CN117594254A - 一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法 - Google Patents

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CN117594254A CN202311651462.5A CN202311651462A CN117594254A CN 117594254 A CN117594254 A CN 117594254A CN 202311651462 A CN202311651462 A CN 202311651462A CN 117594254 A CN117594254 A CN 117594254A
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Abstract

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种采用多层环状燃料的便携式反应堆，包括：壳体，壳体依次包括第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分，且第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分之间设有辐射屏蔽层；上端导热石墨，设于第一部分内，且在上端导热石墨内设有压紧弹簧；堆芯，设于第二部分内，堆芯包括多层环状燃料元件和石墨慢化剂、以及反射层，多层环状燃料元件与石墨慢化剂呈层叠嵌套设置，反射层位于石墨慢化剂的外壁上；该种采用多层环状燃料的便携式反应堆，自身拥有较大的功率的同时保证了反应堆的便携性。在正常运行过程中可精准的控制堆芯的反应性，在面对事故时，还能在不依靠外部电力的情况下迅速中止核反应。

Description

一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法。
背景技术
核反应堆的小型化是目前反应堆发展的一种趋势，目的在于减小核反应堆的尺寸、增加其灵活性，并改进其安全性以及可维护性。小型化核反应堆具有以下特点和趋势。一是低功率，小型化的核反应堆功率与核电厂反应堆(数千兆瓦级)相比，功率很低，通常只有数兆瓦或者数十千瓦。因此小型化核反应堆可以应用于电力供应、航天应用、实验室研究和热能供应等诸多场合。二是小型化核反应堆具有很高的灵活性，小型化的核反应堆可以部署到各种环境中，例如偏远地区、极端气候条件或者受灾地区，小型化的核反应堆可以满足不同地点和应用的多样性需求。三是小型化的核反应堆通常采用模块化设计，因此，小型化的核反应堆相对容易建造，还可以根据实际情况进行定制化设计。
目前，在小型化反应堆方面，在专利号为CN109243653A中，有人申请了一种多用途小型核反应堆电源专利，该专利中申请人利用温差发电的方式将反应堆产生的热能转化为电能以供多种用途的装备与系统使用。另外，在专利号为CN111128411B中，有人申请了一种小型固态反应堆堆芯，在该专利中堆芯采用了多块金属导热块和固态慢化剂块，燃料元件棒插入到两者的插孔中，并用石墨填补缝隙，该专利采用一体化固态堆芯设计，减少了芯体结构材料的用量。在专利号CN112943477A中涉及了一种新型紧凑式空间核反应堆电源，该电源无需换热器，直接将自由活塞斯特林发电机与反应堆堆芯连接，降低了整个装置的体积。
在上述的专利中，堆芯的功率较低、并且没有涉及堆芯的反应性的控制、以及如何保证堆芯的核安全。在反应堆实际运行过程中，随着堆芯燃耗的加深，需要将控制棒处在不同位置来控制堆芯的反应性，从而保证功率的稳定。另外，对于所有的反应堆而言，核安全必须放在首位，因此，目前的反应堆设计中要求在事故情况下能保证核反应的及时中止。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的堆芯的功率较低和反应性控制的问题，从而提供一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用多层环状燃料的便携式反应堆，包括：壳体，所述壳体依次包括第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分，且所述第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分之间设有辐射屏蔽层；上端导热石墨，设于所述第一部分内，且在所述上端导热石墨内设有压紧弹簧；堆芯，设于所述第二部分内，所述堆芯包括多层环状燃料元件和石墨慢化剂、以及反射层，所述多层环状燃料元件与石墨慢化剂层叠、且嵌套设置，所述反射层位于所述石墨慢化剂的外壁上；控制棒，包括控制棒有效段和控制棒导热段，所述控制棒有效段位于堆芯内部；下端导热石墨，设于所述第三部分内；所述控制棒导热段设于所述第四部分的底部导热石墨内，且贯穿所述下端导热石墨，并与控制棒有效段底部抵接；控制棒驱动机构，设于所述第四部分内，所述控制棒驱动机构包括控制棒电磁驱动线圈和底部拉力弹簧、以及电磁销爪机构，所述控制棒电磁驱动线圈用于提升控制棒有效段和控制棒导热段，所述底部拉力弹簧用于将控制棒有效段复位到堆芯中，所述电磁销爪机构用于精确的控制控制棒的运行步长。
