全环境的自然循环微型一体化反应堆制造技术

本发明专利技术公开了一种全环境自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构件围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁。本发明专利技术适用于快堆，也适用于热堆，还适用于同位素热源等其它持久性热源；同时，反应堆结构尺寸及输出功率可调节范围较大。

【技术实现步骤摘要】
全环境的自然循环微型一体化反应堆
本专利技术属于空间小型核动力装置
，特别涉及一种全环境的自然循环微型一体化反应堆。
技术介绍
作为最可能实现大规模稳定发电的清洁能源，核能是缓解环境与能源需求之间矛盾的重要途径之一。核能应用的关键在于其安全性，随着核电技术的发展，第三代、第四代核电系统普遍具有全功率或部分功率自然循环、非能动余热排出等非能动安全特性。同时，随着人类空间探索范围的扩大，探索时间的延长，能够持续数年不依赖太阳光提供百千瓦级别的电能供应成为空间探索的重要需求。而我国同位素电源原料储备量较少，空间反应堆更成为月球、火星基地以及远太阳系探测器能源供应的主要选择。空间反应堆的冷却方式主要包括液态金属冷却、气体冷却、液态金属热管等，其中液体金属热管虽具有较高的安全性能但目前技术尚不成熟；而液态金属冷却、气体冷却方式虽与地面核电系统类似，但目前核电系统冷却剂自然循环均依赖重力及冷却剂密度差，在空间环境无法保障自然循环能力，因此只能使用泵或风机驱动冷却工质，存在泵或风机失效冷却能力丧失导致堆芯熔融的风险。空间反应堆的能量转换方式主要包括热电偶及热离子、斯特林循环、闭式布雷顿循环等，其中热电偶转换是目前应用最多的转换方式。但热电偶转换器件抗辐照能力较差，且能量转换效率较低——要达到较高的转换效率必须具有极高的热端温度，因此目前欧美及我国也在大力推进斯特林循环、闭式布雷顿循环等能量转换方式的研究；后者具有很高的能量转换效率，但作为能量转换单元，相比热电偶，单位转化功率的设备质量较大，机械结构较复杂，运动部件较多，尤其是闭式布雷顿循环。本专利技术解决了核反应堆冷却剂自然循环必须依赖重力的问题，实现了无重力作用下反应堆堆芯冷却的非能动安全；同时解决了空间反应堆外带热机能量转换系统质量偏大，机械结构复杂而脆弱的问题，实现了高度集成的一体化反应堆结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全环境的自然循环微型一体化反应堆，使用核电厂成熟的冷却方式实现空间条件下的自然循环能力，同时采用较为简化、集成的能量转换结构实现较低热端温度下较高的转换效率。全环境的自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构建围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁；下部筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部具有堆芯并且容纳有不断膨胀和压缩的冷却剂的区域，堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向上流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；堆内构件围筒内的堆芯上方设有上、下两个活塞，下部为配气活塞，上部为动力活塞；配气活塞上端设有连杆，连杆穿过动力活塞中心直至压力容器上部筒体并与弹性结构相连；动力活塞上段与弹性结构相连的同时与直线电机动线圈相连；配气活塞与堆芯之间构成膨胀腔，配气活塞与动力活塞之前构成压缩腔。其中，压力容器上部筒体内部设置有直线电机，电机静线圈固定在压力容器上部筒体上；电机动线圈与动力活塞上端相连，随动力活塞一同运动。其中，弹性结构可以为板簧、气弹簧等；其中，堆芯为由细长圆柱形的燃料元件排布的圆柱形堆芯，通过燃料元件支架固定在堆内构件围筒底部的堆芯支承板上。进一步地，堆芯外围设有一层钼-铼合金薄层；堆芯区域为反应堆热端。其中，压力容器下部筒体外侧的堆芯活性区高度范围设有带转鼓结构的反射层；转鼓一侧设有碳化硼吸收体，通过电机控制转鼓转动来调节反射层的中子吸收，进而控制堆芯反应性。进一步地，当电机失电时，碳化硼吸收体将自动转向反应堆堆芯一侧，从而实现停堆；转鼓同时能够部分滑移出堆芯活性段，当反应堆超压或者超温时，将使转鼓固定的气室失压，转鼓在弹簧力作用下部分滑移出堆芯活性段，从而实现停堆。其中，压力容器下部筒体，堆芯活性区高度范围以外，设有一圈热管，热管接触的压力容器区域成为反应堆冷端；与压力容器接触的热管段成为热管热端，热管冷端采用辐射器实现废热排放。进一步地，压力容器下部筒体的底部和侧部分别设置有底屏蔽和侧屏蔽。其中，下部筒体与底封头焊接连接，上部筒体与下部筒体中上部的法兰焊接连接，压力容器顶盖与上部筒体的上部法兰通过主螺栓连接，密封面设两道密封环。本专利技术的有益效果为：（1）不依赖重力的全功率自然循环系统，能够在空间、月面、火星、水下等各种环境下，以及倾斜、摇摆等各种姿态下均具有非能动安全性能；（2）自然循环动力不来自冷却剂密度差，能够在较高的功率密度，和较低的冷却剂流道高度下，实现全功率自然循环；（3）采用高度集成的模块式结构，将反应堆芯、能量转换结构、发电机、循环介质全部布置在一个压力容器内；只使用电气贯穿件输出电能，没有冷却剂接管故不存在冷却剂丧失事故，具有较高的安全性能；（4）全堆外功率控制，没有穿透压力容器的结构，提高压力边界安全性；（5）采用双重非能动安全设计的功率控制系统，两套停堆系统相互独立，在失电、超压、超温等状态下均能实现非能动停堆，具有较高的非能动安全性能；（6）非能动余热排出功能，停堆后不需任何外界干预可完全排出余热；（7）具有较强的负温度反应性；（8）能量转换过程能够自动通过运动幅度的变化跟随堆芯功率变化，实现输出功率的自动调节；（9）反应堆结构简单，没有机械结构复杂的控制棒驱动等部件，没有多重冷却剂回路，具有更高的换能效率及可靠性；（10）没有冷却剂管路的一体化结构，具有优秀的抗冲击性能；（11）直接输出电能的模块式结构，适合大批量生产、装配，可通过改变模块数量适应不同功率的需要；（12）反应堆基本结构适用范围广，既适用于快堆，也适用于热堆，还适用于同位素热源等其它持久性热源；同时，反应堆结构尺寸及输出功率可调节范围较大。附图说明图1为本专利技术的全环境自然循环微型一体化反应堆的整体结构示意图；图2为本专利技术的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器的结构示意图；图3为本专利技术的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器内部的结构示意图；图4为本专利技术的全环境自然循环微型一体化反应堆结构中压力容器外部的结构示意图；其中，1为压力容器；2为堆内构件围筒；3为堆芯；4为配气活塞；5为动力活塞；6为直线电机动线圈；7为直线电机静线圈；8为转鼓反射层；9为热管；10为侧屏蔽；11为底屏蔽。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明，但需要说明的是，这些具体实施方式仅仅是示例性的，并不旨在限制本专利技术的保护范围。参见图1，图1显示了本专利技术的全环境自然循环微型一体化反应堆的整体结构示意图；其中，本专利技术的反应堆的具体结构包括：压力容器1、堆内构件围筒2、堆芯3、配气活塞4、动力活塞5、直线电机（含动线圈6、静线圈7）、转鼓反射层8、热管9、屏蔽结构等，屏蔽结构包括支撑压力容器底部的底屏蔽11和设置在压力容器下部筒体外侧的侧屏蔽10。其中，用于将裂变热转为电能、组织冷却剂流道并形成自然循环能力的堆内构件套筒2、堆芯3、配气活塞4、动力活塞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.全环境的自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构建围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁；下部筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部具有堆芯并且容纳有不断膨胀和压缩的冷却剂的区域，堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向上流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；堆内构件围筒内的堆芯上方设有上、下两个活塞，下部为配气活塞，上部为动力活塞；配气活塞上端设有连杆，连杆穿过动力活塞中心直至压力容器上部筒体并与弹性结构相连；动力活塞上段与弹性结构相连的同时与直线电机动线圈相连；配气活塞与堆芯之间构成膨胀腔，配气活塞与动力活塞之前构成压缩腔。

