CN108831576B - 一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆及其控制方法，利用脉冲核反应堆结合磁流体发电机实现裂变能快速转化为电能并直接输出高功率脉冲电流；主动停堆和被动停堆均为非能动设计，实现临界安全特性，降低事故风险；保证整体磁流体发电机和脉冲核反应堆高效安全运行，使脉冲核反应堆更加适用于运用在为磁流体发电机提供高温高压气体工质的核反应堆中，使磁流体发电机能够输出高功率电脉冲。

Description

一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆及其控制方法

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，特别是涉及一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆及其控制方法。

背景技术

开放式核能磁流体发电系统/空间核电源，基于美国和苏联在20世纪60年代研发的核火箭技术(通过核反应堆加热液氢到高温气态，高速向外喷射产生大推力)和磁流体发电技术，形成开放式核能磁流体发电系统。其输出电功率高，稳定功率可达100MWe以上，瞬时功率可达吉瓦量级，核反应堆采用NERVA型核火箭反应堆或UF4气体堆芯核反应堆。2000年以后，深空探测的需求导致了美、俄、日等国提出了新的核能磁流体空间电源概念方案，特点是输出电功率降低(MW～百MW级)，采用非平衡电离磁流体技术以降低工作温度，采用气体堆芯核反应堆或高温气冷堆延长系统寿命，满足长期工作的需要。

常规的核反应堆无法配合磁流体发电机实现脉冲电源的功能，无法持续输出高功率电脉冲；现有的脉冲核反应堆储能密度低、体积大且质量重；堆芯的使用寿命有限，且无法快速恢复到预备状态；并且现有的核反应堆的通常通过外界动力源操控控制棒下落，实现反应堆的主动停堆功能，无法保证临界安全，具有较高的事故风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆及其控制方法，利用脉冲核反应堆结合磁流体发电机实现裂变能快速转化为电能并直接输出高功率脉冲电流；主动停堆和被动停堆均为非能动设计，实现临界安全特性，降低事故风险；保证整体磁流体发电机和脉冲核反应堆高效安全运行，使脉冲核反应堆更加适用于运用在为磁流体发电机提供高温高压气体工质的核反应堆中，使磁流体发电机能够输出高功率电脉冲。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，包括水箱和置于水箱内部的堆芯，在水箱和堆芯之间填充有水；所述堆芯包括镜像对称分布的左区域堆芯和右区域堆芯，在所述左区域堆芯和右区域堆芯的中间间隔设置有辅助连接机构；所述左区域堆芯和右区域堆芯的组成结构相同，均包括脉冲堆；

所述脉冲堆包括容器、固定支撑板、圆柱形堆芯模块和控制棒，所述固定支撑板依次并列设置在容器内，多个所述圆柱形堆芯模块均匀架设于固定支撑板内，每个圆柱形堆芯模块的工质出口端均与磁流体发电机中相对应的发电通道相连接，所述控制棒分布设置在各圆柱形堆芯模块之间。

进一步的是，所述圆柱形堆芯模块包括承压筒、气体喷嘴和核反应单体，所述核反应单体置于承压筒内，所述气体喷嘴设置在承压筒的一端，所述气体喷嘴供工质气体流动；所述核反应单体包括至少一个六边形的燃料组件，在所述燃料组件周围与承压筒之间的区域填充有耐高温材料。

进一步的是，所述燃料组件包括多个薄膜型燃料元件组装构成的蜂巢式结构，在所述燃料元件的首尾两端通过定位结构件固定。六边形燃料组件的外围不采用其它额外结构件进行约束，以保证相邻两个六边形燃料组件界面处的气体通道是完整的。

进一步的是，所述燃料元件为三棱军刺结构，包括3条棱、连接相邻棱的下凹式圆弧面和置于轴心的盲孔；所述盲孔尾端为与外部连通的开口，所述盲孔的首端为置于燃料元件内的封闭结构，在盲孔中灌装有冷却水；每6个燃料元件排列组装后，相邻燃料元件的棱相互支撑定位，由相邻的圆环面形成一个圆形气体通道，气体工质在所述圆形气体通道内流通；在所述棱的表面上间隔设置有平槽且通过平槽连通不同的圆形气体通道。所述圆弧面的圆弧所张圆心角为60°；在所述圆弧面和棱上镀有微米级厚度的高富集铀合金燃料层。

