CN114530263A - 一种核反应堆 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种核反应堆，包括：堆芯、伸缩机构以及多个热管。堆芯包括燃料区、轴向反射层、上层径向反射层与下层径向反射层。伸缩机构包括热胀冷缩件和连接件。本申请实施例的核反应堆在启动前，上层径向反射层和下层径向反射层存在预留间隙。当核反应堆启动后，随着热管传递给热胀冷缩件的热量相应减少，热胀冷缩件的体积缩小。热胀冷缩件通过连接件带动反射层向下移动，上层径向反射层与下层径向反射层之间距离的减少会减小堆芯的中子泄漏率，引入正反应性，补偿燃耗反应性损失，维持反应堆的临界运行状态。使得在核反应堆运行过程中无需控制系统对燃料区的反应性下降进行主动干预，减少了核反应堆的故障率，提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种核反应堆。
背景技术
空间核反应堆在发射成功并启动运行后，由于燃耗的不断消耗会导致反应性的持续下降。相关技术中，需要由控制系统监测空间核反应堆的运行状态，并根据运行状态发送相应调节指令。例如：控制系统通过调节控制机构(如控制鼓、滑移式反射层等)进行调节动作补偿反应性的下降量。由于空间核反应堆在运行过程中需要控制系统对燃料区的反应性下降进行主动干预，控制系统的可靠性直接影响到反应堆的运行寿命。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例期望提供一种在运行过程中无需控制系统对燃料区的反应性下降进行主动干预即可维持临界运行状态的核反应堆。
本申请实施例提供一种核反应堆，包括：
堆芯，所述堆芯包括燃料区、上层径向反射层、下层径向反射层、以及位于所述燃料区轴向相对两侧的轴向反射层，所述上层径向反射层与所述下层径向反射层沿轴向间隔布置；
多个热管，所述热管的底端置于所述燃料区下方的轴向反射层中，顶端从所述燃料区上方的轴向反射层伸出；
伸缩机构，所述伸缩机构包括相互连接的热胀冷缩件和连接件，所述热胀冷缩件固定于所述热管上，所述连接件连接所述热胀冷缩件和所述上层径向反射层，当所述热胀冷缩件冷缩，所述热胀冷缩件通过所述连接件带动所述上层径向反射层向下移动。
在一些实施方案中，所述热胀冷缩件包括容器以及封装于所述容器内的液态介质，所述容器具有向上延伸的波纹管，所述波纹管的顶端和所述连接件固定连接，所述液态介质在冷缩时带动波纹管收缩，所述波纹管通过所述连接件带动所述上层径向反射层向下移动。
在一些实施方案中，所述容器内的液态介质为钠钾合金。
在一些实施方案中，所述容器包括圆盘部以及多个所述波纹管，各所述波纹管环绕圆盘部的周向间隔布置。
在一些实施方案中，在所述容器的周向间隔布置有轴向贯穿容器的通孔，所述热管穿过所述通孔，以将热量通过所述通孔的孔壁传递给所述容器。
在一些实施方案中，所述容器的圆盘部与轴向反射层同轴布置。
在一些实施方案中，所述圆盘部的周向表面设置有多个连接口，所述波纹管包括轴向伸缩段以及连接于所述轴向伸缩段下端的拐弯段，所述拐弯段远离所述轴向伸缩段的一端与所述连接口连接，所述连接件连接于所述轴向伸缩段的顶端。
在一些实施方案中，所述波纹管与所述容器通过法兰盘连接。
在一些实施方案中，所述连接件包括支撑板和轴杆，所述支撑板一端与热胀冷缩件连接，所述支撑板另一端通过所述轴杆与所述上层径向反射层连接。
在一些实施方案中，当所述核反应堆运行至寿期末时，上层径向反射层与下层径向反射层合拢。
本申请实施例的核反应堆，利用物体的热胀冷缩原理实现上层径向反射层的上下移动，即核反应堆启动前，上层径向反射层和下层径向反射层存在预留间隙。当核反应堆启动后，随着时间推移燃料区温度产生小幅下降，热管传递给热胀冷缩件的热量相应减少，导致热胀冷缩件的体积缩小。热胀冷缩件通过连接件带动反射层向下移动，上层径向反射层与下层径向反射层之间距离的减少会减小堆芯的中子泄漏率，引入正反应性，从而补偿燃耗反应性损失，维持反应堆的临界运行状态。使得在核反应堆运行过程中无需控制系统对燃料区的反应性下降进行主动干预，减少了核反应堆的故障率，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为本申请一实施例的核反应堆的示意图；
