CN112670003B - 一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆。所述熔盐堆包含了与地基铰接的三根支撑缓震机械装置；该装置轴向内层主体由两段钛合金管和中间的挠性金属软管组成，以卡套式接头相接，并在接头与金属软管之间增设补偿环，钛合金管上下两侧加防旋销，外层设置冗余保护的缓冲弹簧，内外层轴向间隙以调整垫片补偿；对于熔盐堆反应堆部分，采用溴盐作为冷却剂，冷却剂流动系统采用宽管道设计，减小冷却流动效率以弥补海洋低温环境，反应堆主容器自内层向外设置防腐层、绝热层和保护层；整体结构简单、布局紧凑、安全性高、适应性好，可有效增加在深海低温高压高冲击环境下的工作效率，特别适合作为深海空间站的核动力来源。
Description
技术领域
本发明涉及核工程领域，具体涉及一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆。
背景技术
在陆海空天四大空间，海洋是地球上远未充分开发的资源宝库。深海空间站又称龙宫，是供人员在深海长期工作生活的设备。深海空间站的定位在于既提升深海资源环境探测能力，又增强深海开发与工程作业能力。它是世界上高技术大型“有人装备”与前沿“智能无人技术”的高度结合体，代表了深海载人技术与信息技术、智能技术高度融合的发展方向。但是因为深海空间站需要承受海底的超高压环境，从某种意义上比太空空间站的设计和建造更为复杂和困难。海水中只含有极少量氧气，目前各类交通工具的发动机基本都是通过燃烧燃料产生动力，到了深海离开氧气后，这些发动机都会“熄火”，因此动力与能源技术是深海装备发展的保障性技术，世界各国主要研发适用于深海无人潜航器的前沿动力与能源技术，目前无人潜航器多使用蓄电池为主要动力形式，续航力约10～40小时，难以满足水下作战对续航力的要求。为适应长期情报监视侦察或作战，需研发长续航力、高可靠性的系统，将水下续航力提高至几天甚至几周。
而熔盐堆基于其自身陆用已体现的巨大优势给这一深海空间站动力问题的解决提供了良好参考。熔盐堆是有着非常广泛应用前景的第四代先进反应堆，高功率密度和高发电效率是其特点，并且堆芯结构较为简单，可以设计成具有较高功率输出的小型反应堆，这种小型反应堆可以应用于国防、科研、偏远地区电力生产等多个领域，目前世界上还没有公开提出过将熔盐堆这一第四代反应堆堆型应用做深海空间站的设想和方案，而我国研制的深海空间系统的动力现阶段主要还是依赖电池，未来核动力将是不二之选和发展趋势。国际原子能机构(IAEA)将小型反应堆定义为发电功率小于300MWe的机组，在尺寸方面没有精确的定义，但是通过设计结果可知，小型圆柱形反应堆的直径小于2.5米、高小于4米。相对于高度为11米的大型反应堆来讲，小型反应堆的体积约为大型反应堆体积的三分之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其是将现有熔盐堆系统改进化用作深海空间站做核动力来源的高功率密度、连续运行时间长、系统安全性高、结构简单紧凑的小型熔盐堆。
本发明的目的至少通过如下之一的技术方案实现。
一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其包括主容器、热交换器、屏蔽体、冷冻塞、热管和支撑缓震机械结构；热管置于主容器中，燃料盐在热管内反应运行；主容器顶部设置屏蔽体，主容器下部设置冷冻塞，冷冻塞与热管的底部相连，热管的顶部入口和下部出口与热交换器连接,冷却剂在热交换器内自下而上，热管部分冷却剂顺时针流动；主容器底部与支撑缓震机械结构相连接；控制棒自主容器顶部向下插入，裸露部分位于屏蔽体内；冷却剂的材料为溴盐。
进一步的，主容器外部有三层防护层，由内向外依次为防腐层、绝热层和保护层。
进一步的，主容器底部的冷冻塞与燃料盐相通，下接应急储存罐。
进一步的，屏蔽体设计为漏斗状。
进一步的，所述支撑缓震机械结构包括依次从下向上的第一防旋销、第一钛合金管、第一补偿环、挠性金属软管、第二补偿环、第二钛合金管、第二防旋销和调整垫片，第一钛合金管与地基使用铰链连接，挠性金属软管与第一钛合金管和第二钛合金管间采用卡套式接头连接。
进一步的，所述挠性金属软管的长度是单段钛合金管的1.2至1.5倍。
进一步的，第一钛合金管、第一补偿环、挠性金属软管、第二补偿环、第二钛合金管、第二防旋销和调整垫片作为内层，缓冲弹簧作为外层包覆设置在内层的外部，所述熔盐堆正常工作状态时内层的长度即为缓冲弹簧设计基准长度，金属软管极限工况时内层的长度应小于缓冲弹簧最大长度的0.6至0.8倍。
