一种环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆以及航天器

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及空间核反应堆以及航天器。

背景技术

随着空间活动的日益增加，包括电能及推进能在内的多种空间能源需求愈加强烈，传统化学能无法满足长期应用的需求，太阳能及蓄电池无法满足高功率的应用需求，电推进虽然效率高但推力小，无法满足快速机动的需求。因此，亟需能够满足电能及推进能供给的双模式空间能源。

空间核动力航天器一般为单一模式航天器，即利用核反应堆发电供航天器载荷使用或电推进使用的核电模式，或者利用核反应堆直接加热并喷出工质产生推力。两种模式尚未完美结合到一起共同或者分时使用。研究双模式空间核动力航天器，能够在需要大功率用电时使用核电模式，或则长期高效推进时进行核电推进，而在需要快速高效机动时采用核热推进，以提高效率。如此操作可大幅提升空间核动力航天器综合效能，降低成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环形核燃料分区冷却的双模式空间核动力航天器，其结构简单，成本低廉，可为空间大功率能源供给及应用提供帮助。

本发明的目的是这样实现的：

一种环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆，其特征在于，其包括外压力容器壳体、内环形壳体10、和喷管9，环形核燃料放置在内环形壳体10内形成独立的环形核燃料内部流道7和环形核燃料外部空间3用于形成冷却工质循环回路，所述冷却工质循环回路在环形核燃料内外两层独立流动，核热推进模式用冷却剂由反应堆上部核热入口管5进入堆芯，经环形核燃料内部流道7流过堆芯并经加热后，自堆芯底部的喷管9直接喷出产生推力，核电推进模式用冷却剂自堆芯上部的核电入口管1流入下降环段空间，流经堆芯下部后进行180°转向，再从堆芯的环形核燃料外部空间3流过并经加热后自堆芯上部核电出口管4流出反应堆，进入发电系统做功。

进一步的是，所述外压力容器壳体由上部半球6、中部环形柱体结构2、和下部半球8构成，上部半球6的腔室、环形核燃料内部流道7、下部半球8的腔室、喷管9流体连通，共同构成核热推进模式用冷却剂流动通道；核电入口管1、下降环形通道、环形核燃料外部空间3、核电出口管4、喷管9流体连通，共同构成核电推进模式用冷却剂流动通道，由此核热推进模式冷却剂与核电模式冷却剂分属两套互相独立的循环回路。

进一步的是，核热推进模式用冷却剂的冷却流体自核热入口管5进入上部半球6的腔室，然后经环形核燃料中心通道7流入下部半球8的腔室后流入喷管9，排出堆芯产生推力。

进一步的是，核电推进模式用冷却工质先由核电入口管1进入下降环形通道，再进入环形核燃料外部空间3，最后经上部核电出口管4流出堆芯，进入热电转换装置发电。

进一步的是，所述环形核燃料中心通道7为多个。

进一步的是，所述形核燃料11结构中心通道为环形核燃料中心通道7，作为核热推进用冷却剂流动通道，环形核燃料中心通道7的外侧环形区域为环形核燃料11，环形核燃料11的外侧为环形核燃料外部空间3，作为核电推进用冷却剂流动通道。

进一步的是，堆芯燃料棒以等边三角形排布方式排布于整个反应堆堆芯内部，布满堆芯，在上下端与反应堆的外压力容器壳体相连，构成反应堆堆芯结构。

进一步的是，其堆芯结构的中心区域为堆芯活性区，由数十至数百根环形核燃料元件构成。

进一步的是，环形核燃料元件具体燃料数量取决于反应堆设计功率大小。

一种航天器，其特征在于，其在头部位置具有根据权利要求1～9中任一项所述的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆，反应堆后方设置有阴影形辐射屏蔽结构14，并通过支撑桁架13与长距离伸展机构15及空间核动力航天器平台16相连，空间核动力航天器平台后方位置安装有电推进设备17，供航天器进行核电推进使用。

