CN118299079A - 超小型反应堆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超小型反应堆系统，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，能量输出回路接口组件与压力容器连接。本发明实现了长寿期、安全地供应热、电、氢等多种能源的功能；通过采用先进四代堆气冷堆技术保证堆芯在恶劣环境下仍具备很高的安全性；通过骨架结构增强对裂变产物的屏障作用；通过颗粒燃料的密集排布和慢化剂材料的填充方式实现堆芯体积小、重量轻，可以通过火箭搭载。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种超小型反应堆系统。
背景技术
随着太空探测、载人登月等需求愈发强烈，各大国纷纷发布空间探索计划，准备建造月球基地等空间基地。空间基地对能源有着长寿期(几十年)、大功率(上百千瓦)的要求，传统的太阳能电池、同位素电池、化学能电池不能满足，核能成为最佳甚至是唯一的选择。
然而，太空距离遥远，需要依靠火箭搭载，对反应堆的可运输性有着严苛的要求。太空可能无大气、无补给、存在地质活动、昼夜温差达数百度(零下200度到零上200度)，对反应堆的安全性和环境适应性也有极高的要求。空间基地可能常年没有反应堆专业相关人员值守，反应堆系统应能保证以足够的功率水平、长寿期地智能运行，以满足基地对各种基础能源形式的需求。这些使得空间基地超小型反应堆的研发面临巨大挑战。
目前国际上进展最快的空间基地反应堆是美国的Kilopower堆，已初步在地面上完成了满功率原型堆测试，该堆采用UMo块状合金燃料，单个反应堆仅能提供10kW的功率，堆芯寿期也仅有10年。国内有基于传统棱柱式高温气冷堆设计的空间堆方案，但仅堆芯重量已达数吨，超过常规火箭的搭载能力；也有基于液态金属冷却的空间堆方案，但可能面临冷却剂凝固的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，针对空间基地对长时间、大功率的能源需求，提供一种超小型反应堆系统，该系统为体积小、重量轻、安全性高、智能运行的长寿期微小型反应堆系统，以满足空间基地对各种基础能源形式的需求、火箭搭载需求、太空环境下稳定运行的需求。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种超小型反应堆系统，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，
反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，余热导出机构用于导出反应堆堆芯的余热，能量输出回路接口组件与压力容器连接，通过能量输出回路接口组件为压力容器内的反应堆堆芯传输能量。
优选的是，反应堆堆芯包括：活性区、反射层、控制棒，活性区、控制棒设置于反射层内，控制棒设置于活性区与反射层之间。
优选的是，所述控制棒的吸收体材料中包含碳化硼、钐、铕、铪中的一种或多种混合；
反射层材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合。
优选的是，活性区包括：燃料组件，燃料组件包括：核燃料单元、包覆于核燃料单元外的骨架，骨架包括：外壳、冷却剂通道，外壳与冷却剂通道连接形成闭合的骨架，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂通道贯穿燃料组件，冷却剂通道的流道用于通过冷却剂。
优选的是，所述冷却剂材料为氦气或氦氙混合气体。
优选的是，每个燃料组件包括至少两个冷却剂通道。
优选的是，燃料组件为六棱柱形，燃料组件为若干个，燃料组件分布在六棱柱格架内的栅格中。
优选的是，任意相邻的两个燃料组件至少一个侧面相叠合。
优选的是，核燃料单元包括：包覆颗粒弥散燃料、慢化剂、可燃毒物，包覆颗粒弥散燃料在核燃料单元内的体积占比为40～75％。
优选的是，慢化剂材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合；
可燃毒物材料中包含钆元素、硼元素中的一种或多种混合。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于屏蔽体内的事故诊断装置，用于诊断反应堆堆芯事故。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于屏蔽体内的堆芯监测装置，用于监测反应堆堆芯的运行状况。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于地球端的控制装置、设置于太空的控制棒驱动机构，堆芯监测装置通过卫星通讯将反应堆堆芯的运行状况发送给控制装置，控制装置判断反应堆堆芯的运行状况，若反应堆堆芯的运行状况为预设的停堆情况，则控制控制棒驱动机构对反应堆堆芯停堆。
