CN112133455A - 一种双模式反应堆堆芯 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双模式反应堆技术领域，具体涉及一种双模式反应堆堆芯。包括若干块环形板状的燃料(1)，燃料(1)层叠设置形成轴线位置为一个通孔的圆柱状的堆芯活性区，燃料(1)上设有若干氢气流道(3)，在堆芯活性区的外侧和通孔的内侧设有单层容器(4)，在单层容器(4)不靠近燃料(1)的一侧设有热管(2)。本发明通过将热管(2)布置于堆芯的上段区域，可使热管(2)很好运行于适宜的温度，并保证热管(2)不会过热而损坏；在热管(2)与燃料(1)之间采用单层容器(4)，运行过程中无需抽真空或充氦气，可大大简化反应堆的运行方式，并提高***的可靠性。

Description

一种双模式反应堆堆芯
技术领域
本发明属于双模式反应堆技术领域，具体涉及一种双模式反应堆堆芯。
背景技术
双模式空间核反应堆同时具备推进和发电的功能，结合了核热推进反应堆以及空间反应堆电源相对于常规能源的诸多优势。该反应堆非常适用于载人登月、载人火星、空间运输等任务。美俄等航天大国对双模式反应堆开展了广泛的研究，提出了较多反应堆方案。
美国的Michael G.Houts等在文献“Alert-derivative bimodal space powerand propulsion systems”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案ALERT。其堆芯结构见图4、图5和图6，该方案采用圆环板状的碳化铀燃料，堆芯活性区由多块燃料板叠加而成，燃料板之间布置有钨板，用以增强径向导热能力，燃料和钨板内设置诸多轴向氢气流道。活性区中心孔和***布置有诸多热管，热管工质为钠，包壳材料为铌，燃料与热管之间布置有两层容器，容器间留有一定的空隙。该双模式反应堆有两种运行模式：推进模式和发电模式。推进模式下，氢气自上而下流过燃料和钨板内的氢气流道，加热之后由底部经喷管喷出，从而产生推力，此时，两层容器之间为真空，用来减弱燃料与热管之间的传热性能，防止热管过热而损坏；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电，此时，两层容器之间充入氦气，用来增强燃料与热管之间的传热性能。
该双模式反应堆方案存在不足之处，分析如下：燃料与热管之间设置两层容器，推进模式下，容器间的空隙需抽真空，减少传热以保护热管；而在发电模式下，该空隙需注入氦气以增强传热。这种切换增加了***的复杂度，并降低了***的可靠性。
发明内容
基于对背景技术中ALERT双模式反应堆方案不足之处的分析，本发明致力于提出一种改进方案，在保证热管安全性的前提下，简化燃料与热管之间的传热方式，同时简化***运行模式，提升***可靠性。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种双模式反应堆堆芯，包括若干块环形板状的燃料，所述燃料层叠设置形成轴线位置为一个通孔的圆柱状的堆芯活性区，所述燃料上设有若干氢气流道，其中，在所述堆芯活性区的外侧和所述通孔的内侧设有单层容器，在所述单层容器不靠近所述燃料的一侧设有热管。
进一步，所述单层容器的两侧分别与所述燃料及所述热管接触良好，所述热管与所述单层容器之间还设置有集热器。
进一步，所述热管与所述堆芯活性区的轴线平行，所述热管的底端延伸到所述堆芯活性区的上段区域。
进一步，还包括位于设置了所述热管的所述堆芯活性区的***的反射层，所述反射层的材料为氧化铍，用于向所述燃料反射裂变中子，进而提高所述燃料的反应性；还包括设置在所述反射层内的若干个控制鼓，所述控制鼓为圆柱形，与所述堆芯活性区的轴线平行，所述控制鼓的主体为反射体，所述反射体的材料为氧化铍，所述控制鼓的部分侧表面设置中子吸收体，所述中子吸收体为碳化硼，所述中子吸收体用于吸收所述燃料内裂变扩散的中子；当所述中子吸收体随所述控制鼓的转动而面向所述燃料时，能够减小所述燃料内的反应性；当所有所述控制鼓上的所述中子吸收体全部面对所述燃料，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启；所述热管与所述反射层之间设置多层箔隔热材料，以减少堆芯热量的泄漏损失。
进一步，所述燃料为耐高温燃料，种类包括碳化铀燃料、(U,Zr)C和CERMET燃料。
进一步，所述热管采用的工质为钠或锂，所述热管的包壳材料为铌、钼、钼铼合金或钨铼合金。
进一步，各个所述燃料之间布置有钨板。
进一步，所述氢气流道与所述堆芯活性区的轴线平行。
进一步，所述单层容器的材料为钨铼合金。
进一步，所述集热器的材料为铌、钼、钼铼合金或钨铼合金。
本发明的有益效果在于：
1.在推进模式下，氢气自上而下流经氢气流道3，因此堆芯活性区的上段区域的燃料1的运行温度相对较低，本发明通过将热管2布置于堆芯的上段区域，可使热管2很好运行于适宜的温度，并保证热管2不会过热而损坏。
2.背景技术中的ALERT方案，在推进和发电两种模式下分别需要对热管2与燃料1之间的双层容器9空隙进行抽真空和充氦气处理，使得反应堆的运行方式变得复杂，并降低了***的可靠性。与之相比，本发明所提方案在热管2与燃料1之间采用单层容器4，运行过程中无需抽真空或充氦气，可大大简化反应堆的运行方式，并提高***的可靠性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种双模式反应堆堆芯的堆芯活性区的示意图(不包含反射层7和控制鼓6)；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种双模式反应堆堆芯的示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述的一种双模式反应堆堆芯的纵向剖视图；
图4是本发明背景技术部分所述的ALERT双模式反应堆堆芯的堆芯活性区的示意图(不包含反射层7和控制鼓6)；