【技术特征摘要】
1.全环境的自然循环微型一体化反应堆，包括反应堆压力容器、堆内构建围筒、反应堆芯、配气活塞和动力活塞，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的下部筒体、直径大于下部筒体直径且底部侧壁从下部筒体外部侧向上延伸的上部筒体以及盖设在上部筒体顶部的盖体、支撑在下部筒体底部的底封头组成，下部筒体顶部具有一开口并通过上述开口与上部筒体连通，开口具有向上部筒体内延伸的圆筒侧壁；下部筒体内设有堆内构件围筒，将压力容器下段空间分为内外两个区域；堆内构件围筒的底部具有堆芯并且容纳有不断膨胀和压缩的冷却剂的区域，堆内构件围筒与压力容器下部筒体之间为冷却剂向上流动的区域，该冷却剂向上流动区域的上段为回热腔，回热腔位置高度对应压力容器筒体的外侧布置有用于排除废热的热管；堆内构件围筒内的堆芯上方设有上、下两个活塞，下部为配气活塞，上部为动力活塞；配气活塞上端设有连杆，连杆穿过动力活塞中心直至压力容器上部筒体并与弹性结构相连；动力活塞上段与弹性结构相连的同时与直线电机动线圈相连；配气活塞与堆芯之间构成膨胀腔，配气活塞与动力活塞之前构成压缩腔。2.如权利要求1所述的反应堆，其中，压力容器上部筒体内部设置有直线电机，电机静线圈固定在压力容器上部筒体上；电机动线圈与动力活塞上端相连，随动力活塞一同运动。3.如权利要求1所述的反应堆，其中，弹性结构为板簧或气弹簧。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：夏彦，周钦，欧阳晓平，姜利祥，田东波，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11