一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法技术

本申请涉及一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法，所述方法包括：构建空间反应堆，通过其中的堆芯燃料区

【技术实现步骤摘要】
一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法


[0001]本申请涉及反应堆安全
，特别是涉及一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法
。

技术介绍

[0002]随着人类对宇宙太空的深入探索，对于提供能量的电源要求也在逐步提高，空间核反应堆电源在绕地卫星供电
、
深空探测推进器以及月球与火星基地供电等领域具有很大的优势以及应用前景
。
相比同位素电源，空间反应堆电源不依赖阳光，环境适应性好，质量功率比随功率增加显著降低，机动灵活，同时，其与电推力器组成核电推进，比冲高且推力较大
。
根据堆芯冷却的方式，空间核反应堆主要分为3类：液态金属冷却反应堆
、
气体冷却反应堆与热管冷却反应堆
。
目前，以
Kilopower
热管冷却反应堆为代表的国外小型空间核反应堆已经完成相关测试，表明国外空间反应堆在航空
、
海洋探索中应用取得了实质性进展，而国内关于空间反应堆的研究正集中于堆芯物理热工设计
、
材料选择及自身安全特性研究和试验等内容
。
[0003]制定切实有效
、
安全可靠空间反应堆的安全控制方案是空间堆安全的一项重要研究内容，也是其走向工程应用的关键，在现有的反应堆控制方案中，主要有以下几种方式：
(1)
在堆芯内布置含有强中子吸收体如
B4C
制备的控制棒进行堆芯反应性的控制；
(2)/>利用含硼酸的溶液注入冷却剂中进行堆芯反应性的控制；
(3)
在堆芯内布置可燃毒物进行反应性控制；
(4)
利用反射层改变堆芯的中子泄露率来进行反应性控制；
(5)
在堆芯外布置含有强中子吸收体如
B4C
制备的控制转鼓进行反应性的控制
。
[0004]然而，由于空间核反应堆系统需要尽可能实现小型化和轻量化的目标，以满足航天任务对尺寸和质量的约束，传统的堆内控制棒等方式对小型化空间堆而言会带来较大的堆芯中子场扰动，而堆外利用反射层与控制鼓等方案时也需要考虑兼顾在相关系统失效工况下的控制安全
。
此外，目前的空间反应堆通常设计为装载含有高富集度的
235
U
的核燃料，并设计为快堆运行模式，为保证在空间失重或微重力
、
宇宙射线辐射
、
低温等极端空间环境下，反应堆长期稳定的安全运行与能源供给，并兼顾小型化与轻量化，实现高效安全控制与系统可靠性等目标，需要设计相关安全有效的空间反应堆控制方案
。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法
。
[0006]一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法，包括以下步骤：
[0007]构建空间反应堆；空间反应堆包括：堆芯燃料区
、
轴向反射层
、
径向反射层
、
控制环
、
传感器和反应性仪；控制环布置在堆芯燃料区与径向反射层之间；径向反射层布置在控制环的径向外侧；反应性仪布置在径向反射层的外围，用于实时测量空间反应堆堆芯的反应性；传感器布置在径向反射层和轴向反射层的内侧和外侧，用于测量温度和压力；其中，
堆芯的反应性与控制环正对堆芯燃料区的面积呈负相关，与径向反射层正对堆芯燃料区的面积呈正相关；
[0008]分别设计控制环和径向反射层的控制价值，使得径向反射层的控制价值大于控制环的控制价值；控制价值表示移动单位轴向高度时对应的反应性变化值；径向反射层的控制价值与控制环的控制价值的比值为
(2
～
5)
：1；
[0009]获取当前所测得的反应性，计算反应性值对应的有效增殖因子，当传感器测得的温度不超过预设温度，且压力不超过预设压力时，计算预设的拟调节后堆芯的有效增殖因子与当前堆芯的有效增殖因子的差值的绝对值；
[0010]若绝对值大于预设值，则根据径向反射层的控制价值调节径向反射层的轴向高度，若绝对值不大于预设值，则根据控制环的控制价值调节控制环的轴向高度
。
[0011]上述基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法中，包括：构建空间反应堆，通过其中的堆芯燃料区
、
控制环
、
径向反射层
、
轴向反射层
、
传感器和反应仪之间的配合工作，完成对空间反应堆的有效安全控制，通过控制环与径向反射层两套调节方案，均可以实现反应堆的安全停堆，具有双重保护机制
。
其中，通过分别设计控制环和径向反射层的控制价值，使得径向反射层的控制价值大于控制环的控制价值，如此能够实现径向反射层对反应性的粗调和控制环对反应性的精调的协同控制，使空间反应堆可以实现安全和高效灵活的控制
。
附图说明
[0012]图1为一个实施例中基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法的流程示意图；
