CN110534213B - 一种热管冷却混合燃料反应堆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热管冷却混合燃料反应堆系统，包括堆芯活性区、储液罐、控制鼓、反射层和堆芯筒体；其中堆芯活性区由多个六边形燃料组件构成，多根热管均匀分布在燃料组件内部；所述反射层位于所述堆芯活性区外围，多个对称布置的控制鼓设置在所述反射层内部；储液罐设置于堆芯活性区下方。所述堆芯活性区、储液罐、控制鼓、反射层都设置于堆芯筒体内部。本发明的反应堆堆芯兼顾了固态堆芯与液态堆芯的优点，在事故条件下可以通过液体燃料的排放改变堆芯临界体积，实现反应堆的紧急停堆，提高反应堆的固有安全性。

Description

一种热管冷却混合燃料反应堆系统
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种能够有效避免堆芯熔毁事故的热管冷却固液混合燃料反应堆系统。
背景技术
人类一直在寻找可以替代化石燃料的新能源，而在众多新能源中，核能被认为是比风能、太阳能更具发展前景的新能源。它具有功率大、寿命长，清洁、稳定等无可替代的优势。反应堆内核裂变反应的结果通常是产生两个裂变碎片或更小的原子核，两个或更多个快速移动的高能中子，以及显著的热量。由裂变反应产生的新中子会引发新的裂变反应，形成持续的链式裂变反应。根据堆芯的冷却方式可以将反应堆分为压水堆、沸水堆、气冷堆及金属冷却反应堆等多种堆型。随着热管技术的发展，热管冷却反应堆因其较好的堆芯冷却效率和安全性逐渐得到人们的重视。
目前的核反应堆主要分为固态燃料与液态燃料两大类，其中固态燃料反应堆结构稳定紧凑，但换热效率低，安全性较差。以熔融态的混合盐为液态燃料的反应堆换热效率高、安全性强且具有良好的中子经济性，然而在一些特殊场合，比如用作深海供能平台时，海洋环境中存在的摇摆等特殊外来影响条件可能导致较大半径液态堆芯出现体积波动，存在堆芯意外停闭的风险。
基于此，研究并开发设计一种基于热管冷却的能够结合固态燃料和液态燃料特点，能够提高反应堆固有安全性的反应堆系统。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种能够有效保证堆芯冷却，且能实现反应堆紧急停堆的热管冷却混合燃料反应堆系统。
本发明采取了如下技术方案：
一种热管冷却混合燃料反应堆系统，包括堆芯活性区2、储液罐3、控制鼓4、反射层5和堆芯筒体6；其中堆芯活性区2由多个六边形燃料组件构成，多根热管1均匀分布在燃料组件内部；所述反射层5位于所述堆芯活性区2外围，多个对称布置的控制鼓4设置在所述反射层5内部；
所述储液罐3设置于堆芯活性区2下方；
燃料组件分为固体燃料组件7和液体燃料组件8；两种燃料组件的外型尺寸相同，都为六棱柱型结构；
所述固体燃料组件7包括燃料元件71、金属基体72及热管1；
所述液体燃料组件8包括燃料盒81、液体燃料82和热管1；
所述液体燃料组件8和所述固体燃料组件7间隔布置；
所述储液罐3具体位于所述液体燃料组件8下方，通过热融隔板9与所述液体燃料组件8装配连接；
所述控制鼓4由反射体与吸收体构成，分为一级控制鼓43与二级控制鼓44，其中一级控制鼓43用于实现反应堆启停控制，二级控制鼓44用于实现反应堆正常运行过程中的反应性控制；
所述堆芯活性区2、储液罐3、控制鼓4、反射层5都设置于堆芯筒体6内部。
进一步的，还设置有热交换器10，所述热交换器10位于所述堆芯活性区2上方，热交换器10内设能量转换系统工质，通过所述热管1将反应堆裂变热量传递至能量转换系统工质。
更进一步的，所述固体燃料组件7采用内部填充UO2颗粒的棒束型燃料元件；所述金属基体72的材料为不锈钢316L。
进一步的，所述液体燃料82为LiF-BeF2-ThF4-UF4熔盐燃料。
进一步的，所述控制鼓4的反射体材料采用BeO，吸收体材料采用B4C。
进一步的，所述控制鼓4连接驱动机构11。
进一步的，所述反射层5的材料采用BeO；所述堆芯筒体6的材料采用钢。
经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种热管冷却混合燃料反应堆系统，具有如下有益效果：
1、本技术方案利用热管实现反应堆燃料组件的冷却，充分利用了高温热管换热效率高、安全可靠的特性，无论在正常运行条件以及事故状态下都能够实现反应堆堆芯的冷却。
2、本技术方案的反应堆堆芯由液体燃料和固体燃料两种组件组成，一方面避免了海洋条件等外部环境的影响，另一方面充分利用了液体燃料组件的优势，事故条件下可以通过液体燃料的排放改变堆芯临界体积，实现反应堆的紧急停堆，提高反应堆的固有安全性。
附图说明
图1是本发明的反应堆堆芯纵剖面示意图；
图2是本发明的反应堆堆芯横截面示意图。
1、热管，2、活性区，3、储液罐，4、控制鼓，5、反射层，6、堆芯筒体，7、固体燃料组件，71、燃料元件，72、金属基体，8、液体燃料组件，81、燃料盒，82、液体燃料，9、热融隔板，10、热交换器，11、驱动机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种热管冷却混合燃料反应堆系统，如图1和2所示，该反应堆堆芯包括堆芯活性区2、储液罐3、控制鼓4、反射层5和堆芯筒体6；其中堆芯活性区2由多个六边形燃料组件构成，多根热管1均匀分布在燃料组件内部；反射层5位于堆芯活性区2外围，多个对称布置的控制鼓4设置在反射层5内部；储液罐3设置于堆芯活性区2下方。
堆芯活性区2由固体燃料组件7和液体燃料组件8两种燃料组件构成，两种燃料组件的尺寸相同，都为六棱柱型结构；固体燃料组件7包括燃料元件71、金属基体72及热管1，其中多个燃料元件71和热管1共同插入金属基体72中，利用热管1将燃料元件71的释热导出；液体燃料组件8包括燃料盒81、液体燃料82和热管1，其中液体燃料82注入燃料盒81内部，热管1插入液体燃料82中，将液体燃料82释放的热量导出；液体燃料组件8和固体燃料组件7间隔布置。