进一步的是，所述定位结构件固定包括首端定位结构件和尾端定位结构件；所述首端定位结构件上设置有与气体通道贯通的气孔，所述尾端定位结构件上设置有与盲孔贯通的水孔。燃料元件只在首尾两端进行固定，安装后保证尾端只有水孔贯通而气体通道封闭，首端则只有气体通道贯通而水孔封闭，各燃料元件之间得到可靠连接定位。

进一步的是，所述控制棒包括脉冲棒和调节补偿棒；

所述脉冲棒，设置在脉冲堆内层，转动速度快，具有最大反应性价值和最小反应性价值两个工作位，用于脉冲核反应堆瞬发超临界状态的实现；

所述调节补偿棒，设置在脉冲堆外围，转动速度慢，在最大反应性价值和最小反应性价值之间连续调节，用于在脉冲爆发之前将脉冲核反应堆调整至近缓发临界状态。控制棒使从最大反应性价值向最小反应性价值工作位的切换是非能动的，并且是在到达最大反应性价值工作位之后立即自动执行，因而具有固有的安全性；保证了脉冲核反应堆的迅速停堆，避免了临界安全事故的发生。

进一步的是，所述脉冲堆包括7个圆柱形堆芯模块，在脉冲堆内层设置6根脉冲棒，在脉冲堆外围设置6根调节补偿棒。

进一步的是，所述辅助连接机构包括工质管道、控制棒驱动机构和支撑柱，所述支撑柱用于将堆芯固定在水箱中并承受左区域堆芯和右区域堆芯在喷射期间的对称的反冲力，所述工质管道连通左区域堆芯、右区域堆芯和外部气体注入管路，所述控制棒驱动机构控制左区域堆芯和右区域堆芯的控制棒的动作。

另一方面，本发明还提供了一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆的控制方法，包括步骤：

在正常运行工况下，通过主动停堆和被动停堆的共同作用促成了脉冲核反应堆的迅速停堆，保证停堆后处于次临界状态，同时也确保了脉冲核反应堆在瞬发超临界脉冲爆发时不会释放出超过设计额定值的能量，因而也就避免了临界安全事故的发生；

在停堆运载工况下，将所有控制棒调节至最小反应性价值工作位，同时将堆芯外围水箱中的起反射层作用的水抽排至储存水箱中，确保堆芯处于深度次临界状态，不存在发生临界安全事故的可能。

进一步的是，所述主动停堆方法，以脉冲棒作为主动停堆的手段；小幅度转动脉冲棒，实现毫秒量级时间内在最大反应性价值和最小反应性价值两个工作位之间的切换；所述脉冲棒从最大反应性价值向最小反应性价值工作位的切换是非能动的，当到达最大反应性价值工作位之后立即自动执行；

所述被动停堆方法：1)薄膜燃料元件升温将导致U-238核共振吸收截面的多普勒展宽效应显著，从而使热中子的吸收增加，引入负反应性反馈，温度升高完成停堆；2)脉冲爆发后，燃料元件中心盲孔里的水被汽化后喷出，使堆芯内对裂变中子的慢化能力减弱，引入强负反应性反馈完成停堆。

采用本技术方案的有益效果：

本系统采用的核反应堆具有非常高的储能密度，具有体积小重量轻特点，适于给特种装备供能；使用寿命长，能够快速恢复到预备状态；单次脉冲输出理论上仅需消耗核材料约18mg，堆芯内装料的剩余反应性可满足5万次的使用，通过原位局部换料还可以再使用5万次；脉冲电能输出后，可在10秒时间内快速恢复到预备状态，能持续输出电脉冲；因而其使用寿命在10万次以上；

