一种分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构

技术领域

本发明涉及核反应堆工程技术领域，尤其涉及的是一种分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构。

背景技术

当前，热管堆采用热管代替流体冷却剂带走堆芯热量，其堆芯为固态堆芯，热管堆运行时，核反应堆产生的裂变能被传导给布置在堆芯中的金属热管蒸发段，并通过热管内部工质的蒸发、冷凝过程以及自然循环流动，将热量从堆芯传导至热电转换装置/二回路系统的热端，热电转换装置/二回路系统将热能转换为电能后，剩余的废热通过冷却器或辐射散热器排出至最终热阱（大气或环境）。

鉴于热管堆具有固态属性、固有安全性高、运行特性简单、易于模块化、易扩展以及运输特性良好等核心优势，在深空探测与推进、陆基核电源、深海潜航探索等环境中具有广阔的应用前景。

但是，一方面，由于传统热管堆的结构紧凑、设计简单，使得热管堆中子泄漏强、功率不均匀系数高，限制了全堆芯的总功率输出，不利于系统经济性；另一方面，由于热管堆的运行温度高、堆芯导热性差，导致堆芯产生有极高的热应力，危及核反应堆的安全。

发明内容

针对当前传统热管堆堆芯设计方案所存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种全新的解决方案，可有效改善堆芯的传热特性，增强热管堆在运行过程中的稳定性和可靠性，且可展平堆芯功率分布，降低中子泄漏率，提高系统经济性，并具备较好的可实现性。

本发明的技术方案如下：一种分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，由紧急停堆棒、低富集铀燃料区、高富集铀燃料区、中间富集铀燃料区、中子反射层、反应性控制转鼓、中子吸收材料层、内壳体、屏蔽层、外壳体和热管组成；其中，

低富集铀燃料区中心设置有适配紧急停堆棒插入的紧急停堆棒导向孔，高富集铀燃料区包覆在低富集铀燃料区外侧，中间富集铀燃料区包覆在高富集铀燃料区外侧，中子反射层包覆在中间富集铀燃料区外侧，内壳体包裹在中子反射层的外侧，屏蔽层包裹在内壳体外侧，外壳体包裹在屏蔽层外侧；

低富集铀燃料区、高富集铀燃料区和中间富集铀燃料区都均布有多个适配插入热管的热管导向孔；热管底部的蒸发段用于插入堆芯之中，而热管中部的绝热段和热管上部的冷凝段均从堆芯上方伸出；

中子反射层内均布有多个适配插入反应性控制转鼓的转动孔，单个反应性控制转鼓的形状为圆柱体形，并可在中子反射层的单个转动孔内旋转；

每个反应性控制转鼓的侧壁上沿其圆周设置有弧长为120度且具有一定厚度的中子吸收材料层，中子吸收材料层的横截面呈月牙形，并与反应性控制转鼓的横截面共同组成圆形；该中子吸收材料层从反应性控制转鼓顶端延伸至反应性控制转鼓的底部，且该中子吸收材料层可随反应性控制转鼓一同转动。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述低富集铀燃料区为圆形的低富集度燃料柱，高富集铀燃料区由多块扇形的高富集度燃料柱组成，中间富集铀燃料区由多块扇形的中间富集度燃料柱组成，且相邻的燃料柱之间均留有间隙或气隙。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述低富集铀燃料区为正5~16边形等正多边形的低富集度燃料柱，高富集铀燃料区由多块梯形的高富集度燃料柱组成，中间富集铀燃料区由多块梯形的中间富集度燃料柱组成，且相邻的燃料柱之间均留有间隙或气隙。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述低富集铀燃料区为正六边形的低富集度燃料柱，高富集铀燃料区由6块梯形的高富集度燃料柱组成，中间富集铀燃料区由6块梯形的中间富集度燃料柱组成，且中间富集度燃料柱之间、中间富集度燃料柱与高富集度燃料柱之间、高富集度燃料柱之间、高富集度燃料柱与低富集度燃料柱之间均留有间隙或气隙。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述低富集度燃料柱、高富集度燃料柱和中间富集度燃料柱均采用由燃料颗粒弥散性随机分布在石墨基体的复合材料制成蜂窝状的多孔柱体。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述燃料颗粒由UO

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述低富集度燃料柱内的燃料颗粒由低富集度的UO

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述紧急停堆棒、中子吸收材料层和/或屏蔽层所采用的材质均为碳化硼；中子反射层和反应性控制转鼓所采用的材质均为三氧化二铝。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述内壳体和外壳体材质为不锈钢，且内壳体与中子反射层之间留有空隙或间隙。

所述的分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，其中：所述热管采用钠作为内部工质。

相比现有技术中的热管堆堆芯结构，本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构的有益效果是：

由于采用了三种不同富集度的核燃料，并沿径向进行了分区，较好地展平了堆芯功率分布，使得核反应堆运行可靠性和系统经济性得到了很大提高，同时采用了石墨作为基体的弥散型燃料，即将燃料颗粒弥散性随机分布在石墨基体中，消除了燃料和基体之间的空隙，极大地改善了堆芯的传热特性，有效降低了堆芯基体的峰值温度；且整个核反应堆运行简单，属于全固态堆芯，可通过卡车、飞机、船舶等进行运输，拓展了核反应堆的建设范围。

基于本发明的热管堆堆芯设计，由于堆芯运行温度较高，不仅在深空探测与推进、陆基核电源、深海潜航探索等场景均具有广阔应用，若辅以相应的二回路设备，还能实现常规供电和提供高温工艺热，因此，本发明的堆芯设计还具有多用途的特性。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而非意图以任何方式来限制本发明公开的范围；图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并非是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸；本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1是本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构实施例的横截面示意图；

