CN110211709B - 热管式碱金属转换一体化反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热管式碱金属转换一体化反应堆，反应堆内包括反应堆压力容器、反应堆芯、堆内散热座，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的筒体以及盖设在筒体顶部的盖体、支撑在筒体底部的底封头组成，反应堆外包括转鼓控制棒、热管散热器、屏蔽结构。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

热管式碱金属转换一体化反应堆
技术领域
本发明属于空间小型核动力装置技术领域，特别涉及一种具有全环境自动循环能力的无运动部件的热管式碱金属转换一体化微型反应堆。
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，实现了一种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具有全环境自动循环能力的热管式碱金属转换一体化微型反应堆，液态金属冷却方式实现空间条件下的自动循环能力，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。
热管式碱金属转换一体化反应堆，反应堆内包括反应堆压力容器、反应堆芯、堆内散热座，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的筒体以及盖设在筒体顶部的盖体、支撑在筒体底部的底封头组成；反应堆外包括转鼓控制棒、热管散热器和屏蔽结构；反应堆堆芯由若干燃料管排列而成；每根燃料管为铍制管套，管内全高度设有热管多孔管芯，管内底部设置多孔燃料元件，上部设置碱金属热电转换用多孔膜；碱金属冷却剂在燃料管内循环，在多孔燃料元件区域气化并向燃料管上部扩散，依靠压差穿过多孔膜并实现热电转换，在燃料管上部被设置在反应堆芯顶部的堆内散热座冷却重新液化，经热管多孔管芯回到燃料元件区域，形成燃料管内的冷却剂循环；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；压力容器筒体的外部对应堆内散热座高度的部分设有一圈热管，与压力容器筒体接触的热管成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放，压力容器筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽，以对压力容器筒体的底部和侧部进行保温，
其中，压力容器内部主体结构为排列为圆柱状的燃料管阵列，燃料元件产生裂变能和热电转换，以及冷却剂循环均在燃料管内完成。
其中，在压力容器上部设置堆内散热座，将燃料管废热传递给堆外热管。
其中，若干燃料管的数量为几十到几百个，由反应堆功率决定。
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。
其中，压力容器筒体与底封头焊接连接，压力容器顶盖与筒体的法兰通过主螺栓连接，密封面设两道密封环；
其中，燃料管作为燃料放射性核素不外泄的一道屏障，压力容器作为另一道独立屏障。
本发明的有益效果为：
(1)不依赖重力的全功率自动循环系统，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)自动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，实现全功率自动循环；
(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，具有较高的安全性能；
(4)全堆外功率控制，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)无任何运动部件，大幅度提高反应堆的可靠性；
(8)能量转换过程能够自动跟随堆芯功率变化，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)各燃料管相互独立，单点失效不会引起整个反应堆的安全事故；
(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为本发明的热管式碱金属转换一体化反应堆的整体结构示意图；
图2为本发明的热管式碱金属转换一体化反应堆结构中压力容器的结构示意图；
图3为本发明的热管式碱金属转换一体化反应堆结构中燃料管的结构示意图，包括外管芯式及内管芯式两种；
图4为本发明的热管式碱金属转换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为堆芯；3为堆内散热座；4为转鼓反射层；5为热管；6为侧屏蔽；7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显示了本发明的热管式碱金属转换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、堆芯2、堆内散热座3、转鼓反射层4、热管及堆外散热座5、侧屏蔽6、底屏蔽7等。其中，用于将裂变热转为电能的过程全部在堆芯的燃料管内完成，用于废热排放的堆内散热座3也布置在压力容器内；用于废热排放的热管及堆外散热座5，反应性控制和屏蔽功能的转鼓反射层4、底屏蔽结构7等均布置在压力容器外。具体而言，参见图2，图2显示了本发明的热管式碱金属转换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由近圆柱形的筒体以及盖设在筒体顶部的盖体、支撑在筒体底部的底封头组成；其中围筒与底封头焊接连接，压力容器顶盖与围筒上部法兰通过主螺栓连接，密封面设2道密封环。
