CN107408413A - 用于发电的可运输亚临界模块及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过完全密封的模块化部件的可移动核发电机，其在组装在部署地点时形成关键和超临界系统，以便安全地产生电力而不需要现场基础设施。特别地，本发明一般涉及可运输和可分配的电力和通过在反应器关闭的几个小时内可部署和可回收的微模块化，紧凑的，可运输的，固有安全的核发电机的发电，包括功率转换和通过组合Brayton和Rankine功率循环对远程发电进行调节。

Description

用于发电的可运输亚临界模块及相关方法

相关申请

本申请要求于2015年10月7日提交的题为“Holos Rapidly Deployable High-Integrated Micro Modular Reactor(Hl-MMR)(Holos快速部署的高集成微模块化反应堆)”的美国临时专利申请No.62/284,707以及题为“Transportable Sub-criticalModules for Power Generation&Related Methods(用于发电的可运输次临界模块及相关方法)”的美国临时专利申请No.62/178,400的优先权，两个专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明通常涉及通过在反应堆关闭的几个小时内可部署且可回收的微模块化、紧凑、可移动、固有安全的核发生器，产生可移动且可分配的电力和过程热，其包括电力转换并且用于调节经由组合的Brayton和Rankine电力循环进行的远程发电。

背景技术

核发电机包括关闭后自然产生衰变热能的核芯。在几个因素中，关闭后产生的能量核燃料的量与其发电历史和电力密度成正比。为了避免核燃料过热，衰变热能必须借助于通常由核芯外部的系统支持的冗余热传递机构从核芯转移。这些系统需要复杂的管道网络，将核芯与热交换器热液压连接，其中，热交换器通常位于距离包含核芯的容器一定距离的设施内并用于将热能传递到环境(即极限散热器)。通过该核芯冷却热交换器的冷却液可以借助于电驱动再循环器(即，泵、鼓风机)主动地循环。或者，冷却剂可以通过基于冷却剂密度变化的重力驱动自然循环机构被动地循环穿过该核芯。现代核反应堆——独立于其大小——依赖于冗余的核芯衰变除热系统，其可以被动地、主动地操作或以两者组合的方式操作并被构造成在包含核燃料的压力容器外部进行操作。

为了消除核芯的衰变热能，采用“主动”安全功能的设计广泛地依靠电源，以将核芯保持在所有运行条件下以及核芯关闭期间的安全温度内。为了确保安全操作，依靠主动安全系统的设计需要通过专用的冗余现场应急柴油发电机(EDG)和任何时候至场外的多个电网进行电力供应。

另一方面，依赖于被动安全特征的设计依赖于重力和大量库存的冷却剂(即，水)，所述大量库存的冷却剂通常存储在相对于核芯定位在相对较高高度的罐或储水结构(即，衬里的混凝土池)中。要确保所述核芯与冷却液储罐或冷却液存储结构之间的高度差，以确保冷却剂经受自然循环虹吸，并有效地从核芯中去除腐蚀热能。对于基于大量冷却剂库存的被动安全特征，充分提供长期的衰变除热很大程度上取决于在相对较短的时间内补充冷却剂库存的能力。基于被动再循环系统的核芯冷却效果强烈依赖于极限散热器所代表的环境温度和湿度条件。一般来说，随着环境温度的升高，被动地且有效地执行自然对流冷却的能力逐渐受到损害。因此，基于重力驱动冷却剂再循环的被动衰变除热最适合于在温和气候条件下工作的核发电机。

被动和主动的安全系统由通常在容纳核芯的压力容器外部开发的一系列部件组成。该结果是冗余管道、阀门以及用于被动系统的热交换器的复杂系统，添加了泵/鼓风机以及由控制布线管理和监控的动力。

