CN113436758B - 用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件及工作方法 - Google Patents

用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件及工作方法，该燃料元件包括燃料组件底座、慢化剂区及其内外包壳、燃料环、燃料环堆叠固定装置、燃料组件顶盖，并给出了各部分的材料选择和连接方法。工作时，冷却剂由燃料组件顶盖上的入口进入燃料组件，流入位于燃料块区和慢化剂区中间的外腔进行流量分配，在通过燃料块的径向流道时被发生裂变反应的燃料块加热，温度升高，速度增加。冷却剂从径向流道流出之后在燃料组件内腔汇合搅混，最后从燃料组件底座的出口去往冷却剂喷射系统。由此燃料组件进行的核热推进堆芯设计所产生的用于空间推进的发动机将可以达到高的推力和比冲，从而允许航天器在太阳系内更远的地方执行任务。

Description

用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件及工作方法
技术领域
本发明属于核热推进系统和核反应堆系统技术领域，具体涉及一种用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件及工作方法。
背景技术
核热推进系统技术相比现有的化学火箭技术，具有比冲高、有效载荷大、续航时间长、能多次启动等显著优点。核热火箭相较于化学火箭，每次航天任务可以节省约1/3的成本。但是在现有的核热推进项目中，燃料元件出现了一些材料和配置上的问题，限制了这些核热推进发动机的最终性能。使用单通道或是多通道的棱柱状燃料块的燃料组件的制作难度大，热不稳定性高，表面积-体积比很小，从而导致较大的堆芯压降，将发动机的推重比限制在约为3或4。粒子床式燃料元件配置的堆芯是由装在床中的球形燃料颗粒组成，周围是六角形的慢化剂块，这些慢化剂块分组固定在在一个圆柱形的容器中。作为燃料的碳化铀，被限制在两个同心多孔圆柱体里，允许冷却剂/推进剂通过。由于燃料元件的长流道发生腐蚀造成的压降导致了核热推进堆芯较低的比冲，较低的推重比，较低的续航时间，使得推进器对控制系统的要求越来越高，控制反应堆的成本也越来越高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件和工作方法，克服包括但不限于压降、腐蚀、热不稳定性和制造方法的复杂性等已知问题，从而优化燃料的传热性能以及力学性能，为高推力和高比冲的核热堆芯的设计提供参考。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件，所述燃料组件是基于径向流动提高核燃料的换热面积和体积比以改善燃料与冷却剂流动换热能力的原理，包括位于整个燃料组件最底部的燃料组件底座1，对整个燃料组件起支撑作用，并有引导高温冷却剂流动的出口；位于燃料组件底座1外围上方的燃料组件包壳2，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接，对整个燃料组件起保护作用，用于组件之间的固定和对接；位于燃料组件底座1外围上方并位于燃料组件包壳2内的慢化剂区3，用于对燃料工作时产生的快中子进行慢化，以便于链式裂变反应的延续；位于燃料组件底座1外围上方并位于慢化剂区3内的慢化剂区包壳4，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接，用于将冷却剂外腔与慢化剂区隔绝开，防止高温的冷却剂对慢化剂区的腐蚀破坏；位于燃料组件底座1正上方的燃料环堆叠区5，由核燃料环堆叠而成，其中开有用于冷却剂流动的多个径向流道，用于链式反应的发生和冷却剂与高温核燃料的流动换热；位于燃料环堆叠区5外部，对燃料环堆叠区5起位置约束作用的燃料环堆叠区紧固件6，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区5上方，用于固定燃料环堆叠区紧固件6的燃料环堆叠区顶盖7，与燃料环堆叠区紧固件6使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区顶盖7上方的燃料组件顶盖8，与燃料组件包壳2、慢化剂区包壳4、燃料环堆叠区顶盖7均使用熔焊方法连接，用于整个燃料组件的固定，并有引导低温冷却剂流动的入口；所述燃料环堆叠区5和慢化剂区包壳4中间为外腔，燃料环堆叠区5中间的空腔为内腔。
所述燃料组件底座1和燃料组件顶盖8使用W-3Re合金制造。
所述燃料组件包壳2和慢化剂区包壳4使用W-25Re合金制造。
所述燃料环堆叠区5的燃料环是由碳化铀，碳化锆和碳化铌制成的固溶体陶瓷制造。