图2为图1中伸缩机构的示意图。
附图标记说明
堆芯1；燃料区11；上层径向反射层12；下层径向反射层13；轴向反射层14；热管2；伸缩机构3；热胀冷缩件31；圆盘部311；通孔311a；波纹管312；连接件32；轴杆321；支撑板322；安全棒通道311b
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。
本发明实施例提供一种核反应堆，请参阅图1至图2，包括：堆芯1、伸缩机构3以及多个热管2。堆芯1包括燃料区11、上层径向反射层12、下层径向反射层13、以及位于燃料区11轴向相对两侧的轴向反射层14，上层径向反射层12与下层径向反射层13沿轴向间隔布置。热管2的底端置于燃料区11下方的轴向反射层14中，顶端从燃料区11上方的轴向反射层14伸出。伸缩机构3包括相互连接的热胀冷缩件31和连接件32，热胀冷缩件31固定于热管2上，连接件32连接热胀冷缩件31和上层径向反射层12，当热胀冷缩件31冷缩，热胀冷缩件31通过连接件32带动上层反射层向下移动。
请参阅图1，堆芯1的轴心部位设有安全棒通道311b，安全棒通道311b内部容纳有安全棒。安全棒用于在反应堆出现发射掉落事故时能够维持次临界的安全状态。
本申请实施例的核反应堆，利用物体的热胀冷缩原理实现上层径向反射层12的上下移动，即核反应堆启动前，上层径向反射层12和下层径向反射层13存在预留间隙。当核反应堆启动后，随着时间推移燃料区11温度产生小幅下降，热管2传递给热胀冷缩件31的热量相应减少，导致热胀冷缩件31的体积缩小。热胀冷缩件31通过连接件32带动反射层向下移动，上层径向反射层12与下层径向反射层13之间距离的减少会减小堆芯1的中子泄漏率，引入正反应性，从而补偿燃耗反应性损失，维持反应堆的临界运行状态。使得在核反应堆运行过程中，无需控制系统对燃料区的反应性下降进行主动干预，减少了核反应堆的故障率，提高了系统的可靠性。
热胀冷缩件31的具体结构形式不限，示例性地，请参阅图1，热胀冷缩件31包括容器以及封装于容器内的液态介质，容器具有向上延伸的波纹管312，波纹管312的顶端和连接件32固定连接，液态介质在冷缩时带动波纹管312收缩，波纹管312通过连接件32带动上层径向反射层12向下移动。
该实施例中，核反应堆在启动前，上层径向反射层12和下层径向反射层13存在预留间隙，此时波纹管312处于预设长度状态。当核反应堆启动后，容器内的液态介质遇热体积膨胀，填满波纹管312，使得波纹管312的轴向长度向上延伸，波纹管312的顶端通过连接件32带动上层径向反射层12向上移动。随着核反应堆的持续运行，当容器内的液态介质接收的热量减少时，液态介质体积收缩，波纹管312的轴向长度向下收缩，波纹管312的顶端通过连接件32带动上层径向反射层12向下移动。通过液态介质热胀冷缩带动波纹管312延伸收缩的方式成本低廉、性能可靠，可较大限度调节上层反射层的移动量。
容器的材质不限，在一些实施例中，容器可以为316不锈钢，镍基合金等材质。
波纹管312的材质不限，在一些实施例中，波纹管312采用304不锈钢材质，使用前需经过氮气检漏测试。
封装于容器内的液态介质需选用体积膨胀系数较大的液体。示例性地，容器内的液态介质为钠钾合金。由于钠钾合金熔点低于-10℃(摄氏度)，常温下为液态，流动性较好，且钠钾合金的体积膨胀系数较大，为2.77×10-4/K(开尔文)，故钠钾合金可应用于热传导应用中。
所选容器应便于封装液态介质且波纹管312的布置形式应利于热量的传递。
示例性地，请参阅图1，容器包括圆盘部311以及多个波纹管312，各波纹管312环绕圆盘部311的周向间隔布置。
该实施例中，由于液态介质的冷缩热胀，当温度不同时容器会受到不同的压强，圆盘部311容器相较方形或三角形容器，各个部位受力均衡，不易变形。圆盘部311形状相较方形等形状在容器表面积相同时，容积更大，盛放浓稠液体后也不易出现死角处的沉淀现象。