商业运行反应器的核芯以及水缓和的小型模块化反应器(SMR)设计的核芯通常通过核燃料，利用在高温水/蒸汽存在下氧化的材料覆盖的元件进行加载。由于例如由于冷却剂的损失或者主动或被动核芯衰变除热系统的故障而导致的核芯经历过热，包层材料与水/蒸汽之间的化学反应导致氢气的产生。随后，氢气积聚并自燃，从而构成严重的安全挑战。为了解决核事故造成的氢气生产，核电厂采用冗余氢管理设备，例如执行可控制的点火，并防止大量氢气的积聚。这些安全系统确实需要电力以运行，并且进一步增加了工厂总体平衡的复杂性，同时增加了运营成本。冗余通常是概率风险评估和假设设计基准事故的结果。尽管由多个电力可及性、多个紧急柴油发电机组成的冗余以及由能提供控制和几个小时紧急动力的电池提供的现场电网的可用性，整个核电的历史上已经发生了核芯熔断和氢气爆炸(即，参见福岛第一电站代表的事故情况和后果)。这表明，由于超出设计基准事故引发的灾难性事故——例如由极端地震、海啸代表——与电网事故的损失结合，都引起了不可接受的安全和经济影响，即使它们的发生概率非常低，如由概率风险评估预测的。

可移动MMR设计的另一个关键要求是发电系统所代表的总重量。申请号PCT/US2013/059445描述了由与电力转换单元集成的核芯形成的“模块化可移动核发电机”。在这个示例中，核芯被开发为一个超临界系统，该超临界系统通过主动控制机构和与燃料一起嵌入的可燃中子吸收器随着时间的推移而控制。为了使该系统运行，对于常用的起重和运输设备，核芯、动力转换系统、整体式压力容器和护罩的总质量仍然太高。此外，在正常运行和非正常情况下，为了确保在相当大核芯中心处的温度在所有可靠的设计基础操作和事故情况下保持在安全的范围内，由该系统表示的散热仍然是严重的挑战。

发明内容

本发明涉及借助于在组装形成整个系统时形成临界和超临界系统的模块化子部件来实现核能发电，从而能够经由移动微模块化反应堆(MMR)发电，所述移动微模块化反应堆可以匹配具有弱电网的场所或者其中一个或多个MMR代表馈送本地电网的电站的场所的各种电力需求。MMR提出了直接与电网的接口，或者经由开关站/子站，它还可以支持发电，其中，MMR代表远程“离网”应用所需的电网(岛屿发电)。特别地，本发明涉及各种电能产生部件，所述电能产生部件利用裂变和衰变热核能来例如为移动单元(即，海洋船舶)和固定安装物(即，陆上和海上石油钻井平台)提供电力和过程热。本发明还可以为不可调度的可再生能源发电机(即风力、太阳能)以及转运操作和远程军事基地提供支持电力，因为其功能不受环境极限的影响，并且不需要部署现场的基础设施。

本发明的目的是提供一种可运输完全密封的亚临界电力发生器模块，其在运输期间为伽马辐射提供屏蔽并且在输送期间为中子和伽马辐射屏蔽，并且满足以下要求：i)重量轻，完全包含在经由国际标准化组织(ISO-container)集装箱的传统运输货物的尺寸和重量要求中，以确保通过标准运输平台的可运输性；ii)其本质上是亚临界的，只有当多个亚临界模块在部署地点组装在一起时才变得超临界；iii)不需要现场工厂平衡(BoP)连接，因为所提出的MMR可以独立于电力负载类型(电网、分站、开关站)运行并执行快速负载跟随；iv)只依靠环境空气进行冷却；v)每个亚临界模块提供“通用核芯平台”，以便为各种类型的燃料和调节剂提供接口，所有这些都包含在装载有非常显着小于19％的非增殖燃料的“通用燃料筒”中，至少提供最低11MW(兆瓦热)的3,650个有效满电力天数(FEPD)；vi)在燃料循环结束时，每个亚临界模块适合装在标准废物处理罐内，并自动发电以用于地下永久性储存，以满足永久性地质储藏库的热负荷要求；vii)可以远程操作；viii)提供额外的压力容器控制能力；ix)提供对传感器和探头的亚临界核芯的密封访问，以易于其更换或翻新；x)通过集成在亚临界核芯区域内的密封端口提供受保护的通路，以支持选择性同位素生产；xi)可以承受敌对攻击，即使在有缺口的核芯情况下也不会释放挥发物；xii)符合“零撤离规划区”要求(因为在恶劣的情况下，敌方的攻击或破坏情况不会产生挥发物)。

为了实现本发明的优点并且根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，本发明的一个方面提供了一种可移动的被动冷却核发电机，其由包含在增强结构内的核芯的完全密封且独立的部分形成，其中，所述增强结构在运输和操作期间提供热液压和屏蔽特征。

本发明的其他目的和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来了解。本发明的目的和优点将通过所附权利要求中特别指出的要素和组合来实现和获得。