进一步地，所述电磁销爪机构包括：外壳，设于所述底部导热石墨中，所述外壳内部设有销爪；电磁销爪拉力弹簧，一端与所述销爪连接，另一端与外壳连接；电磁销爪驱动线圈，设于所述外壳上。
进一步地，还包括控制棒行程管，所述控制棒行程管设于所述底部导热石墨内，且套设于所述控制棒导热段上。
进一步地，所述底部导热石墨内设有电磁销爪上部安装孔和电磁销爪下部安装孔，所述电磁销爪上部安装孔沿所述底部导热石墨的径向设有多个，所述电磁销爪下部安装孔沿所述底部导热石墨的径向设有多个，所述电磁销爪机构设于所述电磁销爪上部安装孔和电磁销爪下部安装孔内。
进一步地，多个所述电磁销爪上部安装孔和多个电磁销爪下部安装孔在所述底部导热石墨的投影上呈交错设置。
进一步地，还包括电磁销爪导线孔，所述电磁销爪导线孔位于所述底部导热石墨内。
进一步地，还包括压紧弹簧行程管，所述压紧弹簧行程管设于所述上端导热石墨内，且所述压紧弹簧位于所述压紧弹簧行程管内。
进一步地，沿所述壳体的外壁上间隔设有多个定位销孔，所述定位销孔用于布置散热肋片。
进一步地，还包括壳体导线孔，所述壳体导线孔内设有导线，所述导线与控制棒电磁驱动线圈和电磁销爪驱动线圈连接。
本发明还提供了一种采用多层环状燃料的便携式反应堆的工作方法，包括：
在反应堆正常运行的过程中，控制棒电磁驱动线圈和电磁销爪机构内的电磁销爪驱动线圈，将会持续的通电，以维持控制棒有效段的位置，保证功率水平的稳定；但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段对中子的吸收强度，需要将控制棒有效段一部分提升到上端导热石墨中，以减小对中子的吸收；对于控制棒有效段的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈持续的通电，来持续产生对控制棒的向上的拉力，控制棒电磁驱动线圈与底部拉力弹簧产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构的动作来完成对控制棒有效段的提升；
当反应堆处于事故情况或者需要停堆时，只需对反应堆断电即可，顶部压紧弹簧和底部拉力弹簧会对控制棒产生一个竖直向下的合力，同时，由于控制棒电磁驱动线圈和电磁销爪机构内的电磁销爪驱动线圈全部断电，电磁销爪机构的销爪，将在电磁销爪拉力弹簧的作用下，迅速回到外壳内部，电磁销爪机构对控制棒的轴向运动将不会再产生影响，因此，控制棒有效段将会全部插入到堆芯中，中止核反应的进行。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆，包括：壳体，所述壳体依次包括第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分，且所述第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分之间设有辐射屏蔽层；上端导热石墨，设于所述第一部分内，且在所述上端导热石墨内设有压紧弹簧；堆芯，设于所述第二部分内，所述堆芯包括多层环状燃料元件和石墨慢化剂、以及反射层，所述多层环状燃料元件与石墨慢化剂层叠、且嵌套设置，所述反射层位于所述石墨慢化剂的外壁上；控制棒，包括控制棒有效段和控制棒导热段，所述控制棒有效段位于所述堆芯内部；下端导热石墨，设于所述第三部分内；所述控制棒导热段设于所述第四部分的底部导热石墨内，且贯穿所述下端导热石墨，并与控制棒有效段底部抵接；控制棒驱动机构，设于所述第四部分内，所述控制棒驱动机构包括控制棒电磁驱动线圈和底部拉力弹簧、以及电磁销爪机构，所述控制棒电磁驱动线圈用于提升控制棒有效段和控制棒导热段，所述底部拉力弹簧用于将控制棒有效段复位到堆芯中，所述电磁销爪机构用于精确的控制控制棒的运行步长。
反应堆正常运行时，多层环形燃料元件作为燃料元件会持续的释放热量以及快中子，石墨慢化剂用于减速反应堆中的中子，增大中子与核燃料的反应截面，快中子在慢化剂石墨的作用下减速，由快中子变为热中子，热中子轰击核燃料，使得多层环形燃料元件持续释放热量、以及快中子，释放的中子将会重复上述过程。布置在堆芯周围的堆芯反射层，堆芯反射层用来反射中子，使中子返回到反应堆的核心区域，从而增加核反应的概率同时减少中子泄漏，即将边界逃逸的中子反射回堆芯，以减小中子泄露，同时增加核反应的发生概率。堆芯内部的控制棒有效段会持续的吸收多余的中子，使得堆芯中的链式反应变得可控。从而保证整个堆芯发生持续可控的链式反应。同时，为了进一步防止放射性物质的泄露，在堆芯两端布置辐射屏蔽层。
