CN109192330B - 一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯 - Google Patents
一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于反应堆工程技术领域，公开了一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯。该反应堆堆芯包括径向反射层、堆芯活性区、热管、堆芯筒体、轴向反射层、控制鼓，其中堆芯活性区位于堆芯筒体内，轴向反射层位于堆芯活性区上方；径向反射层为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层及热管位于该径向反射层的空腔内；本发明具有结构简单、运行安全性和可靠性高且具备非能动、非单点失效优点的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于反应堆工程技术领域，具体涉及一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯。
背景技术
双模式空间核反应堆同时具备推进和发电的功能，结合了核热推进反应堆以及空间反应堆电源相对于常规能源的诸多优势。该反应堆非常适用于载人登月、载人火星、空间运输等任务。
美俄等航天大国对双模式反应堆开展了广泛的研究，提出了的双模式反应堆主要为三种类型：一是基于热离子反应堆的双模式反应堆方案。该方案中，热离子燃料元件的中心孔道作为氢气工质的加热通道。在推进模式下，氢气自上而下流经燃料中心孔道，加热后排出，从而产生推力，同时，热离子燃料元件可产生电能；在发电模式下，堆芯热功率相对较低，系统将停止氢气排放，不再产生推力，仅由热离子燃料元件产生电能，废热由钠钾回路带出堆芯；二是基于NERVA核热推进反应堆的双模式反应堆方案。该方案中，堆芯内的复合燃料元件作为推进用燃料元件，堆芯内的支撑元件的冷却回路作为发电回路。在推进模式下，氢气工质自上而下流经复合燃料元件内的加热通道，加热后由喷管排出，从而产生推力，同时，支撑元件的冷却回路将部分堆芯热量导出至堆外的斯特林发电机，从而产生电能；发电模式下，堆芯热功率相对较低，系统将停止氢气排放，不再产生推力，复合燃料元件产生的热量由热传导的方式传递至支撑元件，并由位于支撑元件内的冷却回路导出至堆外的斯特林发电机，从而产生电能。三是一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案。该方案中，堆芯内部布置若干热管，用于导出热量用于发电。在推进模式下，氢气工质自上而下流经燃料元件内的加热通道，加热后由喷管排出，从而产生推力，同时，热管将部分堆芯热量导出至堆外用于发电；发电模式下，堆芯热功率相对较低，系统将停止氢气排放，不再产生推力，燃料元件产生的热量将由热管导出，并在堆外产生电能。
以上三种类型的双模式反应堆方案均存在不足之处。前两种类型的方案均需要在超高温的核热推进反应堆中布置温度低得多的工质回路，并且需要泵、体积补偿器等诸多部件，系统复杂，研制难度高，且不具备非能动、非单点失效等特点。第三种类型的方案采用热管将热量导出堆芯用于发电，结构相对简单，具备非能动、非单点失效等优点、可靠性高。但是，热管也给系统设计带来了新的问题：在推进模式下，热管的运行温度必须远低于燃料的最高温度，以避免热管因过热而损坏。为解决此问题，该方案在热管与燃料之间布置了双层壳体结构用来将两者隔开，在推进模式下，双层壳体之间为真空，用于增大燃料与热管之间的热阻，以保护热管；在发电模式下，双层壳体之间则充满氦气，用于尽可能减小燃料与热管之间的热阻，以增强两者之间的传热性能。这种方法增加了系统的复杂度和研制难度，降低了系统运行时的可靠性。因此，目前急需研发一种具备非能动、非单点失效且结构简单、系统运行稳定的双模式空间核反应堆。