应理解，前面的一般性描述和随后的详细描述仅为示范性和解释性的，并且所要求保护的主题内容在这方面不受限制。

附图说明

所附附图包含在本说明书中并构成本规范的一部分，说明本发明的若干实施例，并与描述一起用来解释描述MMR及其各种部件的装置和方法的原理。

图1A是根据本发明示例性实施例的用于发电的可运输MMR的立体图。

图1B是根据本发明示例性实施例的用于发电的可运输MMR的立体图。

图2A是包含集成电力转换单元(PCU)、控制装置、辐射屏蔽和热传递装置的完全密封的亚临界电力模块(SSM)的示意图。

图2B是可运输SSM的立体图，示出了专用于与外部控制装置(外核控制系统)接合的中心部分。

图2C是SSM的功能示意图，该SSM包括具有其电力部件的PCU和被设计成用于接合不同类型核燃料的通用核芯筒(UCC)。

图3A是连接以形成超临界(可操作)电力系统的三个SSM的正视图。

图3B是所述SSM的立体图，示出了每个SSM滑出位置以执行几何和材料屈曲的未对准的能力。

图3C是三个亚临界完全集成SSM的立体图，所述SSM定位在包含在ISO运输容器内的传热和屏蔽结构内。

图4A是组装成形成单个核芯以满足材料和几何屈曲要求并产生电力的三个SSM的立体图。

图4B示出了一旦连接至完全集成在ISO运输容器内的结构，SSM插入到机械支撑件的操作。

图5A示出了优先但不非限制性的核燃料构型，其呈现周边配备有部分冷却通道的六边形中空棒的形状。

图5B是形成六边形中空棒的部件的更详细和更广泛的视图。

图5C是连接在一起并形成机械支撑件的七个六边形中空棒的顶部简化视图。

图5E是燃料加载之前的中空六边形棒的一部分的立体图(示出的是中空的)。

图5F示出了每个六角形燃料棒借助于如图所示连接的冷却通道在结构上被支撑的方法。

图5D是通用核芯筒(UCC)内部部件的剖面立体图。

图6A示出了七个六角形燃料棒的集群的俯视图，其示出了都围绕包含在所述棒内部的燃料形成的冷却通道(为了清楚而示出为空白)。

图6B是由几个六角形燃料棒形成的燃料束的俯视图，其中，在每个六边形棒的周围形成有冷却通道，并且在燃料束的内壁与六边形燃料棒基体之间形成较大的冷却通道(为了视觉清晰度，内部燃料元件被移除)。

图6C是包含密封在UCC内的一定数量燃料束的6xSSM的俯视图。

图6D是完整SSM的示意图。

图7A示出了六角形燃料棒。

图7B示出了如图6A至图6C所述的燃料矩阵的一部分。

图7D是两个亚临界核芯部分的立体图。

图7F示出了如图6A至图6C所述的燃料矩阵的一部分。

图7C示出了UCC的切口部分，其示出了在UCC加载期间引导六边形燃料棒的冷却通道形成导轨，当UCC被永久密封和操作时，支撑和冷却所述燃料。

图8A是构造成对准以匹配几何和材料屈曲(用于任何核芯产生电能电力的必要配置)的6xSSM的俯视图。

图8B是6xSSM的俯视图。

图9A是外骨骼结构和1/4SSM的实施例的立体图。

图9B是图9A中描述的外骨骼支撑结构的立体图，具有完全向下延伸的1/4SSM。

图10A是完全集成并准备安装外骨骼结构的单个SSM的立体图。

图10B是SSM的截面立体图，其重点在于与SSM电力转换系统密封并集成的通用核芯芯筒。

图11A是SSM混合动力转换系统的示意图。

图12A是SMM的示意图。

图12B是SMM的示意图。

图12C是SMM的示意图。

图12D是SMM的示意图。

图13A是单个SSM的实施例的剖视图。

图13B是示出了电力转换部件和散热器的SSM的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

附图和实施例描述中的术语：

100 密封集成发电机

101 防辐射罩

102 罩头部

103 ISO容器

104 电池组

105 遥控系统连接

200 SSM(密封亚临界电力模块)200M不对准SSM

201 PCU(电力转换单元)

202 内部控制装置

203 通用核芯筒(UCC)

