[發明專利]全環境的自然循環微型一體化反應堆

有效

• 申請號: 201810408031.9
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108630334B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 夏彥;周欽;歐陽曉平;姜利祥;田東波
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所;清華大學
• 主分類號: G21D5/02
• 分類號: G21D5/02;G21C15/18;G21C15/02;G21C7/28
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本發明公開了一種全環境自然循環微型一體化反應堆，包括反應堆壓力容器、堆內構件圍筒、反應堆芯、配氣活塞和動力活塞，其中，反應堆壓力容器由近圓柱形的下部筒體、直徑大于下部筒體直徑且底部側壁從下部筒體外部側向上延伸的上部筒體以及蓋設在上部筒體頂部的蓋體、支撐在下部筒體底部的底封頭組成，下部筒體頂部具有一開口并通過上述開口與上部筒體連通，開口具有向上部筒體內延伸的圓筒側壁。本發明適用于快堆，也適用于熱堆，還適用于同位素熱源等其它持久性熱源；同時，反應堆結構尺寸及輸出功率可調節范圍較大。

技術領域

本發明屬于空間小型核動力裝置技術領域，特別涉及一種全環境的自然循環微型一體化反應堆。

背景技術

作為最可能實現大規模穩定發電的清潔能源，核能是緩解環境與能源需求之間矛盾的重要途徑之一。核能應用的關鍵在于其安全性，隨著核電技術的發展，第三代、第四代核電系統普遍具有全功率或部分功率自然循環、非能動余熱排出等非能動安全特性。

同時，隨著人類空間探索范圍的擴大，探索時間的延長，能夠持續數年不依賴太陽光提供百千瓦級別的電能供應成為空間探索的重要需求。而我國同位素電源原料儲備量較少，空間反應堆更成為月球、火星基地以及遠太陽系探測器能源供應的主要選擇。

空間反應堆的冷卻方式主要包括液態金屬冷卻、氣體冷卻、液態金屬熱管等，其中液體金屬熱管雖具有較高的安全性能但目前技術尚不成熟；而液態金屬冷卻、氣體冷卻方式雖與地面核電系統類似，但目前核電系統冷卻劑自然循環均依賴重力及冷卻劑密度差，在空間環境無法保障自然循環能力，因此只能使用泵或風機驅動冷卻工質，存在泵或風機失效冷卻能力喪失導致堆芯熔融的風險。

空間反應堆的能量轉換方式主要包括熱電偶及熱離子、斯特林循環、閉式布雷頓循環等，其中熱電偶轉換是目前應用最多的轉換方式。但熱電偶轉換器件抗輻照能力較差，且能量轉換效率較低——要達到較高的轉換效率必須具有極高的熱端溫度，因此目前歐美及我國也在大力推進斯特林循環、閉式布雷頓循環等能量轉換方式的研究；后者具有很高的能量轉換效率，但作為能量轉換單元，相比熱電偶，單位轉化功率的設備質量較大，機械結構較復雜，運動部件較多，尤其是閉式布雷頓循環。

本發明解決了核反應堆冷卻劑自然循環必須依賴重力的問題，實現了無重力作用下反應堆堆芯冷卻的非能動安全；同時解決了空間反應堆外帶熱機能量轉換系統質量偏大，機械結構復雜而脆弱的問題，實現了高度集成的一體化反應堆結構。

發明內容

本發明的目的是提供一種全環境的自然循環微型一體化反應堆，使用核電廠成熟的冷卻方式實現空間條件下的自然循環能力，同時采用較為簡化、集成的能量轉換結構實現較低熱端溫度下較高的轉換效率。

全環境的自然循環微型一體化反應堆，包括反應堆壓力容器、堆內構建圍筒、反應堆芯、配氣活塞和動力活塞，其中，反應堆壓力容器由近圓柱形的下部筒體、直徑大于下部筒體直徑且底部側壁從下部筒體外部側向上延伸的上部筒體以及蓋設在上部筒體頂部的蓋體、支撐在下部筒體底部的底封頭組成，下部筒體頂部具有一開口并通過上述開口與上部筒體連通，開口具有向上部筒體內延伸的圓筒側壁；

下部筒體內設有堆內構件圍筒，將壓力容器下段空間分為內外兩個區域；堆內構件圍筒的底部具有堆芯并且容納有不斷膨脹和壓縮的冷卻劑的區域，堆內構件圍筒與壓力容器下部筒體之間為冷卻劑向上流動的區域，該冷卻劑向上流動區域的上段為回熱腔，回熱腔位置高度對應壓力容器筒體的外側布置有用于排除廢熱的熱管；

堆內構件圍筒內的堆芯上方設有上、下兩個活塞，下部為配氣活塞，上部為動力活塞；配氣活塞上端設有連桿，連桿穿過動力活塞中心直至壓力容器上部筒體并與彈性結構相連；動力活塞上段與彈性結構相連的同時與直線電機動線圈相連；配氣活塞與堆芯之間構成膨脹腔，配氣活塞與動力活塞之前構成壓縮腔。

其中，壓力容器上部筒體內部設置有直線電機，電機靜線圈固定在壓力容器上部筒體上；電機動線圈與動力活塞上端相連，隨動力活塞一同運動。