CN112669999A - 一种液固双重燃料空间核反应堆电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液固双重燃料空间核反应堆电源，所述堆芯包括UC固体燃料棒、氟化盐冷却剂、堆芯谱移吸收体材料、反射层材料、控制鼓和反应堆压力容器，所述反应堆芯活性区包括多根UC固体燃料棒，UC固体燃料棒内设置有冷却剂导向管，所述冷却剂导向管内设置有所述氟化盐冷却剂，在UC固体燃料棒的端部设置有填充氦气缓冲裂变气体的腔体，所述反应堆芯活性区的外侧设置有所述反射层材料和控制鼓。本发明可保证堆芯热量及时带出的同时进一步提高了堆芯剩余反应性、紧凑性、小型化，并在堆芯寿期运行过程中和事故工况满足堆芯安全性要求。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，特别是涉及一种液固双重燃料空间核反应堆电源。
背景技术
目前空间探测器的设计寿命要求在10年以上，对电源需求更为紧迫。在深空探索中无法合理利用太阳能，空间核反应堆电源(SNR)作为一种空间电源具有传统电源无法比拟的优势而受到广泛关注。SNR的特点包括更长的寿命、更小的体积与质量，适合深空探测需求。在SNR中冷却工质通过在堆芯的循环流动实现堆芯热量的带出，通过热电转换系统将热量转化为电能，供给空间探测器的运转。近年来国际上已经提出了基于热管冷却、气冷和液态金属冷却的各种SNR设计概念技术，随着第四代核能系统的提出，氟化盐既做燃料又做冷却剂的特点并具有经济、安全、可持续等优点使得其成为一种新型冷却方式。
目前国际上已经提出了很多SNR堆芯概念，主要包括基于热管冷却方式的堆芯方案、基于气冷方式的堆芯方案和基于液态金属冷却方式的堆芯方案，对比分析已经提出的多种空间堆概念可以看出，常用的热管冷却、气冷和液态金属冷却方式都可以实现一定功率下的安全运行，氟化盐燃料冷却的方式堆芯熔盐的流动特性可以将堆芯Xe-135和Kr-83持续带出，达到较高的燃耗深度，提高了燃料利用率，可以有效解决核扩散以及安全问题；其堆芯布置简单、紧凑有助于减轻屏蔽体质量；氟化盐燃料的膨胀效应拥有极负的温度反应性系数，堆芯安全性更高；由于氟化盐蒸气压很低，相比液态金属冷却剂(Li、NaK)可以实现低压、高温的运行环境。
小型化空间堆设计一般采用高富集度，考虑到氟化盐液体燃料在反应堆运行过程中在整个回路中循环流动，如果采用纯熔盐燃料则反应堆中产生的大量放射性裂变产物亦会随燃料在整个回路中流动，这将对会对一些电子元器件产生损伤(如热电转换模块)；如纯固体燃料类型的空间堆(如传统冷却方式的空间堆)，虽然裂变产物被固封在固体燃料内，但由于冷却剂回路的设计使得在一定堆芯体体积下降低了燃料的装载。因此需要一种能有效解决上述问题的液固双重燃料空间核反应堆电源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液固双重燃料空间核反应堆电源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明包括堆芯，包括所述堆芯，所述堆芯包括UC固体燃料棒(1)、氟化盐冷却剂(2)、堆芯谱移吸收体材料(3)、BeO材料(4)、控制鼓(5)和反应堆压力容器(6)，所述反应堆芯活性区包括多根UC固体燃料棒(1)，UC固体燃料棒(1)内设置有冷却剂导向管，所述冷却剂导向管内设置有所述氟化盐冷却剂(2)，在UC固体燃料棒(1)的端部设置有填充氦气缓冲裂变气体的腔体，所述反应堆芯活性区的外侧设置有所述反射层材料(4)和控制鼓(5)。
进一步地，所述反应堆芯活性区内设置有Mo-30Re谱移吸收体材料。
进一步地，所述堆芯燃料棒中的冷却剂通道直径由外向内逐渐递增。
进一步地，所述反应堆芯活性区为正六边形结构，所述反应堆芯活性区的外侧设置有反应堆压力容器(6)。
进一步地，所述控制鼓(5)为带有B4C涂层的BeO材料的控制鼓(5)，在径向反射层材料中均匀布置六个控制鼓，控制堆芯的正常运行和停堆。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用熔融燃料盐冷却的方式，堆芯布置简单紧凑有助于减轻屏蔽体质量，氟化盐燃料的膨胀效应和较低的蒸气压，具有被动安全特性。
2、燃料棒冷却剂导向管采用多尺寸设计，堆芯中间组件温度较高采用相对较大的直径，外围组件温度低采用相对较小的直径，有效降低了堆芯功率分布的不均匀性。