通过控制棒实现反应堆主动停堆，并结合核反应堆的被动停堆，被动停堆包括薄膜燃料升温将导致共振吸收截面的多普勒展宽效应显著、和燃料元件中心盲孔里的水被汽化后喷出，提高反应堆的临界安全特性；主动停堆和被动停堆均为非能动设计，实现临界安全特性，降低事故风险；脉冲触发操作简单可靠，器件损坏概率低；多种措施确保脉冲核反应堆在停堆运载时处于深度次临界状态，无临界事故安全风险；实现整体磁流体发电机和脉冲核反应堆的高效安全运行，更加适用于运用在为磁流体发电机提供高温高压气体工质的核反应堆中。

通过堆芯外围水箱充水并调节控制棒使脉冲核反应堆达到近临界状态，即具备随时可用的能力；脉冲触发后堆芯功率按指数规律增长，毫秒时间内迅速达到额定峰值后即停堆，从而形成高功率脉冲，裂变能经磁流体发电机转化后输出相应电脉冲，相应的时间宽度可在毫秒至秒量级调节。

附图说明

图1为本发明的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆的结构示意图；

图2为本发明实施例中脉冲堆的截面图；

图3为本发明实施例中燃料组件的结构示意图；

图4为本发明实施例中燃料元件的结构示意图；

图5为本发明实施例中首端定位结构件的结构示意图；

图6为本发明实施例中尾端定位结构件的结构示意图；

其中，1是水箱，2是左区域堆芯，3是右区域堆芯，4是辅助连接机构，5是容器，6是固定支撑板，7是圆柱形堆芯模块，8是脉冲棒，9是调节补偿棒；71是承压筒，72是气体喷嘴，73是燃料组件；731是燃料元件，732是盲孔，733是圆形气体通道，734是首端定位结构件，735是尾端定位结构件，736是气孔，737是水孔，738是平槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，包括水箱1和置于水箱1内部的堆芯，在水箱1和堆芯之间填充有水；所述堆芯包括镜像对称分布的左区域堆芯2和右区域堆芯3，在所述左区域堆芯2和右区域堆芯3的中间间隔设置有辅助连接机构4；所述左区域堆芯2和右区域堆芯3的组成结构相同，均包括脉冲堆；

所述脉冲堆包括容器5、固定支撑板6、圆柱形堆芯模块7和控制棒，所述固定支撑板6依次并列设置在容器5内，多个所述圆柱形堆芯模块7均匀架设于固定支撑板6内，每个圆柱形堆芯模块7的工质出口端均与磁流体发电机中相对应的发电通道相连接，所述控制棒分布设置在各圆柱形堆芯模块7之间。

作为上述实施例的优化方案，所述圆柱形堆芯模块7包括承压筒71、气体喷嘴72和核反应单体，所述核反应单体置于承压筒71内，所述气体喷嘴72设置在承压筒71的一端，所述气体喷嘴72供工质气体流动；所述核反应单体包括至少一个六边形的燃料组件73，在所述燃料组件73周围与承压筒71之间的区域填充有耐高温材料。

如图3所示，所述燃料组件73包括多个薄膜型燃料元件731组装构成的蜂巢式结构，在所述燃料元件731的首尾两端通过定位结构件固定。六边形燃料组件73的外围不采用其它额外结构件进行约束，以保证相邻两个六边形燃料组件73界面处的气体通道是完整的。

如图4所示，所述燃料元件731为三棱军刺结构，包括3条棱、连接相邻棱的下凹式圆弧面和置于轴心的盲孔732；所述盲孔732尾端为与外部连通的开口，所述盲孔732的首端为置于燃料元件731内的封闭结构，在盲孔732中灌装有冷却水；每6个燃料元件731排列组装后，相邻燃料元件的棱相互支撑定位，由相邻的圆环面形成一个圆形气体通道733，气体工质在所述圆形气体通道733内流通；在所述棱的表面上间隔设置有平槽738且通过平槽738连通不同的圆形气体通道733。

作为上述实施例的优化方案，如图5和图6所示，所述定位结构件固定包括首端定位结构件734和尾端定位结构件735；所述首端定位结构件734上设置有与气体通道贯通的气孔736，所述尾端定位结构件735上设置有与盲孔732贯通的水孔737。燃料元件731只在首尾两端进行固定，安装后保证尾端只有水孔737贯通而气体通道封闭，首端则只有气体通道贯通而水孔737封闭，各燃料元件731之间得到可靠连接定位。

