CN112133457B - 一种空间核反应堆自主运行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种空间核反应堆自主运行机构，设置在空间核反应堆内，包括通过直管型的热管(4)相连的密封容器和吸收体(7)，密封容器与热管(4)之间为密封连接，密封容器能够沿热管(4)的轴向做伸缩运动；吸收体(7)用于控制空间核反应堆的反应性的大小。本发明利用气体/液体的热胀冷缩效应，在空间核反应堆温度变化时自发引入一定的反应性，补偿由于燃耗等引起的反应性损失，维持空间核反应堆的临界运行。本发明的系统结构简单，对热管(4)的长度无过高要求，具备很高的可实现性。除空间核反应堆之外，本发明还适用于各种其他类型的核反应堆，其数量、位置、尺寸等均可根据具体的反应堆参数需求进行调整。

Description

一种空间核反应堆自主运行机构
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种空间核反应堆自主运行机构。
背景技术
空间核反应堆在发射成功并启动运行后，由于燃耗的不断加深会导致反应性的持续下降，该反应性下降一般可由控制系统通过调节控制机构进行补偿，典型的控制机构有控制鼓、滑移式反射层等。以控制鼓为例，随着堆芯燃耗的加深，控制系统可调节控制鼓的转动角度，使控制鼓的吸收体逐渐转向堆外以引入反应性，维持反应堆的正常运行；对于采用滑移式反射层的反应堆，随着堆芯燃耗的加深，控制系统可调节滑移式反射层相对于堆芯活性区的轴向位置，以增加反应堆的反应性，并维持反应堆的正常运行。这两种方案中，都需要控制系统全程参与反应堆的控制，控制系统需要监测反应堆的运行状态，根据对运行状态的判断发出调节的指令，然后使得控制鼓或滑移式反射层做出相应的调节动作。因此，控制系统的可靠性直接影响反应堆的运行寿命。
美国2018年5月宣布其千瓦级空间堆Kilopower的地面实验堆取得成功。Kilopower的运行方式和传统的空间核反应堆有所不同。该反应堆的热功率很低，仅约4.2千瓦，而堆芯的燃料装量并不少，U-235接近30千克，因此随着燃耗的加深，反应性下降的量非常小。根据Kilopower的设计方案(可参考文献“Thermal power scaling of theKilopower space reactor”)，该反应堆在15年运行寿期内由于燃耗以及燃料肿胀导致的反应性损失总共仅为0.0014，而该反应堆具备-1.95E-5的燃料温度反应性系数，这样，仅需平均每年下降约5K的运行温度，即可维持反应堆的临界运行。因此，Kilopower在开始运行后，15年寿期内均不需要控制系统的控制，反应堆通过温度的缓慢下降即可维持自主运行状态。
然而，Kilopower这种依靠自身的负温度效应的自主运行方式对大部分空间核反应堆均不适用，Kilopower热功率仅为4.2千瓦，绝大多数空间核反应堆的热功率要比Kilopower大得多，对应的，运行过程中的反应性损失也较Kilopower大得多，无法通过自身的负温度效应来补偿，因此，大多数空间核反应堆在运行过程中，都需要控制系统的主动干预，通过调节控制鼓或滑移式反射层等来补偿该反应性损失。
发明内容
基于对现有空间核反应堆控制方式的认识，本发明的目的是提出一种新的运行机构，使得较大功率的空间核反应堆也可具备类似于Kilopower的自主运行特性，即在运行过程中无需控制系统的主动干预，其反应性损失可由小幅度的温度变化来进行补偿。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种空间核反应堆自主运行机构，设置在空间核反应堆内，其中，包括通过直管型的热管相连的密封容器和吸收体，所述密封容器与所述热管之间为密封连接，所述密封容器能够沿所述热管的轴向做伸缩运动；所述吸收体用于控制所述空间核反应堆的反应性的大小。
进一步，所述密封容器包括容器上端壳体和位于所述容器上端壳体下方的弹性波纹管，所述容器上端壳体与所述弹性波纹管的顶端之间密封连接；所述容器上端壳体内部为气体/液体腔室，所述弹性波纹管内部与所述气体/液体腔室连通；所述弹性波纹管具有伸缩弹性，能够使得所述密封容器沿所述热管的轴向做伸缩运动；所述容器上端壳体的横截面大于所述弹性波纹管的横截面。
进一步，所述热管的顶端通过所述弹性波纹管延伸到所述容器上端壳体的所述气体/液体腔室内。
进一步，所述弹性波纹管的底端为所述密封容器的容器底部，所述容器底部与所述热管之间为固定密封连接。
进一步，所述热管的顶端设有传热翅片。
进一步，所述气体/液体腔室内充有气体或液体。
进一步，所述热管的底端延伸到所述吸收体内部。
进一步，所述吸收体的材质为碳化硼。
本发明的有益效果在于：
1.本发明利用气体/液体的热胀冷缩效应，在空间核反应堆温度变化时可自发引入一定的反应性，补偿由于燃耗等引起的反应性损失，维持空间核反应堆的临界运行。本发明使较Kilopower更大功率的反应堆的非能动自主运行成为可能，即空间核反应堆在启动进入运行状态之后，就不再需要任何控制系统的主动干预，依靠自身的非能动调节即可维持整个寿期的运行。
2.本发明的系统结构非常简单，对热管4的长度也无过高要求，具备很高的可实现性。
3.除空间核反应堆之外，本发明还适用于各种其他类型的核反应堆，其数量、位置、尺寸等均可根据具体的反应堆参数需求进行灵活调整。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种空间核反应堆自主运行机构的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种空间核反应堆自主运行机构的剖视图；
图3是设有本发明具体实施方式中所述的一种空间核反应堆自主运行机构的空间核反应堆的剖视图；
图4是设有本发明具体实施方式中所述的一种空间核反应堆自主运行机构的空间核反应堆的示意图(空间核反应堆的温度下降之前的状态，吸收体7全部位于堆芯活性区8内部的孔道内)；
图5是设有本发明具体实施方式中所述的一种空间核反应堆自主运行机构的空间核反应堆的示意图(空间核反应堆的温度下降之后的状态，随着弹性波纹管5的收缩，吸收体7的一部分位于堆芯活性区8内部的孔道内，一部分被从堆芯活性区8中抽离)；
图中：1-容器上端壳体，2-气体/液体腔室，3-传热翅片，4-热管，5-弹性波纹管，6-容器底部，7-吸收体，8-堆芯活性区，9-径向反射层，10-轴向反射层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1、图2所示，本发明提供的一种空间核反应堆自主运行机构，包括热管4、密封容器和吸收体7等部件。热管4为直管型，密封容器设置在热管4的顶端，吸收体7设置在热管4的底端。密封容器与热管4之间为密封连接，密封容器能够沿热管4的轴向做伸缩运动；吸收体7用于控制空间核反应堆的反应性的大小。
密封容器包括容器上端壳体1和位于容器上端壳体1下方的弹性波纹管5，容器上端壳体1与弹性波纹管5的顶端之间密封连接；容器上端壳体1内部为气体/液体腔室2，弹性波纹管5内部与气体/液体腔室2连通；弹性波纹管5具有伸缩弹性，能够使得密封容器沿热管4的轴向做伸缩运动；容器上端壳体1的横截面大于弹性波纹管5的横截面。
热管4的顶端通过弹性波纹管5延伸到容器上端壳体1的气体/液体腔室2内。
弹性波纹管5的底端为密封容器的容器底部6，容器底部6与热管4之间为固定密封连接。
热管4的顶端设有传热翅片3，用来增强热管4与气体/液体腔室2内的气体或液体的传热性能。
气体/液体腔室2内充有气体或液体，气体或液体的种类可根据空间核反应堆的具体设计进行选择。
热管4的底端延伸到吸收体7内部。
吸收体7的材质为碳化硼。
热管4、密封容器等部件的材料可根据具体的反应堆设计方案进行选择。
最后，举例说明本发明的实际应用。
如图3所示，本发明提供的一种空间核反应堆自主运行机构设置在空间核反应堆的堆芯活性区8内，堆芯活性区8的上下两端设有轴向反射层10，堆芯活性区8的环形侧面设有径向反射层9。堆芯活性区8中设有能够容纳吸收体7的孔道，孔道位于堆芯活性区8顶端上方，吸收体7位于该孔道内，容器上端壳体1以及空间核反应堆的位置处于固定状态。
如图4和图5所示，空间核反应堆开始运行时，有部分吸收体7位于堆芯活性区8内。在空间核反应堆运行过程中，由于燃耗、燃料肿胀等引入负反应性，使空间核反应堆的功率和温度降低，同时，热管4的温度将随之下降，导致气体/液体腔室2内的气体/液体温度也将下降，这使得气体/液体腔室2内的气体/液体的压力降低，波纹管5将随之收缩，由于容器上端壳体1是固定的，波纹管5的收缩会带动热管4和吸收体7的位置上移，即部分吸收体7被抽离堆芯活性区8，这将引入正反应性，使空间核反应堆维持临界运行，该过程全程非能动，无需控制系统的主动干预。
对于一定的温度下降，波纹管5收缩的幅度越大，引入的正反应性也越大。因此，即便对于燃耗速度较快的大功率反应堆，通过合理设计，也可以具备和Kilopower类似的自主运行特性，通过缓慢的温度下降即可补偿燃耗等带来的反应性下降，维持反应堆的运行，而无需任何控制系统的主动干预。该自主运行机构的数量、位置、尺寸等可根据具体的反应堆参数需求进行具体设计。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (4)