发明内容
(一)发明目的
根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种结构简单、运行安全性和可靠性高且具备非能动、非单点失效优点的双模式空间核反应堆堆芯。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供的技术方案如下：
一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，该反应堆堆芯包括径向反射层、堆芯活性区、热管、堆芯筒体、轴向反射层、控制鼓，其中堆芯活性区位于堆芯筒体内，轴向反射层位于堆芯活性区上方；径向反射层为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层及热管位于该径向反射层的空腔内；
所述径向反射层主体结构的材质为氧化铍，径向反射层内设置有多个均匀分布的控制鼓，其中控制鼓形状为圆柱体形，长度与径向反射层的长度一致且可在径向反射层内旋转，每个控制鼓内沿圆周设置有弧度为120度的吸收体，该吸收体从控制鼓顶端延伸至控制鼓底部，吸收体随控制鼓旋转至所需角度以满足反应堆对推进力和电能的需求；控制鼓内除吸收体外，其余部分材质与径向反射层的主体结构的材质一致，均为氧化铍且氧化铍上设置有贯穿的孔道，该孔道是用于氢气流通的第一流道；
所述堆芯活性区的上方设置有轴向反射层，轴向反射层内设置有氢气流通的孔道，此孔道作为氢气流通的第二流道；轴向反射层与堆芯活性区顶部留有5～10mm的空隙，该空隙用于氢气流通的第三流道；堆芯活性区位于堆芯筒体内部，且堆芯活性区与堆芯筒体间留有供氢气流通的第四流道；
所述堆芯活性区主要包括多个上下叠加放置的圆形燃料平板，燃料类型为钨基金属陶瓷燃料；除最顶部的燃料平板外，其余燃料平板上均设置有中心孔和支撑结构，其中中心孔位于几何中心位置处，支撑结构由多个支撑板构成，每个支撑板的形状为弧形，该多个支撑板沿着中心孔均匀分布，长度为中心孔外周至燃料平板外周的距离；支撑板的设置使得燃料平板之间留有氢气径向流通的第五流道，氢气在径向流通的第五流道内由外向内流动并冷却燃料，并最终进入中心孔流出；
所述轴向反射层为圆盘形结构，材质为氧化铍，其直径与堆芯筒体的内径一致；轴向反射层及每个燃料平板的相对应位置处设置有多个热管导向孔，用于放置热管，热管从轴向反射层上方伸入至堆芯活性区底部；
优选地，所述钨基金属陶瓷燃料的基本成分为钨和二氧化铀的混合体，其外表面设置有钨铼合金涂层。
优选地，所述热管内的工质为锂，热管材质为钨铼合金。
优选地，所述堆芯筒体的材质为钨铼合金。
优选地，所述轴向反射层的高度位于堆芯活性区上方，其在高度方向上高于堆芯径向反射层的高度。
优选地，所述热管的底部伸入至堆芯活性区底部，顶部伸出轴向反射层并与热电转换装置连接。
优选地，所述吸收体的材质为碳化硼。
优选地，燃料平板上的热管导向孔的位置以及数目据热管运行温度、电功率需求确定。
(三)有益效果
采用本发明提供的双模式空间核反应堆堆芯，该反应堆堆芯首次采用多个燃料平板上下叠加构成堆芯活性区，且燃料平板间设置有沿中心孔排列的支撑结构使活性区内留有氢气流通的孔道，使得氢气在堆芯活性区内径向流通而非上下流通，该流通方式使得活性区内燃料平板的温度沿着径向由外向内递增且轴向温度分布较为均匀，同时使得热管的温度控制变得简单，热管可布置于与其运行温度相匹配的燃料区域，避免过热。
传统的热管式反应堆内的双模式反应堆方案，反应堆在由推进模式向发电模式切换时，均需要继续排放氢气一段时间，直至燃料温度降至一定水平方可停止氢气排放，以避免发电系统或热管因过热而损坏，这一方面造成了氢气工质的浪费，降低了系统的整体比冲性能，另一方面也给航天器的控制带来了不必要的麻烦。本申请中，热管布置在热管能够使耐受温度的区域，计算表明，在由推进模式向发电模式切换时，完全可以立刻停止氢气排放，热管所在的燃料区域的温度波动并不大，不会对热管或发电系统造成损害。
