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一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体公开一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，该热管反应堆堆芯包括热管、燃料棒、堆内构件、堆内隔热层、反射层、旋转鼓、反应堆容器和反应性驱动机构，若干个热管和燃料棒布置在堆内构件内，堆内构件外套有堆内隔热层，堆内隔热层外套有反射层，反射层与堆内隔热层之间沿周向布置若干个旋转鼓，反射层外套有反应堆容器，反应性驱动机构位于反应堆容器底部，反应性驱动机构与旋转鼓的数量、布置方式相同。本发明所提供的热管反应堆堆芯结构简单可靠，寿命长，固有安全性高，具备模块化配置能力，可以和各种类型的热电转换装置匹配应用。

Description

一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构。
背景技术
对于热管反应堆的研究，国内外相关研究单位均进行了大量的研究，但是公开报道的都大多为宏观性的报道，对于反应堆详细堆芯并未有描述。
对于电功率在1kW～10MW的核反应堆，现有技术中的其他类型如压水堆、金属冷却反应堆、气冷堆等的反应堆堆芯，存在体积大、重量重、结构复杂、建造周期长、运行制约因素多等固有的劣势，不利于未来多场合应用的市场需求。
发明内容
本发明主要是针对未来小型功率需求、多种应用场合的装备，提出一种具有长寿命、高安全、模块化、多用途的用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构。
实现本发明目的的技术方案：一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，该热管反应堆堆芯包括热管、燃料棒、堆内构件、堆内隔热层、反射层、旋转鼓、反应堆容器和反应性驱动机构，若干个热管和燃料棒布置在堆内构件内，堆内构件外套有堆内隔热层，堆内隔热层外套有反射层，反射层与堆内隔热层之间沿周向布置若干个旋转鼓，反射层外套有反应堆容器，反应性驱动机构位于反应堆容器底部，反应性驱动机构与旋转鼓的数量、布置方式相同。
所述的热管和燃料棒按比例2:1、1:1、1:2、1:3、1:4、1:6或者1:12均匀布置。
所述的热管和燃料棒按三角形、正方形或者正六边形方式排布。
所述的旋转鼓包括若干个数量相同的大鼓和小鼓，鼓和小鼓沿周向均匀间隔布置在反射层与堆内隔热层之间。
所述的旋转鼓为中空圆柱形堆芯，一半圆弧为吸收体，另一半圆弧为反射体。
所述的反射层采用BeO材料。
所述的反应堆容器外套有反应堆保温及屏蔽堆芯9。
所述的反射层外侧设有堆内辐射屏蔽体，且反射层和辐射屏蔽体10均位于反应堆容器内。
所述的反应堆容器的两端外侧各设有一道环形反应堆支承。
所述的环形反应堆支承的一侧与反应堆容器固定连接，环形反应堆支承的另一侧与反应堆容器之间设有弹性限位环。
本发明的有益技术效果在于：本发明所提供的热管反应堆堆芯结构简单可靠，寿命长，固有安全性高，具备模块化配置能力，可以和各种类型的热电转换装置匹配应用。本发明所提供的热管反应堆没有传统的压水堆一回路系统设备，转动机械设备只有反应性驱动机构，反应堆正常功率运行时，反应性驱动机构处于保持状态，反应堆自耗电少且无振动和噪声；热管反应堆系统高度简化，系统和阀门等数目比压水堆少80％以上，泵类设备比压水堆少95％；在小功率(电功率不大于5MW)下，热管反应堆重量和体积只有压水堆的一半以下；本发明所提供的热管反应堆以热管为载热工具，自主式输运热量，无闭式循环主冷却剂系统和大功率机械转动设备，固有安全性大幅提高，初因事故少；热管独立性好，应对事故能力强；热管反应堆输出温度较高，可达600℃以上，结合新型热电转换技术可实现较高的热电转换效率；本发明所提供的反应堆无主冷却剂系统，仅少量辅助系统，所需测量和控制的参数相对较少，反应堆运行操作非常简便，有利于智能化、无人化。
附图说明
图1为本发明所提供的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构的示意图；
图2为本发明所提供的一种可应用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构的热管1从反应堆顶部和底部对称引出的示意图；
图3为本发明所提供的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构的剖视图；
图4为图3的堆内构件放大时的剖视图。
图中：1—热管，2—燃料棒，3—堆内构件，4—堆内隔热层，5—反射层，6—旋转鼓，7—反应堆容器，8—反应性驱动机构，9—反应堆保温及屏蔽堆芯，10—堆内辐射屏蔽体，11—反应堆支承。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
如图1、2、3、4所示，本发明所提供的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，该热管反应堆堆芯包括若干根热管1、若干根圆柱形燃料棒2、堆内构件3、堆内隔热层4、反射层5、旋转鼓6、反应堆容器7、反应性驱动机构8、反应堆保温及屏蔽结构9、堆内辐射屏蔽体10、反应堆支承11。5～3000根热管1和10～2000根圆柱形燃料棒2按照一定的比例和三角形、正方形、正六边形等排布方式安装在堆内构件3内部构成热管反应堆的堆芯。例如，热管1和燃料棒2按比例2:1、或者1:1、或者1:2、或者1:3、或者1:4、或者1:6、或者1:12均匀布置排列。本实施实例中，热管1和燃料棒2按照正六边形排列，即一根热管1周围由6根燃料棒2包围，热管1和燃料棒2的比例为1:2，热管1的数量为324，燃料棒的数量为627；堆内构件3为正六边形套管。热管反应堆堆芯采用富集度不高于20％的UO2燃料，堆芯活性段高度与活性区当量直径之比一般为0.9～1.1，采用圆柱形燃料元件即棒圆柱形燃料2。反应堆采用高温高效碱金属热管1输运堆芯产生的热量。
