CN109119174B - 一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统 - Google Patents

一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，包括热管、设置在屏蔽体内侧的反应堆、布置在屏蔽体外侧的控制鼓驱动机构、换热器和安全棒驱动机构；所述热管一端伸入反应堆的热管孔道，另一端穿过所述屏蔽体插入所述换热器；所述换热器外表设置有温差发电元件；所述控制鼓驱动机构和安全棒驱动机构分别与所述反应堆的控制鼓和安全棒驱动连接。本发明的有益效果如下：该方案充分结合了铀氢锆燃料和热管冷却方式的安全性优点，保证在无人监控条件下长期运行的安全性；该方案充分简化系统结构，提高环境适应性和部署灵活性，可以很好地满足各类海洋活动对于十千瓦及以下量级能源的需求。

Description

一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆 电源系统
技术领域
本发明属于核电领域，具体涉及一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统。
背景技术
随着海洋战略地位和经济价值的日益凸显，偏远海岛守备、海洋水声监听、海底矿产开发、水文环境监测等军事和民事海洋活动对能源系统提出了越来越高的要求。目前各类海洋活动主要采用的能源装置是内燃机和化学电池，二者都存在一定的固有缺陷：内燃机需要外部持续供给大量化石燃料，且运行时需消耗空气(氧气)；化学电池能量密度不高，续航寿命短，需要反复充电，在低温环境下性能衰减明显。随着任务需求和装备性能的提升，内燃机和化学电池越来越难以满足海洋活动的能源需求，甚至已构成主要的发展瓶颈，迫切需要新型能源装置加以取代。
一类可用于海洋活动的新型能源装置是放射性同位素电源，该装置可将放射性同位素衰变释放的热量转换为电能供海洋活动使用。文献“Radioisotope ThermoelectricGenerators of the U.S.Navy”指出美国海军在20世纪70年代就已装备了一系列放射性同位素电池，这些装置以放射性同位素钚-238或锶-90为热源，采用半导体温差发电元件将放射性同位素的衰变热转换为电能，输出电功率10-30W，设计运行寿命10-15年，主要用于为海洋水声定位系统、水文环境监测系统和北极地区的次声监测站供电。除放射性同位素电池以外，美国的H.K.McCluer等在文献“Radioisotope Fueled Multi-kilowatt EnergySources for Underwater Applications”中还提出了一种放射性同位素热源与朗肯循环发电相结合的水下电源系统方案，该系统可以使用钚-238、锶-90或钴-60等多种放射性同位素，放射性衰变的热量由水回路导出，经热交换器传递至导热姆A朗肯循环回路实现发电；系统输出电功率可达5-10kW，设计运行寿命15年以上。
另一类可用于海洋活动的新型能源装置是回路冷却式核反应堆电源，该装置可将核反应堆燃料裂变释放的能量转换为电能供海洋活动使用。日本的A.Otsubo在文献“Deep-sea Fast Reactors Demanded for Oceanography”中提出了一种基于液态金属冷却快中子反应堆和布雷顿循环发电的深海核反应堆电源系统方案DSFR，该系统中快堆的裂变热由钠-钾回路或铅-铋回路导出，经热交换器传递至氦-氙混合气体布雷顿循环回路实现发电；该方案采取系列化设计，按输出电功率高低分为40kW级、200kW级和500kW级三个子型号，设计运行寿命可达15-20年以上。
以上两种新型能源装置仍存在一定不足之处：放射性同位素电源的制造受到钚-238、锶-90等少数几种放射性同位素产量的严重制约，使用成本极高，难以大规模推广应用；回路冷却式的核反应堆电源系统复杂，需主泵能动冷却，无法从根本上杜绝失流事故(LOFA)和冷却剂丧失事故(LOCA)，需要专设安全装置保障系统安全。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，能够满足十千瓦及以下量级能源需求。
本发明的技术方案如下：
一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，包括热管、设置在屏蔽体内侧的反应堆、布置在屏蔽体外侧的控制鼓驱动机构、换热器和安全棒驱动机构；所述热管一端伸入反应堆的热管孔道，另一端穿过所述屏蔽体插入所述换热器；所述换热器外表设置有温差发电元件；所述控制鼓驱动机构和安全棒驱动机构分别与所述反应堆的控制鼓和安全棒驱动连接。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述换热器包括上换热器和下换热器。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述反应堆包括活性区基体和设置于所述活性区基体外侧的径向反射层；所述活性区基体设置有燃料元件、热管孔道和安全棒孔道；所述径向反射层设置有控制鼓。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，每根所述燃料元件均与至少两根热管孔道相邻。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述燃料元件和所述热管孔道按照三角形栅格排列。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述温差发电元件为方钴矿化合物。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述径向反射层材料为氧化铍。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述活性区基体的材料为石墨。
进一步地，上述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，所述热管为液态金属热管。
本发明的有益效果如下：
