CN111063461A - 一种固态临界装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态临界装置，包括容器、一体化堆芯、反应性调节机构、快速停堆机构和屏蔽体，所述一体化堆芯设置在容器内，所述快速停堆机构从容器顶部正中贯穿一体化堆芯并从容器底端穿出，所述反应性调节机构设置在容器内壁上，所述屏蔽体罩在容器外面，所述容器底端设有支架，所述支架和屏蔽体均搭设在支承件上。本发明解决了快速停堆机构小尺寸下的快速落棒问题，显著提升了实验装置的安全性，本发明具有对环境友好，固有安全性高、结构紧凑、体积小、重量轻等优点。

Description

一种固态临界装置
技术领域
本发明属于核工程技术领域，具体涉及一种固态临界装置。
背景技术
临界装置是为了掌握反应堆的物理性能，由足够的易裂变材料与其他材料组成，能维持可控链式核反应，在很低功率水平下运行的装置。传统临界装置一般采用密封容器，以水为慢化剂和导热材料，该类临界装置的缺点是存在冷却剂丧失的事故风险。此外传统临界装置快速停堆机构一般采用电机断电后，中子吸收体棒在重力作用下落棒的方式实现装置的停机，中子吸收体棒下落的加速度固定，特别是下落的初始阶段速度很小，在下落行程很短的小型装置中，该缺点影响更加显著。此外，传统临界装置无反应性自适应模块，其反应性控制需要通过监测堆芯中子通量数据并反馈给控制系统后进行调节。因此本发明提出了一种固态临界装置，通过优化堆芯、快速停堆机构、反应性调节机构和屏蔽体结构，使装置实验更灵活，同时具有更好的安全性。
发明内容
本发明的目的正是为了解决上述问题，而提出一种固态临界装置，解决了快速停堆机构小尺寸下的快速落棒问题，显著提升了实验装置的安全性，本发明具有对环境友好，固有安全性高、结构紧凑、体积小、重量轻等优点。
本发明提供了一种固态临界装置，包括容器、一体化堆芯、反应性调节机构、快速停堆机构和屏蔽体，所述一体化堆芯设置在容器内，所述快速停堆机构从容器顶部正中贯穿一体化堆芯并从容器底端穿出，所述反应性调节机构设置在容器内壁上，所述屏蔽体罩在容器外面，所述容器底端设有支架，所述支架和屏蔽体均搭设在支承件上。
作为优选手段，所述一体化堆芯包括固态导热材料和固态慢化剂，所述固态导热材料为带凸台的盘状结构，所述盘状结构上设有多个孔洞，所述固态慢化剂为含有多个蜂窝孔的多孔蜂窝煤结构，所述固态慢化剂设置在固态导热材料上，所述固态慢化剂的蜂窝孔与盘状结构上的孔洞一一对应，所述固态慢化剂的蜂窝孔内设有燃料元件，所述固态导热材料与固态慢化剂层层叠加。
作为进一步地优选手段，所述容器上设有多个开口，所述固态导热材料上凸台插入到开口内。
作为进一步地优选手段，所述快速停堆机构包括驱动机构、中子吸收体棒和电磁铁，所述驱动机构设置在中子吸收体棒顶端，所述电磁铁设置在中子吸收体棒的底端，所述中子吸收体棒贯穿一体化堆芯。
作为进一步地优选手段，所述反应性调节机构包括斜面契块和反应性平衡块，所述斜面契块可以水平移动并推动反应性平衡块的垂直移动。
作为进一步地优选手段，所述屏蔽体由多个单元模块拼装组合形成，每个单元模块包括顺次设置的中子慢化层、中子吸收层、γ吸收层以及包裹三个层的结构支架，所述结构支架以坐标系X、Y、Z方向设有巧拼结构。
作为进一步地优选手段，所述中子慢化层材料为石墨，中子吸收层材料为含硼聚乙烯，γ吸收层材料为铅或钨金属，结构支架材料为不锈钢材质。