如图1、2、3、4所示，热管1和燃料棒2均采用不锈钢或者高温镍基合金作为结构材料。热管1从反应堆顶部引出(图1)或从顶部和底部对称引出(图2)。热管1采用标准外部接口，可以连接热电偶、热声发电机、热光伏发电系统等多类设备实现热电转换。堆内隔热层4采用低热导率结构设计，堆内隔热层4内壁与堆芯的堆内构件3外壁贴合，堆内隔热层4外壁与反射层5贴合，不仅能减少堆芯热量损失，也可以对反射层5堆芯起到支撑和保护作用。反射层5布置在堆芯外围，内部形状与堆内隔热层4一致，反射层5外形为圆柱形、材料采用BeO。6～24个旋转鼓6沿周向均匀间隔布置在反射层5与堆内隔热层4之间，本实施例中旋转鼓6的数量为12个，分为六个大鼓和六个小鼓，大鼓小鼓沿周向均匀间隔布置；旋转鼓6为中空圆柱形结构，全长方向一半圆弧为吸收体、另一半圆弧为反射体，旋转鼓6的吸收体采用B4C吸收体，反射体采用BeO材料，用于控制热管反应堆的反应性。具体反应性的控制由反应性驱动机构8驱动旋转鼓6通过改变旋转鼓6的角度来实现。在反应堆轴向方向上设置有圆饼形的堆内辐射屏蔽体10，堆内辐射屏蔽体10位于反射层5外侧；堆内辐射屏蔽体10采用不锈钢钢板包裹LiH构成，结构内部设置有与热管1数量和排布方式相同的贯穿孔，用于热管1的引出。反射层5和辐射屏蔽体10外部套有反应堆容器7，反应堆容器7用于包容热管1、燃料棒2、堆内构件3、堆内隔热层4、反射层5、旋转鼓6并提供定位，同时为反应性驱动机构8提供支撑和定位。反应性驱动机构8数量为12个，驱动机构8的数量、排布方式与旋转鼓6相同，每个反应性驱动机构8端部与各自对应的旋转鼓6接触；反应性驱动机构8通过螺栓等紧固件采用机械连接的方式固定在反应堆容器7的底部外壁。反应堆保温及屏蔽结构9为多块结构组装的整体式结构，完整包裹住整个反应堆容器7，在对应反应性驱动机构8位置留有孔道以实现反应性驱动机构8的安装，整体上实现反应堆保温和阻止放射性外泄。两道环形反应堆支承11分别安装在反应堆容器7的两端外部，其外部与整体式耐压壳通过焊接连接固定。底部环形反应堆支承11的内侧与反应堆容器7机械连接固定，上部环形反应堆支承11内侧装有弹性限位环对反应堆容器7进行周向限位，允许反应堆在运行工况下轴向向上生长。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：该热管反应堆堆芯结构包括热管(1)、燃料棒(2)、堆内构件(3)、堆内隔热层(4)、反射层(5)、旋转鼓(6)、反应堆容器(7)和反应性驱动机构(8)，若干个热管(1)和燃料棒(2)布置在堆内构件(3)内，堆内构件(3)外套有堆内隔热层(4)，堆内隔热层(4)外套有反射层(5)，反射层(5)与堆内隔热层(4)之间沿周向布置若干个旋转鼓(6)，反射层(5)外套有反应堆容器(7)，反应性驱动机构(8)位于反应堆容器(7)底部，反应性驱动机构(8)与旋转鼓(6)的数量、布置方式相同；反应堆容器(7)用于包容热管(1)、燃料棒(2)、堆内构件(3)、堆内隔热层(4)、反射层(5)、旋转鼓(6)并提供定位，同时为反应性驱动机构(8)提供支撑和定位；热管(1)和燃料棒(2)按比例2:1、1:1、1:2、1:3、1:4、1:6或者1:12均匀布置，热管(1)和燃料棒(2)按三角形、正方形或者正六边形方式排布安装在堆内构件( 3) 内部构成热管反应堆的堆芯；燃料棒(2)为圆柱形燃料棒，热管反应堆的堆芯采用富集度不高于20％的UO2燃料；反应堆容器(7)外套有反应堆保温及屏蔽结构(9)，反应堆保温及屏蔽结构(9)为整体式结构，完整包裹住整个反应堆容器(7)，在对应反应性驱动机构(8)位置留有孔道以实现反应性驱动机构(8)的安装，整体上实现反应堆保温和阻止放射性外泄；堆内隔热层(4)内壁与堆芯的堆内构件(3)外壁贴合，堆内隔热层(4)外壁与反射层(5)贴合，不仅能减少堆芯热量损失，也对反射层(5)、堆芯起到支撑和保护作用。
2.根据权利要求1所述的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：所述的旋转鼓(6)包括若干个数量相同的大鼓和小鼓，大鼓和小鼓沿周向均匀间隔布置在反射层(5)与堆内隔热层(4)之间。
3.根据权利要求2所述的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：所述的旋转鼓(6)为中空圆柱形结构，一半圆弧为吸收体，另一半圆弧为反射体。
4.根据权利要求3所述的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：所述的反射层(5)采用BeO材料。
5.根据权利要求4所述的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：所述的反射层(5)外侧设有堆内辐射屏蔽体(10)，且反射层(5)和辐射屏蔽体( 10) 均位于反应堆容器(7)内。
6.根据权利要求5所述的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：所述的反应堆容器(7)的两端外侧各设有一道环形反应堆支承(11)。
7.根据权利要求6所述的一种用于多种发电模式的热管反应堆堆芯结构，其特征在于：所述的环形反应堆支承(11)的一侧与反应堆容器(7)固定连接，环形反应堆支承(11)的另一侧与反应堆容器(7)之间设有弹性限位环。
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