基于板状燃料的堆芯及斯特林电机一体化耦合装置

发明领域

本发明属于空间小型核动力装置技术领域，特别涉及一种基于板状燃料的堆芯及斯特林电机一体化耦合装置。

背景技术

随着人类对太空探索的不断升级，地外星表应用场景、深空探测、载人航天、近地大功率应用等场景均对电源的安全、可靠、稳定高功率水平等提出更高的要求，传统的太阳电池阵、锂离子电池组等能源系统已难以满足任务需求。核能源因其能量密度高、输出功率大、环境适应性强、调控性好、不依赖于太阳辐射等特点，将从根本上解决未来航天器高功率需求问题，成为目前国内外各航天大国的研究热点。

目前国内外典型空间核反应堆电源设计均为分离式结构，即反应堆系统与热电转换系统结构独立，两系统间采用热管等结构或中间传热流体回路连接。而堆芯普遍采用已广泛应用的棒状燃料形式，也有新型燃料概念如热管燃料一体设计、燃料发电器件一体设计燃料，其设计复杂化、功能耦合化，但形式上还是采用了棒状燃料的形态；国内外也存在概念设计，使用整块的金属复合物堆芯设计或球床设计，燃料呈现大块固体形态。

本单位研制一种基于斯特林电机的热电一体化反应堆，通过堆芯与斯特林电机直接耦合的设计优化了系统结构，堆芯与斯特林电机的配合关系如图1所示。冷却剂从堆芯带走热量直接耦合至斯特林电机热发电机热端，减少了中间传热结构，进一步提高反应堆的热能利用率及整个系统的可靠性。所述斯特林电机热电一体化堆中采用了冷却剂在燃料间空腔与斯特林电机气体腔内的耦合流动的非常规设计，在带来紧凑性和自然循环能力的优点同时，也引出两个复杂系统结构流体耦合设计的难题。针对所述斯特林电机热电一体化堆型，堆芯和斯特林电机早期采用独立设计，即堆芯设计完成后，将参数传递给斯特林电机接续完成设计，没有采用耦合设计思想，基于该设计方法并基于常规棒状燃料方案仿真分析结果发现，棒状燃料在最紧凑设计的情况下因几何构型的影响仍会引入较大的棒间冷却剂空间，此冷却剂空间即斯特林电机死容积，较大的斯特林电机死容积显著降低了斯特林电机的热电转换效率。堆芯斯特林电机独立设计方法以及常用的棒状燃料形态不满足斯特林电机热电一体化反应堆的耦合设计需求。

针对耦合设计带来的问题，本发明提出基于中间变量的两步设计法的思想，找出同时共同影响堆芯设计和斯特林电机设计的中间变量，在第一步堆芯设计中即优化斯特林电机设计依赖的参数，从而实现对堆芯物理及斯特林电机热电效率同时优化的燃料结构设计目的。本发明在控制中间变量的两步法设计思想的基础上，提出了一种由棒状燃料设计向板状燃料设计的改进燃料形态，该形态在保证堆芯较大换热面积的前提下，能有效减小燃料间流道气体的体积(同时是斯特林电机的死容积)，达到了良好的优化中间变量进而确保系统热电转化效率的效果；同时本设计思想下的板状燃料结构设计进一步减小了反应堆体积、节省了昂贵的燃料；提供了高度集成的、高效率的斯特林电机热电一体化反应堆结构及其设计方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种堆芯与电机直接耦合的反应堆结构设计方法，并针对一体堆中堆芯、斯特林电机直接耦合设计缺少协调设计手段的问题，提出基于中间变量的两步法设计思想，并针对基于前期设计中棒状燃料结构下一体堆的热电转换效率低下的问题，改进为基于板状燃料的堆芯设计方案，在保证小型一体化堆中子学特性满足的情况下，通过调节燃料间距和数量，进一步减少斯特林电机死容积、同时增大换热面积，显著提高斯特林电机的热电转换效率和输出功率，进一步优化高度集成的一体化反应堆结构，达到系统设计的指标要求。

本发明提供了一种堆芯及斯特林电机一体化耦合装置，其包括：燃料元件，其位于堆芯中心，为多层环柱状结构；径向反射层，其为与燃料元件的环柱状结构同心且半径更大的环柱状转体；轴向反射层，其位于燃料元件上部，尺寸与燃料元件相同；斯特林电机活塞与堆芯间的空腔，用于提供空间供配气活塞运动；斯特林电机活塞；斯特林电机冷却器，其包裹在活塞外围的上层；斯特林电机换热器，其包裹在活塞外围的下层；堆芯压力容器，其位于所述燃料元件、斯特林电机换热器及斯特林电机冷却器外围。

优选地，所述一体化耦合装置还包括控制转鼓和控制转鼓吸收体。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