多个波纹管312环绕圆盘部311的周向间隔布置形式使得波纹管312中液态介质吸收的热量均匀，每个波纹管312收缩幅度保持一致，上层径向反射层12运行平稳。
热管2与容器之间的配合应利于两者之间的热量传递。示例性地，请参阅图1，容器的周向间隔布置有轴向贯穿容器的通孔311a，热管2穿过通孔311a，以将热量通过通孔311a的孔壁传递给容器。
该实施例中，热管2穿过通孔311a保证了热管2和容器之间具有充分的接触面积，热管2延伸于堆芯1外的部分将热量通过通孔311a孔壁传递给容器。
热管2和容器选用相同的材料利于提高两者之间的热传递效率。示例性地，热管2和容器均选用Haynes 230(海恩斯230合金)。Haynes 230是一种以镍、铬、钼、钨等元素组成的镍基高温合金，含镍量约为58％。Haynes230镍基合金综合了多数高温合金的强度及可加工性，具有卓越的力学性能，耐高温蠕变性能，出色的表面稳定性和耐腐蚀(氧化)性能。
容器的圆盘部311与轴向反射层14的布置方式不限，可以是同轴布置，也可为非同轴布置。
示例性地，请参阅图1，容器的圆盘部311与轴向反射层14同轴布置。
该实施例中，所采用的同轴布置方式使得核反应堆布局紧凑合理，且便于燃料区11与容器之间热量的传递。
波纹管312在容器的分布位置和接口形式应便于溶液在容器和波纹管312之间顺利流动。
示例性地，请参阅图1，圆盘部311的周向表面设置有多个连接口，波纹管312包括轴向伸缩段以及连接于轴向伸缩段下端的拐弯段，拐弯段远离轴向伸缩段的一端与连接口连接，连接件32连接于轴向伸缩段的顶端。
该实施例中，圆周盘的周向表面设置有多个连接口以及设置于波纹管312轴向伸缩端下端的拐弯段便于液态介质在容器和各个波纹管312之间均匀流动。当热管2的热量通过容器传递至液态介质，随着热管2传递至容器热量的降低，波纹管312内的液态介质体积逐渐减小，带动波纹管312实现轴向伸缩端收缩，轴向伸缩端的顶端带动连接件32向下移动。
波纹管312与容器之间应便于拆装连接。示例性地，波纹管312与容器通过法兰盘连接。
法兰盘连接于波纹管312管端，法兰盘上有孔眼，通过螺栓紧固两个法兰盘，使波纹管312与容器之间完成连接。法兰盘便于拆装连接，使用方便，能够承受较大的压力且能对所连接的波纹管312起到一定的密封作用。
所选连接件32应便于将热胀冷缩件31的运动传递给上层径向反射层12。示例性地，请参阅图1，连接件32包括支撑板322和轴杆321，支撑板322一端与热胀冷缩件31连接，支撑板322另一端通过轴杆321与上层径向反射层12连接。
该实施例中，热胀冷缩件31通过轴杆321和支撑板322将作用力作用于上层径向反射层12，使得上层径向反射层12随着热胀冷缩件31的收缩同步移动。
支撑板322和轴杆321的连接方式不限，例如，可以为焊接、螺纹连接等方式。
支撑板322和轴杆321的材质不限，在一些实施例中，支撑板322和轴杆321可以为40Cr，GCr15等材质。
需要说明的是，由于全寿期燃料区温降等于全寿期内的燃耗反应性损失与燃料区单位温降引入反应性的比值，且全寿期内的燃耗反应性损失基本为一定常数。因此，燃料区单位温降1K(开尔文)所引入的反应性越大，全寿期内燃料区的温降幅度就越小。燃料区单位温降所引入的反应性由上层径向反射层12向下层径向反射层13移动的距离大小决定。而上层径向反射层12移动的距离决定于波纹管312的收缩幅度。波纹管312的收缩幅度取决于容器容积、波纹管312数目和波纹管312径向尺寸。针对燃料区的单位温降，容器容积越大、波纹管312直径越小以及波纹管312数目越少，均可增大波纹管312收缩幅度，从而使上层径向反射层12移动更大的距离，更大程度减小堆芯1的中子泄漏率，引入更大的正反应性，减少了全寿期燃料区温降。即本申请的核反应堆通过全寿期燃料区的小幅度温降即可较大程度补偿燃耗反应性损失，维持反应堆的临界运行，不需任何控制系统对燃料区的反应性下降进行主动干预。
根据具体实际应用中选择的核反应堆功率、核反应堆中的燃料类型，进行燃耗计算即可得到反应性的下降量，根据反应性的下降量预留上层径向反射层12和下层径向反射层13之间的距离。