[0013]图2为一个实施例中基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的径向布置方案结构图；
[0014]图3为一个实施例中基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的轴向布置方案结构图；
[0015]图4为另一个实施例中在
10kW
电功率热管堆
Kilopower
上开展的基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的径向布置方案结构示意图；
[0016]图5为一个实施例中在
10kW
电功率热管堆
Kilopower
上开展的基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的控制方案在径向反射层轴向全部正对堆芯，在沙中掉落事故下的不同控制环轴向高度对堆芯
k
eff
的影响；
[0017]图6为一个实施例中在
10kW
电功率热管堆
Kilopower
上开展的基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的控制方案在径向反射层轴向全部抽出正对堆芯的位置，在沙中掉落事故下的不同控制环轴向高度对堆芯
k
eff
的影响；
[0018]图7为一个实施例中在
10kW
电功率热管堆
Kilopower
上开展的基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的控制方案在径向反射层轴向全部正对堆芯，发射事故中进水事故下的不同控制环轴向高度对堆芯
k
eff
的影响；
[0019]图8为本专利技术的具体实施例中在
10kW
电功率热管堆
Kilopower
上开展的基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制系统的控制方案在径向反射层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法，其特征在于，所述方法包括：构建空间反应堆；所述空间反应堆包括：堆芯燃料区
、
轴向反射层
、
径向反射层
、
控制环
、
传感器和反应性仪；控制环布置在堆芯燃料区与径向反射层之间；径向反射层布置在控制环的径向外侧；反应性仪布置在径向反射层的外围，用于实时测量空间反应堆堆芯的反应性；传感器布置在径向反射层和轴向反射层的内侧和外侧，用于测量温度和压力；其中，堆芯的反应性与控制环正对堆芯燃料区的面积呈负相关，与径向反射层正对堆芯燃料区的面积呈正相关；分别设计控制环和径向反射层的控制价值，使得径向反射层的控制价值大于控制环的控制价值；控制价值表示移动单位轴向高度时对应的反应性变化值；径向反射层的控制价值与控制环的控制价值的比值为
(2
～
5)
：1；获取当前所测得的反应性，计算反应性值对应的有效增殖因子，当传感器测得的温度不超过预设温度，且压力不超过预设压力时，计算预设的拟调节后堆芯的有效增殖因子与当前堆芯的有效增殖因子的差值的绝对值；若所述绝对值大于预设值，则根据径向反射层的控制价值调节径向反射层的轴向高度，若所述绝对值不大于预设值，则根据控制环的控制价值调节控制环的轴向高度
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别设计控制环和径向反射层的控制价值，包括：设计控制环的控制价值，具体包括：调整控制环中中子吸收体的占比，或者控制环的内外径向尺寸；其中，中子吸收体的占比越高，控制环的控制价值越大；内外径向尺寸对应的几何体积越大，控制环的控制价值越大；设计径向反射层的控制价值，具体包括：调整径向反射层中中子倍增材料的占比，或者径向反射层的内外径向尺寸；其中，中子倍增材料的占比越高，径向反射层的控制价值越大；内外径向尺寸对应的几何体积越大，径向反射层的控制价值越大
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，径向反射层按照四个象限分为4块；若所述绝对值大于预设值，则根据径向反射层的控制价值调节径向反射层的轴向高度，包括：将大于所述预设值的数值区间进行划分，得到四个预设区间；当所述绝对值位于第一区间内时，按照第一象限到第四象限的顺序依次调节对应的径向反射层的轴向高度，直至所述绝对值不大于所述预设值；当所述绝对值位于第二区间内时，首先调节第一象限和第三象限的径向反射层的轴向高度，直至所述绝对值不大于所述预设值或者达到调节极限，若达到调节极限时所述绝对值仍大于预设值，则再依次调节第二象限和第四象限的径向反射层的轴向高度，直至所述绝对值不大于所述预设值；当所述绝对值位于第三区间内时，首先调节第一象限
、
第二象限和第三象限的径向反射层的轴向高度，直至所述绝对值不大于所述预设值或者达到调节极限，若达到调节极限时所述绝对...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕中良，祝韶阳，赵子甲，吴建华，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：