优选的是，能量输出回路接口组件包括：供电回路接口、供热回路接口、供氢回路接口，反应堆堆芯通过供电回路接口向外界供电，通过供热回路接口向外界供热，通过供氢回路接口向外界供氢。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于压力容器外的缓冲装置，缓冲装置用于缓冲冲击。
优选的是，所述余热导出机构为热管式辐射器，热管式辐射器通过热传导和热辐射方式导出热量。
优选的是，屏蔽体为星体表面大地，反应堆埋置于星体表面大地底下；或者，
屏蔽体为土壤通过增材制造技术打印成的壳体，通过壳体状的屏蔽体包围其内部件。
本发明实现了在空间基地长寿期、安全地供应热、电、氢等多种能源的功能；通过采用先进四代堆气冷堆技术保证反应堆堆芯在太空恶劣环境下仍具备很高的安全性；通过碳化硅骨架结构进一步增强对裂变产物的屏障作用，也使得一体化堆芯结构可以通过先进增材制造技术直接制造；通过颗粒燃料的密集排布和慢化剂材料的填充方式实现堆芯体积小、重量轻，可以通过火箭搭载至外太空。
本发明中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
附图说明
图1为实施例2的堆芯径向布置图。
图2为实施例2的堆芯轴向布置图。
图3为实施例2的堆芯燃耗特性曲线图。
图4为实施例2的反应堆系统布置图。
图5为实施例3的堆芯径向布置图。
图6为实施例3的六边形栅格结构图。
图7是实施例3的堆芯燃耗特性曲线图。
图中：1-反射层；2-控制棒；3-核燃料单元；4-骨架；5-外壳；6-冷却剂通道；7-冷却剂通道的流道；8-热管式辐射器；9-压力容器；10-控制棒驱动机构；11-供电回路接口；12-供热回路接口；13-供氢回路接口；14-栅格；15-包覆颗粒弥散燃料；16-慢化剂。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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专利和简化描述，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专利的限制。
在本专利的描述中，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”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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专利中的具体含义。
实施例1
本实施例提供一种超小型反应堆系统，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，
反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，余热导出机构用于导出反应堆堆芯的余热，能量输出回路接口组件与压力容器连接，通过能量输出回路接口组件为压力容器内的反应堆堆芯传输能量。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
实施例2
本实施例提供一种超小型反应堆系统，包括：反应堆堆芯、压力容器9、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，
反应堆堆芯、压力容器9、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器9内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器9连接，连接管路贯穿屏蔽体，余热导出机构用于导出反应堆堆芯的余热，能量输出回路接口组件与压力容器9连接，通过能量输出回路接口组件为压力容器9内的反应堆堆芯传输能量。
优选的是，反应堆堆芯包括：活性区、反射层1、控制棒2，活性区、控制棒2设置于反射层1内，控制棒2设置于活性区与反射层1之间。
优选的是，所述控制棒2的吸收体材料中包含碳化硼、钐、铕、铪中的一种或多种混合；
反射层1材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合。
优选的是，活性区包括：燃料组件，燃料组件包括：核燃料单元3、包覆于核燃料单元3外的骨架4，骨架4包括：外壳5、冷却剂通道6，外壳5与冷却剂通道6连接形成闭合的骨架4，外壳5位于燃料组件的最外层，冷却剂通道6贯穿燃料组件，冷却剂通道的流道7用于通过冷却剂。活性区为一体化结构。
优选的是，所述冷却剂材料为氦气或氦氙混合气体。
优选的是，每个燃料组件包括至少两个冷却剂通道6。
优选的是，核燃料单元3包括：包覆颗粒弥散燃料15、慢化剂16、可燃毒物，包覆颗粒弥散燃料15在核燃料单元3内的体积占比为40～75％。
优选的是，包覆颗粒弥散燃料15可以以面心立方晶格结构密集排布，燃料颗粒体积占比达74.05％，也可以以更低的体积占比进行密集排布。包覆颗粒弥散燃料15为陶瓷颗粒燃料。
