CN113409962B - 一种双模式空间核反应堆堆芯 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种双模式空间核反应堆堆芯。包括设有热管(1)和氢气流道(9)的燃料块，氢气能够通过氢气流道(9)被燃料块加热后喷出作为动力，同时氢气还能够对燃料块产生降温作用。本发明的技术方案在推进模式和发电模式下热管(1)均可安全地运行于其适宜温度条件下，提升了燃料(11)与氢气工质之间的传热效率，另一方面也显著提升了燃料(11)与热管(1)之间的传热性能，可简化反应堆的运行方式，并提高系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种双模式空间核反应堆堆芯。
背景技术
双模式空间核反应堆同时具备推进和发电的功能，结合了核热推进反应堆以及空间反应堆电源相对于常规能源的诸多优势。该反应堆非常适用于载人登月、载人火星、空间运输等任务。美俄等航天大国对双模式反应堆开展了广泛的研究，提出了较多反应堆方案，按照从堆芯导出用于发电的热量的方式可分为两种类型：一是采用冷却剂回路导出用于发电的热量；二是采用热管导出用于发电的热量。热管相比于冷却剂回路具有简单、非能动、抗单点失效、高可靠性等优势。下文对采用热管的三个方案分别进行介绍。
(1)美国的Michael G.Houts等在文献“Alert-derivative bimodal space powerand propulsion systems”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案ALERT。其堆芯活性区结构见图5(图中并未画出燃料内的氢气流道)，该方案采用圆环板状的碳化铀燃料，堆芯活性区由多块燃料板叠加而成，燃料板之间布置有钨板，用以增强导热能力，燃料和钨板内设置诸多轴向氢气流道。活性区中心孔和外围布置有诸多热管，热管工质为钠，包壳材料为铌，燃料与热管之间布置有两层容器，容器间留有一定的空隙。反应堆有两种模式运行：推进模式和发电模式。推进模式下，氢气自上而下流过燃料和钨板内的氢气流道，加热之后喷出，从而产生推力，此时，两层容器之间为真空，用来减弱燃料与热管之间的传热性能，防止热管过热；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电，此时，两层容器之间充入氦气，用来增强燃料与热管之间的传热性能。
(2)美国的Michael G.Houts等在文献“Heatpipe power system and heatpipebimodal system development status”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案HBS。其燃料与热管的布置结构见图6，燃料棒和热管呈三角形栅格排列，燃料棒和热管之间的空腔作为氢气流道，燃料最初选用二氧化铀，后提出可改用更耐高温的(U,Ta)C或W-(U,Zr)CN，热管设置有双层包壳，外包壳为钨，内包壳为钼，工质为钠或锂，两层包壳之间为真空空隙，用以防止热管过热。推进模式下，氢气自上而下流过燃料棒与热管之间的氢气流道，加热之后喷出产生推力；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电。
(3)美国的Gary F.Polansky等在文献“A bimodal spacecraft bus based on acermet fueled heat pipe reactor”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案。其热管结构见图7，热管与燃料的布置结构见图8。燃料和热管的结构较为特殊，其中，燃料为钨基CERMET燃料，其结构为九棱柱形，内含诸多轴向氢气流道；热管工质为钠，包壳为钼，热管外围含有6个翅片以及6个氢气流道。燃料棒与热管之间存在真空空隙，两者之间通过辐射传热。推进模式下，氢气先自上而下流经热管外围3个互不相邻的氢气流道，到达底部后自下而上流经另外3个氢气流道，然后再自上而下流经燃料内的氢气流道，最后喷出；发电模式下，停止氢气排放，堆芯热量由热管导出至堆外用于发电。
以上三种类型的双模式反应堆方案均存在不足之处，分析如下：
(1)对于ALERT方案，燃料与热管之间设置两层容器，推进模式下，容器间的空隙需抽真空，减少传热以保护热管；而在发电模式下，该空隙需注入氦气以增强传热。这种切换增加了系统的复杂度，并降低了系统的可靠性。
(2)对于HBS方案，氢气流道位于燃料棒与热管之间的空隙。一方面，这种结构下燃料与氢气之间的传热效率较差，不利于提升氢气的出口温度；另一方面，在发电模式下，燃料与热管之间接触面积小，传热效率差，且双层包壳(空隙为真空)的结构进一步降低了燃料与热管之间的传热性能。