该方案采用反应性负温度效应极强的铀氢锆材料作为燃料，采用非能动传热的液态金属热管导出堆芯热量，充分结合了铀氢锆燃料和热管冷却方式的安全性优点，可以保证在无人监控条件下长期运行的安全性；该方案采用方钴矿化合物等高效温差发电元件实现静态热电转换，充分简化系统结构，提高环境适应性和部署灵活性，可以很好地满足各类海洋活动对于十千瓦及以下量级能源的需求。
附图说明
图1为本发明一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统的结构示意图。
图2为本发明的反应堆的结构示意图。
图3为本发明的反应堆的截面结构示意图。
上述附图中，1、安全棒；2、热管孔道；3、燃料元件；4、安全棒孔道；5、活性区基体；6、控制鼓；7、径向反射层；8、反应堆；9、屏蔽体；10、控制鼓驱动机构；11、热管；12、下换热器；13、温差发电元件；14、上换热器；15、安全棒驱动机构；16、控制鼓鼓体；17、控制鼓吸收体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，包括热管11、设置在屏蔽体9内侧的反应堆8、布置在屏蔽体外侧的控制鼓驱动机构10、换热器和安全棒驱动机构15；所述热管一端伸入反应堆8的热管孔道2，另一端穿过所述屏蔽体9插入所述换热器；所述换热器外表设置有温差发电元件13；所述控制鼓驱动机构10和安全棒驱动机构15分别与所述反应堆8的控制鼓6和安全棒1驱动连接。本实施例中，所述控制鼓6的结构包括控制鼓鼓体16和控制鼓吸收体17。所述换热器包括上换热器14和下换热器12。所述温差发电元件13为方钴矿化合物。所述热管11为液态金属热管。热管11穿过屏蔽体9(本实施例中的屏蔽体9为上端屏蔽体)之后插入下换热器12和上换热器14，二者外表面贴敷方钴矿化合物等高效温差发电元件13，即热管11导出的堆芯裂变热通过下换热器12和上换热器14传递至温差发电元件13实现热电转换，最终废热可通过海水对流(水下应用)或空气对流(陆上应用)排放。反应堆8在径向上的核辐射可以通过将反应堆8部署在地坑内的方式利用土壤实现屏蔽，也可以考虑布置与上端屏蔽体相似的屏蔽体。控制鼓驱动机构10和安全棒驱动机构15均布置在屏蔽体9外侧，避免反应堆8的核辐射对其运行造成影响。
工作时，燃料元件3内核材料裂变产生热能通过活性区基体5的固体热传导进入热管11，使热管11内液态工质蒸发为气态。热管11内气态工质在管芯毛细压头的作用下向上运动，穿过上端屏蔽体9所对应的热管绝热段，到达下换热器12和上换热器14所对应的热管冷凝段，并在此处冷凝为液态，同时将热量传递给下换热器12和上换热器14。下换热器12和上换热器14再通过自身热传导及接触传热将热量传递给贴敷在其外表面上的温差发电元件13，从而实现热电转换。由于系统整体热功率水平较低，因此热电转换的废热可以直接通过空气或海水自然循环排放，从而实现全系统非能动传热与热排放，大幅简化系统结构。
本发明主要针对十千瓦及以下量级能量需求，对于更高功率能量需求可以采取模块化方式同时部署多机供电，采取此种方式时各单机之间应保持适当距离，以避免互相影响散热。
如图2和图3所示，所述反应堆8包括活性区基体5和设置于所述活性区基体5外侧的径向反射层7；所述活性区基体5设置有燃料元件3、热管孔道2和安全棒孔道4；所述径向反射层7设置有控制鼓6。所述热管孔道2中插入液态金属(汞、钠或钾)热管，燃料元件3中燃料材料为铀氢锆。所述燃料元件3和所述热管孔道2按照三角形栅格排列，每根所述燃料元件3均与至少两根热管孔道2相邻。这样在其中一根热管11失效时，该燃料元件3的裂变热仍可由另一根热管11卸出。所述径向反射层材料为氧化铍。该反应堆8的反应性由活性区中央的安全棒1和径向反射层7中的控制鼓6共同控制，二者控制机构独立、控制价值冗余，单独投入其中任意一种控制手段都可使反应堆8停堆；安全棒1主要用于制造运输环节及紧急事故工况下使反应堆8达到并保持足够安全的次临界水平，控制鼓6主要用于运行功率调节及正常启停堆。堆芯设计燃耗寿期足够满足8～10年以上满功率运行要求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，其特征在于：包括热管(11)、设置在屏蔽体(9)内侧的反应堆(8)、布置在屏蔽体(9)外侧的控制鼓驱动机构(10)、换热器和安全棒驱动机构(15)；所述热管(11)为竖直的液态金属热管，其一端伸入反应堆(8)的热管孔道(2)，另一端穿过所述屏蔽体(9)插入所述换热器；所述换热器包括上换热器(14)和下换热器(12)，所述热管(11)依次插入所述下换热器(12)及所述上换热器(14)，所述换热器外表设置有温差发电元件(13)；所述控制鼓驱动机构(10)和安全棒驱动机构(15)分别与所述反应堆(8)的控制鼓(6)和安全棒驱动连接；
所述反应堆(8)包括活性区基体(5)和设置于所述活性区基体(5)外侧的径向反射层(7)；所述活性区基体(5)设置有燃料元件(3)、热管孔道(2)和安全棒孔道(4)；所述径向反射层(7)设置有控制鼓(6)，所述安全棒孔道(4)位于所述活性区基体(5)的中间位置。
2.如权利要求1所述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，其特征在于：每根所述燃料元件(3)均与至少两根热管孔道(2)相邻。
3.如权利要求2所述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，其特征在于：所述燃料元件(3)和所述热管孔道(2)按照三角形栅格排列。
4.如权利要求1-3任一所述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，其特征在于：所述温差发电元件(13)为方钴矿化合物。
5.如权利要求1-3任一所述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，其特征在于：所述径向反射层(7)材料为氧化铍。
6.如权利要求1-3任一所述的基于铀氢锆燃料和静态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，其特征在于：所述活性区基体(5)的材料为石墨。
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