CN110718307B - 一种预储能反应性控制机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种预储能反应性控制机构，包括外管、凝固密封、储能机构和反应性元件；所述凝固密封设置于外管的内部腔室顶端；所述储能机构设置于外管的内部腔室底端；所述储能机构向上释放势能，并做驱动动作；所述反应性元件设置于外管的内部腔室内，其底端与储能机构上端接触，其顶端与凝固密封下端接触；其中，凝固密封具有冷态固体状态和热态液体状态；当凝固密封处于冷态固体状态，凝固密封将外管的顶部密封，承受储能机构的势能；当凝固密封处于热态液体状态，储能机构向上释放势能，并推动反应性元件向上移动至喷出外管。本发明具有无复杂动部件、系统小型、运行寿命长、安全性高的优点。

Description

一种预储能反应性控制机构
技术领域
本发明涉及核能工程技术领域，尤其涉及一种预储能反应性控制机构。
背景技术
核反应堆具有不依赖外部环境(低温、阳光、空气)的特点，在海洋、空间、航天等领域有很大的优势以及应用前景。不同于地面固定式核反应堆，多场景应用反应堆受限于运输工具的尺寸和运载能力，移动式核电源必须具有小型化和轻量化的特征。同时，由于部分应用场景系统难以维护，因此，移动式核电源还必须具有长时间免维护的特征。
传统的反应性控制机构有控制棒驱动机构和转鼓两种。其中，控制棒驱动机构在反应堆堆芯内的高温高辐照区域包含轴承等易损件，无法满足“长时间工作”的需求；而转鼓控制机构需要较大的回转空间，会增加反应堆中反射层的尺寸，进而增大堆芯和屏蔽体的体积，从而影响反应堆的“小型轻量”要求。
据此，目前急需一种结构简单、小型轻量、安全可靠，并能够长时间运行的反应性控制机构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、小型轻量、安全可靠，并能够长时间运行的预储能反应性控制机构。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种预储能反应性控制机构，包括：
外管，所述外管的管身插入核反应堆的反应堆容器中；
凝固密封，所述凝固密封设置于外管的内部腔室顶端；
储能机构，所述储能机构设置于外管的内部腔室底端；所述储能机构向上释放势能，并做驱动动作；
反应性元件，所述反应性元件设置于外管的内部腔室内，并且，反应性元件的底端与所述储能机构的上端接触，其顶端与所述凝固密封的下端接触；
其中，所述凝固密封具有冷态固体状态和热态液体状态；当所述凝固密封处于冷态固体状态，所述凝固密封将外管的顶部密封；当所述凝固密封处于热态液体状态，所述储能机构向上释放势能，并推动反应性元件向上移动至喷出外管。
作为本发明的优选方式之一，所述外管具体为底部带封头的圆柱壳体结构，所述圆柱壳体结构的内部容纳有所述凝固密封、反应性元件与储能机构。
作为本发明的优选方式之一，所述外管的顶部成型有一凸台，所述凸台内设置有所述凝固密封。
作为本发明的优选方式之一，所述外管的外管壁上与所述凝固密封相对应的位置，设置有加热丝；所述加热丝用于凝固密封的加热融化，以使得所述凝固密封具有冷态固体状态和热态液体状态两种状态。
作为本发明的优选方式之一，所述储能机构包括动力机构以及设置于动力机构顶部的活塞；所述动力机构具体为弹簧或高压气体；当启动开关，所述弹簧或高压气体释放势能，驱动活塞向上运动，并带动活塞上方的反应性元件向上移动。
作为本发明的优选方式之一，所述反应性元件采用中子吸收材料或中子增殖材料，并且，结构形式上为液态、固态或颗粒体。
作为本发明的优选方式之一，所述中子吸收材料具体为硼或锂6，所述中子增殖材料具体为核燃料。
作为本发明的优选方式之一，所述凝固密封采用高熔点材料。
作为本发明的优选方式之一，所述高熔点材料具体为CuNi合金或316不锈钢。