204 热交换器

205 工作流体和控制/监视线缆端口

206 高压条件的电源出口

207 额外的核芯控制装置

208 动力涡轮机排放HEX

209 压缩机电机

210 压缩机涡轮级

210H 压缩机涡轮级高压

210L 压缩机涡轮级低压

211 电力涡轮级

212 发电机

213 SSM头部

214 中间制冷器HEX

215 内部SSM压力边界

216 SSM位移滑动系统

300 额外的核芯控制装置

400 SSM集成发电机可拆卸头部外壳罩

401 SSM集成发电机外骨骼结构

500 燃料热传递套筒

501 载有固体燃料(即，TRISO)组合物A的燃料元件

502 TRISO燃料

503 部分冷却通道导轨

504 燃料热传递矩阵

505 加载燃料热传递套筒

完整的燃料冷却通道导轨

507 UCC内部冷却管

508 仪表、控制、内管

509 UCC室的未密封边缘

600 燃料束

601 燃油束内部冷却通道(冷却液流量)

602 内部SSM冷却通道

603 相当于101防辐射罩

604 外部SSM冷却通道(冷却液流量)

605 临界质量和几何界面

700 载有固体燃料(即，TRISO)组合物B的燃料元件

800 构造为电力的SSM(对齐的燃料几何和质量屈曲)

801 构造为关闭或较低电力的SSM(未对齐的燃料几何和质量屈曲)

900 多个SSM骨骼外结构(安装在ISO容器内)

901 SSM主动和被动对准机构

H1-H4 Holos 1/4 SSMs

1001 SSM外部机械连接器

1002 发电机外壳

1003 压缩机/再循环机电机外壳

1004 通用芯筒密封管头部

1101 电机/再循环机冷却套

1102 发电机冷却套

1103 内部工作流体导管(Brayton循环部分)

1104 芯部冷却工作液(第一流体)

1105 芯部反射器

1106 电机/再循环机HEX

1107 发电机HEX

1108 发电机ORC或SRC HEX

1109 发电机ORC或SRC冷却套

1110 发电机ORC或SRC

1111 ORC或SRC涡轮机

1112 ORC或SRC涡轮排气

1113 过程热HEX控制

1114 过程热HEX壳体侧部

1115 过程热HEX管侧部

1116 储液槽ORC或SRC流体(第二流体)

1117 ORC/SRC泵

1118 ORC/SRC泵吸管

1119 ORC/SRC泵排放导管

1120 至环境空气的散热器(第三流体)和辐射防护罩

1121 发电机ORC/SRC HEX排放管

1122 发电机HEX排放管

1123 高压电源和中间制冷器HEX管

1124 中间制冷器入口高压管

1125 中间制冷器出口高压管

1126 换热器HEX高压管

1127 动力涡轮排放HEX管

1200 机械连接器

1201 改用作屏蔽的电池组

参照图1A，以简化和立体的方式示出了密封式集成发电机100。根据本发明的示例性实施例，密封式集成发电机100包括防辐射罩101，防辐射罩101还提供用于从发电机的内部部件到环境进行散热的热连接。发电机100包括防辐射罩101和两个半球形头部102，所述半球形头部102提供两端防辐射罩的，同时提供将发电机100的内部环境与输送容器103外部的环境分开的压力边界。总的来说，整个发电模块安装在图1B中所示的ISO容器103内部，以便可以通过普通的运输设备进行运输。

因此，在图1B中，示出了可运输的微模块发电机100的立体图，该密封式集成发电机安装在标准运输容器103的内部，其中，标准运输容器103的结构和壁也用作传热机构以从发电机101向环境传递热量。在ISO容器103内部，还示出了与发电机100一起的诸如电池组104之类的辅助部件以及例如经由无线链路执行遥控器105的设备。所述电池组用于支持负载跟随操作、启动操作并且提供从发电机100到运输容器103外部环境的辐射屏蔽。

图2A是形成发电机100的完全密封的亚临界电力模块(SSM)的示意图。由于包括护罩的整个发电机100的重量可能会克服标准提升和运输设备的提升要求，因此该发电机由如图2A所示的集成的完全装配密封亚临界电力模块(SSM)200形成。SSM 200包括集成的电力转换单元(PCU)201、内部控制装置202、通用核芯筒(UCC)203，还代表热转换装置的防辐射罩101、用于远程控制的接入端口105(即，连接至非现场控制站)，以及用于具有负载跟随自调节特性的受限制电力的端口或连接器206。

