CN110534210A - 一种可长途运输的气冷小堆及其安全控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可长途运输的气冷小堆及其安全控制方法，所述气冷小堆为超临界二氧化碳高温气冷堆，包括若干独立的次临界模块，每个次临界模块包括密封燃料组件，密封燃料组件内装载有燃料元件，裂变核反应在燃料元件中产生；所述燃料元件采用复合碳化硅作为包壳，所述气冷小堆采用处于超临界态的二氧化碳作为冷却剂，冷却剂从密封燃料组件底部进入、从顶部出来，和燃料元件发生对流传热，最终二氧化碳将热量传递给热电转换系统，从而实现热能到电能的转变。采用分离‑组装的安全控制方法，能够有效地提高超临界二氧化碳冷却高温气冷堆的安全性，避免了在运输过程中的临界事故发生，从而使得本发明提出的气冷小堆非常适合长途运输。

Description

一种可长途运输的气冷小堆及其安全控制方法
技术领域
本发明涉及核工程领域，具体涉及一种可长途运输的气冷小堆及其安全控制方法。
背景技术
如果在偏远地区发生了地震、洪灾、大风灾害等，导致当地的电力系统瘫痪，这很不利于受灾区的人员抢救和基础设施重建。为了紧急恢复受灾区的电力，且受灾区不适合柴油机运行（例如时刻面临被淹的分险、空气中氧气不足等严重情况），那么就需要在这些地区部署小型核电装置。因为本发明超临界二氧化碳冷却高温气冷堆的组件为全封闭式，因此不惧怕水淹。因为裂变反应时不需要氧气参与，因此空气中氧气不足也不会影响超临界二氧化碳冷却高温气冷堆的正常运行。超临界二氧化碳冷却高温气冷堆作为一种小型堆，其体积较小，可以通过直升机运输，从而快速部署在受灾区。
然而，现有技术无法实现直升机快速运输。因为目前的高温气冷堆体积庞大，现有250兆瓦高温气冷堆的六面体组件高达300立方米，这导致我国大部分现有的直升机无法对其进行直接运输，因此，本发明提出一种体积较小且可长途运输的气冷小堆，以便能够在紧急情况下给边远受灾区供电。
发明内容
为了在紧急情况下恢复受灾害地区的电力，并在灾害抢救和灾后重建过程中提供应急可靠能源，本发明提供了一种可长途运输的气冷小堆，并给出了相应的安全控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供了一种可长途运输的气冷小堆，所述气冷小堆为超临界二氧化碳高温气冷堆，包括若干独立的次临界模块，每个次临界模块包括密封燃料组件，密封燃料组件内装载有燃料元件，裂变核反应在燃料元件中产生；所述燃料元件采用复合碳化硅作为包壳，包括内部区域和外部区域，外部区域包围内部区域，内部区域包括燃料颗粒及燃料颗粒分布区域，外部区域为复合碳化硅包壳区域；所述气冷小堆采用处于超临界态的二氧化碳作为冷却剂，冷却剂从密封燃料组件底部进入、从密封燃料组件顶部出来，和燃料元件发生对流传热，最终二氧化碳将热量传递给热电转换系统，从而实现热能到电能的转变。
优选地，燃料元件为球形，即燃料球。
优选地，复合碳化硅作为包壳时的层数为2~8层。
优选地，燃料颗粒分布区域为燃料颗粒随机镶嵌在石墨基质内，核裂变反应在燃料颗粒内部发生。
优选地，所述燃料颗粒为抗熔化燃料颗粒。
优选地，燃料颗粒的核心为碳化铀燃料，其中235U的富集度为15%至19%。
优选地，所述密封燃料组件为六面体结构。
优选地，所述密封燃料组件为棱柱型。
优选地，次临界模块的个数为2~10个，一个次临界模块包括7~170个密封燃料组件。
本发明还提供了一种安全控制如上所述可长途运输的气冷小堆的方法，所述方法为将超临界二氧化碳高温气冷堆分为若干个独立的次临界模块，次临界模块独立地被运输，到达目的地后，将所述若干个独立的次临界模块再组装成一个完整的超临界气冷堆。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
（1）本发明一种可长途运输的气冷小堆及其安全控制方法，和现有的采用石墨作为包壳的燃料球相比，本发明采用复合碳化硅材料作为燃料球包壳能够避免燃料球互相碰撞导致的石墨屑产生，而石墨屑在高温状态太容易燃烧，因此本发明采用复合碳化硅材料作为燃料球包壳能够避免火灾发生；
（2）燃料球被装载至密封组件中，而密封组件在卸出后能够直接保持于乏燃料运输罐中，仅仅依靠空气冷却就能够实现非能动余热排出，能够大大简化乏燃料处理过程；
（3）本发明采用分离-组装的安全控制方法，能够有效地提高超临界二氧化碳冷却高温气冷堆的安全性，避免了在运输过程中的临界事故发生，从而使得本发明提出的气冷小堆非常适合长途运输。
附图说明
图1为实施例中采用复合碳化硅包壳材料组成的燃料球剖面图；
图1中：1-燃料颗粒 2-燃料颗粒分布区域 3-外部区域；
图2为实施例中的棱柱型密封燃料组件的结构示意图；