具体的，本实施例中的骨架4为碳化硅骨架4，碳化硅骨架4作为结构材料起到支撑作用。碳化硅骨架4作为反应堆堆芯结构材料，以保证反应堆堆芯一体化结构，也额外提供了裂变产物屏障作用。
包覆颗粒弥散燃料15以密集排布的方式弥散分布在碳化硅骨架4形成的空腔中，以提高燃料装载量。
慢化剂16填充在燃料颗粒之间的间隙中，以增强中子慢化能力。
可燃毒物弥散在慢化剂16材料和或反射层1材料中，以有效控制剩余反应性。
所述冷却剂通道6由碳化硅骨架4或骨架4间隙构成，冷却剂通道的流道7与燃料区域由碳化硅骨架4隔开，以减少放射性核素的扩散。
冷却剂流道由碳化硅骨架4构成或由骨架4间隙构成，碳化硅骨架4外部是反射层1。可燃毒物弥散在慢化剂16材料或反射层1材料中。所述反射层1位于活性区外侧，包覆活性区；所述控制棒2位于反射层1中。
碳化硅骨架4将包覆颗粒弥散燃料15区域完全包围，燃料区域可以被隔离在单个大空腔中，也可以被隔离在规则排布的栅格14骨架4小空腔内。
优选的是，慢化剂16材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合；
可燃毒物材料中包含钆元素、硼元素中的一种或多种混合。
具体的，本实施例中可燃毒物材料包含钆元素。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于屏蔽体内的事故诊断装置，用于诊断反应堆堆芯事故。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于屏蔽体内的堆芯监测装置，用于监测反应堆堆芯的运行状况。
反应堆系统可以通过事故诊断装置和堆芯监测装置，实现智能运行、现场无人值守。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于地球端的控制装置、设置于太空的控制棒驱动机构10，堆芯监测装置通过卫星通讯将反应堆堆芯的运行状况发送给控制装置，控制装置判断反应堆堆芯的运行状况，若反应堆堆芯的运行状况为预设的停堆情况，则控制控制棒驱动机构10对反应堆堆芯停堆。反应堆系统可以通过卫星通讯，在地球端实现远程监控，地球端具备强制停堆权限，进一步保证堆芯安全。控制棒驱动机构，所述控制棒驱动机构构造成用以在接收到所述停堆信号时驱动控制棒吸收所述反应堆堆芯内的中子。
优选的是，能量输出回路接口组件包括：供电回路接口11、供热回路接口12、供氢回路接口13，反应堆堆芯通过供电回路接口11向外界供电，通过供热回路接口12向外界供热，通过供氢回路接口13向外界供氢。能量输出回路接口组件连接供电、供热、供氢多条能量输出回路。
优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于压力容器9外的缓冲装置，缓冲装置用于缓冲冲击。具体的，缓冲装置用来缓冲运输、发射、降落、地质运动等冲击，保证反应堆的结构完整性。
优选的是，所述余热导出机构为热管式辐射器8，热管式辐射器8通过热传导和热辐射方式导出热量。
优选的是，屏蔽体为星体表面大地，反应堆埋置于星体表面大地底下；或者，
屏蔽体为土壤通过增材制造技术打印成的壳体，通过壳体状的屏蔽体包围其内部件，包围反应堆。屏蔽体为天体表面土壤屏蔽层。
针对空间基地对长时间、大功率的能源需求，本实施例提供一种超小型反应堆系统，该系统为体积小、重量轻、安全性高、智能运行的长寿期微小型反应堆系统，以满足空间基地对各种基础能源形式的需求、火箭搭载需求、太空环境下稳定运行的需求。该系统为满足太空环境和运输条件的、长寿期的超小型反应堆系统。
具体的，本实施例中图1是一种热功率200kW、寿期达到50满功率年以上的超小型反应堆的径向布置图，图2为其轴向布置图，堆芯总直径仅52cm，轴向高度45cm，堆芯总质量仅约336kg。燃料形式是包括富集度90％的UN燃料核和四层包覆层结构的颗粒，其包覆层几乎可以完全包容裂变产物，燃料核直径800μm，燃料颗粒直径1100μm。燃料颗粒以密集排布的方式弥散在SiC骨架4结构围成的大空腔中，体积占比为50％，整个堆芯的铀装量为65kg。燃料颗粒之间的间隙填充有氢化钇慢化剂16材料，用来增强中子慢化能力。SiC骨架4结构包括包围燃料区域的大圆柱壳体和冷却剂通道6外侧的小圆柱壳体，所有SiC骨架4结构相连，将燃料区域密封，进一步增强对裂变产物的屏障作用。冷却剂通道6共有37个，规则排布；冷却剂为氦气，由SiC骨架4与燃料区域隔离。SiC骨架4结构内侧为活性区，直径36cm，高度30cm；SiC骨架4结构厚度1cm；SiC骨架4结构外侧为反射层1结构，反射层1材料为氧化铍。反应性控制由可燃毒物和控制棒2来实现，可燃毒物弥散在慢化剂16氢化钇材料和反射层1氧化铍材料中，吸收体为B4C，质量占比为0.2％；控制棒2布置在反射层1中，共有8组，吸收体材料为碳化硼，用于堆芯运行控制和停堆。
图3是利用通用蒙卡程序计算得到的堆芯燃耗特性曲线图，堆芯在200kW热功率时，寿期最大可达19600EFPD(满功率天)，约53.7EFPY(满功率年)，寿期末平均卸料燃耗深度为60100MWd/tU，不超过燃耗限值100000MWd/tU。