参考图2B，示出了可运输SSM 200、亚临界模块的中心部分207的立体图。在SSM的这一领域，一系列非接触界面就位，以允许与外核控制机构相互作用，从而在核芯之外运行，并在核芯内表示压力边界。

图2C是SSM的功能示意图，该SSM包括具有其电力部件的PCU和被构造成与不同类型的核燃料一起操作的通用核芯筒(UCC)203。如图中所示，该电力转换单元完全集成在SSM压力边界内，并且在此构型中与两个不同的涡轮机械部件一起运行。压缩机或再循环机210由电动机209进行电驱动，而动力涡轮机211由于工作流体或第一流体膨胀而运转。所述第一流体可以构造成用于冷却UCC 203的气体，然而，可以使用具有与燃料类型相适应热和辐射特性的任何流体以及在SSM 200中操作的热力循环。在动力涡轮机211中膨胀之后，第一流体将其能量含量的一部分转移到热交换器208。将参考图11A提供对由215表示的压力边界内部的PCU 201的热力学功能进行更详细描述。在图2C所示的构型中，与SSM 200集成的PCU部件都在内部SSM压力边界内运行。

图3A示出了连接以形成超临界(可操作)电力系统的三个不同SSM的正视图。在该构型中，如图3B所示，每个SSM 200以相对于彼此可以平移的方式被支撑。以这种方式，任何核系统成为临界，超临界或亚临界必需的“几何和材料屈曲”特性在相邻、平行并形成紧凑或扩展的构型时，可以通过滑动SSM来形成一个紧凑的核芯作为“整体”系统。如果提供SSM运动的机构被卡住或发生故障，则额外的核芯控制系统300可以用于强制亚临界条件，该亚临界条件通过在由多个密封亚临界UCC 203形成的整个核芯的中心部分中呈现固体或液体形式的中子吸收材料来呈现。

图3C是运输容器103内部的发电机100的立体图，其示出了每个SSM 200滑出所需位置的能力，以便执行核芯系统所需的几何和材料屈曲的未对准或对准以产生持续的链式反应(电力)，从而控制裂变反应，而不需要在每个单独SSM中包含的每个部分核芯(UCC203)内插入控制棒。例如，如图3C所示，SSM 200中的一个被完全插入，另一个被部分地插入，并且第三个被定位成亚临界核芯不与该构型中的其它SSM 200的任何亚临界核芯对准。

图4A和图4B提供了3xSSM的立体图，其被构造成当3xSSM中的每个SSM通过可移除发电机的可移除头部壳体穿过外部骨架结构401完全插入到发电机中时，形成整个芯体，其中，外部骨架结构401被构造成提供来进行机械支撑和致动滑动机构以使每个SSM 200滑动，以彼此对准和脱离对准。

图5A示出了示例性核燃料构型。在该图中，六边形的燃料套筒在其周边配备有部分通道，以便提供结构功能，同时容纳各种类型的核燃料，并将核燃料热连接到第一流体冷却剂。参照图5A，燃料套筒500可以如图5B所示成形，其中，501表示燃料元件的一部分，在该示例中，其包括TRISO或其它类型的陶瓷燃料502。当多个套筒并排联接时，它们形成燃料热传递矩阵504，其中，部分冷却通道导轨503的组合形成圆柱形的冷却通道506。随后，第一流体冷却剂可以直接或通过如图5F和图5D所示的由UCC构成的冷却管流过冷却通道506。每个单个燃料热传递套筒500可以装载有核燃料，并且通过管507在UCC内被引导，因为管507形成多个燃料热传递套筒500导轨的模板，以被定位在图5D所示的UCC 203内部。更具体地，在图5D中，UCC 203可以构造成形成通用热交换器，其中，第一流体在内部流到管507而不与燃料热传递套筒500内的核燃料502混合。图5D示出了UCC 203的切口部分，其中，燃料热传递套筒500可以定位成形成大矩阵504，一旦燃料套筒500装载在UCC203内，该单元的头部可以被密封以类似于配备有各种类型热交换器的密封管板的构型。使用类似的方法、仪器，同位素生产和控制管508可以被密封在UCC内，以便提供进入亚临界核芯的各个区域的入口而不与UCC压力边界相互作用。

