[發明專利]一種雙模式空間核反應堆堆芯

在審

• 申請號: 202110448280.2
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113409962A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 安偉健;霍紅磊;趙澤昊;高劍;葛攀和;郭鍵;胡古;解家春;趙守智;劉天才;馮瀟
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: G21C1/32
• 分類號: G21C1/32
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;任曉航

本發明屬于空間核反應堆技術領域，具體涉及一種雙模式空間核反應堆堆芯。包括設有熱管(1)和氫氣流道(9)的燃料塊，氫氣能夠通過氫氣流道(9)被燃料塊加熱后噴出作為動力，同時氫氣還能夠對燃料塊產生降溫作用。本發明的技術方案在推進模式和發電模式下熱管(1)均可安全地運行于其適宜溫度條件下，提升了燃料(11)與氫氣工質之間的傳熱效率，另一方面也顯著提升了燃料(11)與熱管(1)之間的傳熱性能，可簡化反應堆的運行方式，并提高系統的可靠性。

技術領域

本發明屬于空間核反應堆技術領域，具體涉及一種雙模式空間核反應堆堆芯。

背景技術

雙模式空間核反應堆同時具備推進和發電的功能，結合了核熱推進反應堆以及空間反應堆電源相對于常規能源的諸多優勢。該反應堆非常適用于載人登月、載人火星、空間運輸等任務。美俄等航天大國對雙模式反應堆開展了廣泛的研究，提出了較多反應堆方案，按照從堆芯導出用于發電的熱量的方式可分為兩種類型：一是采用冷卻劑回路導出用于發電的熱量；二是采用熱管導出用于發電的熱量。熱管相比于冷卻劑回路具有簡單、非能動、抗單點失效、高可靠性等優勢。下文對采用熱管的三個方案分別進行介紹。

(1)美國的Michael G.Houts等在文獻“Alert-derivative bimodal space powerand propulsion systems”中提到一種基于熱管式反應堆的雙模式反應堆方案ALERT。其堆芯活性區結構見圖5(圖中并未畫出燃料內的氫氣流道)，該方案采用圓環板狀的碳化鈾燃料，堆芯活性區由多塊燃料板疊加而成，燃料板之間布置有鎢板，用以增強導熱能力，燃料和鎢板內設置諸多軸向氫氣流道。活性區中心孔和外圍布置有諸多熱管，熱管工質為鈉，包殼材料為鈮，燃料與熱管之間布置有兩層容器，容器間留有一定的空隙。反應堆有兩種模式運行：推進模式和發電模式。推進模式下，氫氣自上而下流過燃料和鎢板內的氫氣流道，加熱之后噴出，從而產生推力，此時，兩層容器之間為真空，用來減弱燃料與熱管之間的傳熱性能，防止熱管過熱；發電模式下，停止排放氫氣，堆芯熱量由熱管導出堆外用于發電，此時，兩層容器之間充入氦氣，用來增強燃料與熱管之間的傳熱性能。

(2)美國的Michael G.Houts等在文獻“Heatpipe power system and heatpipebimodal system development status”中提到一種基于熱管式反應堆的雙模式反應堆方案HBS。其燃料與熱管的布置結構見圖6，燃料棒和熱管呈三角形柵格排列，燃料棒和熱管之間的空腔作為氫氣流道，燃料最初選用二氧化鈾，后提出可改用更耐高溫的(U,Ta)C或W-(U,Zr)CN，熱管設置有雙層包殼，外包殼為鎢，內包殼為鉬，工質為鈉或鋰，兩層包殼之間為真空空隙，用以防止熱管過熱。推進模式下，氫氣自上而下流過燃料棒與熱管之間的氫氣流道，加熱之后噴出產生推力；發電模式下，停止排放氫氣，堆芯熱量由熱管導出堆外用于發電。

(3)美國的Gary F.Polansky等在文獻“A bimodal spacecraft bus based on acermet fueled heat pipe reactor”中提到一種基于熱管式反應堆的雙模式反應堆方案。其熱管結構見圖7，熱管與燃料的布置結構見圖8。燃料和熱管的結構較為特殊，其中，燃料為鎢基CERMET燃料，其結構為九棱柱形，內含諸多軸向氫氣流道；熱管工質為鈉，包殼為鉬，熱管外圍含有6個翅片以及6個氫氣流道。燃料棒與熱管之間存在真空空隙，兩者之間通過輻射傳熱。推進模式下，氫氣先自上而下流經熱管外圍3個互不相鄰的氫氣流道，到達底部后自下而上流經另外3個氫氣流道，然后再自上而下流經燃料內的氫氣流道，最后噴出；發電模式下，停止氫氣排放，堆芯熱量由熱管導出至堆外用于發電。

以上三種類型的雙模式反應堆方案均存在不足之處，分析如下：

(1)對于ALERT方案，燃料與熱管之間設置兩層容器，推進模式下，容器間的空隙需抽真空，減少傳熱以保護熱管；而在發電模式下，該空隙需注入氦氣以增強傳熱。這種切換增加了系統的復雜度，并降低了系統的可靠性。