(3)对于第三个方案，一方面，氢气流道设置较为复杂，增加了系统的复杂度；另一方面，发电模式下，燃料与热管之间依靠辐射传热，传热效率差。
发明内容
针对背景技术部分已有的技术方案不足之处的分析，本发明的目的是提供一种全新的堆芯布置方案，该堆芯可以实现如下目的：1)增加热管的安全性，使热管安全地运行于适宜的温度，保证其不会因过热而损坏；2)保证热管安全性的前提下，简化燃料与热管之间的传热方式，增强两者之间的传热性能；3)简化氢气流道设置，并同时增强燃料与氢气之间的传热性能，以有利于提升氢气出口温度。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种双模式空间核反应堆堆芯，其中，包括设有热管和氢气流道的燃料块，氢气能够通过所述氢气流道被所述燃料块加热后喷出作为动力，同时所述氢气还能够对所述燃料块产生降温作用。
进一步，
所述燃料块由内圈燃料和外圈燃料共同构成的圆柱状燃料块，所述外圈燃料环绕在所述内圈燃料外围；
所述外圈燃料上设有热管通道，所述热管通道内设有热管，所述热管的顶端延伸到所述外圈燃料的顶端之外；
所述外圈燃料和所述内圈燃料均为若干块，每块所述外圈燃料和每块所述内圈燃料上均设有若干所述氢气流道，所述氢气流道均与所述燃料块的轴线平行并贯穿所述燃料块；
位于所述外圈燃料上的所述氢气流道为第二氢气流道，位于所述内圈燃料上的所述氢气流道为第三氢气流道。
进一步，所述第二氢气流道的顶端与所述第三氢气流道的顶端连通，当所述氢气作为动力从所述燃料块喷出时，首先从所述第二氢气流道的底端流入所述第三氢气流道的顶端，对所述外圈燃料进行降温；然后从所述第三氢气流道的顶端流入所述第三氢气流道，得到所述内圈燃料加热后从所述第三氢气流道的底端喷出。
进一步，还包括设置在所述外圈燃料的外围的径向反射层，所述径向反射层用于向所述燃料块反射裂变中子，进而减小堆芯的中子泄漏率；还包括设置在所述径向反射层内的若干个控制鼓，所述控制鼓为圆柱形，与所述燃料块的轴线平行，所述控制鼓的主体为反射体，所述控制鼓的部分侧表面设置中子吸收体，所述中子吸收体用于吸收所述燃料块内裂变扩散的中子；当所述中子吸收体随所述控制鼓的转动而面向所述燃料块时，能够减小堆芯的反应性；当所有所述控制鼓上的所述中子吸收体全部面对所述燃料块，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启和功率调节。
进一步，还包括第一氢气流道，所述第一氢气流道是设置在所述径向反射层和所述控制鼓中的所述氢气流道，与所述燃料块的轴线平行；所述第一氢气流道的底端与所述第二氢气流道的底端连通，当所述氢气作为动力从所述燃料块喷出时，首先从所述第一氢气流道的底端流入所述第二氢气流道的底端，对所述径向反射层和所述控制鼓进行降温；然后从所述第二氢气流道的底端流入所述第二氢气流道。
进一步，所述燃料块顶端设置有轴向反射层，所述氢气流道和所述热管通道贯穿所述轴向反射层。
进一步，所述燃料块的材料为钨基CERMET燃料；所述燃料块的外表面以及所述氢气流道的表面设有钨铼合金涂层。
进一步，所述热管的内部工质为钠或锂。
进一步，所述热管的包壳材料为难熔金属合金，所述难熔金属合金包括钼铼合金或钨铼合金。
进一步，在所述燃料块的轴心位置设有安全棒通道，用于容纳安全棒，所述安全棒用于保证反应堆在发生发射掉落事故时能够维持次临界的安全状态。
本发明的有益效果在于：
1.在推进模式下，氢气工质先流经外圈燃料4，再流经内圈燃料5，这使得外圈燃料4的运行温度远低于内圈燃料5，因此，通过将热管1布置于外圈燃料4，可使热管1运行于适宜的温度，并保证热管1不会过热。发电模式下，堆芯功率较低，此时热管1也可安全运行于其适宜温度条件下。
2.背景技术中的ALERT方案(见图5)，在推进和发电两种模式下分别需要对热管1与燃料11之间的双层容器12空隙进行抽真空和充氦气处理，使得反应堆的运行方式变得复杂，并降低了系统的可靠性。与之相比，本发明所提方案可简化反应堆的运行方式，并提高系统的可靠性。
3.背景技术中的HBS方案(见图6)，燃料11与氢气工质之间的传热效率较差，不利于提升氢气工质的出口温度；在发电模式下，燃料11与双层包壳热管13之间接触面积小，传热效率差，且双层包壳(空隙为真空)结构进一步降低了燃料11与双层包壳热管13之间的传热性能。与之相比，本发明所提方案一方面大大提升了燃料块与氢气工质之间的传热效率，另一方面也显著提升了燃料块与热管1之间的传热性能。
