CN209216592U - 一种热管型双模式空间核反应堆堆芯 - Google Patents
一种热管型双模式空间核反应堆堆芯 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于核反应堆技术领域，公开了一种热管型双模式空间核反应堆堆芯。该反应堆堆芯包括堆芯活性区、堆芯筒体、径向反射层、轴向反射层及控制鼓；其中堆芯活性区位于堆芯筒体内，轴向反射层位于堆芯活性区上方；径向反射层为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层及热管位于该径向反射层的空腔内。该反应堆堆芯能有效避免热管过热问题且具备非能动、非单点失效等安全可靠性的有益效果。
Description
技术领域
本实用新型属于核反应堆技术领域，具体涉及一种热管型双模式空间核反应堆堆芯。
背景技术
双模式空间核反应堆同时具备推进和发电的功能，结合了核热推进反应堆以及空间反应堆电源相对于常规能源的诸多优势。该反应堆非常适用于载人登月、载人火星、空间运输等任务。美俄等航天大国对双模式反应堆开展了广泛的研究，提出了较多反应堆方案，主要可归纳为三种类型，以下对这几种方案进行简单的介绍。
美国的Mohamed S.El Genk在文献“A Topaz-ⅡBimodal Design AssessmentStudy and System Analysis”中提出一种基于热离子反应堆的双模式反应堆方案。该方案中，热离子燃料元件的中心孔道作为氢气工质的加热通道。在推进模式下，氢气自上而下流经燃料中心孔道，加热后排出，从而产生推力，同时，热离子燃料元件可产生电能；在发电模式下，堆芯热功率相对较低，系统将停止氢气排放，不再产生推力，仅由热离子燃料元件产生电能，废热由钠钾回路带出堆芯。
美国的Herbert R.Zweig在文献“NERVA-Derived Nuclear Thermal PropulsionDual Mode Operation”中提出一种基于NERVA核热推进反应堆的双模式反应堆方案。该方案中，堆芯内的复合燃料元件作为推进用燃料元件，堆芯内的支撑元件的冷却回路作为发电回路。在推进模式下，氢气工质自上而下流经复合燃料元件内的加热通道，加热后由喷管排出，从而产生推力，同时，支撑元件的冷却回路将部分堆芯热量导出至堆外的斯特林发电机，从而产生电能；发电模式下，堆芯热功率相对较低，系统将停止氢气排放，不再产生推力，复合燃料元件产生的热量由热传导的方式传递至支撑元件，并由位于支撑元件内的冷却回路导出至堆外的斯特林发电机，从而产生电能。
美国的Michael G.Houts在文献“Alert-derivative bimodal space power andpropulsion systems”中提出了一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案。该方案中，堆芯内部布置若干热管，用于导出热量并发电。在推进模式下，氢气工质自上而下流经燃料元件内的加热通道，加热后由喷管排出，从而产生推力，同时，热管将部分堆芯热量导出至堆外用于发电；发电模式下，堆芯热功率相对较低，系统将停止氢气排放，不再产生推力，燃料元件产生的热量将由热管导出，并在堆外产生电能。
以上三种类型的双模式反应堆方案均存在不足之处。前两种类型的方案均需要在超高温的核热推进反应堆中布置温度低得多的工质回路，并且需要泵、体积补偿器等诸多部件，系统复杂，研制难度高，且不具备非能动、非单点失效等特点。第三种类型的方案采用热管将热量导出堆芯用于发电，结构相对简单，具备非能动、非单点失效等优点、可靠性高。但是，热管也给系统设计带来了新的问题：在推进模式下，热管的运行温度必须远低于燃料的最高温度，以避免热管因过热而损坏。为解决此问题，该方案在热管与燃料之间布置了双层壳体结构用来将两者隔开，在推进模式下，双层壳体之间为真空，用于增大燃料与热管之间的热阻，以保护热管；在发电模式下，双层壳体之间则充满氦气，用于尽可能减小燃料与热管之间的热阻，以增强两者之间的传热性能。这种方法增加了系统的复杂度和研制难度，降低了系统运行时的可靠性。