图4是反应堆系统，包括热管式辐射器8，通过热传导和热辐射的方式导出堆芯余热；压力容器9，压力容器9外设置缓冲装置，用来缓冲运输、发射、降落、地质运动等冲击，保证反应堆完整；控制棒驱动机构10，控制棒驱动机构10与反应堆堆芯的控制棒2连接，用来调节控制棒2棒位，实现堆芯运行控制；供电、供热、供氢三个能源回路供应接口，用来满足空间基地对基础能源的需求。反应堆的屏蔽体利用星体表面土壤来构筑，可以将反应堆整体置于底下，也可以利用增材制造技术将土壤打印成壳体。
堆芯内各材料均可承受零下200℃到零上1000℃的温度，堆芯出口温度可达800℃，提供高品质热源。先进气冷堆技术，保证堆芯具有优越的固有安全性，可以在太空恶劣环境下稳定、安全运行。反应堆系统，整体质量在2吨以内，满足常规长征系列火箭的搭载能力要求。通过事故诊断装置与堆芯在线监测技术相结合，可实现智能运行、无人值守；通过卫星通讯，在地球端设置远程监控系统和强制停堆权限，进一步保障堆芯安全。
本实施例实现了在空间基地长寿期、安全地供应热、电、氢等多种能源的功能；通过采用先进四代堆气冷堆技术保证反应堆堆芯在太空恶劣环境下仍具备很高的安全性；通过碳化硅骨架4结构进一步增强对裂变产物的屏障作用，也使得一体化堆芯结构可以通过先进增材制造技术直接制造；通过颗粒燃料的密集排布和慢化剂16材料的填充方式实现堆芯体积小、重量轻，可以通过火箭搭载。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架4结构、包覆颗粒弥散燃料15密集排布、慢化剂16填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
实施例3
本实施例提供一种超小型反应堆系统，与实施例2中的区别为：
燃料组件为六棱柱形，燃料组件为若干个，燃料组件分布在六棱柱格架内的栅格14中。每个栅格14中的燃料组件的外壳5为SiC外包壳，燃料组件的冷却剂通道6为SiC内包壳。
任意相邻的两个燃料组件至少一个侧面相叠合。
图5是一种热功率200kW、寿期达到20满功率年以上的超小型反应堆的径向布置图，堆芯总直径仅45cm，轴向高度40cm，堆芯总质量仅约170kg。堆芯活性区由相同结构的六边形栅格14构成。活性区外为反射层1，反射层1材料为铍。控制棒2布置在反射层1中，共有12组，吸收体材料为碳化硼，用于堆芯运行控制和停堆。
图6是六边形栅格14结构示意图。燃料形式是包括富集度90％的UN燃料核和四层包覆层结构的颗粒，其包覆层几乎可以完全包容裂变产物，燃料核直径800μm，燃料颗粒直径1100μm。燃料颗粒以密集排布的方式弥散在六边形栅格14的小空腔内，体积占比为50％，整个堆芯的铀装量为29kg。燃料颗粒之间的间隙填充有氢化锆慢化剂16材料，用来增强中子慢化能力。栅格14的SiC外包壳包围整个栅格14的外周，SiC内包壳呈圆柱状，分隔冷却剂通道6与燃料区域。堆内所有SiC栅格14格架相连，将燃料区域密封，进一步增强对裂变产物的屏障作用。冷却剂通道6位于栅格14的中心位置，冷却剂为氦气。
图7是利用通用蒙卡程序计算的堆芯燃耗特性曲线图，堆芯在200kW热功率时，寿期最大可达7800EFPD，约21.4EFPY，寿期末平均卸料燃耗深度为54000MWd/tU，不超过燃耗限值100000MWd/tU。
本实施例实现了在空间基地长寿期、安全地供应热、电、氢等多种能源的功能；通过采用先进四代堆气冷堆技术保证反应堆堆芯在太空恶劣环境下仍具备很高的安全性；通过碳化硅骨架4结构进一步增强对裂变产物的屏障作用，也使得一体化堆芯结构可以通过先进增材制造技术直接制造；通过颗粒燃料的密集排布和慢化剂16材料的填充方式实现堆芯体积小、重量轻，可以通过火箭搭载。
具体的，本实施例中可燃毒物材料中包含硼元素。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架4结构、包覆颗粒弥散燃料15密集排布、慢化剂16填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
实施例4
本实施例提供一种超小型反应堆系统，与实施例2中的区别为：
控制棒的吸收体材料中包含钐。
反射层材料为氢化钇和氢化锆(质量比1:3)。
冷却剂材料为氦氙混合气体。
燃料颗粒在核燃料单元内的体积占比为40％。
慢化剂材料为石墨。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
实施例5
本实施例提供一种超小型反应堆系统，与实施例2中的区别为：
控制棒的吸收体材料中包含铕。
反射层材料为石墨。
冷却剂材料为氦氙混合气体。
燃料颗粒在燃料单元内的体积占比为75％。
慢化剂材料氧化铍和铍(质量比为1:3)。
可燃毒物材料中包含硼元素。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
实施例6
本实施例提供一种超小型反应堆系统，与实施例2中的区别为：