本发明有益效果：1、反应堆反应性增加后，一体化堆芯温度会升高，一体化堆芯热膨胀挤压反应性调节机构的斜面契块，斜面契块的水平移动推动反应性平衡块的垂直移动，进而自动调节反应堆的反应性，反应性平衡块通常为中子吸收材料，斜面契块与反应性平衡块之间、反应性平衡块与一体化堆芯之间应为尽可能小的摩擦作用以利于反应性平衡块的移动，反应性自调节模块的调节推动力基于一体化堆芯温度变化，可有效避免堆芯温度过高情况以及事故发生。2、为实现低负载、低转速的驱动机构的快速运动及落棒，设计中子吸收体棒由铁磁性材料和中子吸收材料组成，无需快速停堆时，驱动机构和中子吸收体棒保持连接，电磁铁不供电，接收到停堆指令时，驱动机构断开与中子吸收体棒的连接，同时实现电磁铁的供电，中子吸收体棒在重力和电磁铁的吸引力双重作用下快速下落停堆，本发明的快速停堆系统与传统滚柱丝杠快速落棒相比，减小了控制棒驱动线长度，降低了驱动机构的能力要求，并能满足落棒时间的安全要求。3、本发明解决了屏蔽体的模块化、灵活拼装和多功能化问题，解决了反应性调节机构对堆芯裂变反应性的自适应问题，解决了快速停堆机构小尺寸下的快速落棒问题，显著提升了实验装置的安全性，本发明具有对环境友好，固有安全性高、结构紧凑、体积小、重量轻等优点。
附图说明
图1为本发明的一种固态临界装置的结构示意图。
图2为本发明的屏蔽体结构层示意图。
图3为本发明的固态导热材料的结构示意图。
图中：1、屏蔽体；11、结构支架；12、中子慢化层；13、中子吸收层；14、γ吸收层；2、快速停堆机构；21、驱动机构；22、中子吸收体棒；23、电磁铁；3、容器；31、支架；4、一体化堆芯；41、固态导热材料；411、凸台；412、孔洞；42、固态慢化剂；43、燃料元件；5、反应性调节机构；51、斜面契块；52、反应性平衡块；6、支承件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的一种固态临界装置，包括容器3、一体化堆芯4、反应性调节机构5、快速停堆机构2和屏蔽体1，所述一体化堆芯4设置在容器3内，所述快速停堆机构2从容器3顶部正中贯穿一体化堆芯4并从容器3底端穿出，所述反应性调节机构5设置在容器3内壁上，所述屏蔽体1罩在容器3外面，所述容器3底端设有支架31，所述支架31和屏蔽体1均搭设在支承件6上。支承件6可以采用一块钢板，起到固定作用即可。
所述一体化堆芯4包括固态导热材料41和固态慢化剂42，所述固态导热材料41为带凸台411的盘状结构，所述盘状结构上设有多个孔洞412，所述固态慢化剂42为含有多个蜂窝孔的多孔蜂窝煤结构，所述固态慢化剂42设置在固态导热材料41上，所述固态慢化剂42的蜂窝孔与盘状结构上的孔洞411一一对应，所述固态慢化剂42的蜂窝孔内设有燃料元件43，所述固态导热材料41与固态慢化剂42层层叠加。燃料元件43为棒状，外壳为不锈钢，内部为易裂变物质。
堆芯辐射逸出的中子，穿过屏蔽体的单元模块时，首先被中子慢化层慢化，然后被中子吸收层吸收，中子吸收过程释放的次级γ射线被γ吸收层吸收。
燃料元件43释放的裂变能以热量的形式通过固态导热材料41传导至容器3外。
所述容器3上设有多个开口，所述固态导热材料41上的凸台411插入到开口内。开口可以设置四个长条孔洞，相应的每个固态导热材料41上的凸台411个数也为四个。
所述快速停堆机构2包括驱动机构21、中子吸收体棒22和电磁铁23，所述驱动机构21设置在中子吸收体棒22顶端，所述电磁铁23设置在中子吸收体棒22的底端，所述中子吸收体棒22贯穿一体化堆芯4，所述中子吸收体棒由铁磁性材料和中子吸收材料组成。
