CN209496627U - 一种千瓦级水下核反应堆电源 - Google Patents

一种千瓦级水下核反应堆电源 Download PDF

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胡古
孙晓博
葛攀和
郭键
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Abstract

本实用新型涉及一种千瓦级水下核反应堆电源，包括燃料、控制鼓、径向反射层、安全棒通道、热管和轴向反射层；所述燃料为柱状的铀钼合金燃料，其中设置有安全棒通道和热管通道；所述热管围绕所述安全棒通道，插入所述热管通道中；所述径向反射层设置于所述燃料外侧，所述轴向反射层设置于所述燃料两端；所述控制鼓均匀设置于所述径向反射层中。本实用新型的有益效果如下：采用铀钼合金燃料，能够通过使用低富集度的燃料避免核扩散的风险；本方案采用热管导出堆芯热量，省去了TRIOS的两个较大尺寸的加压水回路，且热管具有非能动、非单点失效的优点。

Description

一种千瓦级水下核反应堆电源
技术领域
本实用新型涉及核电工程领域，具体涉及一种千瓦级水下核反应堆电源。
背景技术
根据公开的资料，到目前为止，国际上还没有已得到实际应用的水下千瓦级反应堆电源。在相关的反应堆电源设计方案方面，与本方案较为接近的有美国的TRIOS水下反应堆电源方案以及美国的Kilopower空间反应堆电源方案。
美国的D.T.Allen等在文献“Undersea Thermionic Reactors”中提出了一种名为TRIOS的海底固定式反应堆电源。该反应堆采用了两种燃料棒，分别是9根热离子燃料元件和106根铀氢锆燃料元件，其中热离子燃料元件用于发电，总电功率约为5千瓦，铀氢锆燃料元件则作为驱动燃料，为堆芯提供足够的反应性，同时该燃料的固有负温度系数可以在事故情况下为反应堆的安全提供保障。该反应堆系统设置有两个加压水回路，一回路采用轴向双层壳体结构，其高度较高，依靠水的自然循环带出反应堆的热量，并经换热器将热量传递至二回路的加压水，二回路同样采用自然循环的方式，并最终通过一个外置的换热器将热量传递至海水。
该方案具有较高的技术成熟度和可实现性，同时具备很好的固有安全特性，但同时该方案也存在一些不足之处：首先，系统的发电效率非常低，只有9根热离子燃料元件的热量得到了利用，其余106根铀氢锆燃料元件的热量需要全部作为废热进行排放，系统发电效率仅约0.83％；另外，该反应堆电源系统相对较为复杂，并且系统体积较为庞大，电源最大直径达到5.7米，总高度达到9.16米。
美国目前正在研制一型名为Kilopower的千瓦级空间核反应堆电源(可参考文献“Development of NASA’s Small Fission Power System for Science and HumanExploration”)，该反应堆采用整块式高富集度铀钼合金作为燃料，由8根钠热管导出堆芯热量，并由两两对置的8台自由活塞式斯特林发电机产生电能，废热由辐射器排放至外太空，该电源总电功率约1千瓦。
该型反应堆电源系统体积小、重量轻、热电转换效率高、系统结构非常简单，具备较高的可靠性，但若用于水下环境，则还存在一些不足之处：首先，堆芯采用高浓铀燃料，这具有核扩散的风险；另外，该系统运行温度高，燃料最高温度达到约1200K，钠热管的运行温度达到1050K，在如此高温下，若在水下非真空环境中运行，则许多部件存在氧化、腐蚀等问题，不利于电源的使用寿命。
有鉴于此，特提出本实用新型。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种千瓦级水下核反应堆电源，至少能够解决应用于水下环境时的核扩散的风险问题。
本实用新型的技术方案如下：
一种千瓦级水下核反应堆电源，包括燃料、控制鼓、径向反射层、安全棒通道、热管和轴向反射层；所述燃料为柱状的铀钼合金燃料，其中设置有安全棒通道和热管通道；所述热管围绕所述安全棒通道，插入所述热管通道中；所述径向反射层设置于所述燃料外侧，所述轴向反射层设置于所述燃料两端；所述控制鼓均匀设置于所述径向反射层中。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述铀钼合金燃料的铀-235富集度为19.75％。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述热管的工质为钾。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述热管的冷凝段与热管换热器连接，所述热管换热器与温差发电元件连接。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述电源设置于电源压力容器中，所述温差发电元件贴于所述电源压力容器内壁。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述电源压力容器外部与所述温差发电元件对应的部分设置有散热翅片。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述电源压力容器下部设置有支撑结构。
进一步地，上述的千瓦级水下核反应堆电源，所述电源与所述电源压力容器之间设置有屏蔽层。
本实用新型的有益效果如下：
1、采用铀钼合金燃料，能够通过使用低富集度的燃料避免核扩散的风险；
2、本方案采用热管导出堆芯热量，省去了TRIOS的两个较大尺寸的加压水回路，且热管具有非能动、非单点失效的优点；
3、本方案采用钾热管，其运行温度在800K左右，较Kilopower的钠热管低得多，材料氧化及腐蚀问题也相对更容易处理；此外，本方案采用静态温差发电方式，其效率较Kilopower的斯特林转换效率低，但静态温差发电不存在斯特林转换所存在的振动、噪声等问题，且具备更高的可靠性。
