CN109859859B - 一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯 - Google Patents

一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，堆芯形状正方形，从其中心向外依次为中子源区、燃料区、第一反射区、屏蔽区，从上到下依次为发电热端区、屏蔽区、第二反射区、燃料区、气室、第三反射区、屏蔽区。燃料区采用金属钨，填充燃料栅元外围原冷却剂区域，燃料栅元为棒状，按正方形栅格排列；反应堆堆芯释放能量通过金属钨以热传导方式传递到发电热端区，再经热电转换发电。控制鼓区包含8根圆柱形控制鼓，鼓内反射材料、中子吸收材料对半分布，旋转实现启停堆和稳态运行功能；本发明导热效率高，无对流换热方式，燃料区采用整体模块式结构，结构简单、紧凑，堆芯体积超小、装料量少、安全且可发电。

Description

一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆 堆芯
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯。
背景技术
在空间任务中，化学能、太阳能等常规能源已不能满足现有需求，空间核反应堆电源是必然的选择。相较常规化学能源而言，由于具备更卓越的性能优势，核能可作为核反应堆电源供电方案应用于深空探测、星表基地、地球轨道应用等多种军民用航天任务中。美国和苏联两个超级大国早在20世纪60年代就已将核能成功应用于太空。1965年4月，美国成功发射了世界上第一个空间核反应堆电源SNAP-10A。迄今为止，美国和苏联成功发射了35个装备有空间核反应堆电源的航天器。
空间核反应堆电源技术是典型的军民两用尖端技术，其研发与应用将对国家国防技术、深空科学探索、拓展人类生存空间和开发宇宙资源等产生重大影响。进入21世纪后，以空间核反应堆电源为代表的空间核动力技术是国内外研究的热点，美俄相继推出并稳步推进空间核反应堆电源研发计划，我国在未来的深空探测任务中也将应用空间核动力。
空间核反应堆电源具有功率密度高、重量轻、体积小、寿命长、受外界环境影响小等优点，是未来深空探测不可或缺的电源。按照堆芯冷却方式，空间核反应堆主要可分为三大类：热管冷却反应堆、液态金属冷却反应堆和气体冷却反应堆。其中，热管冷却反应堆采用非能动传热技术，是目前空间反应堆研制的热点。作为高硬度、高熔点金属，钨具有良好的力学、电学和化学性能，热导率高，可以作为高效热传导材料。目前所设计的空间反应堆未见以钨导热方式的空间反应堆，且所提出的冷却方式主要采用对流换热。
本发明所提出的一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯（超小型反应堆概念由美国国防委员会特别工作小组提出，指输出功率低于10兆瓦的反应堆）未见文献报道。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，该堆芯热导率高，即高于160W/m.K (300K)，无对流换热方式，无冷却剂，燃料区采用整体模块式结构，结构简单、紧凑，堆芯体积超小、装料量少、安全且可发电。
本发明采用下述技术方案：一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，其特征在于：所述反应堆堆芯基于金属钨作为导热材料设计，反应堆堆芯释放能量通过金属钨以热传导方式传递到发电热端区，再经热电转换发电。该反应堆堆芯导热效率高，无对流换热方式，燃料区采用整体模块式结构，结构简单、紧凑，堆芯体积超小、装料量少、安全且可发电。
所述堆芯形状正方形，从堆芯向外依次为中子源区1、燃料区2、第一反射区3、屏蔽区5，从上到下依次为发电热端区6、屏蔽区5、第二反射区7、燃料区2、气室8、第三反射区9、屏蔽区5；所述第一反射区3包含控制鼓区4。
所述燃料区2采用整体模块式结构，导热材料选用高熔点高于即3400℃、高热导率高于160W/m.K (300K)的金属钨，填充燃料栅元外围原冷却剂区域，燃料栅元为棒状，按正方形栅格排列，反应堆堆芯燃料采用UN燃料。所述燃料棒栅元15按径向成25×25正方形排列。
所述控制鼓区4包含8根圆柱形控制鼓10，控制鼓内反射材料、中子吸收材料对半分布，控制鼓旋转实现启停堆和稳态运行功能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）堆芯释放能量经钨金属通过热传导方式传递到发电热端区，钨金属导热系数高，热传导能力强，有利于热电转换。
（2）堆芯燃料区的导热区与发电热端区采用整体模块结构，易制造，材料用高熔点、高热导率、高强度的金属钨，结构坚固、稳定，对堆芯安全有利。
堆芯采用热传导方式传递热量，不采用通用对流传热方式，无冷却剂，可以减轻反应堆质量，堆芯结构可以更简单、紧凑，且不存在失冷事故，对堆芯安全有利。
附图说明
图1是本发明的横向布置图；
图2是本发明的纵向布置图；
图3是燃料棒栅元的横向布置图；
图4是燃料棒栅元的纵向布置图；
图5是中子源栅元的横向布置图；
图6是中子源栅元的纵向布置图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步解释。
如图1、2所示，本发明一种基于钨导热的无冷却剂的超小紧凑型空间反应堆堆芯，堆芯形状正方形，从其中心向外依次为中子源区1、燃料区2、第一反射区3（包含控制鼓区4）、屏蔽区5，从上到下依次为发电热端区6、屏蔽区5、第二反射区7、燃料区2、气室8、第三反射区9、屏蔽区5。堆芯总高度61cm（包含10cm高发电热端区6），边长41cm，其中活性区边长25cm，轴向高度30cm。
如图2所示，中子源1贯穿整个堆芯，从燃料区2向上端分布依次为第二反射区7、屏蔽区5、发电热端区6，向下端分布依次为气室8、第三反射区9、屏蔽区5。
如图2、5、6所示，中子源区1位于堆芯中心位置，提供反应堆点火功能，包括中子源本体11、垫块12和包壳14三部分，本体、垫块与包壳间存在间隙13。中子源本体11材料采用Am-Be，其半衰期458年，质量密度3.3g/cm3，形状圆柱形，半径0.39cm，高度1.7cm，位于堆芯中心；中子源本体11轴向上、下为垫块区12，材料采用Al2O3，形状圆柱形，质量密度3.97g/cm3，半径0.39cm，总高度48.3cm；中子源本体和Al2O3外围为间隙13，真空，内径0.78cm，外径0.8657cm，高度50cm；包壳14位于间隙外围，材料采用SS316L钢，质量密度8g/cm3，内径0.8657cm，外径1cm，高度50cm。中子源上、下顶端均为屏蔽区5，材料采用SS316L钢，半径2cm，高度均为0.5cm。
如图3、4所示，燃料区2由燃料棒栅元15组成，边长25cm，高度51cm。燃料棒栅元15按径向成25×25正方形排列，去掉堆芯中心中子源区后共624根，边长为1cm，包括燃料棒16和金属钨导热材料18。燃料棒16位于栅元中心位置，径向分布为：燃料芯块17半径0.425cm，间隙19径向厚度 0.017cm，包壳20材料采用SS316L钢，径向厚度0.057cm。燃料棒16轴向总高度51cm，按轴向从上到下依次为：包壳21，材料采用SS316L钢，高度0.5cm；反射区7，材料采用SS316L钢，高度5cm；活性区即燃料芯块组合17，材料采用UN，U235富集度78%，质量密度13.59g/cm3，高度30cm；气室8，真空，高度10cm；反射区9，材料采用BeO，质量密度3.01g/cm3，高度5cm;包壳21,材料采用SS316L钢，高度0.5cm。金属钨18位于燃料棒16外围，内径0.948cm，外边长1cm，高度51cm。所述燃料区2中，燃料吸收中子后发生裂变反应释放能量，经包壳传递到金属钨，再经金属钨通过热传导方式传递到发电热端区6，经热电转换发电。所述能量传递方式，不采用通用对流传热方式而采用热传导方式，使用导热系数极高的金属钨将堆芯内释放能量传递到堆外。
如图1、2所示，第一反射区3位于燃料区2外围，形状回形，内正方形边长12.5cm，外正方形边长20cm，高度50cm，材料采用BeO，质量密度3.01g/cm3，BeO除有良好的反射性能外，还有优秀的中子倍增性能，通过反射区3，将由燃料区2经径向泄漏出来的中子反射回去。
如图1、2所示，控制鼓区4包含8根圆柱形控制鼓10，在xy平面内以45度角同x/y坐标均匀分布于位于反射区3内；控制鼓半径3cm，高度50cm，鼓内对半平分，一半为反射材料BeO22，一半为中子吸收材料B4C23，旋转实现启停堆和稳态运行功能。
如图1、2所示，屏蔽区5位于反射区3外围，形状回形，内部边长20cm，外部边长20.5cm，高度501cm，材料采用SS316L钢，主要屏蔽从由反射区3泄漏出来的中子，减少中子对堆芯外围部件的中子辐照损伤。
如图1、2所示，发电热端区6位于堆芯屏蔽区5上部，形状正方形，边长41cm，高度10cm，采用与堆芯内相同的钨金属导热材料，与堆芯内燃料区的钨金属形成整体模块结构，堆芯释放能量以热能形式通过燃料区的钨金属经热传导方式传递到发电热端区6，可通过斯特林技术或温差热电偶方式发电。