4.背景技术中的第三个方案(见图7和图8)，一方面，氢气流道9设置较为复杂，增加了系统的复杂度；另一方面，发电模式下，燃料11与热管1之间依靠辐射传热，传热效率差。与之相比，本发明所提方案一方面简化了氢气流道9设置，另一方面提升了燃料块与热管1之间的传热效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种双模式空间核反应堆堆芯的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种双模式空间核反应堆堆芯的轴向的横截面示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述的外圈燃料4的示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述的内圈燃料5的示意图；
图5是背景技术中的ALERT堆芯活性区横截面示意图；
图6是背景技术中的HBS燃料与热管布置结构示意图；
图7是背景技术中的第三种方案的热管结构示意图；
图8是背景技术中的第三种方案的燃料与热管布置的示意图；
图中：1-热管，2-控制鼓，3-径向反射层，4-外圈燃料，5-内圈燃料，6-安全棒通道，7-中子吸收体，8-热管通道，9-氢气流道，10-轴向反射层，11-燃料，12-双层容器，13-双层包壳热管，14-热管翅片。
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，本发明提供的一种双模式空间核反应堆堆芯，其中，包括设有热管1和氢气流道9的燃料块，氢气能够通过氢气流道9被燃料块加热后喷出作为动力，同时氢气还能够对燃料块产生降温作用。
燃料块由内圈燃料5(见图4)和外圈燃料4(见图3)共同构成的圆柱状燃料块，外圈燃料4环绕在内圈燃料5外围；
外圈燃料4上设有热管通道8，热管通道8内设有热管1，热管1的顶端延伸到外圈燃料4的顶端之外(即位于燃料块顶端之外)；
还包括设置在外圈燃料4的外围的径向反射层3，径向反射层3用于向燃料块反射裂变中子，进而减小堆芯的中子泄漏率；还包括设置在径向反射层3内的若干个控制鼓2，控制鼓2可用于反应堆的开启、功率调节以及停闭，控制鼓2为圆柱形，与燃料块的轴线平行，控制鼓2的主体为反射体，控制鼓2的部分侧表面设置中子吸收体7，中子吸收体7用于吸收燃料块内裂变扩散的中子；当中子吸收体7随控制鼓2的转动而面向燃料块时，能够减小堆芯的反应性；当所有控制鼓2上的中子吸收体7全部面对燃料块，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启和功率调节。
在径向反射层3和控制鼓2中设置有若干氢气流道9(附图中没有画出)作为第一氢气流道，与燃料块的轴线平行；
外圈燃料4和内圈燃料5均为若干块，每块外圈燃料4和每块内圈燃料5上均设有若干氢气流道9，氢气流道9均与燃料块的轴线平行并贯穿燃料块(氢气流道9的顶端位于燃料块的顶端，述氢气流道9的底端位于燃料块的底端)。位于外圈燃料4上的氢气流道9为第二氢气流道，位于内圈燃料5上的氢气流道9为第三氢气流道；
第一氢气流道的底端与第二氢气流道的底端连通，第二氢气流道的顶端与第三氢气流道的顶端连通；当氢气作为动力从燃料块喷出时，首先从第一氢气流道的底端自上而下流入第二氢气流道的底端，这一过程能够对径向反射层3和控制鼓2进行降温；然后从第二氢气流道的底端流入第二氢气流道，从第二氢气流道的底端自下而上流入第三氢气流道的顶端，这一过程能够对外圈燃料4进行降温；然后自上而下从第三氢气流道的顶端流入第三氢气流道，这一过程氢气得到内圈燃料5加热后从第三氢气流道的底端喷出。
燃料块顶端设置有轴向反射层10，氢气流道9和热管通道8贯穿轴向反射层10。
燃料块的材料为钨基CERMET燃料；燃料块的外表面以及氢气流道9的表面设有钨铼合金涂层。
热管1的内部工质为钠或锂(根据实际运行温度需求选择)。
热管1的包壳材料为难熔金属合金，难熔金属合金包括钼铼合金或钨铼合金等。
在燃料块的轴心位置(也是内圈燃料5的轴心)设有安全棒通道6，用于容纳安全棒，安全棒用于保证反应堆在发生发射掉落事故时能够维持次临界的安全状态。
本发明提供的一种双模式空间核反应堆堆芯的运行模式可分为推进模式和发电模式(两种模式之间的切换可以通过调节控制鼓2以及氢气工质流量来实现)，具体如下：
1)推进模式下，堆芯运行于较高功率水平，氢气工质先自上而下流经第一氢气流道(径向反射层3和控制鼓2内的氢气流道9)，这一过程对径向反射层3和控制鼓2进行冷却，并对氢气工质进行预热；之后，氢气工质自下而上流经第二氢气流道(外圈燃料4内的氢气流道9)，这一过程对外圈燃料4进行冷却，并使氢气工质被加热至适中的温度；之后，氢气工质自上而下流经第三氢气流道(内圈燃料5的氢气流道9)，这一过程使氢气工质被加热到非常高的温度，然后经喷管排出，从而产生推力。这种氢气流动方式可使得外圈燃料4的温度远低于内圈燃料5，热管1布置于外圈燃料4当中，可安全地运行于其适宜温度条件下。热管1带出部分堆芯热量，并传递至堆外热电转换系统用于发电。
