CN108630334A - 全环境的自然循环微型一体化反应堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全环境自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构件围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁。本发明适用于快堆，也适用于热堆，还适用于同位素热源等其它持久性热源；同时，反应堆结构尺寸及输出功率可调节范围较大。

Description

全环境的自然循环微型一体化反应堆

技术领域

本发明属于空间小型核动力装置技术领域，特别涉及一种全环境的自然循环微型一体化反应堆。

背景技术

作为最可能实现大规模稳定发电的清洁能源，核能是缓解环境与能源需求之间矛盾的重要途径之一。核能应用的关键在于其安全性，随着核电技术的发展，第三代、第四代核电系统普遍具有全功率或部分功率自然循环、非能动余热排出等非能动安全特性。

同时，随着人类空间探索范围的扩大，探索时间的延长，能够持续数年不依赖太阳光提供百千瓦级别的电能供应成为空间探索的重要需求。而我国同位素电源原料储备量较少，空间反应堆更成为月球、火星基地以及远太阳系探测器能源供应的主要选择。

空间反应堆的冷却方式主要包括液态金属冷却、气体冷却、液态金属热管等，其中液体金属热管虽具有较高的安全性能但目前技术尚不成熟；而液态金属冷却、气体冷却方式虽与地面核电系统类似，但目前核电系统冷却剂自然循环均依赖重力及冷却剂密度差，在空间环境无法保障自然循环能力，因此只能使用泵或风机驱动冷却工质，存在泵或风机失效冷却能力丧失导致堆芯熔融的风险。

空间反应堆的能量转换方式主要包括热电偶及热离子、斯特林循环、闭式布雷顿循环等，其中热电偶转换是目前应用最多的转换方式。但热电偶转换器件抗辐照能力较差，且能量转换效率较低——要达到较高的转换效率必须具有极高的热端温度，因此目前欧美及我国也在大力推进斯特林循环、闭式布雷顿循环等能量转换方式的研究；后者具有很高的能量转换效率，但作为能量转换单元，相比热电偶，单位转化功率的设备质量较大，机械结构较复杂，运动部件较多，尤其是闭式布雷顿循环。

本发明解决了核反应堆冷却剂自然循环必须依赖重力的问题，实现了无重力作用下反应堆堆芯冷却的非能动安全；同时解决了空间反应堆外带热机能量转换系统质量偏大，机械结构复杂而脆弱的问题，实现了高度集成的一体化反应堆结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种全环境的自然循环微型一体化反应堆，使用核电厂成熟的冷却方式实现空间条件下的自然循环能力，同时采用较为简化、集成的能量转换结构实现较低热端温度下较高的转换效率。

全环境的自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构建围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁；

下部筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部具有堆芯并且容纳有不断膨胀和压缩的冷却剂的区域，堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向上流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；

堆内构件围筒内的堆芯上方设有上、下两个活塞，下部为配气活塞，上部为动力活塞；配气活塞上端设有连杆，连杆穿过动力活塞中心直至压力容器上部筒体并与弹性结构相连；动力活塞上段与弹性结构相连的同时与直线电机动线圈相连；配气活塞与堆芯之间构成膨胀腔，配气活塞与动力活塞之前构成压缩腔。

其中，压力容器上部筒体内部设置有直线电机，电机静线圈固定在压力容器上部筒体上；电机动线圈与动力活塞上端相连，随动力活塞一同运动。

其中，弹性结构可以为板簧、气弹簧等；

其中，堆芯为由细长圆柱形的燃料元件排布的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒底部的堆芯支承板上。

进一步地，堆芯外围设有一层钼-铼合金薄层；堆芯区域为反应堆热端。

其中，压力容器下部筒体外侧的堆芯活性区高度范围设有带转鼓结构的反射层；转鼓一侧设有碳化硼吸收体，通过电机控制转鼓转动来调节反射层的中子吸收，进而控制堆芯反应性。

进一步地，当电机失电时，碳化硼吸收体将自动转向反应堆堆芯一侧，从而实现停堆；转鼓同时能够部分滑移出堆芯活性段，当反应堆超压或者超温时，将使转鼓固定的气室失压，转鼓在弹簧力作用下部分滑移出堆芯活性段，从而实现停堆。

其中，压力容器下部筒体，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管，热管接触的压力容器区域成为反应堆冷端；与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放。

进一步地，压力容器下部筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽。

其中，下部筒体与底封头焊接连接，上部筒体与下部筒体中上部的法兰焊接连接，压力容器顶盖与上部筒体的上部法兰通过主螺栓连接，密封面设两道密封环。

本发明的有益效果为：

（1）不依赖重力的全功率自然循环系统，能够在空间、月面、火星、水下等各种环境下，以及倾斜、摇摆等各种姿态下均具有非能动安全性能；

（2）自然循环动力不来自冷却剂密度差，能够在较高的功率密度，和较低的冷却剂流道高度下，实现全功率自然循环；

（3）采用高度集成的模块式结构，将反应堆芯、能量转换结构、发电机、循环介质全部布置在一个压力容器内；只使用电气贯穿件输出电能，没有冷却剂接管故不存在冷却剂丧失事故，具有较高的安全性能；