堆芯在发生持续可控的链式反应的同时，将会释放大量的热量，布置在堆芯上端的上端导热石墨和布置在堆芯下端的下端导热石墨，由于石墨很高的导热率的特性，能将堆芯中的热量快速的导出，防止堆芯产生热量堆积。
在反应堆正常运行的过程中，所有的电磁线圈将会持续的通电，以维持控制棒有效段的位置，保证功率水平的稳定。但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段对中子的吸收强度，因此需要将控制棒有效段一部分提升到第一部分中，以减小对中子的吸收。对于控制棒有效段的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈持续的通电，来产生对控制棒的向上的拉力，控制棒电磁驱动线圈与底部拉力弹簧产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构的动作来完成对控制棒有效段的提升。
在反应堆实际运行过程中，还涉及到控制棒的下降操作，控制棒有效段的下降操作相比于提升操作更为简洁，只需将控制棒电磁驱动线圈断电，底部拉力弹簧产生的合力持续竖直向下，同时电磁销爪机构进行动作即可完成控制棒有效段的下降。
该采用多层环状燃料的便携式反应堆，自身拥有较大的功率的同时保证了反应堆的便携性。在正常运行过程中可精准的控制堆芯的反应性，在事故情况下还能在不依靠外部电力的情况下迅速中止核反应，保证了反应堆的安全。
2.本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆，该采用多层环状燃料的便携式反应堆还包括控制棒行程管，所述控制棒行程管设于所述底部导热石墨内，且套设于所述控制棒导热段上。通过控制棒行程管的设置，从而便于将控制棒导热段安装在控制棒行程管内，为控制棒导热段提供了安装空间；同时，为控制棒的运动提供导向作用。
3.本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆，多个所述电磁销爪上部安装孔和多个电磁销爪下部安装孔在所述底部导热石墨内部在投影上的交错设置。该设置方式。可以将电磁销爪机构设置为多个，并且，多个电磁销爪机构互不干涉。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的结构示意图；
图2为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的Ⅰ处的结构示意图；
图3为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的Ⅱ处的结构示意图；
图4为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的第一部分的结构示意图；
图5为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的堆芯的结构示意图；
图6为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的堆芯的俯视图；
图7为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的第三部分的结构示意图；
图8为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的第四部分的结构示意图；
图9为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的控制棒导热段的结构示意图；
图10为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的控制棒行程管的结构示意图；
图11为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的底部导热石墨整体结构示意图；
图12为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的底部导热石墨内部结构示意图；
图13为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的电磁销爪机构的结构示意图；
图14为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的电磁销爪机构的剖视图；