作为本发明的优选方式之一，所述反应堆容器具体为圆柱形容器，所述圆柱形容器的外周包裹有保温层，圆柱形容器的内部容纳有核反应堆堆芯；所述外管的底端自上而下地贯穿所述保温层与反应堆容器，至插入所述核反应堆堆芯；其中，所述外管内反应性元件的轴向位置正好覆盖所述核反应堆堆芯的轴向位置。
本发明相比现有技术的优点在于：
(1)本发明提供的预储能反应性控制机构，结构简单，体积利用率高，具有小型轻量的特征；
(2)本发明提供的预储能反应性控制机构，采用非能动的储能形式，无复杂动部件，可实现长时间运行的可靠性；
(3)本发明提供的预储能反应性控制机构，可以多套冗余利用，每套机构当量小，可引入反应性少，安全性高。
附图说明
图1是实施例1中预储能反应性控制机构的正视剖面图；
图2是实施例1中预储能反应性控制机构的俯视剖面图；
图3是图1中单个外管及其内部结构的放大结构图。
图中：1为外管，11为凸台，2为凝固密封，3为储能机构，31为动力机构，32为活塞，4为反应性元件，5为反应堆容器，6为保温层，7为核反应堆堆芯。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1-3所示，本实施例的一种预储能反应性控制机构，包括外管1以及封装在外管1内部腔室中的凝固密封2、储能机构3与反应性元件4；其中，外管1的顶部管口暴露在核反应堆的反应堆容器5之外，外管1管身则竖直插入所述反应堆容器5中。
外管1为预储能反应性控制机构的边界，提供与反应堆环境的隔离。所述外管1具体为底部带封头的圆柱壳体结构，采用多管段焊接方式，其顶部管口处成型有一凸台11，凸台11内设置有所述凝固密封2。
凝固密封2为预储能反应性控制机构的控制元件。所述凝固密封2设置于外管1的内部腔室顶端，且具体采用高熔点材料制成；基于凝固密封2的材质属性，该结构具有冷态固体状态与热态液体状态两种状态；当凝固密封2处于冷态固体状态，凝固密封2对外管1的顶部起到支撑密封作用；当凝固密封2从固体状态被加热到液体状态，将失去支撑作用，将转换至热态液体状态，至此，凝固密封2将外管1的顶部解封。
储能机构3为预储能反应性控制机构的动力元件，储备能够推动元件移动的势能。所述储能机构3设置于外管1的内部腔室底端，且具体包括动力机构31以及设置于动力机构31顶部的活塞32；当启动储能机构3控制开关，动力机构31可驱动活塞32向上运动，并带动活塞32上方的结构元件向上移动。
反应性元件4为预储能反应性控制机构的功能元件。所述反应性元件4设置于外管1的内部腔室内，其底端与储能机构3上端接触，其顶端与凝固密封2下端接触；在上述凝固密封2处于冷态固体状态时，反应性元件4在核反应堆堆芯7内吸收中子；当凝固密封2转换至热态液体状态，凝固密封2将外管1的顶部解封，此时启动储能机构3控制开关，动力机构31向上释放势能，驱动活塞32推动其上方的反应性元件4向上移动至喷出外管1。
反应堆容器5具体为圆柱形容器，圆柱形容器的外周包裹有保温层6，圆柱形容器的内部容纳有核反应堆堆芯7；使用时，外管1底端自上而下地贯穿所述保温层6与反应堆容器5，至插入核反应堆堆芯7；并且，外管1内反应性元件4的轴向位置正好覆盖核反应堆堆芯7的轴向位置。
进一步地，在本实施例中，外管1的外管壁上与所述凝固密封2相对应的位置，还设置有加热丝(图中未标示)；该加热丝用于凝固密封2的加热融化，以使得凝固密封2具有冷态固体状态和热态液体状态两种状态。
进一步地，在本实施例中，动力机构31具体为弹簧或高压气体；当启动储能机构3控制开关，弹簧或高压气体释放势能，驱动活塞32向上运动，并带动活塞32上方的反应性元件4向上移动。
进一步地，在本实施例中，反应性元件4具体采用硼、锂6等中子吸收材料，或者，核燃料等中子增殖材料，并且，结构形式上为液态、固态或颗粒体。该反应性元件4位于核反应堆堆芯7内，起维持链式反应的作用。
进一步地，在本实施例中，凝固密封2采用的高熔点材料具体为CuNi合金或316不锈钢。
此外，需说明的是，上述反应堆容器5中的核反应堆堆芯7为多个，且具体为棒束或者蜂窝结构；对应地，反应堆容器5中的外管1及其内部的凝固密封2、储能机构3、反应性元件4也具体表现为多个。