作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述控制棒包括脉冲棒8和调节补偿棒9；

所述脉冲棒8，设置在脉冲堆内层，转动速度快，具有最大反应性价值和最小反应性价值两个工作位，用于脉冲核反应堆瞬发超临界状态的实现；

所述调节补偿棒9，设置在脉冲堆外围，转动速度慢，在最大反应性价值和最小反应性价值之间连续调节，用于在脉冲爆发之前将脉冲核反应堆调整至近缓发临界状态。控制棒使从最大反应性价值向最小反应性价值工作位的切换是非能动的，并且是在到达最大反应性价值工作位之后立即自动执行，因而具有固有的安全性；保证了脉冲核反应堆的迅速停堆，避免了临界安全事故的发生。

优选的实施例是，所述脉冲堆包括7个圆柱形堆芯模块7，在脉冲堆内层设置6根脉冲棒8，在脉冲堆外围设置6根调节补偿棒9。

作为上述实施例的优化方案，所述辅助连接机构4包括工质管道、控制棒驱动机构和支撑柱，所述支撑柱用于将堆芯固定在水箱1中并承受左区域堆芯2和右区域堆芯3在喷射期间的对称的反冲力，所述工质管道连通左区域堆芯2、右区域堆芯3和外部气体注入管路，所述控制棒驱动机构控制左区域堆芯2和右区域堆芯3的控制棒的动作。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆的控制方法，包括步骤：

在正常运行工况下，通过主动停堆和被动停堆的共同作用促成了脉冲核反应堆的迅速停堆，保证停堆后处于次临界状态，同时也确保了脉冲核反应堆在瞬发超临界脉冲爆发时不会释放出超过设计额定值的能量，因而也就避免了临界安全事故的发生；

在停堆运载工况下，将所有控制棒调节至最小反应性价值工作位，同时将堆芯外围水箱1中的起反射层作用的水抽排至储存水箱中，确保堆芯处于深度次临界状态，不存在发生临界安全事故的可能。

其中，所述主动停堆方法，以脉冲棒8作为主动停堆的手段；小幅度转动脉冲棒8，实现毫秒量级时间内在最大反应性价值和最小反应性价值两个工作位之间的切换；所述脉冲棒8从最大反应性价值向最小反应性价值工作位的切换是非能动的，当到达最大反应性价值工作位之后立即自动执行；

所述被动停堆方法：1)薄膜燃料元件731升温将导致U-238核共振吸收截面的多普勒展宽效应显著，从而使热中子的吸收增加，引入负反应性反馈，温度升高完成停堆；2)脉冲爆发后，燃料元件731中心盲孔732里的水被汽化后喷出，使堆芯内对裂变中子的慢化能力减弱，引入强负反应性反馈完成停堆。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，包括水箱(1)和置于水箱(1)内部的堆芯，在水箱(1)和堆芯之间填充有水；所述堆芯包括镜像对称分布的左区域堆芯(2)和右区域堆芯(3)，在所述左区域堆芯(2)和右区域堆芯(3)的中间间隔设置有辅助连接机构(4)；所述左区域堆芯(2)和右区域堆芯(3)的组成结构相同，均包括脉冲堆；

所述脉冲堆包括容器(5)、固定支撑板(6)、圆柱形堆芯模块(7)和控制棒，所述固定支撑板(6)依次并列设置在容器(5)内，多个所述圆柱形堆芯模块(7)均匀架设于固定支撑板(6)内，每个圆柱形堆芯模块(7)的工质出口端均与磁流体发电机中相对应的发电通道相连接，所述控制棒分布设置在各圆柱形堆芯模块(7)之间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述圆柱形堆芯模块(7)包括承压筒(71)、气体喷嘴(72)和核反应单体，所述核反应单体置于承压筒(71)内，所述气体喷嘴(72)设置在承压筒(71)的一端，所述气体喷嘴(72)供工质气体流动；所述核反应单体包括至少一个六边形的燃料组件(73)，在所述燃料组件(73)周围与承压筒(71)之间的区域填充有耐高温材料。