附图说明
图1为本实用新型的千瓦级水下核反应堆电源的堆芯结构示意图。
图2为本实用新型的千瓦级水下核反应堆电源的堆芯纵向剖面结构示意图。
图3为本实用新型中热管与温差发电元件的连接的示意图。
图4为图3中的部分放大图。
图5为本实用新型的千瓦级水下核反应堆电源安装于所述电源压力容器的结构示意图(略去屏蔽层)。
图6为本实用新型的千瓦级水下核反应堆电源安装于所述电源压力容器的结构示意图(包含屏蔽体)。
图7为图5中温差发电元件与电源压力容器的安装细节示意图。
上述附图中，1、径向反射层；2、控制鼓；3、控制鼓吸收体；4、燃料；5、安全棒通道；6、热管；7、安全棒驱动机构；8、控制鼓驱动机构；9、安全棒；10、轴向反射层；11、热管换热器；12、温差发电元件；13、散热翅片；14、电源压力容器；15、支撑结构；16、屏蔽层。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1和图2所示，本实用新型提供了一种千瓦级水下核反应堆电源，包括燃料4、控制鼓2、径向反射层1、安全棒通道5、热管6和轴向反射层10；所述燃料4为柱状的铀钼合金燃料，其中设置有安全棒通道5和热管通道；所述热管6围绕所述安全棒通道5，插入所述热管通道中；所述径向反射层1设置于所述燃料4外侧，所述轴向反射层10设置于所述燃料4两端，采用氧化铍材质；所述控制鼓2均匀设置于所述径向反射层1中。本实施例中，所述铀钼合金燃料的铀-235富集度为19.75％。堆芯内布置12根热管6，热管6工质为钾；径向反射层1材料为铍，其中布置有4个控制鼓2，控制鼓2主体材料为铍，控制鼓2远离燃料4的方向上设置有控制鼓吸收体3，所述控制鼓吸收体3材料为碳化硼，每个控制鼓2均由1个控制鼓驱动机构8进行调控；反应堆中心为安全棒通道5，其中安全棒9材料为碳化硼，由安全棒驱动机构7进行控制。
如图3和图4所示，所述热管6的冷凝段与热管换热器11连接，所述热管换热器11与温差发电元件12的热端直接连接。如图5所示，所述电源设置于电源压力容器14中，温差发电元件12的冷端则直接与电源压力容器14的内壁相连。所述电源压力容器14外部与所述温差发电元件12对应的部分设置有散热翅片13(参见图7)，用来增加与海水之间的换热性能。所述电源压力容器14下部设置有支撑结构15用于增加电源整体结构的稳定性。所述电源与所述电源压力容器14之间设置有屏蔽层16(屏蔽层的设置参见图6)。温差发电元件12采用方钴矿化合物材料，该型发电元件的运行温度可与钾热管6的运行温度相匹配。
电源启动时，由安全棒驱动机构7将安全棒9抽出堆芯，并由控制鼓驱动机构8调节控制鼓2至适当的位置，使反应堆达临界并产生稳定的功率。燃料4产生的热量经热传导的方式传递至热管6，热管6将热量带出，并经热管换热器11将热量传递至温差发电元件12用于产生电能，温差发电元件12的冷端将废热直接传递至电源压力容器14的内壁，该热量最终由电源压力容器14的外壁以及布置于外壁的散热翅片13以自然对流的方式传递至海水。该反应堆电源可布置于海底，为其他仪器设备提供长期、稳定的电能。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：包括燃料(4)、控制鼓(2)、径向反射层(1)、安全棒通道(5)、热管(6)和轴向反射层(10)；所述燃料(4)为柱状的铀钼合金燃料，其中设置有安全棒通道(5)和热管通道；所述热管(6)围绕所述安全棒通道(5)，插入所述热管通道中；所述径向反射层(1)设置于所述燃料(4)外侧，所述轴向反射层(10)设置于所述燃料(4)两端；所述控制鼓(2)均匀设置于所述径向反射层(1)中。
2.如权利要求1所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述铀钼合金燃料的铀-235富集度为19.75％。
3.如权利要求1所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述热管(6)的工质为钾。
4.如权利要求1-3任一所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述热管(6)的冷凝段与热管换热器(11)连接，所述热管换热器(11)与温差发电元件(12)连接。
5.如权利要求4所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述电源设置于电源压力容器(14)中，所述温差发电元件(12)贴于所述电源压力容器(14)内壁。
6.如权利要求5所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述电源压力容器(14)外部与所述温差发电元件(12)对应的部分设置有散热翅片(13)。
7.如权利要求6所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述电源压力容器(14)下部设置有支撑结构(15)。
8.如权利要求5所述的千瓦级水下核反应堆电源，其特征在于：所述电源与所述电源压力容器(14)之间设置有屏蔽层(16)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109817354A (zh) * 2018-12-29 2019-05-28 中国原子能科学研究院 一种千瓦级水下核反应堆电源
CN114060167A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 西安交通大学 一种双模式核动力推进装置及工作方法

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