CN213183615U - 一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆。所述球床型反应堆包括圆柱形堆芯容器、燃料球引导管、燃料球收集器以及若干三层小型燃料球；若干三层小型燃料球随机地分布在圆柱形堆芯容器内部，圆柱形堆芯容器下底板通过燃料球引导管连接燃料球收集器；一定情况下，三层小型燃料球通过下底板移出圆柱形堆芯容器，通过燃料球引导管落入燃料球收集器，使得严重事故下球床型反应堆能够快速进入深度次临界状态；圆柱形堆芯容器内部使用四氧化二氮作为冷却剂。本实用新型采用价格低廉的四氧化二氮作为冷却剂，大大地降低了使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆的建造成本，提高了球床型反应堆的经济性。

Description

一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆
技术领域
本实用新型涉及核工程领域，具体涉及一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆。
背景技术
目前的球床型反应堆主要有两种，以氦气作为冷却剂的球床型反应堆——高温气冷堆(周旭华，李富，王登营等.不连续因子应用于高温气冷堆三维扩散计算[J].原子能科学技术，2009(3)：237-241.)以及以氟锂铍作为冷却剂的球床型反应堆(Wei Qin,KunYang,Jingen Chen.Dancoff factor analysis for pebble bed fluoride salt cooledhigh temperature reactor[J].Progress in Nuclear Energy,2016,88:332-329.)——氟盐冷却高温球床堆，球床型反应堆固有安全性高，燃耗深度较大，功率分布较为均匀，是一类较为理想的核反应堆。球床型反应堆除了发电应用外，还可以用于产热、制氢、海水淡化等，因此具有较为广泛的市场应用价值。本实用新型提出一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，它可以作为高温气冷堆、氟盐冷却高温球床堆的补充堆型，同样可以用于发电、产热、制氢、海水淡化等，且四氧化二氮价格便宜，因此使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆具备较大的市场潜力。此外，无论是氦气或者氟锂铍作为冷却剂的球床型反应堆，其体积均较大，对厂址要求较高，使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆有望实现反应堆体积的小型化。
实用新型内容
为了克服现有氦气冷却剂价格较贵、难以获得等缺点，本实用新型提出了一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆。
本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，包括圆柱形堆芯容器、燃料球引导管、燃料球收集器以及若干三层小型燃料球；
其中，所述三层小型燃料球从内到外分别为二氧化铀燃料核心层、碳基材料缓冲层和铁铬铝合金包壳层；
若干三层小型燃料球随机地分布在圆柱形堆芯容器内部，圆柱形堆芯容器下底板通过燃料球引导管连接燃料球收集器；一定情况下，三层小型燃料球通过下底板移出圆柱形堆芯容器，通过燃料球引导管落入燃料球收集器，使得严重事故下球床型反应堆能够快速进入深度次临界状态；圆柱形堆芯容器内部使用四氧化二氮作为冷却剂。
进一步地，所述三层小型燃料球的半径为1cm至2cm；二氧化铀燃料核心层位于三层小型燃料球的最中心位置，中子与核心中的二氧化铀燃料发生核裂变反应，产生热量，热量被碳基材料缓冲层传导出来；碳基材料缓冲层包裹在二氧化铀燃料核心层外，作为二氧化铀燃料核心层和铁铬铝合金包壳层之间的缓冲层，起到包容裂变气体的作用；铁铬铝合金包壳层包裹在碳基材料缓冲层外，起到保护二氧化铀燃料核心层的作用；这种三层小型燃料球能够耐高温、耐撞击，这些特性使得三层小型燃料球在球床型反应堆中可以保持其完整性，从而降低三层小型燃料球的失效率。
