[發(fā)明專(zhuān)利]熱管式堿金屬轉(zhuǎn)換一體化反應(yīng)堆

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910514380.3
• 申請(qǐng)日: 2019-06-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110211709B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏彥;周欽;劉國(guó)青;丁義剛;楊艷斌
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G21C1/32
• 分類(lèi)號(hào): G21C1/32;G21C15/12;G21C15/14;G21C15/28;G21C15/18;G21C7/28
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本發(fā)明公開(kāi)了一種熱管式堿金屬轉(zhuǎn)換一體化反應(yīng)堆，反應(yīng)堆內(nèi)包括反應(yīng)堆壓力容器、反應(yīng)堆芯、堆內(nèi)散熱座，其中，反應(yīng)堆壓力容器由近圓柱形的筒體以及蓋設(shè)在筒體頂部的蓋體、支撐在筒體底部的底封頭組成，反應(yīng)堆外包括轉(zhuǎn)鼓控制棒、熱管散熱器、屏蔽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明適用于快堆，也適用于熱堆，還適用于同位素?zé)嵩吹绕渌志眯詿嵩矗煌瑫r(shí)，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)尺寸及輸出功率可調(diào)節(jié)范圍較大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間小型核動(dòng)力裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有全環(huán)境自動(dòng)循環(huán)能力的無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的熱管式堿金屬轉(zhuǎn)換一體化微型反應(yīng)堆。

背景技術(shù)

作為最可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定發(fā)電的清潔能源，核能是緩解環(huán)境與能源需求之間矛盾的重要途徑之一。核能應(yīng)用的關(guān)鍵在于其安全性，隨著核電技術(shù)的發(fā)展，第三代、第四代核電系統(tǒng)普遍具有全功率或部分功率自然循環(huán)、非能動(dòng)余熱排出等非能動(dòng)安全特性。

同時(shí)，隨著人類(lèi)空間探索范圍的擴(kuò)大，探索時(shí)間的延長(zhǎng)，能夠持續(xù)數(shù)年不依賴(lài)太陽(yáng)光提供百千瓦級(jí)別的電能供應(yīng)成為空間探索的重要需求。而我國(guó)同位素電源原料儲(chǔ)備量較少，空間反應(yīng)堆更成為月球、火星基地以及遠(yuǎn)太陽(yáng)系探測(cè)器能源供應(yīng)的主要選擇。

空間反應(yīng)堆的冷卻方式主要包括液態(tài)金屬冷卻、氣體冷卻、液態(tài)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(shù)尚不成熟；而液態(tài)金屬冷卻、氣體冷卻方式雖與地面核電系統(tǒng)類(lèi)似，但目前核電系統(tǒng)冷卻劑自然循環(huán)均依賴(lài)重力及冷卻劑密度差，在空間環(huán)境無(wú)法保障自然循環(huán)能力，因此只能使用泵或風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)，存在泵或風(fēng)機(jī)失效冷卻能力喪失導(dǎo)致堆芯熔融的風(fēng)險(xiǎn)。

空間反應(yīng)堆的能量轉(zhuǎn)換方式主要包括熱電偶及熱離子、斯特林循環(huán)、閉式布雷頓循環(huán)等，其中熱電偶轉(zhuǎn)換是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)換方式。但熱電偶轉(zhuǎn)換器件抗輻照能力較差，且能量轉(zhuǎn)換效率較低——要達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換效率必須具有極高的熱端溫度，因此目前歐美及我國(guó)也在大力推進(jìn)斯特林循環(huán)、閉式布雷頓循環(huán)等能量轉(zhuǎn)換方式的研究；后者具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，但作為能量轉(zhuǎn)換單元，相比熱電偶，單位轉(zhuǎn)化功率的設(shè)備質(zhì)量較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件較多，尤其是閉式布雷頓循環(huán)。

本發(fā)明解決了核反應(yīng)堆冷卻劑自然循環(huán)必須依賴(lài)重力的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)重力作用下反應(yīng)堆堆芯冷卻的非能動(dòng)安全；同時(shí)解決了空間反應(yīng)堆外帶熱機(jī)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)質(zhì)量偏大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜而脆弱的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了一種高度集成的一體化反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有全環(huán)境自動(dòng)循環(huán)能力的熱管式堿金屬轉(zhuǎn)換一體化微型反應(yīng)堆，液態(tài)金屬冷卻方式實(shí)現(xiàn)空間條件下的自動(dòng)循環(huán)能力，同時(shí)采用較為簡(jiǎn)化、集成的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較低熱端溫度下較高的轉(zhuǎn)換效率。

熱管式堿金屬轉(zhuǎn)換一體化反應(yīng)堆，反應(yīng)堆內(nèi)包括反應(yīng)堆壓力容器、反應(yīng)堆芯、堆內(nèi)散熱座，其中，反應(yīng)堆壓力容器由近圓柱形的筒體以及蓋設(shè)在筒體頂部的蓋體、支撐在筒體底部的底封頭組成；反應(yīng)堆外包括轉(zhuǎn)鼓控制棒、熱管散熱器和屏蔽結(jié)構(gòu)；反應(yīng)堆堆芯由若干燃料管排列而成；每根燃料管為鈹制管套，管內(nèi)全高度設(shè)有熱管多孔管芯，管內(nèi)底部設(shè)置多孔燃料元件，上部設(shè)置堿金屬熱電轉(zhuǎn)換用多孔膜；堿金屬冷卻劑在燃料管內(nèi)循環(huán)，在多孔燃料元件區(qū)域氣化并向燃料管上部擴(kuò)散，依靠壓差穿過(guò)多孔膜并實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，在燃料管上部被設(shè)置在反應(yīng)堆芯頂部的堆內(nèi)散熱座冷卻重新液化，經(jīng)熱管多孔管芯回到燃料元件區(qū)域，形成燃料管內(nèi)的冷卻劑循環(huán)；其中，壓力容器下部筒體外側(cè)的堆芯活性區(qū)高度范圍設(shè)有帶轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的反射層，轉(zhuǎn)鼓一側(cè)設(shè)有碳化硼吸收體，通過(guò)電機(jī)控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)反射層的中子吸收，進(jìn)而控制堆芯反應(yīng)性；壓力容器筒體的外部對(duì)應(yīng)堆內(nèi)散熱座高度的部分設(shè)有一圈熱管，與壓力容器筒體接觸的熱管成為熱管熱端，熱管冷端采用輻射器實(shí)現(xiàn)廢熱排放，壓力容器筒體的底部和側(cè)部分別設(shè)置有底屏蔽和側(cè)屏蔽，以對(duì)壓力容器筒體的底部和側(cè)部進(jìn)行保溫，

其中，壓力容器內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)為排列為圓柱狀的燃料管陣列，燃料元件產(chǎn)生裂變能和熱電轉(zhuǎn)換，以及冷卻劑循環(huán)均在燃料管內(nèi)完成。

其中，在壓力容器上部設(shè)置堆內(nèi)散熱座，將燃料管廢熱傳遞給堆外熱管。