附图说明
图1是堆芯轴向截面示意图；
图2是圆形燃料平板示意图；
图3是含有最顶部燃料平板的堆芯活性区整体示意图；
图4是不含有最顶部燃料平板的堆芯活性区整体示意图；
图5是堆芯横截面示意图；
图6是堆芯轴向截面与氢气流道示意图；
图7是堆芯整体示意图；
其中1是燃料平板；2是支撑板；3是中心孔；4是热管导向孔；5是堆芯活性区；6是热管；7是轴向反射层；8是堆芯筒体；9是径向反射层；10是控制鼓；11是吸收体；12是径向反射层内设置的氢气孔道；13是控制鼓内设置的氢气孔道；14是第四流道；15是第五流道；16是第二流道；17是第三流道。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本申请作进一步阐述。
一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，如图1～图7所示。该反应堆包括径向反射层9、堆芯活性区5、热管6、堆芯筒体8、轴向反射层7、控制鼓10，其中堆芯活性区5位于堆芯筒体8内，轴向反射层7位于堆芯活性区5上方；径向反射层9为中空圆柱形结构，堆芯活性区5、轴向反射层7及热管6位于该径向反射层9的空腔内；
所述径向反射层9主体结构的材质为氧化铍，径向反射层9内设置有多个均匀分布的控制鼓10，其中控制鼓10的形状为圆柱体形，长度与径向反射层9的长度一致且可在径向反射层9内旋转，每个控制鼓10内沿圆周设置有弧度为120度的吸收体11，该吸收体11从控制鼓10顶端延伸至控制鼓10的底部，吸收体11随控制鼓10旋转至所需角度以使反应堆达到临界运行的状态；控制鼓10内除吸收体11外，其余部分材质与径向反射层的主体结构的材质一致，均为氧化铍且氧化铍上设置有贯穿的用于氢气流通的第一流道，氢气自下而上从该第一流道流入，用于冷却径向反射层和控制鼓，同时氢气也在此过程中被预热。
所述堆芯活性区5的上方设置有轴向反射层7，轴向反射层7内设置有多个贯穿的孔道，此孔道作为氢气流通的第二流道；轴向反射层7与堆芯活性区5顶部留有5～10mm的空隙，该空隙用于氢气流通的第三流道；堆芯活性区5位于堆芯筒体8内部，且堆芯活性区5与堆芯筒体8之间留有供氢气流通的第四流道；
所述堆芯活性区5主要包括多个上下叠加放置的圆形燃料平板1，燃料平板1的结构示意图如图2所示。燃料类型为钨基金属陶瓷燃料，基本成分为钨和二氧化铀的混合体，其外表面设置有钨铼合金涂层。除最顶部的燃料平板外，其余燃料平板上均设置有中心孔3和支撑结构，其中中心孔3位于几何中心位置处，支撑结构由多个支撑板2构成，每个支撑板2的形状为弧形，该多个支撑板2沿着中心孔3均匀分布，长度为中心孔外周至燃料平板1外周的距离；支撑板2的设置使得燃料平板1之间留有氢气径向流通的第五流道，氢气在径向流通的第五流道内由外向内流动并冷却燃料，并最终进入中心孔3后流出；
所述轴向反射层7为圆盘形结构，材质为氧化铍，其直径与堆芯筒体8的内径一致；轴向反射层7及每个燃料平板1的相对应位置处设置有多个热管导向孔4，用于放置热管6，热管6从轴向反射层7上方伸入至堆芯活性区5底部；
所述热管6内的工质为锂，热管6材质为钨铼合金。所述堆芯筒体的材质为钨铼合金。所述轴向反射层的高度位于堆芯活性区上方，其在高度方向上高于堆芯径向反射层的高度。所述热管的底部伸入至堆芯活性区底部，顶部伸出轴向反射层并与热电转换装置连接。
所述吸收体11的材质为碳化硼。燃料平板1上的热管导向孔4的位置以及数目据热管运行温度、电功率需求确定。
利用本发明提供的双模式反应堆，在推进模式下，氢气工质先自下而上流过径向反射层及控制鼓中的第一流道，用以冷却径向反射层9和控制鼓10，同时对氢气起到预热的作用。之后，氢气工质自上而下依次流经轴向反射层中的第二流道16、堆芯活性区顶部与轴向反射层之间的第三流道17、以及活性区与堆芯筒体之间的第四流道14后进入燃料平板之间的径向氢气流道第五流道，在径向流道中由外向内流动并冷却燃料，之后进入燃料的中心孔3，并最终由堆芯底部经喷管排出，从而产生推力。同时，该模式下，堆芯有部分热功率将由热管6导出，在堆外经斯特林发电或静态温差发电等方式产生电能。