所述慢化剂区3采用的中子慢化剂为高纯石墨。
所述燃料环堆叠区5的燃料环上开有横截面为矩形的，用于冷却剂流动的径向流道。
所述燃料环堆叠区5由使用熔焊方法连接在燃料组件底座1和燃料环堆叠区顶盖7上的燃料环堆叠区紧固件6固定。
所述用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件的工作方法，其特征在于：工作时，低温冷却剂由燃料组件顶盖8上的入口进入燃料组件，流入位于燃料环堆叠区5和慢化剂区包壳4中间的外腔进行流量分配，在通过燃料环堆叠区5上的径向流道时被发生裂变反应的燃料块加热，温度升高，速度增加；冷却剂从燃料环堆叠区5上的径向流道流出之后在燃料环堆叠区5中间的内腔汇合搅混，最后从燃料组件底座1的出口去往冷却剂喷射系统。
所述冷却剂采用氢气。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明的燃料组件相比于传统核热推进的燃料组件，采用了组件外腔-径向冷却剂流道-组件内腔的冷却剂流道布置。由于组件外腔的存在，冷却剂将高温燃料区和慢化剂区分离开，整个燃料组件在工作时，只有燃料处于高温状态。这一特点延长了结构材料的使用寿命，并允许组件采用低熔点的，性能更好的慢化剂材料，使得堆芯较为紧凑，中子泄漏降低。组件采用的径向冷却剂流道布置，大大增加了燃料和冷却剂之间的流动换热面积，提高了换热效率，使得相同体积的堆芯的功率相比传统燃料元件堆芯功率大幅提高。
2、本发明的燃料组件，燃料环是由碳化铀，碳化锆和碳化铌制成的固溶体陶瓷制造，在高温下具有较好的工作性能，防止高温下燃料发生熔化，提高核热推进的安全性。
3、本发明的燃料组件，慢化剂区采用的中子慢化剂为高纯石墨，高温性能良好，中子慢化能力较好，成本较低，有利于提高反应堆的中子利用率，降低堆芯制造成本。
4、本发明的燃料组件，燃料环堆叠区的燃料环上开有横截面为矩形的，用于冷却剂流动的径向流道，有利于提高核燃料的换热面积和体积比，改善燃料与冷却剂流动换热能力，从而防止燃料出现热不稳定性。
5、本发明的燃料组件，通过外腔室的流量分配将冷却剂导入燃料环堆叠区的燃料环上的相对较短径向流道内，降低了流道内的压降损失，防止流道出现腐蚀。
6、本发明的燃料组件，具有较简单的结构和连接方式，降低了燃料元件设计的工艺要求，实用性较强。
附图说明
图1为本发明一种用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件的整体结构示意图；
如图1所示，1为燃料组件底座，2为燃料组件包壳，3为慢化剂区，4为慢化剂区包壳，5为燃料环堆叠区，6为燃料环堆叠区紧固件，7为燃料环堆叠区顶盖，8为燃料组件顶盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明一种用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件，所述燃料组件是基于径向流动提高核燃料的换热面积和体积比以改善燃料与冷却剂流动换热能力的原理，包括燃料组件底座1，燃料组件包壳2，慢化剂区3，慢化剂区包壳4，燃料环堆叠区5，燃料环堆叠区紧固件6，燃料环堆叠区顶盖7，燃料组件顶盖8。
所述燃料组件底座1，使用W-3Re合金制造，对整个燃料组件起支撑作用，并有引导高温冷却剂流动的出口；位于燃料组件底座1外围上方的燃料组件包壳2，使用W-25Re合金制造，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接，对整个燃料组件起保护作用，用于组件之间的固定和对接；位于燃料组件底座1外围上方并位于燃料组件包壳2内的慢化剂区3，使用高纯度石墨填充，用于对燃料工作时产生的快中子进行慢化，以便于链式裂变反应的延续；位于燃料组件底座1外围上方并位于慢化剂区3内的慢化剂区包壳4，使用W-25Re合金制造，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接，用于将冷却剂外腔与慢化剂区隔绝开，防止高温的冷却剂对慢化剂区的腐蚀破坏；位于燃料组件底座1正上方的燃料环堆叠区5，由核燃料环堆叠而成，燃料环是由碳化铀，碳化锆和碳化铌制成的固溶体陶瓷制造，其中开有用于冷却剂流动的多个径向流道，用于链式反应的发生和冷却剂与高温核燃料的流动换热；位于燃料环堆叠区5外部，对燃料环堆叠区5起位置约束作用的燃料环堆叠区紧固件6，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区5上方，用于固定燃料环堆叠区紧固件6的燃料环堆叠区顶盖7，与燃料环堆叠区紧固件6使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区顶盖7上方的燃料组件顶盖8，与燃料组件包壳2、慢化剂区包壳4、燃料环堆叠区顶盖7均使用熔焊方法连接，用于整个燃料组件的固定，并有引导低温冷却剂流动的入口。