本发明的环形核燃料分区冷却的双模式核反应堆结构设计解决了核热推进、核电推进双模式共同工作或分时工作的问题，可实现在有限空间内既实现双模式同时工作，又可同时仅使用一种模式，提高了灵活性，降低了成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明的环形核燃料分区冷却的双模式核反应堆结构能够有效利用内部空间，既能实现直接核热推进，又可实现核能发电或者核电推进，大幅提升空间能源利用效率，增加使用灵活性；2)本发明的航天器平台与核热推进喷管9位于相反的方向，互相之间不产生干扰；3)本发明的双模式核反应堆可同时实现核电模式与核热模式，双模式下，核燃料内外同时与不同冷却剂换热，并且在单模式下，其中一种冷却剂停止工作，不会对另一路冷却剂工作产生较大影响；(4)环形核燃料分区冷却的双模式核反应堆结构紧凑，设计简单，应用灵活方便。

附图说明

图1为本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的整体结构示意图；

图2为本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的环形核燃料结构示意图；

图3为本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的堆芯结构示意图；

图4为本发明的环形核燃料分区冷却双模式核动力航天器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种适用于宇宙空间环境下的新型双模式空间核动力航天器，该航天器采用了环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆，该反应堆将环形核燃料棒作为堆芯活性区，环形核燃料内外部空间分区隔离，互不相连。环形核燃料的内部流动核热推进模式用冷却工质(一般可使用液氢或其他工质)，环形核燃料的外部空间流动核电推进模式用冷却工质(一般可使用He-Xe混合气体)。

反应堆堆芯冷却剂核热入口管5为独立管道，核电模式及核热推进模式均为独立管道。核热推进模式用冷却剂由反应堆上部核热入口管5进入堆芯，经环形核燃料内部流道7流过堆芯并经加热后，自堆芯底部的喷管9直接喷出产生推力。核电推进模式用冷却剂自堆芯上部的核电入口管1流入下降环段空间，流经堆芯下部后进行180°转向，再从堆芯的环形核燃料外部空间3流过并经加热后自堆芯上部核电出口管4流出反应堆，进入发电系统做功。

本发明实现了核热推进与核电推进双模式共同使用及分时使用的完美结合，可用于空间双模式核动力航天器设计，主要涉及到核反应堆物理、热工水力、结构、机械工程等技术领域。

图1为本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的整体结构示意图。如图1所示，本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆(双模式堆芯结构)包括内外两层独立流动的冷却工质循环回路，其主要结构包括外压力容器壳体、内环形壳体10、喷管9、环形核燃料、上下端部支撑板等。外压力容器壳体由上部半球6、中部环形柱体结构2、下部半球8构成，上部半球6上设置有核热入口管5，中部环形柱体结构2上侧面设置有核电入口管1和核电出口管4。本发明采用环形核燃料，该环形核燃料放置在内环形壳体10内形成独立的环形核燃料内部流道7和环形核燃料外部空间3。中部环形柱体结构2与内环形壳体10之间构成下降环段通道。

外压力容器壳体上部结构与环形核燃料内部空间连通，共同构成核热推进模式用冷却剂流动通道。外压力容器壳体与内环形壳体10共同构成核电推进模式用冷却剂流动通道。

图2为本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的环形核燃料的结构示意图。如图2所示，本发明的双模式空间反应堆的环形核燃料11结构中心通道为环形核燃料中心通道7，可作为核热推进用冷却剂流动通道，环形核燃料中心通道7的外侧环形区域为环形核燃料11，环形核燃料11的外侧为环形核燃料外部空间3，可作为核电推进用冷却剂流动通道。

图3为本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的堆芯结构示意图。如图3所示，本发明的双模式空间反应堆中，堆芯燃料棒以等边三角形排布方式排布于整个反应堆堆芯内部，布满堆芯，在上下端与反应堆的外压力容器壳体相连，构成反应堆堆芯结构。反应堆堆堆芯结构的中心区域为堆芯活性区，由数十至数百根环形核燃料元件构成，环形核燃料中心通道7和外侧的环形核燃料外部空间3独立隔离，环形核燃料元件具体燃料数量取决于反应堆设计功率大小。堆芯燃料棒呈等边三角形方式排布，布满堆芯。燃料棒在上部、下部方向与反应堆的外压力容器壳体连接。

