CN112133458B - 一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，设置在空间核反应堆的堆芯活性区(9)内，堆芯活性区(9)的顶端设有屏蔽体(6)；非能动自主控制安全棒机构包括通过热管(2)串联在一起的安全棒(3)和跟随体(4)，安全棒(3)用于保证空间核反应堆在发射掉落事故工况下的安全性,跟随体(4)用于堆芯活性区(9)的中子慢化，增加空间核反应堆的反应性。本发明在空间核反应堆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；可减小屏蔽体(6)的初始重量，帮助减少燃料装量、减小空间核反应堆重量和体积，降低成本。

Description

一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构。

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，本发明的目的是提供一种新的控制方式，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用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，设置在空间核反应堆的堆芯活性区内，所述堆芯活性区的顶端设有屏蔽体，其中，包括通过热管串联在一起的安全棒和跟随体，所述安全棒用于保证所述空间核反应堆在发射掉落事故工况下的安全性,所述跟随体用于所述堆芯活性区的中子慢化，增加所述空间核反应堆的反应性。

进一步，所述热管和所述安全棒和所述跟随体均为圆柱形，所述安全棒位于所述跟随体的顶端；所述热管设置在所述安全棒和所述跟随体内部，与所述安全棒和所述跟随体固定连接；所述热管和所述安全棒和所述跟随体同轴；所述热管的顶端延伸到所述安全棒之外，在所述热管的顶端设有安全棒驱动轴，所述安全棒驱动轴用于与安全棒驱动机构相配合对所述安全棒和所述跟随体进行轴向的提拉；所述热管能够随温度变化造成的热胀冷缩发生轴向的伸缩变化。

进一步，所述安全棒驱动轴为圆柱状，与所述热管同轴，两者固定连接。

进一步，所述屏蔽体中设有能够容纳所述安全棒的空腔，所述空腔位于所述堆芯活性区顶端上方，所述热管的顶端和所述安全棒驱动轴从所述空腔延伸到所述屏蔽体顶端之外；所述安全棒驱动机构带动所述安全棒驱动轴沿轴向向上提拉时，所述安全棒能够从所述堆芯活性区进入所述空腔内，同时所述跟随体进入所述堆芯活性区内。

进一步，当所述空间核反应堆启动进入运行状态时，所述安全棒的底端仍然有部分位于所述堆芯活性区内。

进一步，所述安全棒的材质为碳化硼。

进一步，所述跟随体的材质为铍或氧化铍。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用热管2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。该方案使较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.在空间核反应堆启动时，安全棒3被抽出堆芯活性区9，并进入屏蔽体6中的空腔7，成为屏蔽体6材料的一部分，这样可减小屏蔽体6的初始重量。

3.在安全棒3被抽出堆芯活性区9的同时，跟随体4进入堆芯活性区9，可以起到慢化的作用，为空间核反应堆提供额外的反应性，可帮助减少燃料装量、减小反应堆重量和体积，降低成本。

附图说明

图1是发明具体实施方式中所述的一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构的示意图(不包含安全棒驱动机构5)；

图2是设有本发明所提供的一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构的空间核反应堆的示意图(空间核反应堆处于未启动运行的状态，安全棒3位于堆芯活性区9内部，跟随体4位于堆芯活性区9外部)；

图3是设有本发明所提供的一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构的空间核反应堆的示意图(空间核反应堆处于启动运行的状态，安全棒3位于屏蔽体6的空腔7内部，跟随体4位于堆芯活性区9内部)；

图4是设有本发明所提供的一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构的空间核反应堆的示意图(空间核反应堆处于启动运行的状态，热管2收缩带动一部分安全棒3从堆芯活性区9抽离)；

图5是本发明所述的安全棒3和跟随体4与空间核反应堆的位置关系的局部放大图(空间核反应堆处于启动运行的状态)；

图6是本发明所述的安全棒3和跟随体4与空间核反应堆的位置关系的局部放大图(空间核反应堆处于启动运行的状态，热管2收缩带动一部分安全棒3从堆芯活性区9抽离)；

图中：1-安全棒驱动轴，2-热管，3-安全棒，4-跟随体，5-安全棒驱动机构，6-屏蔽体，7-空腔，8-轴向反射层，9-堆芯活性区，10-径向反射层。

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、图3所示，本发明提供的一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，设置在空间核反应堆的堆芯活性区9内，包括安全棒驱动轴1、热管2、安全棒3和跟随体4等部件。堆芯活性区9的上下两端设有轴向反射层8，堆芯活性区9的环形侧面设有径向反射层10。堆芯活性区9的顶端设有屏蔽体6，屏蔽体6中设有能够容纳安全棒3的空腔7，空腔7位于堆芯活性区9顶端上方。

安全棒3和跟随体4通过热管2串联在一起，安全棒3用于保证空间核反应堆在发射掉落事故工况下的安全性,跟随体4用于堆芯活性区9的中子慢化，增加空间核反应堆的反应性。

热管2、安全棒3和跟随体4均为圆柱形，安全棒3位于跟随体4的顶端；热管2设置在安全棒3和跟随体4内部，与安全棒3和跟随体4固定连接；热管2、安全棒3和跟随体4三者同轴；热管2的顶端延伸到安全棒3之外，在热管2的顶端设有安全棒驱动轴1，安全棒驱动轴1用于与安全棒驱动机构5相配合对安全棒3和跟随体4进行轴向的提拉，安全棒驱动机构5可通过该安全棒驱动轴1来调节安全棒3的轴向位置；热管2能够随温度变化造成的热胀冷缩发生轴向的伸缩变化。