2)发电模式下，停止氢气工质排放，堆芯运行于较低功率水平，燃料块产生的热量全部由热管1带出堆芯(内圈燃料5的热量通过热传导的方式传递至外圈燃料4，并由热管1带出堆芯)，并传递至堆外热电转换系统用于发电。由于堆芯功率较低，此时热管1可以安全运行于其适宜温度条件下。
需要说明的是，图1、2中给出的仅仅是示意性的布置方案，具体的堆芯结构，如外圈燃料4和内圈燃料5的数目、排列方式、以及其中的氢气流道9数目、热管1数目等，均需要根据具体的系统参数需求进行设计。
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 (9)
1.一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：包括设有热管(1)和氢气流道(9)的燃料块，氢气能够通过所述氢气流道(9)被所述燃料块加热后喷出作为动力，同时所述氢气还能够对所述燃料块产生降温作用；
所述燃料块由内圈燃料(5)和外圈燃料(4)共同构成的圆柱状燃料块，所述外圈燃料(4)环绕在所述内圈燃料(5)外围；
所述外圈燃料(4)上设有热管通道(8)，所述热管通道(8)内设有热管(1)，所述热管(1)的顶端延伸到所述外圈燃料(4)的顶端之外；
所述外圈燃料(4)和所述内圈燃料(5)均为若干块，每块所述外圈燃料(4)和每块所述内圈燃料(5)上均设有若干所述氢气流道(9)，所述氢气流道(9)均与所述燃料块的轴线平行并贯穿所述燃料块；
位于所述外圈燃料(4)上的所述氢气流道(9)为第二氢气流道，位于所述内圈燃料(5)上的所述氢气流道(9)为第三氢气流道。
2.如权利要求1所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：所述第二氢气流道的顶端与所述第三氢气流道的顶端连通，当所述氢气作为动力从所述燃料块喷出时，首先从所述第二氢气流道的底端流入所述第三氢气流道的顶端，对所述外圈燃料(4)进行降温；然后从所述第三氢气流道的顶端流入所述第三氢气流道，得到所述内圈燃料(5)加热后从所述第三氢气流道的底端喷出。
3.如权利要求2所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：还包括设置在所述外圈燃料(4)的外围的径向反射层(3)，所述径向反射层(3)用于向所述燃料块反射裂变中子，进而减小堆芯的中子泄漏率；还包括设置在所述径向反射层(3)内的若干个控制鼓(2)，所述控制鼓(2)为圆柱形，与所述燃料块的轴线平行，所述控制鼓(2)的主体为反射体，所述控制鼓(2)的部分侧表面设置中子吸收体(7)，所述中子吸收体(7)用于吸收所述燃料块内裂变扩散的中子；当所述中子吸收体(7)随所述控制鼓(2)的转动而面向所述燃料块时，能够减小堆芯的反应性；当所有所述控制鼓(2)上的所述中子吸收体(7)全部面对所述燃料块，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启和功率调节。
4.如权利要求3所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：还包括第一氢气流道，所述第一氢气流道是设置在所述径向反射层(3)和所述控制鼓(2)中的所述氢气流道(9)，与所述燃料块的轴线平行；所述第一氢气流道的底端与所述第二氢气流道的底端连通，当所述氢气作为动力从所述燃料块喷出时，首先从所述第一氢气流道的底端流入所述第二氢气流道的底端，对所述径向反射层(3)和所述控制鼓(2)进行降温；然后从所述第二氢气流道的底端流入所述第二氢气流道。
5.如权利要求4所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：所述燃料块顶端设置有轴向反射层(10)，所述氢气流道(9)和所述热管通道(8)贯穿所述轴向反射层(10)。
6.如权利要求1所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：所述燃料块的材料为钨基CERMET燃料；所述燃料块的外表面以及所述氢气流道(9)的表面设有钨铼合金涂层。
7.如权利要求1所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：所述热管(1)的内部工质为钠或锂。
8.如权利要求1所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：所述热管(1)的包壳材料为难熔金属合金，所述难熔金属合金包括钼铼合金或钨铼合金。
9.如权利要求1所述的一种双模式空间核反应堆堆芯，其特征是：在所述燃料块的轴心位置设有安全棒通道(6)，用于容纳安全棒，所述安全棒用于保证反应堆在发生发射掉落事故时能够维持次临界的安全状态。
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