图15为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的电磁销爪拉力弹簧的结构示意图；
图16为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的电磁销爪驱动线圈的结构示意图；
图17为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的壳体的整体示意图；
图18为图17中A-A的剖视图；
图19为图17中B-B的剖视图；
图20为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的壳体+散热肋片的结构示意图；
图21为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的散热肋片安装结构示意图；
图22为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的控制棒提升一个步长流程图；
图23为本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆的控制棒下降一个步长流程图。
附图标记说明：
1、多层环状燃料元件；2、石墨慢化剂；3、堆芯反射层；4、控制棒有效段；5、辐射屏蔽层；6、上端导热石墨；7、压紧弹簧行程管；8、压紧弹簧；9、下端导热石墨；10、下端行程管；11、底部导热石墨；11a、电磁销爪上部安装孔；11b、电磁销爪下部安装孔；11c、电磁销爪导线孔；12、控制棒电磁驱动线圈；13、控制棒导热段；14、控制棒行程管；15、底部拉力弹簧；16、壳体导线孔；17、电磁销爪机构；17a、电磁销爪拉力弹簧；17b、销爪；17c、外壳；17d、电磁销爪驱动线圈；18、壳体；18a、定位销孔；19、散热肋片；A、第一部分；B、第二部分；C、第三部分；D、第四部分。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
请参阅图1至图23所示，本发明提供了一种采用多层环状燃料的便携式反应堆，包括：壳体18，所述壳体18依次包括第一部分A和第二部分B、第三部分C、以及第四部分D，且所述第一部分A和第二部分B、第三部分C、以及第四部分D之间设有辐射屏蔽层5；上端导热石墨6，设于所述第一部分A内，且在所述上端导热石墨6内设有压紧弹簧8；堆芯，设于所述第二部分B内，所述堆芯包括多层环状燃料元件1和石墨慢化剂2、以及反射层3，所述多层环状燃料元件1与石墨慢化剂2层叠、且嵌套设置，所述反射层3布置于所述石墨慢化剂2的外壁上；控制棒，包括控制棒有效段4和控制棒导热段13，所述控制棒有效段4位于堆芯内部；下端导热石墨9，设于所述第三部分C内；所述控制棒导热段13设于所述第四部分D的底部导热石墨11内，且贯穿所述下端导热石墨9，并与控制棒有效段4底部抵接；控制棒驱动机构，设于所述第四部分D内，所述控制棒驱动机构包括控制棒电磁驱动线圈12和底部拉力弹簧15、以及电磁销爪机构17，所述控制棒电磁驱动线圈12用于提升控制棒有效段4和控制棒导热段13，所述底部拉力弹簧15用于将控制棒有效段4复位到堆芯中，所述电磁销爪机构17用于精确的控制控制棒的运行步长。
反应堆正常运行时，多层环状燃料元件作为燃料元件会持续的释放热量以及快中子，石墨慢化剂用于减速反应堆中的中子，增大中子与核燃料的反应截面，快中子在慢化剂石墨的作用下减速，由快中子变为热中子，热中子继续轰击核燃料，使得多层环形燃料元件1持续释放热量、以及快中子，释放的中子将会重复上述过程。布置在堆芯周围的堆芯反射层3，堆芯反射层3用来反射中子，使中子返回到反应堆的核心区域，从而增加核反应的概率同时减少中子泄漏，即将边界逃逸的中子反射回堆芯，以减小中子泄露，同时增加核反应的发生概率。堆芯内部的控制棒有效段4会持续的吸收多余的中子，使得堆芯中的链式反应变得可控。从而保证整个堆芯发生持续可控的链式反应。同时，为了进一步防止放射性物质的泄露，在堆芯两端布置辐射屏蔽层5。
堆芯在发生持续可控的链式反应的同时，将会释放大量的热量，布置在堆芯上端的上端导热石墨6和布置在堆芯下端的下端导热石墨9，由于石墨很高的导热率的特性，能将堆芯中的热量快速的导出，防止堆芯产生热量堆积。
在反应堆正常运行的过程中，所有的电磁线圈将会持续的通电，以维持控制棒有效段4的位置，保证功率水平的稳定。但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段4对中子的吸收强度，因此需要将控制棒有效段4一部分提升到第一部分A中，以减小对中子的吸收。对于控制棒有效段4的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈12持续的通电，来产生对控制棒的向上的拉力，控制棒电磁驱动线圈12与底部拉力弹簧15产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构17的动作来完成对控制棒有效段4的提升。