同时，还需说明的是，上述反应性元件4和外管1径向布置在核反应堆堆芯7中，可根据实际需求进行不同尺寸和位置的组合。
原理：
正常运行时，凝固密封2为冷态固体(可承载储能机构的力)，储能机构3所储存的势能以力的形式最终作用在凝固密封2上；凝固密封2形状贴合外管1的顶部腔室，由外管1的结构提供固定和支撑，将反应性元件4固定在与核反应堆堆芯7同一轴向高度。
预储能反应性控制机构动作时，通过加热丝将凝固密封2加热为液态，凝固密封2不再能够承受储能机构3的力；随后，反应性元件4在储能机构3的作用下，从外管1内喷出反应堆容器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预储能反应性控制机构，其特征在于，包括：
外管，所述外管的管身插入核反应堆的反应堆容器中；
凝固密封，所述凝固密封设置于外管的内部腔室顶端；
储能机构，所述储能机构设置于外管的内部腔室底端；所述储能机构向上释放势能，并做驱动动作；
反应性元件，所述反应性元件设置于外管的内部腔室内，并且，反应性元件的底端与所述储能机构的上端接触，其顶端与所述凝固密封的下端接触；
其中，所述凝固密封具有冷态固体状态和热态液体状态；当所述凝固密封处于冷态固体状态，所述凝固密封将外管的顶部密封；当所述凝固密封处于热态液体状态，所述储能机构向上释放势能，并推动反应性元件向上移动至喷出外管。
2.根据权利要求1所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述外管具体为底部带封头的圆柱壳体结构，所述圆柱壳体结构的内部容纳有所述凝固密封、反应性元件与储能机构。
3.根据权利要求1所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述外管的顶部成型有一凸台，所述凸台内设置有所述凝固密封。
4.根据权利要求1所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述外管的外管壁上与所述凝固密封相对应的位置，设置有加热丝；所述加热丝用于凝固密封的加热融化，以使得所述凝固密封具有冷态固体状态和热态液体状态两种状态。
5.根据权利要求1所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述储能机构包括动力机构以及设置于动力机构顶部的活塞；所述动力机构具体为弹簧或高压气体；当启动开关，所述弹簧或高压气体释放势能，驱动活塞向上运动，并带动活塞上方的反应性元件向上移动。
6.根据权利要求1所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述反应性元件采用中子吸收材料或中子增殖材料，并且，结构形式上为液态或固态。
7.根据权利要求6所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述中子吸收材料具体为硼或锂6，所述中子增殖材料具体为核燃料。
8.根据权利要求1所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述凝固密封采用高熔点材料。
9.根据权利要求8所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述高熔点材料具体为CuNi合金或316不锈钢。
10.根据权利要求1-9任一所述的预储能反应性控制机构，其特征在于，所述反应堆容器具体为圆柱形容器，所述圆柱形容器的外周包裹有保温层，圆柱形容器的内部容纳有核反应堆堆芯；所述外管的底端自上而下地贯穿所述保温层与反应堆容器，至插入所述核反应堆堆芯；其中，所述外管内反应性元件的轴向位置正好覆盖所述核反应堆堆芯的轴向位置。
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