CN114283953A - 应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯及陆上移动式电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯及陆上移动式电源，涉及核反应堆技术领域，为解决目前陆用小型气冷核反应堆的结构不够紧凑的问题而设计。该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯包括堆芯活跃区、包覆在堆芯活跃区外围的反射层以及包覆在反射层外围的承压层，堆芯活跃区包括多个呈六边形的燃料元件，多个燃料元件呈蜂巢状紧密排布，燃料元件的中心为横截面为圆形的燃料棒，六角为冷却剂入口通道；燃料棒包括碳化铀燃料；冷却剂为氦氙混合气体。该陆上移动式电源包括上述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯。本发明提供的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯及陆上移动式电源在同样功率的前提下，结构更加紧凑。

Description

应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯及陆上移动式电源

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体而言，涉及一种应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯及陆上移动式电源。

背景技术

目前，陆用小型核反应堆技术路线主要以热管堆和气冷堆为主。对于热管堆而言，尽管理论上能够达到更高的输出功率，但是其功率输出对热管的尺寸和数量较为敏感，同时在基体上钻出数十万根毫米级通道对工业制造来说是极大的挑战。因此，从可行性角度出发，气冷核反应堆将是更优的方案。

通常，气冷核反应堆包括堆芯，其中，堆芯内为燃料元件，气体作为冷却剂直接流过上述燃料元件。燃料元件中间为燃料，燃料元件的两端设置了轴向反射层，以减少中子泄漏。轴向反射层后放置了一个气体间隙和裂变气体静压箱，用于吸收裂变气体和平衡裂变气体压力。燃料元件的两端设置有流体导向装置，用于控制冷却剂流量。

然而，目前气冷核反应堆的结构不够紧凑。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，以解决目前陆用小型气冷核反应堆的结构不够紧凑的技术问题。

本发明提供的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，包括堆芯活跃区、包覆在所述堆芯活跃区外围的反射层以及包覆在所述反射层外围的承压层，所述堆芯活跃区包括多个呈六边形的燃料元件，多个所述燃料元件呈蜂巢状紧密排布，所述燃料元件以石墨为基体，所述燃料元件的中心为横截面为圆形的燃料棒，所述燃料元件的六角为冷却剂入口通道；所述燃料棒包括碳化铀燃料；所述冷却剂为氦氙混合气体。

进一步地，所述冷却剂入口通道包覆有包壳。

进一步地，所述包壳的材质为钼合金。

进一步地，所述承压层包括第一承压层和环绕所述第一承压层设置的第二承压层，所述第二承压层与所述第一承压层之间具有间隔，所述间隔形成冷却剂出口通道。

进一步地，所述反射层的材质为铍。

进一步地，所述燃料棒中的铀元素富集度在19％-20％之间。

进一步地，所述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯开设有中心轴孔。

进一步地，所述承压层的材质为不锈钢。

进一步地，所述六边形为正六边形。

本发明应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯带来的有益效果是：

通过设置主要由堆芯活跃区、反射层和承压层组成的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其中，反射层包覆在堆芯活跃区的外围，通过散射将从堆芯活跃区泄漏的中子反射回堆芯活跃区，以提高核反应堆的中子利用效率，使得靠近反射层的堆芯功率出现回升；承压层包覆在反射层外围，为应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯起到支持、保护和包容的作用，同时也作为辐射防护屏障。堆芯活跃区包括多个燃料元件，燃料元件呈六边形，多个燃料元件呈蜂巢状紧密排布，燃料元件以石墨为基体，其中心为横截面为圆形的燃料棒，六角为冷却剂入口通道；燃料棒包括碳化铀燃料；冷却剂为氦氙混合气体。

通过设置由石墨材质制成的基体，利用石墨作为慢化剂材料，热中子吸收截面小，散射截面大，能够用于显著促进中子裂变反应，同时成本低廉，强度适中，可在高温下使用。该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的燃料元件使石墨以基体形式布置，并通过在石墨基体开设孔洞以容纳燃料棒和使氦氙混合气体作为冷却剂通过，能够提高中子利用率，并对功率展平具有重要意义。

由于燃料元件的中心为横截面为圆形的燃料棒，六角为冷却剂入口通道，即：每个燃料棒周围环绕设置多个冷却剂入口通道，使得在氦氙气体作为冷却剂在冷却剂入口通道自下向上流经堆芯时，能够将核反应产生的裂变热带走，并且，多个冷却剂入口通道还能够保证作为冷却剂的氦氙气体与燃料元件的充分接触，在提升整堆的功率输出的同时减小氦氙压力损失，使得堆芯结构的紧凑性程度得以提升，从而使得应用该堆芯的陆上移动式电源结构也变得紧凑、小型化，可移动性好，在同等体积条件下，功率密度更高。而且，在该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯工作过程中，作为基体的石墨能够进行被动热导出。

通过采用氦氙混合气体作为冷却剂，一方面，在高温高压的极端工作条件下，这种设置，使得冷却剂不易与堆芯活跃区内的固体材料发生反应，保证了应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的正常工作，另一方面，这种混合气体的压缩性较好，在能够达到同样功率的同时有效减小堆芯的尺寸，利于该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的小型化、紧凑化设计。

