CN110310748A - 加装涡轮的热电转换一体化反应堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加装涡轮的热电转换一体化反应堆，在斯特林型热电转换一体化反应堆的基础上加装涡轮发动机，从而显著提高输出功率。反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、内屏蔽、发电机、启动发动机、涡轮和压气机，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。本发明的基本思想适用于快堆，也适用于热堆，还适用于同位素热源等其它持久性热源。

Description

加装涡轮的热电转换一体化反应堆
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加装涡轮的热电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加装涡轮的热电转换一体化微型反应堆，使用核电厂成熟的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。
涡轮式热电转换一体化反应堆，其结构如下：反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、内屏蔽、发电机、启动发动机、涡轮和压气机，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；
压力容器筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部设有堆芯，堆内构件围筒与压力容器筒体之间为冷却剂向下流动的区域，该冷却剂向下流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；压力容器外部在堆芯活性区高度设置若干环形排列的转鼓控制棒，转鼓为圆柱形，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，通过旋转转鼓调节控制棒对堆芯中子的吸收从而调节堆芯的反应性；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；
堆芯构件底部设有启动发动机，可以但不限于四缸斜盘斯特林发动机；启动发动机的工作过程类似斯特林型热电转换一体化反应堆，当反应堆由停堆状态启动时，以及在低功率运行状态下，堆芯裂变热导致堆芯以及压气机位置气体冷却剂温度上升，在启动发动机两端造成温差，引起发动机运动，推动发电机及压气机转动；
反应堆循环过程如下：堆内构件围筒内的堆芯上方设有涡轮，下方设有压气机；涡轮下部通过穿过堆芯中心的轴与压气机相连，上部与发电机转子相连；在高功率状态下，当气体冷却剂进入堆芯后，体积膨胀从堆芯上方喷出，推动涡轮高速旋转；旋转的涡轮带动发电机转子旋转发电，同时带动压气机旋转，将经过回热腔冷却后的气体冷却剂压入堆芯；在低功率状态下，或反应堆启动时，启动发动机依靠温差运动，给与压气机初始动力；当压气机启动后，气体冷却剂被压入堆芯，受热膨胀后向涡轮喷出，循环得以维持，启动发动机停止工作。
其中，压力容器上部筒体内部设置有发电机，电机静线圈固定在压力容器上部筒体上；电机动线圈与涡轮相连，随涡轮一同旋转。
其中，在压力容器内、涡轮与发电机之间设有屏蔽材料。
其中，堆芯为由细长圆柱形的燃料元件排布的圆柱形堆芯，或开有细长圆柱形冷却剂流道的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒中下部。
其中，堆芯外围设有一层钼-铼合金薄层。
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。
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，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管；热管下部插入与压力容器侧壁紧贴的热管座，在热管座中与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端连接辐射器通过热辐射实现废热排放。
其中，压力容器筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽用于减少反应堆外的辐射剂量。
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。
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；只使用电气贯穿件输出电能，没有冷却剂接管故不存在冷却剂丧失事故，具有较高的安全性能；
(4)全堆外功率控制，没有穿透压力容器的结构，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)低功率下采用斯特林电机启动，在存在温差时自动运行，保障安全性能；高功率下采用涡轮喷气原理带动发电机发电，兼顾很高的功率密度；
(7)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；
(8)能量转换过程能够自动通过涡轮转速的变化跟随堆芯功率变化，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)没有冷却剂管路的一体化结构，具有优秀的抗冲击性能；
(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。
附图说明
图1为本发明的加装涡轮的热电转化一体化反应堆的整体结构示意图；
图2为本发明的加装涡轮的热电转化一体化反应堆结构中压力容器的结构示意图；
图3为本发明的加装涡轮的热电转化一体化反应堆结构中压力容器内部的结构示意图；
图4为本发明的加装涡轮的热电转化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为堆内构件；3为堆芯；4为压气机；5为涡轮；6为电机动线圈；7为电机静线圈；8为转鼓反射层；9为热管及热管座；10为内屏蔽；11为底屏蔽；12为启动发动机。
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显示了本发明的涡轮式热电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、堆内构件2、堆芯3、压气机4、涡轮5、电机(含动线圈6、静线圈7)、转鼓反射层8、热管及热管座9、内屏蔽结构10、底屏蔽11和启动发动机12等。其中，用于将裂变热转为电能、组织冷却剂流道并形成自然循环能力的堆内构件2、堆芯3、压气机4、涡轮5、发电机、12启动发动机均布置在压力容器内；用于废热排放、反应性控制和屏蔽功能的转鼓反射层8、热管9、底屏蔽结构等均布置在压力容器外。具体而言，参见图2，图2显示了本发明的涡轮式热电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内构件围筒2，将压力容器1下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒2的内部设有堆芯3以及压气机4和涡轮5，围筒内为冷却剂向上流动的区域；堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向下流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；堆内构件围筒2上端座在压力容器围筒内设置的凸台上，通过螺栓紧固；围筒下端受压力容器围筒底部凸台的径向限位，轴向可自由膨胀。
参见图3，图3显示了本发明的涡轮式热电转换一体化反应堆结构中压力容器内部的结构示意图，压力容器1内部除了堆内构件围筒2外，还设置有堆芯3，压气机4，涡轮5，和发电机动线圈6、静线圈7，堆芯结构可为细长圆柱状燃料元件排列而成，此设计下堆芯结构外部为薄壁的堆芯筒体，筒体连接若干层燃料元件格板(图中为三层)；格板除对燃料元件径向限位外，还留有冷却剂通道；堆芯结构也可为圆柱型燃料堆芯开细长圆柱状冷却剂通道。
在具体实施方式中，在堆芯3中被加热膨胀的气体冷却剂从堆芯上方喷出，推动堆内构件围筒2中的涡轮5高速旋转；涡轮5中设有连轴，穿过堆芯3与压气机4相连，带动压气机4旋转将冷却后的气体冷却剂压进堆芯3。
发电机设有静线圈6和动线圈7。多股静线圈组成近似围筒的形状，座在压力容器围筒上部内壁的凸台上；动线圈与涡轮轴连接，随涡轮旋转发电，将涡轮机械能转为电能；发电机与涡轮之间设有内屏蔽结构10，以降低电机线圈处的中子及γ射线注量。
堆内构件底部设有启动发动机12，可以为但不限于四缸斜盘斯特林电机；启动发动机在反应堆由停堆状态启堆时，涡轮尚未旋转时依靠上下端温度差提供涡轮初始转动动力。
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；热管上部从压力容器围筒及转鼓气缸之间的空间伸出，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920mm，压力容器筒体壁厚20mm，主螺栓标称直径10mm，数量24；反应堆芯、能量转换结构、发电机、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布置在压力容器以外。
(2)压力容器下段筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒外径220mm，高度640mm，壁厚10mm，围筒底部为厚度20mm的底板。
(3)由直径14mm，长度200mm的氮化铀燃料元件排布为直径200mm，高度200mm的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒中下部，燃料富集度98％；堆芯外围设有一层2mm厚的钼-铼合金薄层。
(4)堆内构件围筒内部，堆芯结构上方设有涡轮，下方设有压气机；涡轮共设7级，最大截面直径200mm，最大转速3000r/min；压气机共设5级，最大截面直径180mm；涡轮通过连轴与压气机相连，带动压气机转动，连杆直径30mm；涡轮同时通过连轴与发电机动线圈相连。
(5)压力容器上段内部设置有发电机；电机静线圈固定在压力容器筒体上；电机动线圈与涡轮上端相连，随涡轮一同转动。
(6)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，当反应堆超压至20MPa以上或者超温致使热管热端温度超过400℃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。
(7)在压力容器下段，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管，热管直径20mm，数量24根，插入与压力容器侧壁紧贴的铝制热管座中；每根与压力容器侧壁接触长度300mm；与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放，辐射器表面积200m2。
该实施例的运行参数如下：
(1)额定电功率400kw，额定转速3000r/min；
(2)堆芯温度533℃，回热腔温度为325℃；
(3)级前压力15.8MPa，设计压力20MPa；
(4)热管高温端温度250℃，低温端温度130℃。
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 (10)