Claims (5)

1.一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，其特征在于：所述反应堆堆芯基于金属钨作为导热材料设计，反应堆堆芯释放能量通过金属钨以热传导方式传递到发电热端区，再经热电转换发电；所述反应堆堆芯包括燃料区，所述燃料区由燃料棒栅元组成，所述燃料棒栅元包括燃料棒和金属钨导热材料，燃料棒位于栅元中心位置，径向分布为：燃料芯块、间隙和包壳，所述金属钨位于所述燃料棒外围；所述发电热端区采用与堆芯内相同的钨金属导热材料，与堆芯内燃料区的钨金属形成整体模块结构，堆芯释放能量以热能形式通过燃料区的钨金属经热传导方式传递到发电热端区。
2.根据权利要求1所述的一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，其特征在于：所述反应堆堆芯形状正方形，从反应堆堆芯向外依次为中子源区、燃料区、第一反射区、屏蔽区，从上到下依次为发电热端区、屏蔽区、第一反射区、燃料区、气室、第三反射区、屏蔽区；所述第一反射区包含控制鼓区。
3.根据权利要求1所述的一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料区采用整体模块式结构，导热材料选用高熔点，即高于3400℃、高热导率，即高于160W/(m.K) @300K的金属钨，填充燃料栅元外围原冷却剂区域，燃料栅元为棒状，按正方形栅格排列，反应堆堆芯燃料采用UN燃料。
4.根据权利要求3所述的一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料棒栅元按径向成25×25正方形排列。
5.根据权利要求2所述的一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯，其特征在于：所述控制鼓区包含8根圆柱形控制鼓，控制鼓内反射材料、中子吸收材料对半分布，控制鼓旋转实现启停堆和稳态运行功能。
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