安全棒驱动轴1为圆柱状，与热管2同轴，两者固定连接。

热管2的顶端和安全棒驱动轴1从空腔7延伸到屏蔽体6顶端之外；安全棒驱动机构5带动安全棒驱动轴1沿轴向向上提拉时，安全棒3能够从堆芯活性区9进入空腔7内，同时跟随体4进入堆芯活性区9内。

如图3、图5所示，当空间核反应堆启动进入运行状态时，安全棒3的底端仍然有部分位于堆芯活性区9内。随着空间核反应堆的运行，反应性下降导致温度下降再导致热管2收缩，可以带动安全棒3的底端进一步从堆芯活性区9抽离，这样才能起到引入反应性的作用，从而为空间核反应堆提供额外的反应性。

安全棒3的材质为碳化硼。

跟随体4的材质为铍或氧化铍。

热管2的材质以及热管2内部的工质可以根据空间核反应堆的具体设计进行选择。热管2的长度可根据具体的反应堆参数需求进行设计。

最后，举例说明本发明的实际应用。

如图2所示，在空间核反应堆发射阶段，空间核反应堆处于未启动状态，安全棒3位于堆芯活性区9之内，跟随体4则位于堆芯活性区9之外(即位于堆芯前端)，此时可保证空间核反应堆在各种事故工况下都能处于次临界的安全状态。安全棒驱动机构5可通过该安全棒驱动轴1来调节安全棒3的轴向位置。

在发射成功后空间核反应堆准备启动时，在安全棒驱动机构5的控制下，安全棒3的大部分被往上抽出堆芯活性区9，并进入屏蔽体6中的空腔7，成为屏蔽体6材料的一部分，可提供部分屏蔽功能，同时，跟随体4进入堆芯活性区9，为堆芯提供一定的慢化作用，并引入一定的反应性，之后，空间核反应堆在其他控制机构的调节下开始进入运行状态。空间核反应堆进入运行状态后，安全棒驱动轴1被安全棒驱动机构5卡死，此后，安全棒驱动机构5不再运作。另外，在空间核反应堆进入运行状态时，安全棒3仍有一小部分位于堆芯活性区9之内，如图3和图5所示。

在空间核反应堆运行过程中，由于燃耗、燃料肿胀等将引入负的反应性，使空间核反应堆的运行功率和温度随之下降，这将同时导致位于安全棒3和跟随体4中心的热管2温度也随之下降。热管2在轴向上具有很好的等温性，即整根热管2的轴向温度较为均匀，且温度下降的幅度相近。该热管2的长度较长，由热管2管壁材料的热胀冷缩效应可导致热管2的长度可随着温度下降而有一定的收缩，由于安全棒驱动轴1与安全棒驱动机构5处于卡死状态，其位置固定不变，因此热管2长度的收缩将导致安全棒3及跟随体4的位置被整体上移，即有部分安全棒3被抽离堆芯，同时有部分跟随体4被引入堆芯，因此将引入正的反应性，可维持空间核反应堆的临界运行，该过程全程非能动，无需控制系统的主动干预，如图4和图6所示。

对于一定的温度下降，热管2的长度越长，其收缩的幅度也越大，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，只要热管2的长度足够长，就可以具备和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。

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 (6)

1.一种用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，设置在空间核反应堆的堆芯活性区(9)内，所述堆芯活性区(9)的顶端设有屏蔽体(6)，其特征是：包括通过热管(2)串联在一起的安全棒(3)和跟随体(4)，所述安全棒(3)用于保证所述空间核反应堆在发射掉落事故工况下的安全性,所述跟随体(4)用于所述堆芯活性区(9)的中子慢化，增加所述空间核反应堆的反应性；

所述热管(2)和所述安全棒(3)和所述跟随体(4)均为圆柱形，所述安全棒(3)位于所述跟随体(4)的顶端；所述热管(2)设置在所述安全棒(3)和所述跟随体(4)内部，与所述安全棒(3)和所述跟随体(4)固定连接；所述热管(2)和所述安全棒(3)和所述跟随体(4)同轴；所述热管(2)的顶端延伸到所述安全棒(3)之外，在所述热管(2)的顶端设有安全棒驱动轴(1)，所述安全棒驱动轴(1)用于与安全棒驱动机构(5)相配合对所述安全棒(3)和所述跟随体(4)进行轴向的提拉；所述热管(2)能够随温度变化造成的热胀冷缩发生轴向的伸缩变化。

2.如权利要求1所述的用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，其特征是：所述安全棒驱动轴(1)为圆柱状，与所述热管(2)同轴，两者固定连接。

3.如权利要求2所述的用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，其特征是：所述屏蔽体(6)中设有能够容纳所述安全棒(3)的空腔(7)，所述空腔(7)位于所述堆芯活性区(9)顶端上方，所述热管(2)的顶端和所述安全棒驱动轴(1)从所述空腔(7)延伸到所述屏蔽体(6)顶端之外；所述安全棒驱动机构(5)带动所述安全棒驱动轴(1)沿轴向向上提拉时，所述安全棒(3)能够从所述堆芯活性区(9)进入所述空腔(7)内，同时所述跟随体(4)进入所述堆芯活性区(9)内。

4.如权利要求1所述的用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，其特征是：当所述空间核反应堆启动进入运行状态时，所述安全棒(3)的底端仍然有部分位于所述堆芯活性区(9)内。

5.如权利要求1所述的用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，其特征是：所述安全棒(3)的材质为碳化硼。

6.如权利要求1所述的用于空间核反应堆的非能动自主控制安全棒机构，其特征是：所述跟随体(4)的材质为铍或氧化铍。

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