CN114530266B - 一种安全棒及空间核反应堆 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种安全棒及空间核反应堆，安全棒包括吸收体段和跟随段。跟随段的顶端与吸收体段的底端连接，跟随段包括第一包壳、燃料段和第一轴向反射层。安全棒组装于空间核反应堆中。空间核反应堆未工作时，吸收体段位于堆芯通孔内，吸收体段阻止堆芯发生反应，保障空间核反应堆的安全性。当控制系统根据工作指令控制安全棒向上运动，使得吸收体段抽出堆芯并进入屏蔽体中的预留孔，且跟随段进入堆芯的通孔。吸收体段增强了屏蔽体的屏蔽功能。跟随段中的燃料段填补堆芯中的通孔，增大了堆芯中的燃料量，增加空间核反应堆的剩余反应性。有效减小空间核反应堆重量和体积，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种安全棒及空间核反应堆。
背景技术
许多空间核反应堆堆芯设计方案中都设置有安全棒，用于保证空间核反应堆在发生掉落事故下的安全性，即使在进入水、湿沙等情况下保证反应堆仍能维持次临界状态。
空间核反应堆启动前，安全棒位于堆芯内。空间核反应堆发射成功并准备启动时，安全棒抽离堆芯，反应堆在控制机构的控制下开始启动运行。相关技术中，安全棒抽出堆芯后进入屏蔽体，成为屏蔽体材料的一部分，可提供部分屏蔽功能。当安全棒抽离后，未充分应用堆芯内的空置区域，核反应堆仅依靠堆芯中的燃料区提供反应性。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例期望提供一种能够同时增强空间核反应堆的屏蔽功能和剩余反应性的安全棒及空间核反应堆。
本申请实施例提供一种安全棒，包括：
吸收体段；
跟随段，所述跟随段的顶端与所述吸收体段的底端连接，所述跟随段包括第一包壳、设置于所述第一包壳内的燃料段和两个第一轴向反射层，所述燃料段设置于两个所述第一轴向反射层之间。
在一些实施方案中，所述安全棒包括第二包壳，所述第二包壳环绕于所述吸收体段的周侧。
在一些实施方案中，所述第二包壳和所述第一包壳直径相同。
在一些实施方案中，所述第一包壳、第二包壳的材质采用耐高温材料。
在一些实施方案中，所述燃料段和所述吸收体段直径相同，两者同轴布置。
在一些实施方案中，所述吸收体段的材质采用碳化硼。
在一些实施方案中，所述第一轴向反射层的材质采用氧化铍。
在一些实施方案中，所述燃料段的材料采用二氧化铀或碳化铀或金属陶瓷燃料。
在一些实施方案中，所述跟随段包括慢化剂段，所述慢化剂段设置于所述燃料段的轴芯内。
在一些实施方案中，所述慢化剂段的材质为氧化铍或石墨。
本申请实施例还提供一种空间核反应堆，所述空间核反应堆包括堆芯、屏蔽体、控制系统以及前述实施例中所述的安全棒；
所述堆芯设置有沿上下方向的通孔；
所述屏蔽体置于所述堆芯的轴向一侧，所述屏蔽体内靠近所述堆芯一侧设置有沿上下方向的预留孔；
空间核反应堆未工作时，所述吸收体段位于堆芯的通孔内；
所述控制系统用于根据工作指令控制所述安全棒向上运动，以使得所述吸收体段抽出所述堆芯并进入所述屏蔽体中的预留孔，且所述跟随段进入所述堆芯的通孔。
本申请实施例的安全棒及空间核反应堆，当空间核反应堆未工作时，吸收体段位于堆芯的通孔内，吸收体段阻止堆芯发生反应，使得空间核反应堆处于次临界状态，保障空间核反应堆的安全性。空间核反应堆准备启动时，控制系统根据工作指令控制安全棒向上运动。吸收体段进入屏蔽体的预留孔中，成为屏蔽体内的一部分，可增强屏蔽体的屏蔽功能。随着连接在吸收体段下方的跟随段进入堆芯中，跟随段中的燃料段填补堆芯中的通孔，增大了堆芯中的燃料量，增加空间核反应堆的剩余反应性。有效减小空间核反应堆重量和体积，降低了成本。
附图说明
图1为本申请一实施例的安全棒的示意图；
图2为图1中A-A方向的剖视图；
图3为本申请一实施例中的空间核反应堆的部分结构的简化示意图，其中，空间核反应堆处于未工作状态；
图4为图3所示空间核反应堆中的吸收体段抽出堆芯后的示意图。
附图标记说明
堆芯1；燃料区11；径向反射层12；第二轴向反射层13；屏蔽体2；安全棒3；吸收体段31；第一轴向反射层32；燃料段33；慢化剂段34；第一包壳35；第二包壳36
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安全棒3，请参阅图1至图2，包括：吸收体段31和跟随段。
跟随段的顶端与吸收体段31的底端连接，跟随段包括第一包壳35、设置于第一包壳35内的燃料段33和两个第一轴向反射层32，燃料段33设置于两个第一轴向反射层32之间。