本发明的第二个目的在于提供一种陆上移动式电源，以解决目前陆上移动式电源的结构不够紧凑的技术问题。

本发明提供的陆上移动式电源，包括上述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯。

本发明陆上移动式电源带来的有益效果是：

通过在陆上移动式电源中设置上述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，由于上述紧凑堆芯能够在达到同样功率的同时，结构变得更加紧凑，从而使得包括其的陆上移动式电源的结构也变得更加紧凑，使得陆上移动式电源具有高功率、长寿期、可移动和小型化等诸多优良特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的纵截面示意图；

图2为本发明实施例提供的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的横截面示意图；

图3为图2中A处的局部结构放大图。

附图标记说明：

100-堆芯活跃区；200-反射层；300-承压层；400-中心轴孔；

110-石墨；120-燃料元件；140-包壳；

111-燃料棒；112-冷却剂入口通道；

310-第一承压层；320-第二承压层；330-冷却剂出口通道。

具体实施方式

目前，冷却剂的流通方式主要有三种：1、开放格栅设计。这种形式的冷却剂流通方式，虽然有利于减小堆芯的体积和质量，还能最小化冷却剂压降，但冷却剂流量难以控制，会带来局部功率峰值；2、环形通道设计。这种形式的冷却剂流通方式是最常用的设计，冷却剂的流量和传热都很好控制，但需要对环形通道的尺寸进行详细研究以降低冷却剂压降；3、金属陶瓷燃料设计。这种形式的冷却剂流通方式，虽然能够很好地均衡以上两种流通方式中存在的问题，但尚未大规模开展验证。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例提供的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的纵截面示意图，图2为本实施例提供的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的横截面示意图，图3为图2中A处的局部结构放大图。如图1至图3所示，本实施例提供了一种应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，包括堆芯活跃区100、包覆在堆芯活跃区100外围的反射层200以及包覆在反射层200外围的承压层300，具体地，堆芯活跃区100包括多个呈六边形的燃料元件120，多个燃料元件120呈蜂巢状紧密排布，燃料元件120以石墨110为基体，燃料元件120的中心为横截面为圆形的燃料棒111，燃料元件120的六角为冷却剂入口通道112；燃料棒111包括碳化铀燃料，冷却剂为氦氙混合气体。

通过设置由石墨材质制成的基体，利用石墨作为慢化剂材料，热中子吸收截面小，散射截面大，能够用于显著促进中子裂变反应，同时成本低廉，强度适中，可在高温下使用。该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的燃料元件120使石墨以基体形式布置，并通过在石墨基体110开设孔洞以容纳燃料棒111和使氦氙混合气体作为冷却剂通过，能够提高中子利用率，并对功率展平具有重要意义。

由于燃料元件120的中心为横截面为圆形的燃料棒111，六角为冷却剂入口通道112，即：每个燃料棒111周围环绕设置多个冷却剂入口通道130，使得在氦氙气体作为冷却剂在冷却剂入口通道130自下向上流经堆芯时，能够将核反应产生的裂变热带走，并且，多个冷却剂入口通道130还能够保证作为冷却剂的氦氙气体与燃料元件120的充分接触，在提升整堆的功率输出的同时减小氦氙压力损失，使得堆芯结构的紧凑性程度得以提升，从而使得应用该堆芯的陆上移动式电源结构也变得紧凑、小型化，可移动性好，在同等体积条件下，功率密度更高。而且，在该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯工作过程中，作为基体的石墨110能够进行被动热导出。

通过采用氦氙混合气体作为冷却剂，一方面，在高温高压的极端工作条件下，这种设置，使得冷却剂不易与堆芯活跃区100内的固体材料发生反应，保证了应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的正常工作，另一方面，这种混合气体的压缩性较好，在能够达到同样功率的同时有效减小堆芯的尺寸，利于该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的小型化、紧凑化设计。

需要说明的是，本实施例中，图2中的堆芯活跃区100可以看成是若干个图3示出的燃料元件120呈蜂巢状紧密排布的阵列。其中，堆芯活跃区100的半径为600mm，堆芯高度为1200mm。

本实施例中，六边形的燃料元件120的对边距为29.45mm，

本实施例中，燃料棒111为圆柱形棒状结构，燃料棒111的半径为7mm，冷却剂入口通道112的半径为4mm。

本实施例中，燃料棒111中的铀元素富集度在19-20％之间。如此设置，能够使燃料棒111具有更高的含铀密度、较低的工作温度、较少的燃耗裂变气体释放量，性能优越。

优选地，燃料棒111中的铀元素富集度为19.75％。

请继续参照图3，本实施例中，冷却剂入口通道112包覆有包壳140。

通过为冷却剂入口通道包覆设置包壳140，实现了氦氙混合气体与石墨110的相互隔离，能够对石墨110起到一定的保护作用，从而避免高温气体对固体材料造成的腐蚀。

优选地，包壳140的材质为钼合金。如此设置，能够大大提高包壳140的抗腐蚀性能，从而进一步削弱高温气体对固体材料造成的腐蚀影响。

本实施例中，包壳140的外径为5mm。

请继续参照图1和图2，本实施例中，承压层300包括第一承压层310和环绕第一承压层310设置的第二承压层320，具体地，第二承压层320与第一承压层310之间具有间隔，上述间隔形成冷却剂出口通道330。