所有部件安装完成后，在核热推进堆芯中工作时，低温冷却剂由燃料组件顶盖8上的入口进入燃料组件，流入位于燃料环堆叠区5和慢化剂区包壳4中间的外腔进行流量分配，在通过燃料环堆叠区5上的径向流道时被发生裂变反应的燃料块加热，温度升高，速度增加。冷却剂从燃料环堆叠区5上的径向流道流出之后在燃料环堆叠区5中间的内腔汇合搅混，最后从燃料组件底座1的出口去往冷却剂喷射系统。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：所述燃料组件是基于径向流动提高核燃料的换热面积和体积比以改善燃料与冷却剂流动换热能力的原理，包括位于整个燃料组件最底部的燃料组件底座(1)，对整个燃料组件起支撑作用，并有引导高温冷却剂流动的出口；位于燃料组件底座(1)外围上方的燃料组件包壳(2)，与燃料组件底座(1)使用熔焊方法连接，对整个燃料组件起保护作用，用于组件之间的固定和对接；位于燃料组件底座(1)外围上方并位于燃料组件包壳(2)内的慢化剂区(3)，用于对燃料工作时产生的快中子进行慢化，以便于链式裂变反应的延续；位于燃料组件底座(1)外围上方并位于慢化剂区(3)内的慢化剂区包壳(4)，与燃料组件底座(1)使用熔焊方法连接，用于将冷却剂外腔与慢化剂区隔绝开，防止高温的冷却剂对慢化剂区的腐蚀破坏；位于燃料组件底座(1)正上方的燃料环堆叠区(5)，由核燃料环堆叠而成，其中开有用于冷却剂流动的多个径向流道，用于链式反应的发生和冷却剂与高温核燃料的流动换热；位于燃料环堆叠区(5)外部，对燃料环堆叠区(5)起位置约束作用的燃料环堆叠区紧固件(6)，与燃料组件底座(1)使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区(5)上方，用于固定燃料环堆叠区紧固件(6)的燃料环堆叠区顶盖(7)，与燃料环堆叠区紧固件(6)使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区顶盖(7)上方的燃料组件顶盖(8)，与燃料组件包壳(2)、慢化剂区包壳(4)、燃料环堆叠区顶盖(7)均使用熔焊方法连接，用于整个燃料组件的固定，并有引导低温冷却剂流动的入口；所述燃料环堆叠区(5)和慢化剂区包壳(4)中间为外腔，燃料环堆叠区(5)中间的空腔为内腔。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：燃料组件底座(1)和燃料组件顶盖(8)使用W-3Re合金制造。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：燃料组件包壳(2)和慢化剂区包壳(4)使用W-25Re合金制造。
4.根据权利要求1所述的一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：燃料环堆叠区(5)的燃料环是由碳化铀，碳化锆和碳化铌制成的固溶体陶瓷制造。
5.根据权利要求1所述的一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：慢化剂区(3)采用的中子慢化剂为高纯石墨。
6.根据权利要求1所述的一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：燃料环堆叠区(5)的燃料环上开有横截面为矩形的，用于冷却剂流动的径向流道。
7.根据权利要求1所述的一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件，其特征在于：燃料环堆叠区(5)由使用熔焊方法连接在燃料组件底座(1)和燃料环堆叠区顶盖(7)上的燃料环堆叠区紧固件(6)固定。
8.权利要求1至7任一项所述用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件的工作方法，其特征在于：工作时，低温冷却剂由燃料组件顶盖(8)上的入口进入燃料组件，流入位于燃料环堆叠区(5)和慢化剂区包壳(4)中间的外腔进行流量分配，在通过燃料环堆叠区(5)上的径向流道时被发生裂变反应的燃料块加热，温度升高，速度增加；冷却剂从燃料环堆叠区(5)上的径向流道流出之后在燃料环堆叠区(5)中间的内腔汇合搅混，最后从燃料组件底座(1)的出口去往冷却剂喷射系统。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：冷却剂采用氢气。
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