进一步地，所述圆柱形堆芯容器中，三层小型燃料球堆积到整个圆柱形堆芯容器的二分之一高度之上；圆柱形堆芯容器的大部分空间由三层小型燃料球占据，其余空间由四氧化二氮占据。
进一步地，为了获得更好的热效率，四氧化二氮的温度为400℃～1000℃。
四氧化二氮能够通过三层小型燃料球之间的间隙，从而通过对流传热吸收三层小型燃料球的热量，进而起到冷却三层小型燃料球的作用，以防止三层小型燃料球因温度过高而失效；四氧化二氮作为热工性能良好的气体，可以有效地导出三层小型燃料球发出的热量，这也使得的四氧化二氮冷却的球床型反应堆具有很好的安全特性。
进一步地，所述圆柱形堆芯容器采用镍基高温强化合金锻造而成，起到包容燃料球和冷却剂的作用，还能抵抗外力冲击。
进一步地，所述圆柱形堆芯容器的下底部是可以打开的，在接收到全场断电叠加外力冲击的信号下，圆柱形堆芯容器的下底部在重力的作用下自动打开，有一部分三层小型燃料球就失去了圆柱形堆芯容器的下底部的支撑，该部分三层小型燃料球经过燃料球引导管被移出圆柱形堆芯容器的内部，被移出的三层小型燃料球到达燃料球收集器，从而使得该反应堆迅速处于深度次临界状态，从而从根本上避免了临界事故的发生，这使得该球床型反应堆具有固有安全性。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本实用新型提供的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，避免了传统的氦气冷却剂难以获得、价格较高等缺点，本实用新型提供的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆由于采用价格低廉的四氧化二氮作为冷却剂，大大地降低了使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆的建造成本，提高了球床型反应堆的经济性。此外，燃料球可通过重力落入燃料球收集器，这个收集器能够储存从圆柱形堆芯容器中被排出的燃料球，从而起到包容废弃燃料球的效果。
附图说明
图1为本实用新型实施例中三层小型燃料球剖面图；
图2为本实用新型实施例中使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆的堆芯剖面图；
图3为本实用新型实施例中燃料球引导管以及燃料球收集器的结构示意图；
图4为本实用新型实施例中一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例：
一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，如图4所示，包括圆柱形堆芯容器6、燃料球引导管7、燃料球收集器8以及若干三层小型燃料球4；
其中，如图1所示，所述三层小型燃料球4从内到外分别为二氧化铀燃料核心层1、碳基材料缓冲层2和铁铬铝合金包壳层3；
若干三层小型燃料球4随机地分布在圆柱形堆芯容器6内部，圆柱形堆芯容器6下底板通过燃料球引导管7连接燃料球收集器8；一定情况下，三层小型燃料球4通过下底板移出圆柱形堆芯容器6，通过燃料球引导管7落入燃料球收集器8，使得严重事故下球床型反应堆能够快速进入深度次临界状态；圆柱形堆芯容器6内部使用四氧化二氮5作为冷却剂。
如图1所示，本实施例中，所述三层小型燃料球4的半径为1.8cm；二氧化铀燃料核心层1位于三层小型燃料球4的最中心位置，中子与核心中的二氧化铀燃料发生核裂变反应，产生热量，热量被碳基材料缓冲层2传导出来；碳基材料缓冲层2包裹在二氧化铀燃料核心层1外，作为二氧化铀燃料核心层1和铁铬铝合金包壳层3之间的缓冲层，起到包容裂变气体的作用；铁铬铝合金包壳层3包裹在碳基材料缓冲层2外，起到保护二氧化铀燃料核心层1的作用；这种三层小型燃料球4能够耐高温、耐撞击，这些特性使得三层小型燃料球4在球床型反应堆中可以保持其完整性，从而降低三层小型燃料球4的失效率,从而增大这种三层小型燃料球4的使用寿命，降低燃料使用成本。
本实施例中，如图2所示，所述圆柱形堆芯容器6中，三层小型燃料球4堆积到整个圆柱形堆芯容器6的三分之二高度；圆柱形堆芯容器6的大部分空间由三层小型燃料球4占据，其余空间由四氧化二氮5占据。