在反应堆实际运行过程中，还涉及到控制棒的下降操作，控制棒有效段4的下降操作相比于提升操作更为简洁，只需将控制棒电磁驱动线圈12断电，底部拉力弹簧15产生的合力持续竖直向下，同时电磁销爪机构17进行动作即可完成控制棒有效段4的下降。
该采用多层环状燃料的便携式反应堆，自身拥有较大的功率的同时保证了反应堆的便携性。在正常运行过程中可精准的控制堆芯的反应性，在事故情况下，还能在不依靠外部电力的情况下迅速中止核反应，保证了反应堆的安全。
其中，控制棒的控制棒有效段4成分为强吸收中子材料，控制棒导热段13为不锈钢材料，控制棒导热段13用于填补控制棒有效段4步进时产生的空腔，补偿导热能力。
壳体18为金属材质，包裹第一部分A和第二部分B、第三部分C、以及第四部分D；壳体18构成了一道安全屏障，用于防止放射性物质的泄露。
在一些可选的实施例中，所述电磁销爪机构17包括：外壳17c，设于所述底部导热石墨11上，所述外壳17c内部设有销爪17b；电磁销爪拉力弹簧17a，一端与所述销爪17b连接，且所述电磁销爪拉力弹簧17a另一端与外壳17c连接；电磁销爪驱动线圈17d，设于所述外壳17c上。
通过在底部导热石墨11上设置外壳17c，从而便于外壳17c电磁销爪机构17的安装；同时，将电磁销爪拉力弹簧17a的一端与销爪17b连接，另一端与外壳17c连接，这也可以对电磁销爪拉力弹簧17a的一端进行固定，保证该电磁销爪机构17安装的稳定性。
电磁销爪拉力弹簧17a会持续的对销爪17b产生拉力，电磁销爪驱动线圈17d通电时会对销爪17b产生另外的反方向的拉力，两者合力的大小决定销爪17b的开关状态。
在一些可选的实施例中，该采用多层环状燃料的便携式反应堆还包括控制棒行程管14，所述控制棒行程管14设于所述底部导热石墨11内，且套设于所述控制棒导热段13上。
通过控制棒行程管14的设置，从而便于将控制棒导热段13安装在控制棒行程管14内，为控制棒导热段13提供了安装空间；同时，为控制棒的运动提供导向作用。
在一些可选的实施例中，所述底部导热石墨11内设有电磁销爪上部安装孔11a和电磁销爪下部安装孔11b，所述电磁销爪上部安装孔11a沿所述底部导热石墨11的径向设有多个，所述电磁销爪下部安装孔11b沿所述底部导热石墨11的径向设有多个，所述电磁销爪机构17设于所述电磁销爪上部安装孔11a和电磁销爪下部安装孔11b内。
通过在底部导热石墨11的上设有多个电磁销爪上部安装孔11a，并且在底部导热石墨11内也设有多个电磁销爪下部安装孔11b，从而便于将电磁销爪机构17安装在电磁销爪上部安装孔11a和电磁销爪下部安装孔11b内，为电磁销爪机构17提供了安装位置。
在一些可选的实施例中，多个所述电磁销爪上部安装孔11a和多个电磁销爪下部安装孔11b在所述底部导热石墨11的投影上呈交错设置。
该设置方式。可以将电磁销爪机构17设置为多个，并且，多个电磁销爪机构17互不干涉。
在控制棒行程管14中部还设置有导向孔，所述的导向孔与底部导热石墨11中的电磁销爪上部安装孔11a和电磁销爪下部安装孔11b相互对应。
在一些可选的实施例中，该采用多层环状燃料的便携式反应堆还包括电磁销爪导线孔11c，位于所述底部导热石墨11内。
该电磁销爪导线孔11c的设置，便于在电磁销爪导线孔11c内设置导线，该导线连接电磁销爪机构17，从而实现外部设备与电磁销爪机构17的电连接。
在一些可选的实施例中，该采用多层环状燃料的便携式反应堆还包括压紧弹簧行程管7，所述压紧弹簧行程管7设于所述上端导热石墨6内，且所述压紧弹簧8位于所述压紧弹簧行程管7内。
该压紧弹簧行程管7的设置，为压紧弹簧8在上端导热石墨6内的移动提供了导向，避免压紧弹簧8的压缩出现偏移的情况。
其中，沿所述壳体18的外壁上间隔设有多个定位销孔18a，所述定位销孔18a用于布置散热肋片19。该散热肋片19的设置，用于强化反应堆与外界的换热。
在一些可选的实施例中，该采用多层环状燃料的便携式反应堆还包括壳体导线孔16，所述壳体导线孔16内设有导线，所述导线与控制棒电磁驱动线圈12和电磁销爪驱动线圈17d连接。
该壳体导线孔16的设置，便于在壳体导线孔16内安装导线，从而而实现外部设备与该控制棒电磁驱动线圈12的连接。
本发明还提供了一种采用多层环状燃料的便携式反应堆的工作方法，包括：