安全棒3组装于空间核反应堆中。请参阅图3至图4，空间核反应堆包括堆芯1、屏蔽体2以及控制系统。堆芯1作为核反应堆的动力源装置。屏蔽体2用以阻挡或减弱堆芯1发出的大量中子和γ射线。控制系统用于控制空间核反应堆中安全棒3等部件的运动。
堆芯1包括燃料区11、径向反射层12、以及位于燃料区11轴向相对两侧的第二轴向反射层13。燃料区11包含核燃料，通过核燃料的裂变反应提供动能。径向反射层12和第二轴向反射层13用以反射燃料区11泄漏的中子。
屏蔽体2置于堆芯1的轴向一侧，屏蔽体2内靠近堆芯1一侧设置有沿上下方向的预留孔。堆芯1设置有沿上下方向的通孔。空间核反应堆未工作时，吸收体段31位于堆芯1的通孔内，吸收体段31阻止堆芯1发生反应，即使在空间核反应堆出现发射掉落事故后落入水或沙子中，也能确保空间核反应堆处于次临界状态，保障空间核反应堆的安全性。
空间核反应堆准备启动时，控制系统根据工作指令控制安全棒3向上运动，以使得吸收体段31抽出堆芯1并进入屏蔽体2中的预留孔，且跟随段进入堆芯1的通孔。
吸收体段31进入屏蔽体2的预留孔中，成为屏蔽体2内的一部分，可增强屏蔽体2的屏蔽功能。
随着连接在吸收体段31下方的跟随段进入堆芯1中，跟随段中的燃料段33填补堆芯1中的通孔，增大了堆芯1中的燃料量，增加空间核反应堆的剩余反应性。有效减小空间核反应堆重量和体积，降低了成本。
第一包壳35可以阻止裂变产物的泄漏以及保持燃料段33的位置和几何形状，使燃料段33具有足够的机械强度。
示例性地，请参阅图1，安全棒3包括第二包壳36，第二包壳36环绕于吸收体段31的周侧。
第二包壳36直径和第一包壳35直径可以相同，也可以不同。
示例性地，第二包壳36直径和第一包壳35直径相同。
该实施例中，第一包壳35和第二包壳36所选直径相同，能够避免第一包壳35在进入通孔时与通孔的侧壁发生刮擦，使得跟随段伴随吸收体段31在控制系统作用下向堆芯1的通孔中平稳滑移。
空间反应堆运行时，燃料段33会产生热功率。由于跟随段与通孔侧壁之间存在间隙，燃料段33的热功率将通过第一包壳35以热辐射或热对流方式传递至燃料区11。因此，跟随段的温度较燃料区11的温度更高。因此所选第一包壳35材料应具有高的熔点和强度，良好的导热性、辐射性等特点。
示例性地，第一包壳35、第二包壳36的材质采用耐高温材料。
第一包壳35、第二包壳36所选用耐高温材料的具体类别还需根据实际工况进行细化。例如，包壳为镍基合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金等材料。
第一包壳35环绕于燃料段33的周侧，第二包壳36环绕于吸收体段31的周侧。
为了保证第一包壳35和第二包壳36在装配后具有较好的同轴度，示例性地，燃料段33和吸收体段31直径相同，两者同轴布置。燃料段33、两个第一轴向反射层32以及第一包壳35组成跟随段。吸收体段31、第二包壳36和跟随段装配后形成安全棒3。
该实施例中，跟随段和吸收体段31同轴布置且直径相同的方式，使得第一包壳35和第二包壳36在装配后的同轴度较好，易于保证装配后安全棒3的直线度要求，便于安全棒3在空间核反应堆中运动顺畅、无卡滞。
吸收体段31的材质不限，示例性地，吸收体段31的材质采用碳化硼。碳化硼具有密度低、硬度高、强度大以及化学稳定性好的特点。由于碳化硼可以吸收大量的中子而不会形成任何放射性同位素，故可通过吸收中子保证吸收体段31对中子具有良好的屏蔽效果。
第一轴向反射层32的材质不限，在一些实施例中，第一轴向反射层32的材质采用氧化铍。氧化铍的核性能优异，能有效反射中子，适合作为空间核反射堆中的反射层。
燃料段33的材质不限，在一些实施例中，燃料段33的材料采用二氧化铀。二氧化铀具有熔点高、晶格结构稳定、在高温水中具有良好耐腐蚀性能、与锆合金、不锈钢等包壳材料相容性好的优点。
在一些实施例中，燃料段33的材料采用碳化铀。碳化铀相较二氧化铀的含铀密度高。在1237K(开尔文)时的热导率约为二氧化铀的8倍，可作为性能优越的新型核燃料。
在一些实施例中，燃料段33的材料采用金属陶瓷燃料。金属陶瓷核燃料是一种弥散型燃料，即把陶瓷燃料颗粒均匀弥散于金属基体中。将陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属具有较好的强度、塑性和热导率结合起来。连续的金属基体减少了裂变产物的外泄，提高了事故工况下燃料元件的安全可靠性。
可以理解的是，可通过增大堆芯1中的燃料量以及中子慢化两种途径增强空间核反应堆的剩余反应性。
中子慢化指中子与介质原子核碰撞，引起中子能量减少而减速的现象。由于待裂变核捕获中子的速度慢于可裂变核释放中子的飞行速度，因此为了产生链式反应，就必须降低释放中子的飞行速度，使得核裂变的链式反应持续进行。