实用新型内容
(一)技术目的
为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型提供了一种能有效避免热管过热问题且具备非能动、非单点失效等安全可靠性的双模式空间反应堆堆芯。
(二)技术方案
根据现有技术所存在的问题，本实用新型提供的技术方案如下：
一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，该反应堆堆芯包括堆芯活性区、堆芯筒体、径向反射层、轴向反射层及控制鼓；其中堆芯活性区位于堆芯筒体内，轴向反射层位于堆芯活性区上方；径向反射层为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层及热管位于该径向反射层的空腔内；
所述径向反射层主体结构的材质为氧化铍，径向反射层内设置有多个均匀分布的控制鼓，其中控制鼓形状为圆柱体形，长度与径向反射层的轴向长度一致且可在径向反射层内旋转，每个控制鼓内沿圆周设置有弧度为120度的吸收体，该吸收体从控制鼓顶端延伸至控制鼓底部，吸收体随控制鼓旋转至所需角度以使反应堆达到临界运行的状态；控制鼓内除吸收体外，其余部分材质与径向反射层的主体结构的材质一致，均为氧化铍且氧化铍上设置有贯穿的孔道，该孔道是用于氢气流通的第一流道；
所述堆芯活性区的上方设置有轴向反射层，轴向反射层内设置有氢气流通的孔道，此孔道作为氢气流通的第二流道；所述轴向反射层为圆盘形结构，材质为氧化铍，其直径与堆芯筒体的内径一致；轴向反射层上设置有与热管系统位置和数量对应的热管导向孔，热管从该热管导向孔伸出至轴向反射层上方；
所述堆芯活性区包括燃料元件、安全棒通道、热管系统及填充元件，其横截面为圆形，其中燃料元件及热管系统的数量为多个且在活性区内按三角形栅格排列，安全棒通道为贯穿的通孔，位于堆芯活性区的几何中心位置处，用于放置安全棒；所述燃料元件为六棱柱型结构，燃料类型为钨基金属陶瓷燃料，燃料元件内沿轴向设置有若干个贯穿的氢气流道，该流道作为氢气流通的第三流道；所述热管系统包括热管及热管支撑元件，热管支撑元件为六棱柱型结构，该六棱柱型结构与燃料元件的外部尺寸一致；其中热管位于热管支撑元件径向几何中心处且热管上端高出热管支撑元件及轴向反射层上的热管导向孔并与热电转换装置连接；热管支撑元件四周设置有沿轴向贯穿的氢气流道，该氢气流道为氢气流通的第四流道；燃料元件及热管系统内的氢气流道与轴向反射层内的氢气流道一一对应并吻合；堆芯活性区沿堆芯筒体内壁设置有一圈填充元件，其中填充元件为中空圆柱体结构，该填充元件为燃料元件及热管系统的径向位置起到固定的作用，并能在反应堆加热或冷却时起到一定的结构缓冲作用。
所述堆芯筒体为中空圆柱体型结构，内部放置堆芯活性区；
优选地，燃料元件及热管系统的数量根据反应堆功率、推力、电功率需求确定。
优选地，所述钨基金属陶瓷燃料的基本成分为钨和二氧化铀的混合体，其外表面设置有钨铼合金涂层。
优选地，所述热管支撑元件的材料为钨铼合金。
优选地，所述堆芯筒体的材质为钨铼合金。
优选地，所述轴向反射层的高度位于堆芯活性区上方，其在高度方向上高于堆芯径向反射层的高度。
优选地，所述热管的底部伸入至堆芯活性区底部。
优选地，所述吸收体的材质为碳化硼。
优选地，所述热管内的工质为锂，热管材质为钨铼合金。
优选地，所述安全棒通道内放置安全棒，其中安全棒的材质为碳化硼。
(三)有益效果
采用本实用新型提供的双模式空间核反应堆堆芯，该反应堆堆芯首次在热管支撑元件上设计了氢气流通的孔道，用以在推进模式下对热管进行保护，可以有效避免热管因过热而损坏，降低了系统的复杂度和研制难度，提升了系统的可靠性和可实现性。同时，通过在径向反射层内设计可旋转的控制鼓，可以根据设计需要旋转控制鼓内的吸收体至不同角度，进一步简化了操作难度。
本申请与传统的热管型双模式反应堆相比，系统结构更加简单，热管保护措施更加简化，使系统的复杂度大大降低，系统的可靠性和可实现性都得到了质的提升。
附图说明
图1是燃料元件结构示意图；
图2是热管系统结构示意图；
图3是堆芯活性区横截面示意图；
图4是堆芯活性区纵向截面示意图；
图5是堆芯横截面局部放大示意图；
图6是堆芯整体结构图；
