂屏蔽体的上方；堆本体由反射层、燃料元件、锂热管和控制鼓组成；控制鼓均匀的布置在反射层内，可在控制鼓驱动机构的驱动下转动；锂热管由堆本体内引出后与热电偶转换器连接，热电偶转换器上配置钾热管辐射器。
2.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的每个模块包括2个热电偶转换器，2个钾热管辐射器和三分之一的氢化锂屏蔽体，三分之一的堆本体。
3.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的控制鼓共由6个大鼓和6个小鼓均匀相间布置组成，每个模块分别由2个大鼓和2个小鼓均匀相间的布置在反射层内。
4.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的堆本体中燃料元件与锂热管的布置关系为每根燃料元件至少布置两根锂热管对其进行冷却。
5.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的锂热管是经过弯折后靠着氢化锂屏蔽体外侧引出。
6.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述控制鼓的材料为BeO。
7.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的反射层为BeO材料，燃料元件为UN燃料元件，热电偶转换器为硅锗热电偶转换器。
8.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的钾热管辐射器由多段组成，各段之间通过Ti柔性连接管连接。
9.根据权利要求1所述的一种月球表面用核反应堆，其特征在于，所述的核反应堆为正六边形的形状。
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