本实施例中的堆芯活性区2采用7个六边形燃料组件，其中包含4个固体燃料组件7，3个液体燃料组件8。7个燃料组件按照三角形排列方式共同组成本反应堆堆芯，其中堆芯中心区域的燃料组件为固体燃料组件7，周围6个燃料组件间隔布置。小体积的液体燃料组件8有利于减少海洋条件下的液态燃料堆芯体积波动，避免堆芯出现意外次临界导致停闭。
储液罐3具体位于液体燃料组件8下方，通过热融隔板9与液体燃料组件8相连，主要用于收集液体燃料组件8排出的燃料；每一个液体燃料组件8的下部都设置有储液罐3；反应堆事故条件下，当液态燃料升高到热融隔板9的融化阈值时，热融隔板9融化，液体燃料组件8中的液态燃料排放至各自对应的储液罐3中，使固体燃料组件7和液体燃料8相分离，反应堆不能达到临界状态，保证反应堆及时停闭，避免事故进一步加重。
控制鼓4由反射体与吸收体构成，本实施例中，堆芯控制鼓4分为一级控制鼓43与二级控制鼓44，其中一级控制鼓43用于实现反应堆启停控制，二级控制鼓44用于实现反应堆正常运行过程中的反应性控制。
包括6个一级控制鼓43和6个二级控制鼓44。通过旋转控制鼓4的角度改变反射或吸收面积来控制堆芯反应性，吸收体8截面为角度为120的圆弧体；其中一级控制鼓43在反应堆启停过程中使用，正常过程不参与堆芯的反应性控制，二级控制鼓44用于反应堆正常运行过程中的反应性控制。
堆芯活性区2、储液罐3、控制鼓4、反射层5都设置于堆芯筒体6内部。
还设置有热交换器10，热交换器10位于堆芯活性区2上方，通过热管1将反应堆裂变热量传递至能量转换系统工质。在一些实施例中，所述二次侧能量转换系统可以采用超临界二氧化碳闭式布雷顿循环，具有结构紧凑、能量转换效率高等优势。
固体燃料组件7采用内部填充UO2颗粒的棒束型燃料元件；金属基体72的材料为不锈钢316L。
液体燃料8为LiF-BeF2-ThF4-UF4熔盐燃料。
控制鼓4的反射体材料采用BeO，吸收体材料采用B4C。
控制鼓4上都连接有驱动机构15。
反射层5的材料采用BeO；堆芯筒体6的材料采用钢。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本专利的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，还可以对本专利进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本专利权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，用于海洋环境，包括堆芯活性区(2)、储液罐(3)、控制鼓(4)、反射层(5)和堆芯筒体(6)；其中堆芯活性区(2)由多个六边形燃料组件构成，多根热管(1)均匀分布在燃料组件内部；所述反射层(5)位于所述堆芯活性区(2)外围，多个对称布置的控制鼓(4)设置在所述反射层(5)内部；
所述储液罐(3)设置于堆芯活性区(2)下方；
燃料组件分为固体燃料组件(7)和液体燃料组件(8)；两种燃料组件的外型尺寸相同，都为六棱柱型结构；
所述固体燃料组件(7)包括燃料元件(71)、金属基体(72)及热管(1)；
所述液体燃料组件(8)包括燃料盒(81)、液体燃料(82)和热管(1)系统；
所述液体燃料组件(8)和所述固体燃料组件(7)间隔布置，所述液体燃料组件(8)的数量为3个；
所述储液罐(3)具体位于所述液体燃料组件(8)下方，通过热融隔板(9)与所述液体燃料组件(8)装配连接，每一个液体燃料组件(8)的下部都设置有储液罐(3)；
所述控制鼓(4)由反射体(41)与吸收体(42)构成，分为一级控制鼓(43)与二级控制鼓(44)，其中一级控制鼓(43)用于实现反应堆启停控制，二级控制鼓(44)用于实现反应堆正常运行过程中的反应性控制；
所述堆芯活性区(2)、储液罐(3)、控制鼓(4)、反射层(5)都设置于堆芯筒体(6)内部。
2.如权利要求1所述的一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，还设置有热交换器(10)，所述热交换器(10)位于所述堆芯活性区(2)上方，热交换器(10)内设能量转换系统工质，通过所述热管(1)将反应堆裂变热量传递至能量转换系统工质。
3.如权利要求1或2所述的一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，所述固体燃料组件(7)采用内部填充UO2颗粒的棒束型燃料元件(71)；所述金属基体(72)的材料为不锈钢316L。
4.如权利要求1所述的一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，所述液体燃料(82)为LiF-BeF2-ThF4-UF4熔盐燃料。
5.如权利要求1所述的一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，所述控制鼓(4)的反射体材料采用BeO，吸收体材料采用B4C。
6.如权利要求1所述的一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，所述控制鼓(4)连接驱动机构(11)。
7.如权利要求1所述的一种热管冷却混合燃料反应堆系统，其特征在于，所述反射层(5)的材料采用BeO；所述堆芯筒体(6)的材料采用钢。
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