发电模式下，堆芯热功率相对较低，氢气工质将停止排放，堆芯的热量全部由热管6导出，并在堆外由斯特林发电或静态温差发电等方式产生电能。
Claims (8)
1.一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，该反应堆堆芯包括径向反射层、堆芯活性区、热管、堆芯筒体、轴向反射层、控制鼓，其中堆芯活性区位于堆芯筒体内，轴向反射层位于堆芯活性区上方；径向反射层为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层及热管位于该径向反射层的空腔内；
所述径向反射层主体结构的材质为氧化铍，径向反射层内设置有多个均匀分布的控制鼓，其中控制鼓形状为圆柱体形，长度与径向反射层的长度一致且可在径向反射层内旋转，每个控制鼓内沿圆周设置有弧度为120度的吸收体，该吸收体从控制鼓顶端延伸至控制鼓底部，吸收体随控制鼓旋转至所需角度以满足反应堆对推进力和电能的需求；控制鼓内除吸收体外，其余部分材质与径向反射层的主体结构的材质一致，均为氧化铍且氧化铍上设置有贯穿的孔道，该孔道是用于氢气流通的第一流道；
所述堆芯活性区的上方设置有轴向反射层，轴向反射层内设置有氢气流通的孔道，此孔道作为氢气流通的第二流道；轴向反射层与堆芯活性区顶部留有5～10mm的空隙，该空隙用于氢气流通的第三流道；堆芯活性区位于堆芯筒体内部，且堆芯活性区与堆芯筒体间留有供氢气流通的第四流道；
所述堆芯活性区包括多个上下叠加放置的圆形燃料平板，燃料类型为钨基金属陶瓷燃料；除最顶部的燃料平板外，其余燃料平板上均设置有中心孔和支撑结构，其中中心孔位于几何中心位置处，支撑结构由多个支撑板构成，每个支撑板的形状为弧形，该多个支撑板沿着中心孔均匀分布，长度为中心孔外周至燃料平板外周的距离；支撑板的设置使得燃料平板之间留有氢气径向流通的第五流道，氢气在径向流通的第五流道内由外向内流动并冷却燃料，并最终进入中心孔流出；所述轴向反射层为圆盘形结构，材质为氧化铍，其直径与堆芯筒体的内径一致；轴向反射层及每个燃料平板的相对应位置处设置有多个热管导向孔，用于放置热管，热管从轴向反射层上方伸入至堆芯活性区底部。
2.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述钨基金属陶瓷燃料的成分为钨和二氧化铀的混合体，其外表面设置有钨铼合金涂层。
3.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述热管内的工质为锂，热管材质为钨铼合金。
4.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯筒体的材质为钨铼合金。
5.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述轴向反射层位于堆芯活性区上方，其在高度方向上高于堆芯径向反射层的高度。
6.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述热管的底部伸入至堆芯活性区底部，顶部伸出轴向反射层并与热电转换装置连接。
7.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述吸收体的材质为碳化硼。
8.根据权利要求1所述的一种采用径向氢气流道的热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，燃料平板上的热管导向孔的位置以及数目据热管运行温度、电功率需求确定。
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