3、燃料棒设计中引入了氦气腔，缓冲固体燃料膨胀的空间延伸问题。
附图说明
图1是熔盐空间堆的堆芯径向示意图；
图2是熔盐空间堆的堆芯轴向示意图；
1-UC固体燃料、2-氟化盐液体燃料/冷却剂、3-堆芯谱移吸收体材料、4-BeO反射层材料、5-控制鼓、6-反应堆压力容器。
具体实施方式
下面根据实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
在本实施例子中，本发明包括堆芯，所述堆芯包括UC固体燃料棒(1)、氟化盐燃料/冷却剂(2)、堆芯谱移吸收体材料(3)、BeO反射层材料(4)、控制鼓(5)和反应堆压力容器(6)，所述反应堆燃料棒在堆芯呈正六角形排布，所述反应堆氟化盐燃料/冷却剂(2)流经燃料棒中间导管冷却UC固体燃料棒(1)，燃料棒轴向布置带冷却剂导管的圆柱形BeO反射层材料(4)，所述堆芯燃料棒内设置有冷却剂导向管，在UC固体燃料棒(1)与底端反射层材料之间设置有填充氦气腔缓冲裂变气体的腔体，燃料棒间填充Mo-30Re谱移吸收体材料(3)。
所述液固双重燃料包含固体UC固体燃料棒(1)和液体氟化盐冷却剂(2)7LiF-BeF2-UF4。
所述堆芯燃料棒中的冷却剂通道直径由外向内逐渐递增。
所述堆芯活性区由61个燃料棒组成，活性区以绝热层APA-1(Al2O3)和MA-956作为反应堆压力容器(6)，轴向布置BeO反射层材料(4)。
氟化盐液体燃料/冷却剂(2)和UC固体燃料棒(1)之间为谱移吸收体材料(3)Re包壳和He间隙。
所述控制鼓(5)为带有B4C涂层的BeO材料的控制鼓(5)，在径向反射层材料中均匀布置六个控制鼓，控制堆芯的正常运行和停堆。
如图1和图2所示，在本实施例子中，活性区由61个燃料棒组成，活性区体积约16.37L，总质量约482kg，活性区燃料棒间填充Mo-30Re谱移吸收体材料(3)保证堆芯完整性。
燃料棒中设计氦气腔收集裂变产生的气体以及处理燃料膨胀的空间延伸问题，轴向优选BeO反射层材料相比其他反射层材料，有效减少了中子泄露且降低了堆芯整体重量。在堆芯径向BeO材料中均匀布置六个控制鼓(5)，控制堆芯的启动停堆。
在另一个实施例子中，液固双重燃料堆芯包含固体UC固体燃料(1)和液体燃料氟化盐燃料/冷却剂(2)7LiF-BeF2-UF4。采用熔融燃料盐冷却的方式，堆芯布置简单紧凑有助于减轻屏蔽体质量，氟化盐燃料的膨胀效应和较低的蒸气压，具有被动安全特性。
在另一个实施例子中，燃料棒冷却剂导向管采用多尺寸设计，堆芯中心温度较高采用相对较大的直径，外围温度低采用相对较小的直径，有效降低了堆芯功率分布的不均匀性。
在另一个实施例子中，燃料棒设计中引入了氦气腔，缓冲固体燃料膨胀的空间延伸问题。
在另一个实施例子中，堆芯控制鼓的设计中采用B4C控制鼓控制反应性，具有足够的停堆阈度。在堆芯活性区采用谱移吸收体作为结构材料，能保证在反射失败掉落工况下堆芯不会重返临界，具有足够临界安全特性。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种液固双重燃料空间核反应堆电源,包括所述堆芯，其特征在于，所述堆芯包括UC固体燃料棒(1)、氟化盐冷却剂(2)、堆芯谱移吸收体材料(3)、反射层材料(4)、控制鼓(5)和反应堆压力容器(6)，所述反应堆芯活性区包括多根UC固体燃料棒(1)，UC固体燃料棒(1)内设置有冷却剂导向管，所述冷却剂导向管内设置有所述氟化盐冷却剂(2)，在UC固体燃料棒(1)的端部设置有填充氦气缓冲裂变气体的腔体，所述反应堆芯活性区的外侧设置有所述反射层材料(4)和控制鼓(5)。
2.根据权利要求1所述的一种液固双重燃料空间核反应堆电源，其特征在于：所述反应堆芯活性区内设置有Mo-30Re谱移吸收体。
3.根据权利要求1所述的一种液固双重燃料空间核反应堆电源，其特征在于：所述堆芯燃料棒中的冷却剂通道直径由外向内逐渐递增。
4.根据权利要求1所述的一种液固双重燃料空间核反应堆电源，其特征在于：所述反应堆芯活性区为正六边形结构，所述反应堆芯活性区的外侧设置有反应堆压力容器(6)，保证所述反应堆芯活性区的完整性。
5.根据权利要求1所述的一种液固双重燃料空间核反应堆电源，其特征在于：所述控制鼓(5)为带有B4C涂层的BeO材料的控制鼓(5)，在径向反射层材料中均匀布置六个控制鼓以控制堆芯的正常运行和停堆。
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