其中1是燃料元件；2是第三流道；3是热管；4是第四流道；5是热管支撑元件；6是控制鼓；7是控制鼓内设置的氢气流道；8是吸收体；9是径向反射层；10是径向反射层内设置的氢气流道；11是填充元件；12是堆芯筒体；13是安全棒通道；14是轴向反射层；
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步阐述。
一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，如图1～图6所示。该反应堆堆芯包括堆芯活性区、堆芯筒体12、径向反射层9、轴向反射层14及控制鼓6；其中堆芯活性区位于堆芯筒体12内，轴向反射层14位于堆芯活性区上方；径向反射层9为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层14及热管3位于该径向反射层9的空腔内；
所述径向反射层9主体结构的材质为氧化铍，径向反射层9内设置有多个均匀分布的控制鼓6，其中控制鼓6形状为圆柱体形，长度与径向反射层的长度一致且可在径向反射层9内旋转，每个控制鼓6内沿圆周设置有弧度为120度的吸收体8，该吸收体8从控制鼓6顶端延伸至控制鼓6底部，吸收体8随控制鼓6旋转至所需角度以使反应堆达到临界运行的状态；控制鼓6内除吸收体8外，其余部分材质与径向反射层9的主体结构的材质一致，均为氧化铍且氧化铍上设置有贯穿的孔道，该孔道是用于氢气流通的第一流道；
所述堆芯活性区的上方设置有轴向反射层14，轴向反射层14内设置有氢气流通的孔道，此孔道作为氢气流通的第二流道；所述轴向反射层14为圆盘形结构，材质为氧化铍，其直径与堆芯筒体12的内径一致；轴向反射层14上设置有与热管系统位置和数量对应的热管导向孔，热管3从该热管导向孔伸出至轴向反射层14上方；
所述堆芯活性区包括燃料元件1、安全棒通道13、热管系统及填充元件11，其横截面为圆形，其中燃料元件及热管系统的数量为多个且在活性区内按三角形栅格排列，安全棒通道13为贯穿的通孔，位于堆芯活性区的几何中心位置处，用于放置安全棒；所述燃料元件1为六棱柱型结构，燃料类型为钨基金属陶瓷燃料，燃料元件1内沿轴向设置有若干个贯穿的氢气流道，该流道作为氢气流通的第三流道2；热管系统包括热管3及热管支撑元件5，热管支撑元件5为六棱柱型结构，该六棱柱型结构与燃料元件1的外部尺寸一致；其中热管3位于热管支撑元件5的径向几何中心处且热管3上端高出热管支撑元件5及轴向反射层14上的热管导向孔并与热电转换装置连接；热管支撑元件5四周设置有沿轴向贯穿的氢气流道，该氢气流道为氢气流通的第四流道4，热管支撑元件上设置的第四流道4用以在推进模式下对热管进行保护，可以有效避免热管因过热而损坏，降低了系统的复杂度和研制难度，提升了系统的可靠性和可实现性。燃料元件1及热管系统内的氢气流道与轴向反射层14内的氢气流道一一对应并吻合。堆芯活性区沿堆芯筒体12内壁设置有一圈填充元件11，其中填充元件11为中空圆柱体结构，该填充元件为燃料元件及热管系统的径向位置起到固定的作用，并能在反应堆加热或冷却时起到一定的结构缓冲作用。
所述堆芯筒体12为中空圆柱体型结构，内部放置堆芯活性区；燃料元件1及热管系统的数量根据反应堆功率、推力、电功率需求确定。
所述钨基金属陶瓷燃料的基本成分为钨和二氧化铀的混合体，其外表面设置有钨铼合金涂层。所述堆芯筒体12的材质为钨铼合金。
所述轴向反射层14的高度位于堆芯活性区上方，其在高度方向上高于堆芯径向反射层9的高度。所述热管3的底部伸入至堆芯活性区底部；所述吸收体8的材质为碳化硼。所述热管3内的工质为锂，热管3材质为钨铼合金。
该反应堆堆芯在实际运用中，在推进模式下，氢气工质先自下而上流过径向反射层中设置的氢气流道10和控制鼓内设置的氢气流道7，用以冷却径向反射层9和控制鼓6，同时对氢气起到预热的作用。之后，氢气工质自上而下流经轴向反射层14中的氢气孔道即第二流道，然后进入燃料元件1中的氢气流道即第三流道2以及热管支撑元件5中的氢气流道即第四流道4，最终由堆芯底部经喷管排出，从而产生推力。同时，该模式下，堆芯有部分热功率将由热管3导出，在堆外经斯特林发电或静态温差发电等方式产生电能。