图6A示出了六角形燃料套筒(图7中以这种构型示出)的集群或矩阵504的俯视图，以示出冷却通道的形成超过专用于燃料冷却并围绕燃料套筒内部的燃料的冷却通道(通过联接图5B中所示的多个部分通道503形成的通道506)(为清楚起见，在该图中为空)。图6B是由几个六角形燃料套筒形成的燃料束600的俯视图，其中，在每个六角形套筒(图5C中示出的通道506)的周围形成有冷却通道，并且在燃料束600的内壁与六边形燃料套筒矩阵504的壁之间子女工程额外的、更大的冷却通道601(为了视觉清晰而去除了内部燃料元件)。

图6C是在这种情况下包含密封在不同构型UCC内的燃料束的6xSSM 200的示例性俯视图，并且这些SSM 200中的每一个集成了它们的独立PCU 201。该图显示，SSM 200的数量是灵活的，主要依赖于尺寸约束、重量限制、允许的浓缩水平(即，满足不扩散要求＜19％)、全有效电力天数(FEPD)以及电力额定值。采用具有SSM 200架构的核发电机可以满足不同的要求和额定电力。

由于SSM 200与通用核芯筒(UCC)203一起操作，并且每个UCC可以加载不同的燃料(“整体”核芯中子学是由每个亚临界密封模块200产生的连接的中子学的结果)，图7A和图7B示出了装载有特定类型易裂变和可裂变材料700的六角形燃料套筒，其被构造成装载在UCC 203内。在图7F和图7D中，六角形燃料套筒装载有不同类型的核燃料502(即，TRISO)，并且这种类型的燃料最终装载有另一个UCC 203。这说明发电机100的整个核芯可以通过基本上不同的同位素裂变和裂变物种形成。例如，考虑如图6c所示的由6xSSM200形成的可移动发电机100，并且假设6个SMM中的1个可以用基于钍的燃料进行着色，在该构型中的另一个SSM可以装载有基于铀的UCC 203，并且另一个装载有钚。换句话说，该SMM架构能够燃烧不同种类的核燃料。

图8A是构造成中心对准并且因此匹配核系统产生电力的几何和材料屈曲要求的6xSSM的俯视图，在该图(顶部)中，整个芯体被表示为几何对称的圆柱形SSM(这种核芯构型

图8B是构造成不对准因此不满足几何和材料屈曲要求的6xSSM的俯视图。在这种情况下，通过定位用200M表示的SSM 200(未对准)形成的几何形状使得整个芯体是不对称的，从而将芯体作为联接的中子系统，以引起亚临界条件，例如将发电机100维持在关机构型中。

图9A示出了本发明的优选实施例的立体图，其中，装配在运输容器103内的外骨骼结构900提供具有主动和被动(重力驱动)装置的结构支撑，以致动SSM相对于彼此的精确运动。在这种构型中，4xSSM形成“整体”核芯，为了视觉清晰起见，仅显示1/4的SSM。在该表示中，外骨骼结构900被构造成提供机械联接，以将SSM 200从运输设备卸载(如果SSM 200被单独运输)，或者，结构900可以容纳形成发电机100的所有4个完全可操作的SSM 200。由结构900提供并且在该图中未示出的机械特征包括联接至用于防护辐射并用于防止敌对或意外环境事件(针对发电机100的射弹)的罩。当SSM 200被装载到外骨骼结构900中时，一系列例如重力和/或液压驱动的被动和主动致动器901，实时地驱动SSM 200的定位并且相对于每个SSM占据外骨骼结构900。图9A中仅示出“Holos”(意为希腊语中的“整体”)模块H1。在这种情况下，整个核芯构型800由位于远离彼此的所有4xSSM表示。这导致电力模块100关闭，因为对应于装配每个模块的UCC 203的内部位置的所有临界表面605彼此远离。在这种构型下，SSM是中性断开联接的。由于每个独立的SSM提供了一个亚临界系统，所以非连接的中子不会产生电力。另一方面，在图9B中，整个核芯构型801示出了致动器901完全伸展，由此提供发电机100的中子连接并引导发电机100产生电力。当这些表示中未示出每个SSM例如被提升并且确保不同UCC 203之间的中子链路/连接被中断时，外部控制装置被同时致动。图10A是完全集成并准备连接到图9A和屠9B所示的外骨骼结构900的单个SSM 200的立体图。在该图中，SSM 200被显示为没有护罩以简化其视觉表示。图10B是示出形成亚临界模块的关键内部部件的SSM200的剖面图。因此，参照图10A和图10B，SSM 200可以通过机械连接器1001机械连接至外骨骼结构900，压缩机/再循环机壳体1003包含电动机定子/转子组件209，并且由第一流体(工作流体)在图11A中描述的Brayton动力循环系统中循环。图10B所示的SSM 200分别配备有低压和高压压缩机涡轮210L和210H、中间冷却器热交换器214、具有冷却管507的UCC 203(由于它们的数量非常大，视觉效果是暗区域——参见图5D，以便更清楚地显示UCC 203内的管507)。在SSM 200的发电侧，动力涡轮机211的一部分与热交换器208和发电机212的一部分一起被示出。主要由IGBT电力模块组成的电力电子设备在此表示中未显示。