燃料段33可以为实心结构，也可以为中空结构。在燃料段33的中空结构内部设置减速剂，以起到中子慢化的作用。通过调节核燃料与慢化剂的比例，可以使核反应堆的剩余反应性达到最大。示例性地，跟随段包括慢化剂段34，慢化剂段34设置于燃料段33轴芯内。慢化剂段34可用于中子慢化，增加空间核反应堆的剩余反应性。
慢化剂段34的材质不限，在一些实施例中，慢化剂段34的材质为氧化铍。氧化铍高温辐射稳定性好，能有效减速中子，使得氧化铍适合作为空间核反射堆中的慢化剂段34。
在一些实施例中，慢化剂段34的材质采用石墨。石墨具有高熔点、耐腐蚀性和良好的中子减速性能，使得石墨适合作为空间核反射堆中的慢化剂段34。
以下对本申请一具体实施例进行描述。
空间核反应堆未工作时，如图3所示，吸收体段31位于堆芯1的通孔内，吸收体段31下端与下层第二轴向反射层13的下端平齐。此时由于吸收体段31完全填充了堆芯1内的通孔，可彻底阻止堆芯1燃料区11发生核裂变反应，确保空间核反应堆工作前的安全性。
当控制系统根据工作指令控制安全棒3向上运动，吸收体段31抽出堆芯1，进入屏蔽体2中的预留孔，吸收体段31完全填充预留孔，保证屏蔽体2完整无空隙。屏蔽体2能够有效阻挡堆芯1反应时释放的大量中子和γ射线。
跟随体进入堆芯1中的通孔并填充通孔的预留空间，如图4所示。燃料段33和燃料区11平齐，为燃料区11提供新的燃料，增强了空间核反应堆的剩余反应性。跟随段中的两个第一轴向反射层32和堆芯1中的两个第二轴向反射层13平齐，使得燃料区11的轴向相对两侧形成了完整的轴向反射层平面，更有效阻挡燃料区11中核裂变释放的中子和γ射线。
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 (12)
1.一种安全棒，其特征在于，包括：
吸收体段(31)；
跟随段，所述跟随段的顶端与所述吸收体段(31)的底端连接，所述跟随段包括第一包壳(35)、设置于所述第一包壳(35)内的燃料段(33)和两个第一轴向反射层(32)，所述燃料段(33)设置于两个所述第一轴向反射层(32)之间；
其中，空间核反应堆准备启动时，所述跟随段进入空间核反应堆的堆芯（1）中的通孔并填充所述通孔的预留空间，两个所述第一轴向反射层(32)和所述堆芯（1）中的两个第二轴向反射层（13）平齐，所述第二轴向反射层（13）位于所述堆芯（1）的燃料区轴向的相对两侧。
2.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述安全棒包括第二包壳(36)，所述第二包壳(36)环绕于所述吸收体段(31)的周侧。
3.根据权利要求2所述的安全棒，其特征在于，所述第二包壳(36)和所述第一包壳(35)直径相同。
4.根据权利要求2所述的安全棒，其特征在于，所述第一包壳(35)、第二包壳(36)的材质采用耐高温材料。
5.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述燃料段(33)和所述吸收体段(31)直径相同，两者同轴布置。
6.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述吸收体段(31)的材质采用碳化硼。
7.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述第一轴向反射层(32)的材质采用氧化铍。
8.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述燃料段(33)的材料采用二氧化铀或碳化铀。
9.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述燃料段(33)的材料采用金属陶瓷燃料。
10.根据权利要求1所述的安全棒，其特征在于，所述跟随段包括慢化剂段(34)，所述慢化剂段(34)设置于所述燃料段(33)的轴芯内。
11.根据权利要求10所述的安全棒，其特征在于，所述慢化剂段(34)的材质为氧化铍或石墨。
12.一种空间核反应堆，其特征在于，所述空间核反应堆包括堆芯(1)、屏蔽体(2)、控制系统以及权利要求1-11中任一项所述的安全棒；
所述堆芯(1)设置有沿上下方向的通孔；
所述屏蔽体(2)置于所述堆芯(1)的轴向一侧，所述屏蔽体(2)内靠近所述堆芯(1)一侧设置有沿上下方向的预留孔；
空间核反应堆未工作时，所述吸收体段(31)位于堆芯(1)的通孔内；
所述控制系统用于根据工作指令控制所述安全棒向上运动，以使得所述吸收体段(31)抽出所述堆芯(1)并进入所述屏蔽体(2)中的预留孔，且所述跟随段进入所述堆芯(1)的通孔。
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