所述反应性调节机构5包括斜面契块51和反应性平衡块52，所述斜面契块51可以水平移动并推动反应性平衡块52的垂直移动。反应性调节机构安装在容器3内侧壁与一体化堆芯4的间隙位置处。
所述屏蔽体1由多个单元模块拼装组合形成，每个单元模块包括顺次设置的中子慢化层12、中子吸收层13、γ吸收层14以及包裹三个层的结构支架11，所述结构支架11以坐标系X、Y、Z方向设有巧拼结构。所述中子慢化层12材料为石墨，中子吸收层13材料为含硼聚乙烯，γ吸收层14材料为铅或钨金属，结构支架11材料为不锈钢材质。利用单元模块在X、Y、Z方向多层次巧拼形成的屏蔽体1，既能实现屏蔽优化功能，还具有一定的结构强度可承担部分结构功能。
固态临界装置具有设备简单，无流体驱动设备，反应性稳定、反应堆寿命长等优点。同时，由于没有利用液体或气体流动带走核裂变能，不存在冷却剂冷却能力削减、冷却剂丧失等事故风险。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固态临界装置，其特征在于：包括容器(3)、一体化堆芯(4)、反应性调节机构(5)、快速停堆机构(2)和屏蔽体(1)，所述一体化堆芯(4)设置在容器(3)内，所述快速停堆机构(2)从容器(3)顶部正中贯穿一体化堆芯(4)并从容器(3)底端穿出，所述反应性调节机构(5)设置在容器(3)内壁上，所述屏蔽体(1)罩在容器(3)外面，所述容器(3)底端设有支架(31)，所述支架(31)和屏蔽体(1)均搭设在支承件(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种固态临界装置，其特征在于：所述一体化堆芯(4)包括固态导热材料(41)和固态慢化剂(42)，所述固态导热材料(41)为带凸台(411)的盘状结构，所述盘状结构上设有多个孔洞(412)，所述固态慢化剂(42)为含有多个蜂窝孔的多孔蜂窝煤结构，所述固态慢化剂(42)设置在固态导热材料(41)上，所述固态慢化剂(42)的蜂窝孔与盘状结构上的孔洞(411)一一对应，所述固态慢化剂(42)的蜂窝孔内设有燃料元件(43)，所述固态导热材料(41)与固态慢化剂(42)层层叠加。
3.根据权利要求2所述的一种固态临界装置，其特征在于：所述容器(3)上设有多个开口，所述固态导热材料(41)上的凸台(411)插入到开口内。
4.根据权利要求1所述的一种固态临界装置，其特征在于：所述快速停堆机构(2)包括驱动机构(21)、中子吸收体棒(22)和电磁铁(23)，所述驱动机构(21)设置在中子吸收体棒(22)顶端，所述电磁铁(23)设置在中子吸收体棒(22)的底端，所述中子吸收体棒(22)贯穿一体化堆芯(4)。
5.根据权利要求1所述的一种固态临界装置，其特征在于：所述反应性调节机构(5)包括斜面契块(51)和反应性平衡块(52)，所述斜面契块(51)可以水平移动并推动反应性平衡块(52)的垂直移动。
6.根据权利要求1所述的一种固态临界装置，其特征在于：所述屏蔽体(1)由多个单元模块拼装组合形成，每个单元模块包括顺次设置的中子慢化层(12)、中子吸收层(13)、γ吸收层(14)以及包裹三个层的结构支架(11)，所述结构支架(11)以坐标系X、Y、Z方向设有巧拼结构。
7.根据权利要求6所述的一种固态临界装置，其特征在于：所述中子慢化层(12)材料为石墨，中子吸收层(13)材料为含硼聚乙烯，γ吸收层(14)材料为铅或钨金属，结构支架(11)材料为不锈钢材质。
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