图3为实施例中提供的次临界模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种可长途运输的气冷小堆，所述气冷小堆为超临界二氧化碳高温气冷堆，包括若干独立的次临界模块，每个次临界模块包括密封燃料组件，密封燃料组件内装载有燃料元件，裂变核反应在燃料元件中产生；所述燃料元件采用复合碳化硅作为包壳，包括内部区域和外部区域，外部区域包围内部区域，内部区域包括燃料颗粒及燃料颗粒分布区域，外部区域为复合碳化硅包壳区域；所述气冷小堆采用处于超临界态的二氧化碳作为冷却剂，冷却剂从密封燃料组件底部进入、从密封燃料组件顶部出来，和燃料元件发生对流传热，最终二氧化碳将热量传递给热电转换系统，从而实现热能到电能的转变，超临界二氧化碳能够有效地提升热电转换效率，从而提高本发明提出的超临界二氧化碳高温气冷堆的经济性。
所述超临界二氧化碳高温气冷堆采用三层复合碳化硅包壳材料组成的燃料球，三层复合碳化硅包壳材料具备良好的稳定性质，能够有效降低火灾等事故的发生。所述超临界二氧化碳高温气冷堆采用球形燃料元件即燃料球，如图1所示，所述燃料球都由内部区域和外部区域两个区域组成，内部区域包括燃料颗粒1和燃料颗粒分布区域2，燃料颗粒1为抗熔化颗粒，外部区域3为复合碳化硅包壳区域。内部区域的燃料颗粒1是随机镶嵌在石墨基质内，核裂变反应在燃料颗粒内部发生。燃料颗粒1的核心为碳化铀燃料，其中235U的富集度为16%。如图2所示，所述密封燃料组件为包容燃料球的构件，为六面体结构，燃料球在密封燃料组件内随机堆积，在换料时只需要更换密封燃料组件即可。可长途运输的气冷小堆的燃料循环周期为15年，即在15年内无需更换密封燃料组件，这样既能够有效避免核扩散又能长期使用该气冷小堆。燃料球被装载至密封燃料组件中，这种密封燃料组件在卸出后能够直接保持于乏燃料运输罐中，仅仅依靠空气冷却就能够实现非能动余热排出。
为了能够使得本发明提出的超临界二氧化碳高温气冷堆能够被部署在偏远地区，例如荒漠、高海拔地区，必须考虑到在长途运输过程中的安全性。因此，本发明还使用了分离-组装的运输过程安全控制方法，即在运输过程中超临界二氧化碳冷却高温气冷堆是分为8个独立的次临界模块。此外，如图3所示一个次临界模块包括7个棱柱型密封燃料组件。只有到达目的地后，将8个独立次临界模块组装成一个完整的超临界气冷堆，才能达到临界。因此，即使在运输过程中存在一个或多个模块遭受到撞击，因为属于过程中始终处于次临界状态，因此即使部分次临界模块收到严重撞击导致几何变形，这也不会导致本发明提出的超临界二氧化碳高温气冷堆出现临界事故，通过这种分离-组装的安全控制方法，从而能够有效地提高超临界二氧化碳冷却高温气冷堆的安全性。
以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可长途运输的气冷小堆，其特征在于，所述气冷小堆为超临界二氧化碳高温气冷堆，包括若干独立的次临界模块，每个次临界模块包括密封燃料组件，密封燃料组件内装载有燃料元件，裂变核反应在燃料元件中产生；所述燃料元件采用复合碳化硅作为包壳，包括内部区域和外部区域，外部区域包围内部区域，内部区域包括燃料颗粒及燃料颗粒分布区域，外部区域为复合碳化硅包壳区域；所述气冷小堆采用处于超临界态的二氧化碳作为冷却剂，冷却剂从密封燃料组件底部进入、从密封燃料组件顶部出来，和燃料元件发生对流传热，最终二氧化碳将热量传递给热电转换系统，从而实现热能到电能的转变。
2.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，燃料元件为球形，即燃料球。
3.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，复合碳化硅作为包壳时的层数为2~8层。
4.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，燃料颗粒分布区域为燃料颗粒随机镶嵌在石墨基质内，核裂变反应在燃料颗粒内部发生。
5.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，所述燃料颗粒为抗熔化燃料颗粒。
6.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，燃料颗粒的核心为碳化铀燃料，其中235U的富集度为15至19%。
7.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，所述密封燃料组件为六面体结构。
8.根据权利要求7所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，所述密封燃料组件为棱柱型。
9.根据权利要求1所述的可长途运输的气冷小堆，其特征在于，次临界模块的个数为2~10个，一个次临界模块包括7~170个密封燃料组件。
10.安全控制如权利要求1至9任一项所述可长途运输的气冷小堆的方法，其特征在于，所述方法为将超临界二氧化碳高温气冷堆分为若干个独立的次临界模块，次临界模块独立地被运输，到达目的地后，将所述若干个独立的次临界模块再组装成一个完整的超临界气冷堆。
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