图5是本发明背景技术部分所述的ALERT双模式反应堆堆芯的示意图；
图6是本发明背景技术部分所述的ALERT双模式反应堆堆芯的纵向剖视图；
图中：1-燃料，2-热管，3-氢气流道，4-单层容器，5-集热器，6-控制鼓，7-反射层，8-钨板，9-双层容器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的一种双模式反应堆堆芯，包括若干块环形板状的燃料1，燃料1层叠设置形成轴线位置为一个通孔的圆柱状的堆芯活性区，燃料1上设有若干氢气流道3，氢气流道3与堆芯活性区的轴线平行。在堆芯活性区的外侧和通孔的内侧设有单层容器4，在单层容器4不靠近燃料1的一侧设有热管2。
单层容器4的两侧分别与燃料1及热管2接触良好，热管2与单层容器4之间还设置有集热器5，用来进一步增强与燃料1之间的传热性能。
热管2与堆芯活性区的轴线平行，热管2的底端延伸到堆芯活性区的上段区域，并不延伸到堆芯活性区的下段区域，堆芯活性区的上段区域的燃料1运行温度相对较低，使热管2不会过热而损坏。
如图2、图3所示，还包括位于设置了热管2的堆芯活性区的***的反射层7，反射层7的材料为氧化铍，用于向燃料1反射裂变中子，进而提高燃料1的反应性；还包括设置在反射层7内的若干个控制鼓6，控制鼓6为圆柱形，与堆芯活性区的轴线平行，控制鼓6的主体为反射体，反射体的材料为氧化铍，控制鼓6的部分侧表面设置中子吸收体，中子吸收体为碳化硼，中子吸收体用于吸收燃料1内裂变扩散的中子；当中子吸收体随控制鼓6的转动而面向燃料1时，能够减小燃料1内的反应性；当所有控制鼓6上的中子吸收体全部面对燃料1，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启。
热管2与反射层7之间设置多层箔隔热材料(图中未画出)，以减少堆芯热量的泄漏损失。
燃料1为耐高温燃料，种类包括碳化铀燃料、U,ZrC和CERMET燃料。
热管2采用的工质为钠或锂，热管2的包壳材料为铌、钼、钼铼合金或钨铼合金。
各个燃料1之间布置有钨板8，用以增强径向导热能力。
单层容器4的材料为钨铼合金。
集热器5的材料为铌、钼、钼铼合金或钨铼合金。
最后对本发明的具体应用作进一步描述：
该双模式反应堆堆芯有两种运行模式：推进模式和发电模式。
推进模式下，氢气工质自上而下流经燃料1和钨板8中的氢气流道3，加热后从底部经喷管喷出并产生推力。同时，堆芯部分热量通过单层容器4和集热器5传递至热管2，由热管2传递至堆外的热电转换***并产生电能。
发电模式下，堆芯热功率相对较低，氢气工质将停止排放，燃料1产生的热量将通过热传导的方式传递至热管2，由热管2传递至堆外热电转换***并产生电能。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种双模式反应堆堆芯，包括若干块环形板状的燃料(1)，所述燃料(1)层叠设置形成轴线位置为一个通孔的圆柱状的堆芯活性区，所述燃料(1)上设有若干氢气流道(3)，其特征是：在所述堆芯活性区的外侧和所述通孔的内侧设有单层容器(4)，在所述单层容器(4)不靠近所述燃料(1)的一侧设有热管(2)。
2.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述单层容器(4)的两侧分别与所述燃料(1)及所述热管(2)接触良好，所述热管(2)与所述单层容器(4)之间还设置有集热器(5)。
3.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述热管(2)与所述堆芯活性区的轴线平行，所述热管(2)的底端延伸到所述堆芯活性区的上段区域。
4.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：还包括位于设置了所述热管(2)的所述堆芯活性区的***的反射层(7)，所述反射层(7)的材料为氧化铍，用于向所述燃料(1)反射裂变中子，进而提高所述燃料(1)的反应性；还包括设置在所述反射层(7)内的若干个控制鼓(6)，所述控制鼓(6)为圆柱形，与所述堆芯活性区的轴线平行，所述控制鼓(6)的主体为反射体，所述反射体的材料为氧化铍，所述控制鼓(6)的部分侧表面设置中子吸收体，所述中子吸收体为碳化硼，所述中子吸收体用于吸收所述燃料(1)内裂变扩散的中子；当所述中子吸收体随所述控制鼓(6)的转动而面向所述燃料(1)时，能够减小所述燃料(1)内的反应性；当所有所述控制鼓(6)上的所述中子吸收体全部面对所述燃料(1)，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启；所述热管(2)与所述反射层(7)之间设置多层箔隔热材料，以减少堆芯热量的泄漏损失。
5.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述燃料(1)为耐高温燃料，种类包括碳化铀燃料、(U,Zr)C和CERMET燃料。
6.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述热管(2)采用的工质为钠或锂，所述热管(2)的包壳材料为铌、钼、钼铼合金或钨铼合金。
7.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：各个所述燃料(1)之间布置有钨板(8)。
8.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述氢气流道(3)与所述堆芯活性区的轴线平行。
9.如权利要求1所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述单层容器(4)的材料为钨铼合金。
10.如权利要求2所述的双模式反应堆堆芯，其特征是：所述集热器(5)的材料为铌、钼、钼铼合金或钨铼合金。
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