发电模式下，堆芯热功率相对较低，氢气工质将停止排放，燃料元件1产生的热量将通过热传导的方式传递至热管支撑元件5，并最终由热管3导出，在堆外由斯特林发电或静态温差发电等方式产生电能。
Claims (10)
1.一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，该反应堆堆芯包括堆芯活性区、堆芯筒体、径向反射层、轴向反射层及控制鼓；其中堆芯活性区位于堆芯筒体内，轴向反射层位于堆芯活性区上方；径向反射层为中空圆柱形结构，堆芯活性区、轴向反射层及热管位于该径向反射层的空腔内；
所述径向反射层主体结构的材质为氧化铍，径向反射层内设置有多个均匀分布的控制鼓，其中控制鼓形状为圆柱体形，长度与径向反射层的轴向长度一致且可在径向反射层内旋转，每个控制鼓内沿圆周设置有弧度为120度的吸收体，该吸收体从控制鼓顶端延伸至控制鼓底部，吸收体随控制鼓旋转至所需角度以使反应堆达到临界运行的状态；控制鼓内除吸收体外，其余部分材质与径向反射层的主体结构的材质一致，均为氧化铍且氧化铍上设置有贯穿的孔道，该孔道是用于氢气流通的第一流道；
所述堆芯活性区的上方设置有轴向反射层，轴向反射层内设置有氢气流通的孔道，此孔道作为氢气流通的第二流道；所述轴向反射层为圆盘形结构，材质为氧化铍，其直径与堆芯筒体的内径一致；轴向反射层上设置有与热管系统位置和数量对应的热管导向孔，热管从该热管导向孔伸出至轴向反射层上方；
所述堆芯活性区包括燃料元件、安全棒通道、热管系统及填充元件，其横截面为圆形，其中燃料元件及热管系统的数量为多个且在活性区内按三角形栅格排列，安全棒通道为贯穿的通孔，位于堆芯活性区的几何中心位置处，用于放置安全棒；所述燃料元件为六棱柱型结构，燃料类型为钨基金属陶瓷燃料，燃料元件内沿轴向设置有若干个贯穿的氢气流道，该流道作为氢气流通的第三流道；所述热管系统包括热管及热管支撑元件，热管支撑元件为六棱柱型结构，该六棱柱型结构与燃料元件的外部尺寸一致；其中热管位于热管支撑元件径向几何中心处且热管上端高出热管支撑元件及轴向反射层上的热管导向孔并与热电转换装置连接；热管支撑元件四周设置有沿轴向贯穿的氢气流道，该氢气流道为氢气流通的第四流道；燃料元件及热管系统内的氢气流道与轴向反射层内的氢气流道一一对应并吻合；堆芯活性区沿堆芯筒体内壁设置有一圈填充元件；
所述堆芯筒体为中空圆柱体型结构，内部放置堆芯活性区。
2.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，燃料元件及热管系统的数量根据反应堆功率、推力、电功率需求确定。
3.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述钨基金属陶瓷燃料的基本成分为钨和二氧化铀的混合体，其外表面设置有钨铼合金涂层。
4.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述热管支撑元件的材料为钨铼合金。
5.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯筒体的材质为钨铼合金。
6.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述轴向反射层的高度位于堆芯活性区上方，其在高度方向上高于堆芯径向反射层的高度。
7.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述热管的底部伸入至堆芯活性区底部。
8.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述吸收体的材质为碳化硼。
9.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述热管内的工质为锂，热管材质为钨铼合金。
10.根据权利要求1所述的一种热管型双模式空间核反应堆堆芯，其特征在于，所述安全棒通道内放置安全棒，其中安全棒的材质为碳化硼。
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