图11A是SSM混合动力转换系统的示意图，其组合了直接Brayton电力循环——其中，工作流体(第一流体)在向UCC提供冷却的同时循环——和具有第二种流体(有机或蒸汽)的兰金(蒸汽或有机)电力循环，以提高SSM效率，同时降低在动力循环的Brayton侧使用的热交换器的热负荷。SSM 200不需要ORC或SRC兰金循环来进行操作，这种额外的热力发动机被提供以提高形成Brayton动力循环的热交换器的效率，降低热负荷和尺寸，并且在在临时或永久的储存设施处理SSM时确保冷却(10至15年后)。参照图11A，从示意图的左上方开始，内部工作流体(第一流体)1104流过导管或通道1103。

当压缩机/再循环机电机209对第一流体1104加压时，也加热第一流体1104。中间冷却器热交换器214在高压压缩机级210H处进入第二级压缩之前冷却第一流体。压缩的第一流体1104随后通过管507进入UCC 203，而不与UCC 203内部的燃料和调节剂材料混合。作为UCC 203的第一流体1104出口，其在动力涡轮机211中膨胀，以通过发电机212将热能转换成电能。当第一流体被涡轮机211排出时，它在将热能传递至动力涡轮机排放热交换器208和换热器热交换器204，它流过内部管道1103以将其自身表示到压缩机涡轮机低压级21OL并且重置Brayton循环。包含在热交换器和储水器1116中的第二流体通过泵1117被排放到歧管上，歧管将冷却的第二流体提供给电机/再循环热交换器1106，ORC或SRC发电机110热交换器1108和发电机212热交换器1107在进入中间冷却器热交换器214的管侧、换热器热交换器204和涡轮机排放热交换器208之前，用于最终膨胀到ORC或SRC涡轮机1111中，以产生连接到主SSM 200发生器212的受限的电力。由涡轮机1111排出的第二流体冷凝回储存器和热交换器1116。该热交换器将热能传递给环境流体(即第三流体、空气或水)。热交换器和储存器1116配备有翅片，以在SSM操作期间一起屏蔽中子与伽马。可以启动过程热控制阀1113，以向在热交换器1115的管侧循环的外部流体提供过程热。

图12A是SMM 200的示意图，其被构造成通过借助于所有旋转部件(涡轮机210和211)之间的机械联接器1200的Brayton电力循环提供对第一流体的压缩。图12B是SMM的示意图，其被构造成通过在所有旋转部件之间的机械联接器1200和磁连接来为布雷顿电力循环操作的工作流体提供压缩以将发电机212保持在表征了SSM的内部结构的压力边界1105的外部。

图12C是SMM 200的示意图，其被构造成通过所有旋转部件之间的机械连接为通过Brayton电力循环操作的工作流体提供压缩，其中，发电机212被构造成为SSM压力边界内部操作。在该图中，电池组1201用于负载跟随、启动以及作为有效的防辐射罩。

图12D是被构造成对通过Brayton电力循环操作的工作流体提供压缩的SMM的示意图，旋转部件之间具有电连接，其中，压缩机或再循环机电动机209和发电机212均被构造成在SSM压力边界内部操作。

图13A是本发明的优选实施例的剖视图，其中，单个SSM可以被构造成通过改变加载在UCC内的燃料的材料组成来作为“整体”核芯运行。

图13B是本发明的SSM 200的示意图，其示出了电力转换部件和散热器1120，即使当反应器运行时，散热器1120还提供防辐射罩，因为其形状防止中子行进到形成散热片和屏蔽层的曲折路径外部。