控制棒的吸收体材料中包含铪。
反射层材料为氢化钇。
燃料颗粒在燃料单元内的体积占比为60％。
慢化剂材料为氧化铍。
可燃毒物材料中包含钆元素和硼元素。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
实施例7
本实施例提供一种超小型反应堆系统，与实施例2中的区别为：
控制棒的吸收体材料中包含钐和铕(质量比2:1)。
反射层材料为氢化锆。
冷却剂材料为氦氙混合气体。
燃料颗粒在燃料单元内的体积占比为65％。
慢化剂材料为铍。
本实施例中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kW(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种超小型反应堆系统，其特征在于，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，余热导出机构用于导出反应堆堆芯的余热，能量输出回路接口组件与压力容器连接，通过能量输出回路接口组件为压力容器内的反应堆堆芯传输能量。
2.根据权利要求1所述的超小型反应堆系统，其特征在于，反应堆堆芯包括：活性区、反射层、控制棒，活性区、控制棒设置于反射层内，控制棒设置于活性区与反射层之间。
3.根据权利要求2所述的超小型反应堆系统，其特征在于，所述控制棒的吸收体材料中包含碳化硼、钐、铕、铪中的一种或多种混合；
反射层材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合。
4.根据权利要求2所述的超小型反应堆系统，其特征在于，活性区包括：燃料组件，燃料组件包括：核燃料单元、包覆于核燃料单元外的骨架，骨架包括：外壳、冷却剂通道，外壳与冷却剂通道连接形成闭合的骨架，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂通道贯穿燃料组件，冷却剂通道的流道用于通过冷却剂。
5.根据权利要求4所述的超小型反应堆系统，其特征在于，所述冷却剂材料为氦气或氦氙混合气体。
6.根据权利要求4所述的超小型反应堆系统，其特征在于，每个燃料组件包括至少两个冷却剂通道。
7.根据权利要求4所述的超小型反应堆系统，其特征在于，燃料组件为六棱柱形，燃料组件为若干个，燃料组件分布在六棱柱格架内的栅格中。
8.根据权利要求7所述的超小型反应堆系统，其特征在于，任意相邻的两个燃料组件至少一个侧面相叠合。
9.根据权利要求4～8任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，核燃料单元包括：包覆颗粒弥散燃料、慢化剂、可燃毒物，包覆颗粒弥散燃料在核燃料单元内的体积占比为40～75％。
10.根据权利要求9所述的超小型反应堆系统，其特征在于，慢化剂材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合；
可燃毒物材料中包含钆元素、硼元素中的一种或多种混合。
11.根据权利要求1所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于屏蔽体内的事故诊断装置，用于诊断反应堆堆芯事故。
12.根据权利要求1所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于屏蔽体内的堆芯监测装置，用于监测反应堆堆芯的运行状况。
13.根据权利要求12所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于地球端的控制装置、设置于太空的控制棒驱动机构，堆芯监测装置通过卫星通讯将反应堆堆芯的运行状况发送给控制装置，控制装置判断反应堆堆芯的运行状况，若反应堆堆芯的运行状况为预设的停堆情况，则控制控制棒驱动机构对反应堆堆芯停堆。
14.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，能量输出回路接口组件包括：供电回路接口、供热回路接口、供氢回路接口，反应堆堆芯通过供电回路接口向外界供电，通过供热回路接口向外界供热，通过供氢回路接口向外界供氢。
15.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于压力容器外的缓冲装置，缓冲装置用于缓冲冲击。
16.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，所述余热导出机构为热管式辐射器，热管式辐射器通过热传导和热辐射方式导出热量。
17.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，屏蔽体为星体表面大地，反应堆埋置于星体表面大地底下；或者，
屏蔽体为土壤通过增材制造技术打印成的壳体，通过壳体状的屏蔽体包围其内部件。
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