图2是本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构实施例的整体三维示意图；

图3是本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构实施例所用燃料区的横截面示意图；

图4是本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构实施例所用三种燃料柱的立体结构示意图；

图5是本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构实施例所用燃料颗粒的结构示意图。

图中各标号汇总：1-紧急停堆棒；2-低富集度燃料区；3-高富集度燃料区；4-中间富集度燃料区；5-中子反射层；6-反应性控制转鼓；7-中子吸收材料层；8-内壳体；9-屏蔽层；10-外壳体；11-热管；12-紧急停堆棒导向孔；13-热管导向孔；14-低富集度燃料柱；15-高富集度燃料柱；16-中间富集度燃料柱；17-燃料颗粒；18-外致密各向同性热解炭层；19-碳化硅层；20-内致密各向同性热解炭层；21-低密度疏松热解炭层；22-UO

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。

如图1并结合图2和图3所示，本发明提供的一种分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构，由紧急停堆棒1、低富集铀燃料区2、高富集铀燃料区3、中间富集铀燃料区4、中子反射层5、反应性控制转鼓6、中子吸收材料层7、内壳体8、屏蔽层9、外壳体10和热管11组成；其中，

低富集铀燃料区2中心设置有适配紧急停堆棒1插入的紧急停堆棒导向孔12，高富集铀燃料区3包覆在低富集铀燃料区2外侧，中间富集铀燃料区4包覆在高富集铀燃料区3外侧，中子反射层5包覆在中间富集铀燃料区4外侧，内壳体8包裹在中子反射层5的外侧，屏蔽层9包裹在内壳体8外侧，外壳体10包裹在屏蔽层9外侧；

低富集铀燃料区2、高富集铀燃料区3和中间富集铀燃料区4都均布有多个适配插入热管11的热管导向孔13；热管11底部的蒸发段用于插入堆芯之中，而热管11中部的绝热段和热管11上部的冷凝段均从堆芯上方伸出；

中子反射层5内均布有多个适配插入反应性控制转鼓6的转动孔，单个反应性控制转鼓6的形状为圆柱体形，并可在中子反射层5的单个转动孔内旋转；

每个反应性控制转鼓6的侧壁上沿其圆周布置有弧长为120度且具有一定厚度的中子吸收材料层7，中子吸收材料层7的横截面呈月牙形，并与反应性控制转鼓6的横截面共同组成圆形；该中子吸收材料层7从反应性控制转鼓6顶端延伸至反应性控制转鼓6的底部，用于中子吸收材料层7随反应性控制转鼓6一同转动至相应的角度时，能够控制核反应堆的反应性，进而控制核反应堆的启动、功率调节、关停。

本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构的一种实施例是，低富集铀燃料区2为圆形的低富集度燃料柱，高富集铀燃料区3由多块扇形的高富集度燃料柱组成，中间富集铀燃料区4由多块扇形的中间富集度燃料柱组成，且相邻的燃料柱之间均留有间隙或气隙，以满足其热膨胀的体积变化。

本发明分区布置的石墨基弥散燃料热管堆堆芯结构的另一种实施例是，低富集铀燃料区2为正5~16边形等正多边形的低富集度燃料柱，高富集铀燃料区3由多块梯形的高富集度燃料柱组成，中间富集铀燃料区4由多块梯形的中间富集度燃料柱组成，且相邻的燃料柱之间均留有间隙或气隙，以满足其热膨胀的体积变化。

以正六边形为例，结合图4所示，低富集铀燃料区2为正六边形的低富集度燃料柱14，高富集铀燃料区3由6块梯形的高富集度燃料柱15组成，中间富集铀燃料区4由6块梯形的中间富集度燃料柱16组成，且中间富集度燃料柱16之间、中间富集度燃料柱16与高富集度燃料柱15之间、高富集度燃料柱15之间、高富集度燃料柱15与低富集度燃料柱14之间均留有间隙或气隙，以满足其热膨胀的体积变化。

进一步地，低富集度燃料柱14、高富集度燃料柱15和中间富集度燃料柱16均为石墨基弥散燃料柱，即均采用由燃料颗粒17弥散性随机分布在石墨基体的复合材料制成蜂窝状的多孔柱体，其中，燃料颗粒17的填充比、热管导向孔13的位置和数目可以根据核反应堆的运行温度和(兆瓦级)功率需求来确定。

进一步地，结合图5所示，燃料颗粒17又由UO

进一步地，低富集度燃料柱14内的燃料颗粒17由低富集度的UO

具体的，紧急停堆棒1采用的材质为碳化硼，用于核反应堆的紧急关停，以确保核反应堆的可控性。

具体的，中子反射层5和反应性控制转鼓6采用的材质均为三氧化二铝，用于向堆芯反射中子，中子吸收材料层7采用的材质为碳化硼，用于从堆芯吸收中子，以提高核反应堆的反应性。

具体的，内壳体8和外壳体10材质均为不锈钢，用于容纳堆芯和保护核反应堆系统，位于内壳体8与外壳体10之间的屏蔽层9的材质为碳化硼，用于吸收从中子反射层5泄漏出来的中子，以降低对环境的辐射影响，提高核反应堆的安全性。

较好的是，内壳体8与中子反射层5之间留有空隙或间隙。

具体的，热管11优选采用钠作为内部工质，以保证堆芯在兆瓦级功率下的热交换效率。

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域普通技术人员公知的现有技术，例如，低富集度、中间富集度或高富集度的UO

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。