1.加装涡轮的热电转换一体化反应堆，反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、内屏蔽、发电机、启动发动机、涡轮和压气机，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；
压力容器筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部设有堆芯，堆内构件围筒与压力容器筒体之间为冷却剂向下流动的区域，该冷却剂向下流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；
堆芯构件底部设有启动发动机，可以但不限于四缸斜盘斯特林发动机；启动发动机的工作过程类似斯特林型热电转换一体化反应堆，当反应堆由停堆状态启动时，以及在低功率运行状态下，堆芯裂变热导致堆芯以及压气机位置气体冷却剂温度上升，在启动发动机两端造成温差，引起发动机运动，推动发电机及压气机转动；
堆内构件围筒内的堆芯上方设有涡轮，下方设有压气机；涡轮下部通过穿过堆芯中心的轴与压气机相连，上部与发电机转子相连；在高功率状态下，当气体冷却剂进入堆芯后，体积膨胀从堆芯上方喷出，推动涡轮高速旋转；旋转的涡轮带动发电机转子旋转发电，同时带动压气机旋转，将经过回热腔冷却后的气体冷却剂压入堆芯；在低功率状态下，或反应堆启动时，启动发动机依靠温差运动，给与压气机初始动力；当压气机启动后，气体冷却剂被压入堆芯，受热膨胀后向涡轮喷出，循环得以维持，启动发动机停止工作。
2.如权利要求1所述的反应堆，其中，压力容器上部筒体内部设置有发电机，电机静线圈固定在压力容器上部筒体上；电机动线圈与涡轮相连，随涡轮一同旋转。
3.如权利要求1所述的反应堆，其中，在压力容器内、涡轮与发电机之间设有屏蔽材料。
4.如权利要求1所述的反应堆，其中，堆芯为由细长圆柱形的燃料元件排布的圆柱形堆芯，或开有细长圆柱形冷却剂流道的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒中下部。
5.如权利要求1所述的反应堆，其中，堆芯外围设有一层钼-铼合金薄层。
6.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，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。
7.如权利要求6所述的反应堆，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。
8.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，其中，压力容器筒体，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管；与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放。
9.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，其中，压力容器筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽。
10.如权利要求1所述的反应堆，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。
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