在反应堆正常运行的过程中，控制棒电磁驱动线圈12和电磁销爪机构17内的电磁销爪驱动线圈17d，将会持续的通电，以维持控制棒有效段4的位置，保证功率水平的稳定；但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段4对中子的吸收强度，需要将控制棒有效段4一部分提升到上端导热石墨6中，以减小对中子的吸收；对于控制棒有效段4的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈12持续的通电，来持续产生对控制棒的向上的拉力，此时控制棒电磁驱动线圈12与底部拉力弹簧15产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构17的动作来完成对控制棒有效段4的提升；
当反应堆处于事故情况或者需要停堆时，只需对反应堆断电即可，顶部压紧弹簧8和底部拉力弹簧15会对控制棒产生一个竖直向下的合力，同时，由于控制棒电磁驱动线圈12和电磁销爪机构17内的电磁销爪驱动线圈17d全部断电，电磁销爪机构17的销爪17b，将在电磁销爪拉力弹簧17a的作用下，迅速回到外壳17c内部，电磁销爪机构17对控制棒的轴向运动将不会再产生影响，因此，控制棒有效段4将会全部插入到堆芯中，中止核反应的进行。
由于底部导热石墨11内设有电磁销爪上部安装孔11a和电磁销爪下部安装孔11b，因此，可以设置两层电磁销爪机构17；以下简称安装在电磁销爪上部安装孔11a内的第一层电磁销爪机构17的销爪17b为销爪1，安装在电磁销爪下部安装孔11b内的第二层电磁销爪机构17内的销爪17b为销爪2；
该采用多层环状燃料的便携式反应堆具体提升一个步长的方法：
初始状态：销爪1与销爪2均为伸出状态，固定控制棒导热段13的位置，从而控制控制棒有效段4位置。
步骤1：销爪1所在的电磁销爪机构17断电，销爪1在电磁销爪拉力弹簧17a的作用下缩回到外壳17c内；销爪2所在的电磁销爪机构17持续通电，从而维持伸出状态。
步骤2：由于控制棒电磁线圈12持续通电，因此控制棒导热段13具有持续向上的合力，因此控制棒导热段13会自动向上抬升一段距离，直至被销爪2卡住。
步骤3：电磁销爪机构17通电，因此销爪1伸出；
步骤4：电磁销爪机构17断电，销爪2缩回；
步骤5：由于销爪2处于缩回状态，因此对控制棒导热段13的卡滞效果消失。控制棒导热段13在控制棒电磁驱动线圈12的作用下又将自动向上抬升，直至被销爪1卡住；
步骤6：电磁销爪机构17通电，销爪2伸出，即提升了一个步长，并回到初始状态。
其中，虚线表示控制棒完整的提升了一个步长。
该采用多层环状燃料的便携式反应堆具体下降一个步长的方法：
首先，控制棒电磁驱动线圈12断电，控制棒导热段13失去向上的力，而由于底部拉力弹簧15持续对其向下的拉力和控制棒导热段13自身存在的重力，因此控制棒导热段13受到的两者合力竖直向下。
初始状态：销爪1与销爪2均处于伸出状态，固定控制棒导热段13的位置，从而控制控制棒有效段4位置。
步骤1：销爪1所在的电磁销爪机构17持续通电，从而维持伸出状态；销爪2所在的电磁销爪机构17断电，销爪2在电磁销爪拉力弹簧17a的作用下缩回到外壳17c内；
步骤2：由于控制棒导热段13有持续向下的合力，因此控制棒导热段13会自动下降一段距离，直至被销爪1卡住。
步骤3：电磁销爪机构17通电，因此销爪2伸出；
步骤4：电磁销爪机构17断电，销爪1缩回；
步骤5：由于销爪1处于缩回状态，因此对控制棒导热段13的卡滞效果消失。控制棒导热段13在竖直向下的合力作用下又将自动下降一段距离，直至被销爪2卡住；
步骤6：电磁销爪机构17通电，因此销爪1伸出；回到初始状态。
其中，虚线表示控制棒完整的下降了一个步长。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，包括：
壳体(18)，所述壳体(18)依次包括第一部分(A)和第二部分(B)、第三部分(C)、以及第四部分(D)，且所述第一部分(A)和第二部分(B)、第三部分(C)、以及第四部分(D)之间设有辐射屏蔽层(5)；
上端导热石墨(6)，设于所述第一部分(A)内，且在所述上端导热石墨(6)内设有压紧弹簧(8)；
堆芯，设于所述第二部分(B)内，所述堆芯包括多层环状燃料元件(1)和石墨慢化剂(2)、以及反射层(3)，所述多层环状燃料元件(1)与石墨慢化剂(2)层叠、且嵌套设置，所述反射层(3)布置于所述石墨慢化剂(2)的外壁上；
控制棒，包括控制棒有效段(4)和控制棒导热段(13)，所述控制棒有效段(4)位于堆芯内部；
下端导热石墨(9)，设于所述第三部分(C)内；
所述控制棒导热段(13)设于所述第四部分(D)的底部导热石墨(11)内，且贯穿所述下端导热石墨(9)，并与控制棒有效段(4)底部抵接；
