CN110310749B - 液态金属磁流体一体化反应堆 - Google Patents

液态金属磁流体一体化反应堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态金属磁流体一体化反应堆，反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、磁体、气液分离器，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。反应堆外包括热力学工质管、转鼓控制棒、热管散热器、屏蔽结构。本发明适用于快堆，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

液态金属磁流体一体化反应堆
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液态金属磁流体一体化微型反应堆。
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液态金属磁流体一体化微型反应堆，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。
液态金属磁流体一体化反应堆，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、磁体、气液分离器，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；反应堆外包括热力学工质管、转鼓控制棒、热管散热器和屏蔽结构；
压力容器筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的下部设有堆芯，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；堆芯的主冷却剂为液态金属磁流体，热力学工质管从压力容器顶盖的接管处通入堆内构件围筒与压力容器筒体之间的区域；接管进入压力容器的部分设置为喷嘴形状，喷嘴下方设置有涡轮，涡轮通过穿过接管的轮轴连接接管上方的叶轮；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。
反应堆循环过程如下：热力学工质管内的热力学工质进入压力容器后被主冷却剂加热气化，由喷嘴向下方喷射，同时带动液态金属磁流体向下运动，将热能转换为机械能；液态金属磁流体向下运动过程中切割磁感线发电，将机械能转换为电能；热力学工质从喷嘴喷射过程同时带动小型涡轮，连接热力学工质管内的泵，实现热力学工质自动循环；
发电后的液态金属磁流体与气态热力学工质的混合物沿堆内构件筒体与压力容器筒体之间的区域向下流动，进入气液分离器；分离后的液态金属磁流体作为堆芯冷却剂重新进入堆芯；分离后的气态热力学工质进入热力学工质管向反应堆上方流动，流动过程中被热力学工质管外部的热管冷却，冷凝为液态热力学工质，在涡轮驱动的泵的作用下从压力容器顶盖处的接管流入反应堆，与流出堆芯的高温液态金属磁流体混合，形成循环。
其中，压力容器上部筒体内、外部设置有磁体；磁体设置在堆内构件筒体与压力容器筒体围成的冷却剂流道的内、外两侧。
其中，在压力容器底部设置有气液分离器。
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，压力容器筒体外部，热力学工质管周围设有一圈热管；热管下部插入与压力容器侧壁以及热力学工质管紧贴的热管座，在热管座中与热力学工质管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，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)采用磁流体发电，可以实现较高的热电转换效率和较高的功率密度；
(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)相比气体磁流体，液态金属磁流体可以在相对较低的温度下工作，降低对反应堆材料的要求；
(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，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为本发明的液态金属磁流体一体化反应堆的整体结构示意图；
图2为本发明的液态金属磁流体一体化反应堆结构中压力容器的结构示意图；
图3为本发明的液态金属磁流体一体化反应堆结构中压力容器内部的结构示意图；
图4为本发明的液态金属磁流体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为内磁体；5为外磁体；6为气液分离器；7为热力学工质管(含涡轮)；8为转鼓反射层；9为热管及热管座；10为侧屏蔽；11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显示了本发明的液态金属磁流体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、内磁体4、外磁体5、气液分离器6、热力学工质管(含涡轮)7、转鼓反射层8、热管及热管座9、侧屏蔽10、底屏蔽11等。其中，用于将裂变热转为电能、组织冷却剂流道并形成自动循环能力的堆内构件2、堆芯3、内磁体4、气液分离器6均布置在压力容器内；外磁体5、热力学工质管7、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显示了本发明的液态金属磁流体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，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。
参见图3，图3显示了本发明的液态金属磁流体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，内磁体4，气液分离器6，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。堆芯结构安装在堆内构件围筒内的下部；堆内构件围筒内的上部布置有环状的内磁体，内磁体中心为冷却剂上升流道；接管进入压力容器的部分设置为喷嘴形状，喷嘴下方设置有涡轮，涡轮通过穿过接管的轮轴连接接管上方的叶轮，带动叶轮随涡轮一同转动。
在具体实施方式中，在堆芯3中被加热的液态金属磁流体冷却剂从堆芯上方流出，在堆内构件围筒与压力容器筒体之间的区域内与热力学工质混合；热力学工质被从堆芯流出的液态金属磁流体加热后气化，从压力容器顶盖接管处的喷嘴喷入压力容器，同时推动液态金属磁流体向下运动，将热能转换为机械能；液态金属磁流体向下运动过程中切割磁感线发电，将机械能转换为电能；热力学工质从喷嘴喷射过程同时带动小型涡轮，连接热力学工质管内的泵，实现热力学工质自动循环。
发电后的液态金属磁流体与气态热力学工质的混合物沿堆内构件筒体与压力容器筒体之间的区域向下流动，进入气液分离器；分离后的液态金属磁流体作为堆芯冷却剂重新进入堆芯；分离后的气态热力学工质进入热力学工质管向反应堆上方流动，流动过程中被热力学工质管外部的热管冷却，冷凝为液态热力学工质，在涡轮驱动的泵的作用下从压力容器顶盖处的接管流入反应堆，与流出堆芯的高温液态金属磁流体混合，形成循环。
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；热管座紧贴热力学工质管以提高热管与热力学工质管之间的换热效率；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660mm，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、磁流体发电机、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以热力学工质管布置在压力容器以外。
(2)压力容器筒体下段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480mm，壁厚10mm。
(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，堆芯结构上方设有内磁体，内磁体高度250mm，厚度50mm；压力容器外部与内磁体同样高度设有外磁体，厚度30mm；堆内构件筒体与压力容器筒体之间的冷却剂流道宽度25mm，从内、外磁体之间通过。
(5)压力容器内，堆内构件底部设有气液分离器，外径240mm，高度60mm。
(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10MPa以上或者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。
(7)压力容器底部设12个管口，与12根φ30的热力学工质管相连；气液分离器内分离出的气态热力学工质在热力学工质管内上升，并被冷凝为液态，从压力容器顶盖处的接管重新进入压力容器。
(8)在每根热力学工质管外部设有2根热管，热管通过铝合金热管座与热力学工质管换热，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。
(9)金属磁流体为Pb基合金，热力学工质为H2O(在其它实施例中也可为NaK-N2体系等)。
该实施例的运行参数如下：
(1)额定电功率200kw；
(2)堆芯温度800℃；
(3)设计压力10MPa；
(4)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 (10)