核热入口管5、上部半球6的腔室、环形核燃料内部流道7、下部半球8的腔室、喷管9流体连通，共同构成核热推进模式用冷却剂流动通道。核热推进模式用冷却剂的冷却流体自核热入口管5进入上部半球6的腔室，然后经环形核燃料中心通道7(注：图2中仅明显绘制出中心一个通道，实际包含多个环形通道)流入堆芯下部半球8的腔室后流入喷管9，排出堆芯产生推力。该回路属于开式回路，直接与外部空间相连通，一般可使用液氢或其他工质。

核电入口管1、下降环形通道、环形核燃料外部空间3、核电出口管4、喷管9流体连通，共同构成核电推进模式用冷却剂流动通道。核电推进模式用冷却工质先由核电入口管1进入下降环形通道，再进入环形核燃料外部空间3，最后经上部核电出口管4流出堆芯，进入热电转换装置发电。该回路为闭式循环回路，不与外部空间直接连通，一般可使用He-Xe混合气体。

核热推进模式冷却剂与核电模式冷却剂分属两套互相独立的循环回路，二者之间仅发生热量传递，可独立工作或并行工作，提高空间核动力航天器综合效能，减小系统质量。

本发明的堆芯采用环形核燃料元件，燃料元件以等边三角形方式整齐排列在堆芯内部，环形核燃料元件内部空间为作为核热推进模式冷却剂流动换热通道的，环形核燃料外部空间3为核电模式冷却剂流动换热通道。燃料元件上部与下部分别与堆芯上下半球形空间相连，构成两路独立循环回路，供核热推进与核电两种模式分别使用。

具有本发明的环形核燃料分区冷却的双模式空间核动力航天器的结构主要由三大部分构成，分别是核反应堆、伸展机构、航天器平台。图4为使用了本发明的环形核燃料分区冷却双模式空间核反应堆的航天器的结构示意图。如图4所示，核反应堆后方设置有圆锥台形状辐射屏蔽结构14(如阴影所示，侧视图为梯形，俯视图为圆形)，并通过支撑桁架13与长距离伸展机构15及空间核动力航天器平台16相连，空间核动力航天器平台后方位置安装有电推进设备17，供航天器进行核电推进使用。其中，核反应堆为核动力航天器的能源部分，由反应堆堆芯、阴影形屏蔽体14及支撑桁架13构成。核反应堆与长距离伸展机构15通过支撑桁架13连接，长距离伸展机构15与航天器平台16连接，三者共同构成空间核动力航天器。航天器平台上布置有推进系统17，负责利用核反应堆发出的电能为核动力航天器提供推进动力，此外还包含电源系统、控制系统、通讯系统等。

此外，核热推进喷管9布置于反应堆下方正中间，航天器布置于反应堆上方空间，与核热推进喷管9方向相反，不会受推进影响。当核动力航天器沿反应堆下方飞行时，若要切换核热推进模式，则利用姿控系统掉转航天器姿态180°，然后便可启动核热推进。

核动力航天器具备利用电推进行推进前进的工作模式，同时还可利用核热推进进行推进前进。由于二者布置方向分别位于核动力航天器两端，因此在切换推进模式时需利用姿态控制系统将航天器姿态翻转180°。在核动力航天器同时具有高电能供给需求及推进需求的情况下，核动力航天器可进入双模式工作状态，发电同时利用核热推进功能进行机动运行。

由于核热推进发动机及核电推进设备分别位于双模式空间核动力航天器两侧位置，互不影响，且二者使用相互独立的循环回路，因此具备核热推进、核电推进、发电及核热推进三种工作模式。

综上，本发明的环形核燃料分区冷却双模式核动力航天器可以实现能源高效利用，具有核热推进模式、核电推进模式、发电模式、发电及核热推进双模式等四种工作模式，可执行灵活多变的空间任务，能够充分利用空间核动力能源优势，大幅提高空间核动力任务效能，兼具经济性及高效率。本发明通过特殊堆芯结构设计，可以使得核热推进和核能发电功能同时实现，并且具有单独使用的能力，大幅提高了空间核动力航天器的利用效率和效能。反应堆设计简单，适用任务范围广，功率范围大。

需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。