（4）全堆外功率控制，没有穿透压力容器的结构，提高压力边界安全性；

（5）采用双重非能动安全设计的功率控制系统，两套停堆系统相互独立，在失电、超压、超温等状态下均能实现非能动停堆，具有较高的非能动安全性能；

（6）非能动余热排出功能，停堆后不需任何外界干预可完全排出余热；

（7）具有较强的负温度反应性；

（8）能量转换过程能够自动通过运动幅度的变化跟随堆芯功率变化，实现输出功率的自动调节；

（9）反应堆结构简单，没有机械结构复杂的控制棒驱动等部件，没有多重冷却剂回路，具有更高的换能效率及可靠性；

（10）没有冷却剂管路的一体化结构，具有优秀的抗冲击性能；

（11）直接输出电能的模块式结构，适合大批量生产、装配，可通过改变模块数量适应不同功率的需要；

（12）反应堆基本结构适用范围广，既适用于快堆，也适用于热堆，还适用于同位素热源等其它持久性热源；同时，反应堆结构尺寸及输出功率可调节范围较大。

附图说明

图 1为本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆的整体结构示意图；

图2为本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器的结构示意图；

图3为本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器内部的结构示意图；

图4为本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器外部的结构示意图；

其中，1为压力容器；2为堆内构件围筒；3为堆芯；4为配气活塞；5为动力活塞；6为直线电机动线圈；7为直线电机静线圈；8为转鼓反射层；9为热管；10为侧屏蔽；11为底屏蔽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但需要说明的是，这些具体实施方式仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参见图1，图1显示了本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆的整体结构示意图；其中，本发明的反应堆的具体结构包括：压力容器1、堆内构件围筒2、堆芯3、配气活塞4、动力活塞5、直线电机（含动线圈6、静线圈7）、转鼓反射层8、热管9、屏蔽结构等，屏蔽结构包括支撑压力容器底部的底屏蔽11和设置在压力容器下部筒体外侧的侧屏蔽10。其中，用于将裂变热转为电能、组织冷却剂流道并形成自然循环能力的堆内构件套筒2、堆芯3、配气活塞4、动力活塞5、直线电机均布置在压力容器内；用于废热排放、反应性控制和屏蔽功能的转鼓反射层8、热管9、屏蔽结构等均布置在压力容器外。具体而言，参见图2，图2显示了本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器的结构示意图，其中的反应堆压力容器1由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁；其中下部围筒与底封头焊接连接，上部围筒与下部围筒中上部的法兰焊接连接，压力容器顶盖与上部围筒上部法兰通过主螺栓连接，密封面设2道密封环。

下部筒体内设有堆内构件围筒2，将压力容器1下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒2的底部具有堆芯3并且容纳有不断膨胀和压缩的冷却剂的区域，堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向上流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；堆内构件围筒2上端座在压力容器下部围筒的上端设置的凸台上，通过螺栓紧固；围筒下端受压力容器下部围筒底部凸台的径向限位，轴向可自由膨胀。

参见图3，图3显示了本发明的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器内部的结构示意图，压力容器1内部除了堆内构件围筒2外，还设置有堆芯3，配气活塞4和动力活塞5，堆芯结构外部为薄壁的堆芯筒体，筒体连接若干层燃料元件格板（图中为三层）；格板除对燃料元件径向限位外，还留有冷却剂通道；堆芯结构在下层格板通过螺栓固定在堆内构件的堆芯支承板上（图中未画出紧固结构）。

在具体实施方式中，配气活塞4在堆内构件围筒2内运动；活塞上部设有配气连杆，穿过动力活塞5，在压力容器密封面高度附近连接配气板簧；配气板簧两端通过螺栓固定在压力容器上部围筒法兰附近。

动力活塞5也在堆内构件围筒2内运动；活塞上部设有动力连杆，连杆内部中空让配气连杆穿过，上部同时与动力板簧以及直线电机动线圈相连；动力板簧两端通过螺栓固定在压力容器下部围筒顶端。

直线电机共设有两圈静线圈6和一圈动线圈7。多股外圈静线圈组成近似围筒的形状，座在压力容器上部围筒内壁的凸台上；内圈静线圈外侧支承在外圈静线圈上，内侧支承通过螺栓固定在压力容器下部围筒的顶端；动线圈与动力活塞连接，随动力活塞运动。

进一步地，压力容器外布置有转鼓反射层、热管、侧屏蔽和底屏蔽结构，见附图4所示。

转鼓反射层由若干个转鼓围成一圈排布在压力容器下部围筒外；其主体结构以及周向一侧外层结构为中子反射材料，另一侧外层结构为中子吸收材料，通过旋转转鼓调节堆芯的反应性；转鼓下部旋转轴插入底屏蔽结构，上部连接旋转电机；旋转电机插入转鼓气缸内，连接在侧屏蔽结构顶部。

热管在反应堆附近弯折成近似L型；下部直段紧贴压力容器下部围筒的中部，上部弯折段从压力容器上部围筒及转鼓气缸之间的空间伸出，连接至散热结构；大量（图中为60根）热管排布在压力容器围筒周围。