1.一种空间核反应堆自主运行机构，设置在空间核反应堆内，其特征是：包括通过直管型的热管（4）相连的密封容器和吸收体（7），所述密封容器与所述热管（4）之间为密封连接，所述密封容器能够沿所述热管（4）的轴向做伸缩运动；所述吸收体（7）用于控制所述空间核反应堆的反应性的大小；
所述密封容器包括容器上端壳体（1）和位于所述容器上端壳体（1）下方的弹性波纹管（5），所述容器上端壳体（1）与所述弹性波纹管（5）的顶端之间密封连接；所述容器上端壳体（1）内部为气体/液体腔室（2），所述弹性波纹管（5）内部与所述气体/液体腔室（2）连通；所述弹性波纹管（5）具有伸缩弹性，能够使得所述密封容器沿所述热管（4）的轴向做伸缩运动；所述容器上端壳体（1）的横截面大于所述弹性波纹管（5）的横截面；
所述热管（4）的顶端通过所述弹性波纹管（5）延伸到所述容器上端壳体（1）的所述气体/液体腔室（2）内；
所述弹性波纹管（5）的底端为所述密封容器的容器底部（6），所述容器底部（6）与所述热管（4）之间为固定密封连接；
所述热管（4）的底端延伸到所述吸收体（7）内部。
2.如权利要求1所述的一种空间核反应堆自主运行机构，其特征是：所述热管（4）的顶端设有传热翅片（3）。
3.如权利要求1所述的一种空间核反应堆自主运行机构，其特征是：所述气体/液体腔室（2）内充有气体或液体。
4.如权利要求1所述的一种空间核反应堆自主运行机构，其特征是：所述吸收体（7）的材质为碳化硼。
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