控制棒驱动机构，设于所述第四部分(D)内，所述控制棒驱动机构包括控制棒电磁驱动线圈(12)和底部拉力弹簧(15)、以及电磁销爪机构(17)，所述控制棒电磁驱动线圈(12)用于提升控制棒有效段(4)和控制棒导热段(13)，所述底部拉力弹簧(15)用于将控制棒有效段(4)复位到堆芯中，所述电磁销爪机构(17)用于精确的控制控制棒的运行步长。
2.根据权利要求1所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，所述电磁销爪机构(17)包括：
外壳(17c)，设于所述底部导热石墨(11)中，所述外壳(17c)内部设有销爪(17b)；
电磁销爪拉力弹簧(17a)，一端与所述销爪(17b)连接，另一端与外壳17(c)连接；
电磁销爪驱动线圈(17d)，设于所述外壳(17c)上。
3.根据权利要求2所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，还包括控制棒行程管(14)，所述控制棒行程管(14)设于所述底部导热石墨(11)内，且套设于所述控制棒导热段(13)上。
4.根据权利要求3所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，所述底部导热石墨(11)内设有电磁销爪上部安装孔(11a)和电磁销爪下部安装孔(11b)，所述电磁销爪上部安装孔(11a)沿所述底部导热石墨(11)的径向设有多个，所述电磁销爪下部安装孔(11b)沿所述底部导热石墨(11)的径向设有多个，所述电磁销爪机构(17)设于所述电磁销爪上部安装孔(11a)和电磁销爪下部安装孔(11b)内。
5.根据权利要求4所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，多个所述电磁销爪上部安装孔(11a)和多个电磁销爪下部安装孔(11b)在所述底部导热石墨(11)的投影上呈交错设置。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，还包括电磁销爪导线孔(11c)，且位于所述底部导热石墨(11)内。
7.根据权利要求6所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，还包括压紧弹簧行程管(7)，所述压紧弹簧行程管(7)设于所述上端导热石墨(6)内，且所述压紧弹簧(8)位于所述压紧弹簧行程管(7)内。
8.根据权利要求7所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，沿所述壳体(18)的外壁上间隔设有多个定位销孔(18a)，所述定位销孔(18a)用于布置散热肋片(19)。
9.根据权利要求8所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆，其特征在于，还包括壳体导线孔(16)，所述壳体导线孔(16)内设有导线，所述导线与控制棒电磁驱动线圈(12)和电磁销爪驱动线圈(17d)连接。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的采用多层环状燃料的便携式反应堆的工作方法，其特征在于，包括：
在反应堆正常运行的过程中，控制棒电磁驱动线圈(12)和电磁销爪机构(17)内的电磁销爪驱动线圈(17d)将会持续的通电，以维持控制棒有效段(4)的位置，保证功率水平的稳定；但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段(4)对中子的吸收强度，需要将控制棒有效段(4)一部分提升到上端导热石墨(6)中，以减小对中子的吸收；对于控制棒有效段(4)的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈(12)持续的通电，来持续产生对控制棒的向上的拉力，控制棒电磁驱动线圈(12)与底部拉力弹簧(15)产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构(17)的动作来完成对控制棒有效段(4)的提升；
当反应堆处于事故情况或者需要停堆时，只需对反应堆断电即可，顶部压紧弹簧(8)和底部拉力弹簧(15)会对控制棒产生一个竖直向下的合力，同时，由于控制棒电磁驱动线圈(12)和电磁销爪机构(17)内的电磁销爪驱动线圈(17d)全部断电，电磁销爪机构(17)的销爪(17b)，将在电磁销爪拉力弹簧(17a)的作用下，迅速回到外壳(17c)内部，电磁销爪机构(17)对控制棒的轴向运动将不会再产生影响，因此，控制棒有效段(4)将会全部插入到堆芯中，中止核反应的进行。
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