该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯中，形成于石墨110的冷却剂入口通道130作为内通道，形成于第一承压层310与第二承压层320之间的冷却剂出口通道330作为外通道。如图1中的箭头所示，在应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯工作过程中，冷却剂入口通道130与冷却剂出口通道330构成一个流动循环：在堆芯活跃区100中，氦氙混合气体作为冷却剂由冷却剂入口通道130自下向上流经堆芯并带走核反应产生的裂变热，众多冷却剂入口通道130保证冷却剂与燃料棒111的充分接触，在提升整堆的功率输出的同时减小氦氙压力损失；流出的氦氙混合气体进入涡轮机膨胀做功并最终带动发电机发电输出电功，冷却后的氦氙混合气体则经由冷却剂出口通道330等压流动并返回压气机，这一回路构成了氦氙的闭式布雷顿循环体系，将有助于提高氦氙的利用率与整机的循环热效率。另外，在排出停堆余热的情况下，关闭氦氙供应并开放机体，令空气自然通过冷却剂入口通道130和冷却剂出口通道330进行余热排出，这一设计令该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯具备以空气为冷却剂的余热排出功能为主的固有安全性。

具体地，本实施例中，承压层300的材质为不锈钢，即：第一承压层310和第二承压层320的材质均为不锈钢。

这种材质形式的承压层300，结构强度较高，能够很好地承受本实施例应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯在工作过程中产生的压力，进而达到保护整个堆芯的目的。

优选地，第一承压层310和第二承压层320的材质均为奥氏体304不锈钢。

本实施例中，第一承压层310和第二承压层320的厚度均为20mm；冷却剂出口通道330的厚度为50mm。

具体地，本实施例中，反射层200的材质为铍。

本实施例中，反射层200的厚度为350mm。

请继续参照图1和图2，本实施例中，该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯开设有中心轴孔400。

通过在该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的中心开设中心轴孔400，使得该堆芯能够响应陆上移动式电源的压气机-堆芯-涡轮机“三机一体”整体设计方案，与陆上移动式电源中的其他部件具有良好的耦合特性，该中心轴孔400用于上述整体方案的主轴机构设计。

具体地，本实施例中，燃料元件120呈正六边形。如此设置，能够保证多个燃料元件120在堆芯活跃区100排布的紧密性。本实施例中，中心轴孔400的对边距为187.06mm。

而且，还能够保证氦氙混合气体与燃料棒111的充分接触，从而使得氦氙混合气体在冷却剂入口通道130流动的过程中，能够将核反应在各处产生的裂变热均匀带出。

通过上述设计，使得本实施例应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯的输出热功率不低于20MWt，全堆寿期不低于3300EFPD(1EFPD为堆芯满功率运行1天)，堆芯燃料富集度低于20％，燃料出口温度不低于1200K。

该应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯中，各部分结构的具体参数如下表1所示。

表1结构成分表

此外，本实施例还提供了一种陆上移动式电源，该陆上移动式电源包括上述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯。

通过在陆上移动式电源中设置上述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，由于上述紧凑堆芯能够在达到同样功率的同时，结构变得更加紧凑，从而使得包括其的陆上移动式电源的结构也变得更加紧凑，使得陆上移动式电源具有高功率、长寿期、可移动和小型化等诸多优良特点。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，包括堆芯活跃区(100)、包覆在所述堆芯活跃区(100)外围的反射层(200)以及包覆在所述反射层(200)外围的承压层(300)，所述堆芯活跃区(100)包括多个呈六边形的燃料元件(120)，多个所述燃料元件(120)呈蜂巢状紧密排布，所述燃料元件(120)以石墨(110)为基体，所述燃料元件(120)的中心为横截面为圆形的燃料棒(111)，所述燃料元件(120)的六角为冷却剂入口通道(112)；所述燃料棒(111)包括碳化铀燃料；所述冷却剂为氦氙混合气体。

2.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述冷却剂入口通道(112)包覆有包壳(140)。

3.根据权利要求2所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述包壳(140)的材质为钼合金。

4.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述承压层(300)包括第一承压层(310)和环绕所述第一承压层(310)设置的第二承压层(320)，所述第二承压层(320)与所述第一承压层(310)之间具有间隔，所述间隔形成冷却剂出口通道(330)。

5.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述反射层(200)的材质为铍。

6.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述燃料棒(111)中的铀元素富集度在19％-20％之间。

7.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯开设有中心轴孔(400)。

8.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述承压层(300)的材质为不锈钢。

9.根据权利要求1所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯，其特征在于，所述六边形为正六边形。

10.一种陆上移动式电源，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的应用于陆上移动式电源的紧凑堆芯。

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