上述结构以外的部分，为侧屏蔽结构及底屏蔽结构。

以下给出具体的实施例1，以便更加详尽地说明本发明的结构。

实施例1

（1）反应堆主体为近圆柱形的压力容器，压力容器下段外径400mm，高度634mm，上段直径600mm，高度550mm，压力容器筒体壁厚30mm，主螺栓标称直径10mm，数量40；反应堆芯、能量转换结构、发电机、循环介质全部布置在压力容器内；用于控制堆芯反应性的带有转鼓的反射层结构布置在压力容器以外。

（2）压力容器下段筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒外径320mm，高度670mm，壁厚10mm，围筒底部为厚度20mm的堆芯支承板。

（3）由直径14mm，长度250mm的氧化铀燃料元件排布为直径250mm，高度250mm的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒底部的堆芯支承板上，燃料富集度60%；堆芯外围设有一层2mm厚的钼-铼合金薄层；堆芯区域为反应堆热端。

（4）堆内构件围筒内部，堆芯结构上方设有上、下两个活塞，下部为配气活塞，活塞截面直径300mm，最大振幅100mm，上部为动力活塞，活塞截面直径300mm，最大振幅50mm；配气活塞上端设有连杆穿过动力活塞中心直至压力容器上段与配气板簧相连，连杆直径50mm；动力活塞上段与动力板簧相连的同时，与直线电机动线圈相连。

（5）压力容器上段内部设置有直线电机；电机静线圈固定在压力容器筒体上；电机动线圈与动力活塞上端相连，随动力活塞一同运动。

（6）压力容器下段外侧，堆芯活性区高度范围设有带转鼓结构的氧化铍反射层，反射层厚度80mm，高度300mm；转鼓直径60mm，圆周一侧设有5mm厚度碳化硼吸收体，通过电机控制转鼓转动来调节反射层的中子吸收，进而控制堆芯反应性，当电机失电时，吸收体将自动转向反应堆堆芯一侧，从而实现停堆；转鼓同时能够滑移出堆芯活性段80mm，当反应堆超压至20MPa以上或者超温致使热管热端温度超过250℃时，将使转鼓固定的气室失压，转鼓在弹簧力作用下部分滑移出堆芯活性段，从而实现停堆。

（7）在压力容器下段，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管，热管直径20mm，数量60根，每根与压力容器侧壁接触长度200mm，热管接触的压力容器区域成为反应堆冷端；与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放，辐射器表面积200m2。

该实施例的运行参数如下：

（1）额定电功率200kw，操作频率30Hz；

（2）膨胀腔温度800℃，压缩腔温度250℃，回热腔温度为525℃；

（3）平均工作压力10.6MPa，最大工作压力17.6MPa，设计压力20MPa；

（4）热管高温端温度150℃，低温端温度130℃。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.全环境的自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构建围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁；

下部筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部具有堆芯并且容纳有不断膨胀和压缩的冷却剂的区域，堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向上流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；

堆内构件围筒内的堆芯上方设有上、下两个活塞，下部为配气活塞，上部为动力活塞；配气活塞上端设有连杆，连杆穿过动力活塞中心直至压力容器上部筒体并与弹性结构相连；动力活塞上段与弹性结构相连的同时与直线电机动线圈相连；配气活塞与堆芯之间构成膨胀腔，配气活塞与动力活塞之前构成压缩腔。

2.如权利要求1所述的反应堆，其中，压力容器上部筒体内部设置有直线电机，电机静线圈固定在压力容器上部筒体上；电机动线圈与动力活塞上端相连，随动力活塞一同运动。

3.如权利要求1所述的反应堆，其中，弹性结构为板簧或气弹簧。

4.如权利要求1所述的反应堆，其中，堆芯为由细长圆柱形的燃料元件排布的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒底部的堆芯支承板上。

5.如权利要求1所述的反应堆，其中，堆芯外围设有一层钼-铼合金薄层；堆芯区域为反应堆热端。

6.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，其中，压力容器下部筒体外侧的堆芯活性区高度范围设有带转鼓结构的反射层；转鼓一侧设有碳化硼吸收体，通过电机控制转鼓转动来调节反射层的中子吸收，进而控制堆芯反应性。

7.如权利要求6所述的反应堆，其中，当电机失电时，碳化硼吸收体将自动转向反应堆堆芯一侧，从而实现停堆；转鼓同时能够部分滑移出堆芯活性段，当反应堆超压或者超温时，将使转鼓固定的气室失压，转鼓在弹簧力作用下部分滑移出堆芯活性段，从而实现停堆。

8.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，其中，压力容器下部筒体，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管，热管接触的压力容器区域成为反应堆冷端；与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放。

9.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，其中，压力容器下部筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽。

10.如权利要求1所述的反应堆，其中，下部筒体与底封头焊接连接，上部筒体与下部筒体中上部的法兰焊接连接，压力容器顶盖与上部筒体的上部法兰通过主螺栓连接，密封面设两道密封环。