1.液态金属磁流体一体化反应堆，反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、磁体、气液分离器，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；反应堆外包括热力学工质管、转鼓控制棒、热管散热器和屏蔽结构；
压力容器筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的下部设有堆芯，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；堆芯的主冷却剂为液态金属磁流体，热力学工质管从压力容器顶盖的接管处通入堆内构件围筒与压力容器筒体之间的区域，热力学工质被主冷却剂加热气化，由喷嘴向下方喷射，同时带动液态金属磁流体向下运动，将热能转换为机械能；液态金属磁流体向下运动过程中切割磁感线发电，将机械能转换为电能；热力学工质从喷嘴喷射过程同时带动小型涡轮，连接热力学工质管内的泵，实现热力学工质自动循环；
发电后的液态金属磁流体与气态热力学工质的混合物沿堆内构件围筒与压力容器筒体之间的区域向下流动，进入气液分离器；分离后的液态金属磁流体作为堆芯冷却剂重新进入堆芯；分离后的气态热力学工质进入热力学工质管向反应堆上方流动，流动过程中被热力学工质管外部的热管冷却，冷凝为液态热力学工质，在涡轮驱动的泵的作用下从压力容器顶盖处的接管流入反应堆，与流出堆芯的高温液态金属磁流体混合，形成循环。
2.如权利要求1所述的反应堆，其中，压力容器上部筒体内、外部设置有磁体；磁体设置在堆内构件围筒与压力容器筒体围成的冷却剂流道的内、外两侧。
3.如权利要求1所述的反应堆，其中，在压力容器底部设置有气液分离器。
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，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，另一侧外层结构为碳化硼吸收体，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。
8.如权利要求1-5任一项所述的反应堆，其中，压力容器筒体外部，热力学工质管周围设有一圈热管散热器；与热力学工质管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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