进一步的，三根支撑缓震机械结构在地基上呈三角排列，位于主容器底部。
进一步的，热交换器中设置熔盐管道；冷却盐在管道内与热交换器对流交换堆芯释热。
进一步的，所述熔盐管道选用宽管道，管道的直径为0.2米～0.6米、高为2.4米～3.9米。
本发明的一种为深海空间站提供核动力的小型熔盐堆，包括熔盐堆堆芯部件和堆外系统，两者由熔盐堆主容器分隔开来，主容器外部有三层防护层，由内向外依次为防腐层、绝热层和保护层，主容器底部与支撑缓震机械装置相连接；熔盐堆堆芯置于主容器内，主容器顶部设置屏蔽体；控制棒自主容器顶部向下插入，裸露部分位于屏蔽体内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.本发明提供的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，由于采用了主容器底部的支撑缓震机械结构，并增加了对主容器壁的三层保护层，有效增加了该系统的自稳性，与传统的陆用熔盐堆系统相比，该系统有效针对深海空间站的特殊需求，能自动调节校对洋流和波浪对堆型结构和位置的冲击，同时该核动力能源零污染低排放，熔盐堆的固有安全性使该装置对海洋环境极限危险性大大降低，可实现长期稳定供能的小型化，特别适合深海空间站对中高功率下连续运行的技术要求。
2.本发明所述的为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，由于支撑缓震机械结构采用了冗余的设计，除去熔盐堆自有的无熔堆事故特性外，该装置内层设计可容纳较大富裕量的冲击载荷，设计工况范围内外层的缓冲弹簧工作系数低；当达到内层缓冲装置极限工况时，系统发出警报自动停堆，此时若内层金属软管失效拉断，则由外层的缓冲弹簧做二次保护。该系统结构简单、可靠性高、结构紧凑、部件间无相互冲击干扰，可有效增加在深海低温高压高冲击环境下的工作效率，很适合做该深海空间站小型熔盐堆的支撑机构。
3.本发明所述的为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，熔盐管道采用宽管道设计，减小了冷却剂流速，使熔盐整体平均温度和出口温度有所增加，补偿了深海的低温环境，缓解了特殊环境对材料性能的要求，优化了整体上的设计。
4.本发明提供的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆在熔盐堆主系统方面做了增设防护层和宽管道的改进设计，并设计了一种支撑缓震机械装置。与传统的陆用熔盐堆系统相比，该系统有效针对深海空间站的特殊需求，能自动调节校对深海条件下洋流和波浪对堆型结构和位置的冲击，整体可靠性高、结构紧凑、部件间无相互冲击干扰，效率高，且继承了熔盐堆的固有优点，可实现长期稳定供能的小型化，特别适合深海空间站对动力装置中高功率下连续运行的技术要求。
附图说明
图1为本发明实施例的为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆的结构图；
图2为本发明实施例中支撑缓震机械装置的结构图；
图3为现有的常规陆用式熔盐堆主要系统设计的结构图。
其中，1-控制棒，2-屏蔽体，3-主容器，4-防腐层，5-绝热层，6-保护层，7-泵，8-热交换器，9-熔盐管道，10-冷冻塞，11-应急储存罐，12-燃料盐，13-地基，14-铰链，151-第一防旋销，161-第一钛合金管，171-第一补偿环，181-第一卡套式接头，19-调整垫片，20-挠性金属软管，21-缓冲弹簧。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例以应用于深海空间站做动力输出为例，本实施例提供了一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，所述系统的结构图如图1所示，包括熔盐堆主容器3，热交换器8和堆外支撑结构三大部分。燃料盐12在主容器3内反应运行，主容器3外部有三层防护层，由内向外依次为防腐层4、绝热层5和保护层6，主容器3底部与支撑缓震机械装置相连接；熔盐堆堆芯置于主容器3内，主容器3顶部设置屏蔽体2，屏蔽体2设计为漏斗状；控制棒1自主容器3顶部向下插入，裸露部分位于屏蔽体2内；主容器3下部设置冷冻塞10与燃料盐12相通，冷冻塞10下接应急储存罐11，熔盐管道9与主容器连接的一端设有泵7。