压力容器筒体内设有堆芯2以及堆内散热座3；堆芯2由燃料管阵列排布而成，是反应堆内主体结构；堆内散热座3与燃料管的上部接触，将燃料管的废热传递给堆外的热管。
参见图3，图3显示了本发明的热管式碱金属转换一体化反应堆结构中燃料管的结构示意图，包括外管芯式和内管芯式两种。其中，外管芯式为圆柱状燃料元件处于燃料管底部中心位置，热管管芯处于燃料元件与燃料管之间的圆筒状区域；而内管芯式为圆筒状燃料处于燃料管底部，圆柱状热管管芯处于管芯中心。在燃料管上部设置有多孔膜，燃料管内的碱金属气体穿过多孔膜实现热电转换。
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。
热管下部在反应堆附近插进热管座中以提高换热效率；热管座紧贴压力容器以提高换热效率；热管上部从压力容器上部空间伸出，连接至散热结构；大量(图中为24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，压力容器围筒外径280mm，高度690mm，压力容器筒体壁厚10mm，主螺栓标称直径10mm，数量24；反应堆芯、能量转换结构、碱金属热电转换机构、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以热力学工质管布置在压力容器以外。
(2)由直径16mm，长度200mm的多孔氮化铀燃料元件位于直径20mm的燃料管底部中心；由105根燃料管排布为直径260mm，高度600mm的圆柱状堆内结构，其中堆芯活性区高度为200mm；燃料富集度98％。
(3)燃料管管套材料为铍，外径20mm，厚度1mm；燃料管套内、燃料元件外侧为多孔的热管管芯。
(4)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100mm，高度200mm；转鼓直径80mm，圆周一侧设有20mm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200mm，当反应堆超温致使热管热端温度超过200℃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。
(5)压力容器筒体外设置热管，热管通过铝合金热管座与压力容器筒体换热，热管直径20mm，总数量24根；每根与压力容器侧壁接触长度300mm；热管冷端采用辐射器实现废热排放，辐射器表面积50m2。
该实施例的运行参数如下：
(1)额定电功率20kw；
(2)堆芯温度800℃；
(3)热管高温端温度150℃，低温端温度120℃。
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 (7)

1.热管式碱金属转换一体化反应堆，反应堆内包括反应堆压力容器、反应堆芯、堆内散热座，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的筒体以及盖设在筒体顶部的盖体、支撑在筒体底部的底封头组成；反应堆外包括转鼓控制棒、热管散热器和屏蔽结构；反应堆堆芯由若干燃料管排列而成；每根燃料管为铍制管套，管内全高度设有热管多孔管芯，管内底部设置多孔燃料元件，上部设置碱金属热电转换用多孔膜；碱金属冷却剂在燃料管内循环，在多孔燃料元件区域气化并向燃料管上部扩散，依靠压差穿过多孔膜并实现热电转换，在燃料管上部被设置在反应堆芯顶部的堆内散热座冷却重新液化，经热管多孔管芯回到燃料元件区域，形成燃料管内的冷却剂循环；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；压力容器筒体的外部对应堆内散热座高度的部分设有一圈热管，与压力容器筒体接触的热管成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放，压力容器筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽，以对压力容器筒体的底部和侧部进行保温。
2.如权利要求1所述的热管式碱金属转换一体化反应堆，其中，压力容器内部主体结构为排列为圆柱状的燃料管阵列，燃料元件产生裂变能和热电转换，以及冷却剂循环均在燃料管内完成。
3.如权利要求1所述的热管式碱金属转换一体化反应堆，其中，在压力容器上部设置堆内散热座，将燃料管废热传递给堆外热管。
4.如权利要求1-3任一项所述的热管式碱金属转换一体化反应堆，其中，若干燃料管的数量为几十到几百个，由反应堆功率决定。
5.如权利要求1-3任一项所述的热管式碱金属转换一体化反应堆，其中，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；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。
6.如权利要求1-3任一项所述的热管式碱金属转换一体化反应堆，其中，压力容器筒体与底封头焊接连接，压力容器顶盖与筒体的法兰通过主螺栓连接，密封面设两道密封环。
7.如权利要求1-3任一项所述的热管式碱金属转换一体化反应堆，其中，燃料管作为燃料放射性核素不外泄的一道屏障，压力容器作为另一道独立屏障。
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