提供了对所公开实施例的前述描述，以使本领域任何技术人员能够制作或使用权利要求。对于本领域技术人员来说，对这些实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离权利要求的范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。因此，本公开不旨在限于本文所述的实施例和应用，而是被赋予与所附权利要求以及本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (17)

1.一种可运输发电模块(100)，包括：

电力转换单元(201)，包括：

热交换器(208，204，214；

涡轮膨胀机(211)；和

压缩机涡轮(210)；和

装载有各种核燃料(700，502)的亚临界核燃料筒(203)

其中，所述亚临界核燃料筒被构造成具有用于与所述电力转换单元(201)集成并且支撑所述燃料盒的装置，以形成密封的集成亚临界电力模块，所述密集的集成式亚临界电力模块可以以中子的方式联接至一个或多个有类似设计的附加的独立集成式亚临界电力模块，以便将受控量的热能转换成电能和过程热。

2.根据权利要求1所述的可运输发电模块，还包括热传递燃料元件(500)，其中，所述热传递燃料元件通过第一流体(1104)和所述电力转换单元热连接至核燃料，并且其中，所述电力转换单元被构造成执行Brayton动力循环，而不将第一流体与形成和调节核燃料的材料混合。

3.根据权利要求2所述的可移动发电模块，其中，所述电力转换单元被构造成使得所述第一流体不与容纳在储存器(1116)中的第二流体混合，并且使得所述电力转换单元执行底部兰金电力循环，以将被Brayton循环拒绝的热能转换成热和电。

4.根据权利要求1所述的可移动发电模块，其中，所述电力转换单元被密封并集成在所述可运输发电模块的压力边界内。

5.根据权利要求1所述的可运输发电模块，其中，所述可移动发电模块被构造成使得所述亚临界燃料筒不需要内核主动控制机构。

6.根据权利要求1所述的可移动发电模块，其中，所述亚临界电力模块包括用于非侵入式插入仪器和同位素生产设备的端口。

7.根据权利要求1所述的可移动发电模块，还包括电池组(1201)，其中，所述电池组相对于所述可移动发电模块被构造和定位，以用作防辐射罩。

8.根据权利要求1所述的可运输发电模块，还包括用于控制裂变反应的内部控制装置。

9.根据权利要求8所述的可运输发电模块，还包括执行用于控制裂变反应的内部控制装置的远程控制(105)的设备。

10.根据权利要求1所述的可移动发电模块，其中，所述密封集成式亚临界电力模块配置有几何接口(605)，使得当两个或更多个所述密封集成式亚临界电力模块被定位成与另一个通道相邻时，形成在密封集成式亚临界电力模块外部，其具有适于接收用于同位素生产的核控制机构(300)或样品保持器中的一者或两者的形状和构造。

11.根据权利要求10所述的可移动发电模块，其中，所述密封集成式亚临界电力模块装载有足够的可裂变材料，使得当两个或更多个密封集成式临界电力模块被彼此相邻定位时形成临界质量的可裂变材料。

12.根据权利要求11所述的可运输发电模块，还包括水平滑动机构(901)，其被构造成使得所述密封集成式亚临界电力模块能够被主动地或被动地定位在两个或更多个密封集成式亚临界电力模块附近。

13.根据权利要求11所述的可移动发电模块，还包括垂直滑动机构(901)，其构造成使得所述密封集成式亚临界电力模块能够被主动地或被动地定位在两个或更多个密封集成式亚临界电力模块附近。

14.根据权利要求11所述的可移动发电模块，还包括垂直和水平滑动机构(901)，其构造成使所述密封集成式亚临界电力模块能够主动地或被动地定位在两个或更多个密封集成式亚临界电力模块附近。

15.一种核燃料芯筒(203)，其被构造成使用包括形成热交换器的冷却剂通道(507)的不同类型的核燃料进行操作，其中，第一流体(1104)能够流过所述通道而不与所述核燃料混合并且提供第一流体冷却核燃料。

16.根据权利要求15所述的核燃料芯筒，还包括能够从所述芯压力边界(215)的外部接近的仪表通道(508)。

17.根据权利要求15所述的核燃料芯筒，还包括能够从所述芯压力边界(215)的外部接近的通道(508)，其中，所述通道被构造成暴露用于生产同位素的选定材料。