示例性地，当核反应堆运行至寿期末时，上层径向反射层12与下层径向反射层13合拢。
该实施例中，通过合理预留上层径向反射层12和下层径向反射层13之间的距离，保证了在核反应堆运行过程中最大程度减小堆芯1的中子泄漏率，避免了燃料区11的浪费，使得核反应堆在释放相同热量时可尽可能减少燃料区11的用量。
本申请提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合。以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种核反应堆，其特征在于，包括：
堆芯(1)，所述堆芯(1)包括燃料区(11)、上层径向反射层(12)、下层径向反射层(13)、以及位于所述燃料区(11)轴向相对两侧的轴向反射层(14)，所述上层径向反射层(12)与所述下层径向反射层(13)沿轴向间隔布置；
多个热管(2)，所述热管(2)的底端置于所述燃料区(11)下方的轴向反射层(14)中，顶端从所述燃料区(11)上方的轴向反射层(14)伸出；
伸缩机构(3)，所述伸缩机构(3)包括相互连接的热胀冷缩件(31)和连接件(32)，所述热胀冷缩件(31)固定于所述热管(2)上，所述连接件(32)连接所述热胀冷缩件(31)和所述上层径向反射层(12)，当所述热胀冷缩件(31)冷缩，所述热胀冷缩件(31)通过所述连接件(32)带动所述上层径向反射层(12)向下移动。
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述热胀冷缩件(31)包括容器以及封装于所述容器内的液态介质，所述容器具有向上延伸的波纹管(312)，所述波纹管(312)的顶端和所述连接件(32)固定连接，所述液态介质在冷缩时带动波纹管(312)收缩，所述波纹管(312)通过所述连接件(32)带动所述上层径向反射层(12)向下移动。
3.根据权利要求2所述的核反应堆，其特征在于，所述容器内的液态介质为钠钾合金。
4.根据权利要求2所述的核反应堆，其特征在于，所述容器包括圆盘部(311)以及多个所述波纹管(312)，各所述波纹管(312)环绕圆盘部(311)的周向间隔布置。
5.根据权利要求4所述的核反应堆，其特征在于，在所述容器的周向间隔布置有轴向贯穿容器的通孔(311a)，所述热管(2)穿过所述通孔(311a)，以将热量通过所述通孔(311a)的孔壁传递给所述容器。
6.根据权利要求2所述的核反应堆，其特征在于，所述容器的圆盘部(311)与轴向反射层(14)同轴布置。
7.根据权利要求4所述的核反应堆，其特征在于，所述圆盘部(311)的周向表面设置有多个连接口，所述波纹管(312)包括轴向伸缩段以及连接于所述轴向伸缩段下端的拐弯段，所述拐弯段远离所述轴向伸缩段的一端与所述连接口连接，所述连接件(32)连接于所述轴向伸缩段的顶端。
8.根据权利要求7所述的核反应堆，其特征在于，所述波纹管(312)与所述容器通过法兰盘连接。
9.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，所述连接件(32)包括支撑板(322)和轴杆(321)，所述支撑板(322)一端与热胀冷缩件(31)连接，所述支撑板(322)另一端通过所述轴杆(321)与所述上层径向反射层(12)连接。
10.根据权利要求1所述的核反应堆，其特征在于，当所述核反应堆运行至寿期末时，上层径向反射层(12)与下层径向反射层(13)合拢。
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2022
- 2022-01-04 CN CN202210002093.6A patent/CN114530263B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN114530263B (zh) | 2024-03-22 |
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