3.根据权利要求2所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述燃料组件(73)包括多个薄膜型燃料元件(731)组装构成的蜂巢式结构，在所述燃料元件(731)的首尾两端通过定位结构件固定。

4.根据权利要求3所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述燃料元件(731)为三棱军刺结构，包括3条棱、连接相邻棱的下凹式圆弧面和置于轴心的盲孔(732)；所述盲孔(732)尾端为与外部连通的开口，所述盲孔(732)的首端为置于燃料元件(731)内的封闭结构，在盲孔(732)中灌装有冷却水；每6个燃料元件(731)排列组装后，相邻燃料元件的棱相互支撑定位，由相邻的圆环面形成一个圆形气体通道(733)，气体工质在所述圆形气体通道(733)内流通；在所述棱的表面上间隔设置有平槽(738)且通过平槽(738)连通不同的圆形气体通道(733)。

5.根据权利要求4所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述定位结构件固定包括首端定位结构件(734)和尾端定位结构件(735)；所述首端定位结构件(734)上设置有与圆形气体通道(733)贯通的气孔(736)，所述尾端定位结构件(735)上设置有与盲孔(732)贯通的水孔(737)。

6.根据权利要求5所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述控制棒包括脉冲棒(8)和调节补偿棒(9)；

所述脉冲棒(8)，设置在脉冲堆内层，转动速度快，具有最大反应性价值和最小反应性价值两个工作位，用于脉冲核反应堆瞬发超临界状态的实现；

所述调节补偿棒(9)，设置在脉冲堆外围，转动速度慢，在最大反应性价值和最小反应性价值之间连续调节，用于在脉冲爆发之前将脉冲核反应堆调整至近缓发临界状态。

7.根据权利要求6所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述脉冲堆包括7个圆柱形堆芯模块(7)，在脉冲堆内层设置6根脉冲棒(8)，在脉冲堆外围设置6根调节补偿棒(9)。

8.根据权利要求1所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆，其特征在于，所述辅助连接机构(4)包括工质管道、控制棒驱动机构和支撑柱，所述支撑柱用于将堆芯固定在水箱(1)中并承受左区域堆芯(2)和右区域堆芯(3)在喷射期间的对称的反冲力，所述工质管道连通左区域堆芯(2)、右区域堆芯(3)和外部气体注入管路，所述控制棒驱动机构控制左区域堆芯(2)和右区域堆芯(3)的控制棒的动作。

9.一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆的控制方法，其特征在于，是一种基于权利要求1-8中任一项 所述的脉冲核反应堆的控制方法，包括步骤：

在正常运行工况下，通过主动停堆和被动停堆的共同作用促成了脉冲核反应堆的迅速停堆，保证停堆后处于次临界状态，同时也确保了脉冲核反应堆在瞬发超临界脉冲爆发时不会释放出超过设计额定值的能量；

在停堆运载工况下，将所有控制棒调节至最小反应性价值工作位，同时将堆芯外围水箱(1)中的起反射层作用的水抽排至储存水箱中，确保堆芯处于深度次临界状态。

10.根据权利要求9所述的一种适用于磁流体发电机的脉冲核反应堆的控制方法，其特征在于，

所述主动停堆方法，以脉冲棒(8)作为主动停堆的手段；小幅度转动脉冲棒(8)，实现毫秒量级时间内在最大反应性价值和最小反应性价值两个工作位之间的切换；所述脉冲棒(8)从最大反应性价值向最小反应性价值工作位的切换是非能动的，当到达最大反应性价值工作位之后立即自动执行；

所述被动停堆方法：1)薄膜燃料元件(731)升温将导致U-238核共振吸收截面的多普勒展宽效应显著，从而使热中子的吸收增加，引入负反应性反馈，温度升高完成停堆；2)脉冲爆发后，燃料元件(731)中心盲孔(732)里的水被汽化后喷出，使堆芯内对裂变中子的慢化能力减弱，引入强负反应性反馈完成停堆。