具体地，相比与现有的常规熔盐堆主要系统设计如图3所示，本实施例中的熔盐堆系统增设了支撑缓震机械结构如图2所示，该结构由底部向上依次是第一防旋销151、第一钛合金管161、第一补偿环171、挠性金属软管20、第二补偿环172、第二钛合金管162、第二防旋销152和调整垫片19，第一钛合金管161与地基13使用铰链14连接，挠性金属软管20与第一钛合金管161间采用第一卡套式接头181连接，挠性金属软管20与第二钛合金管162间采用第二卡套式接头182连接，其中挠性金属软管20的长度是单段钛合金管的1.2至1.5倍；支撑缓震机械装置采用冗余设计，外层设置高强度的缓冲弹簧21，系统正常工作状态时内层装置长度即为缓冲弹簧21设计长度，挠性金属软管20极限工况时内层装置整体长度应小于缓冲弹簧21最大长度的0.6至0.8倍；三根支撑缓震机械结构在地基13上呈三角排列，位于主容器3底部。
具体地，相比与现有的常规熔盐堆主要系统设计如图3所示，所述熔盐堆系统的冷却剂流动管道采用宽管道将冷却盐和热交换器8相连。热交换器8中设置流动管道9，冷却盐在管道9内与热交换器8对流交换热量；所述熔盐流动管道选用宽管道，管道的直径为0.5米、高为2.6米。其中核燃料就溶解在冷却剂之中，核燃料的材料为铀，冷却剂的材料为溴盐(这种溴盐的分子式为Al2Br6)。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于：包括主容器（3）、热交换器（8）、屏蔽体（2）、冷冻塞（10）、热管和支撑缓震机械结构；热管置于主容器（3）中，燃料盐（12）在热管内反应运行；主容器（3）顶部设置屏蔽体（2），主容器（3）下部设置冷冻塞（10），冷冻塞（10）与热管的底部相连，热管的顶部入口和下部出口与热交换器（8）连接,冷却剂在热交换器（8）内自下而上，热管部分冷却剂顺时针流动；主容器（3）底部与支撑缓震机械结构相连接；控制棒（1）自主容器（3）顶部向下插入，裸露部分位于屏蔽体（2）内；冷却剂的材料为溴盐；所述支撑缓震机械结构包括依次从下向上的第一防旋销（151）、第一钛合金管（161）、第一补偿环（171）、挠性金属软管（20）、第二补偿环（172）、第二钛合金管（162）、第二防旋销（152）和调整垫片（19），第一钛合金管（161）与地基（13）使用铰链连接，挠性金属软管（20）与第一钛合金管（161）和第二钛合金管（162）间采用卡套式接头连接；第一钛合金管（161）、第一补偿环（171）、挠性金属软管（20）、第二补偿环（172）、第二钛合金管（162）、第二防旋销（152）和调整垫片（19）作为内层，缓冲弹簧作为外层包覆设置在内层的外部，所述熔盐堆正常工作状态时内层的长度即为缓冲弹簧设计基准长度，金属软管极限工况时内层的长度应小于缓冲弹簧最大长度的0.6至0.8倍。
2.根据权利要求1所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于，主容器（3）外部有三层防护层，由内向外依次为防腐层（4）、绝热层（5）和保护层（6）。
3.根据权利要求1所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于，主容器（3）底部的冷冻塞（10）与燃料盐（12）相通，下接应急储存罐（11）。
4.根据权利要求1所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于，屏蔽体（2）设计为漏斗状。
5.根据权利要求1所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于：所述挠性金属软管（20）的长度是单段钛合金管的1.2至1.5倍。
6.根据权利要求1所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于：三根支撑缓震机械结构在地基（13）上呈三角排列，位于主容器（3）底部。
7.根据权利要求1所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，其特征在于：热交换器（8）中设置熔盐管道（9）；冷却盐在管道（9）内与热交换器（8）对流交换堆芯释热。
8.根据权利要求7所述的一种为深海空间站提供核动力的溴盐冷却小型熔盐堆，所述熔盐管道选用宽管道，管道的直径为0.2米~0.6米、高为2.4米~3.9米。
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