本实施例中，为了获得更好的热效率，四氧化二氮5的温度为600℃。
四氧化二氮5能够通过三层小型燃料球4之间的间隙，从而通过对流传热吸收三层小型燃料球4的热量，进而起到冷却三层小型燃料球4的作用，以防止三层小型燃料球4因温度过高而失效；四氧化二氮5作为热工性能良好的气体，可以有效地导出三层小型燃料球4发出的热量，这也使得的四氧化二氮5冷却的球床型反应堆具有很好的安全特性。
所述圆柱形堆芯容器6采用镍基高温强化合金锻造而成，起到包容三层小型燃料球4和冷却剂四氧化二氮5的作用，还能抵抗外力冲击。
如图3所示，所述圆柱形堆芯容器6的下底部是可以打开的，在接收到全场断电叠加外力冲击的信号下，圆柱形堆芯容器6的下底部在重力的作用下自动打开，有一部分三层小型燃料球4就失去了圆柱形堆芯容器6的下底部的支撑，这些三层小型燃料球4就会经过燃料球引导管7被移出圆柱形堆芯容器6的内部，被移出的三层小型燃料球4到达燃料球收集器8；从而使得该反应堆迅速处于深度次临界状态，从而从根本上避免了临界事故的发生，这使得该球床型反应堆具有固有安全性。
以上所述，仅为本实用新型较佳的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，其特征在于，包括圆柱形堆芯容器(6)、燃料球引导管(7)、燃料球收集器(8)以及若干三层小型燃料球(4)；
其中，所述三层小型燃料球(4)从内到外分别为二氧化铀燃料核心层(1)、碳基材料缓冲层(2)和铁铬铝合金包壳层(3)；
若干三层小型燃料球(4)随机地分布在圆柱形堆芯容器(6)内部，圆柱形堆芯容器(6)下底板通过燃料球引导管(7)连接燃料球收集器(8)；一定情况下，三层小型燃料球(4)通过下底板移出圆柱形堆芯容器(6)，通过燃料球引导管(7)落入燃料球收集器(8)，使得严重事故下球床型反应堆能够快速进入深度次临界状态；圆柱形堆芯容器(6)内部使用四氧化二氮(5)作为冷却剂。
2.根据权利要求1所述的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，其特征在于，所述三层小型燃料球(4)的半径为1cm至2cm；二氧化铀燃料核心层(1)位于三层小型燃料球(4)的最中心位置，中子与核心中的二氧化铀燃料发生核裂变反应，产生热量，热量被碳基材料缓冲层(2)传导出来；碳基材料缓冲层(2)包裹在二氧化铀燃料核心层(1)外，作为二氧化铀燃料核心层(1)和铁铬铝合金包壳层(3)之间的缓冲层；铁铬铝合金包壳层(3)包裹在碳基材料缓冲层(2)外。
3.根据权利要求1所述的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，其特征在于，所述圆柱形堆芯容器(6)中，三层小型燃料球(4)堆积到整个圆柱形堆芯容器(6)的二分之一高度之上；圆柱形堆芯容器(6)的大部分空间由三层小型燃料球(4)占据，其余空间由四氧化二氮(5)占据。
4.根据权利要求1所述的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，其特征在于，四氧化二氮(5)的温度为400℃～1000℃。
5.根据权利要求1所述的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，其特征在于，所述圆柱形堆芯容器(6)采用镍基高温强化合金锻造而成。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种使用四氧化二氮作为冷却剂的球床型反应堆，其特征在于，所述圆柱形堆芯容器(6)的下底部是可以打开的，在接收到全场断电叠加外力冲击的信号下，圆柱形堆芯容器(6)的下底部在重力的作用下自动打开，有一部分三层小型燃料球(4)就失去了圆柱形堆芯容器(6)的下底部的支撑，该部分三层小型燃料球(4)经过燃料球引导管(7)被移出圆柱形堆芯容器(6)的内部，被移出的三层小型燃料球(4)到达燃料球收集器(8)。
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