控制中间变量的两步设计法中，首先分析并确定同时影响反应堆和电机设计性能的中间变量。第一步堆芯设计中，在满足堆芯临界物理要求的参数空间上对中间变量进行优化；第二步斯特林电机设计中，在第一步传递参数的基础上进行斯特林电机结构设计，并通过动力学/热力学联合分析对斯特林电机结构进行修改优化，使最终指标满足设计要求。基于中间变量控制的两步设计法流程图如图2所示。

所述中间变量选择时考虑因素为：斯特林电机对堆芯流道形成的总容积及换热面积敏感，一方面需要减少总容积，即斯特林电机的死容积，以增加热电转换效率；另一方面，需要增加换热面积，增加堆芯热能的利用率。因此最终选择的中间变量为流道死容积和换热面积/死容积比。在堆芯设计中，通过更改棒状燃料为板状燃料，同时通过遍历燃料尺寸和燃料间隙大小的方式，在满足堆芯临界物理设计条件的基础上，寻找令死容积最小，换热面积/死容积比最大的参数。

所述第一步堆芯设计中，选择板型堆芯燃料，因其换热面积及流道体积易于控制，进而通过控制中间传热变量，选择较小的死容积和较大的换热面积/死容积比，并将参数传递给第二步斯特林电机设计。具体堆芯设计中，根据堆芯功率、热端温度等指标进行进一步详细指标设计。堆芯结构设计完成后，进行中子学特性分析及热工分析，考察堆芯性能是否满足需求并进行优化设计。

所述第二步斯特林电机设计中，堆芯定型后的中间变量传递给斯特林电机，堆芯设计的结构/流通通道数据作为斯特林电机设计的约束。进一步地，通过斯特林电机的动力学/热力学联系分析，进行结构的细化设计，考察斯特林电机性能满足需求；如不满足，重新进行堆芯结构设计，如此反复迭代直至整个系统结构定型。

堆芯结构设计时，应满足临界条件要求，具体工况如下：

条件(1)：所有控制鼓转出情况下，满足keff足够高(>1.01)，以保证空间堆10年的寿命要求；

条件(2)：所有控制鼓转入的情况下，keff足够低(<0.92)，以保证空间堆在地面运输、装配和火箭发射过程的次临界深度，以降低意外发生的可能性；

条件(3)：一个控制鼓故障的情况下，keff仍然足够低(<0.94)，以保证单个转鼓故障不会导致意外临界。

同时，因空间堆特殊的应用场景，还须考察发射意外掉落工况下的反应性满足安全要求。空间核反应堆在坠落事故中，海水或砂石淹没会带来额外的中子慢化和反射，进而增加堆芯反应性，应保证此时堆芯处于亚临界状态，具体满足如下工况：

条件(4):反射层完好，堆芯内空隙填满海水，空间堆浸在湿砂中。

条件(5):反射层完好，堆芯内空隙填满湿砂，空间堆浸在湿砂中。

状态(6):反射层完好，堆芯内空隙填满湿砂，空间堆浸在海水中。

条件(7):反射层完好，堆芯内空隙填满海水，空间堆浸在海水中。

条件(8):反射层脱落，堆芯内空隙填满海水，空间堆浸在湿砂中。

条件(9):反射层脱落，堆芯内空隙填满湿砂，空间堆浸在湿砂中。

条件(10):反射层脱落，堆芯内空隙填满湿砂，空间堆浸在海水中。

情况(11):反射层脱落，堆芯内空隙填满海水，空间堆浸在海水中。

基于板状燃料堆芯结构的热电一体化空间堆系统，其结构包含反应堆堆芯、轴向反射层、径向反射层、控制转鼓等，具体如图3所示。先确定堆芯基本构型，由多个薄的同心燃料板组成，堆芯上下具有径向反射层、堆芯外围压力容器桶壁、桶壁外具有轴向反射层，在轴向反射层内部以微小缝隙嵌入多个沿径向角度均匀分布的转鼓，转鼓上具有强中子吸收体层。根据加工工艺、力学特性、温度使用适用性、可用性等条件预先选定的材料参数包括：燃料材料、包壳材料、压力桶壁材料、反射层材料、中子吸收体材料，设计参数包括燃料层数、燃料层间间隙、燃料厚度、包壳厚度、燃料高度、燃料富集度、径向反射层厚度、轴向反射层厚度、转鼓个数、转鼓中心位置、转鼓直径、吸收体厚度、角度。

所述堆芯主要材料选择，考虑到板型加工形面要求的特殊性等因素，燃料种类采用延展性较好的金属型，考虑到物性参数的可用度和设计的延续性，冷却剂采用高温气冷堆和斯特林电机电机常采用的惰性气体。

所述堆芯外部尺寸设计，其大小应与斯特林电机外围尺寸一致，利于斯特林电机与反应性系统的耦合。

所述堆芯燃料参数设计，板状燃料具体结构如图4所示，中间为含铀金属燃料，外层为包壳材料。其中，考虑窄流道流阻过大、燃料及包壳随燃耗深度膨胀等因素，约束板状燃料之间的最小距离为0.4mm，以满足流动阻力和形变容忍的要求。

所述反射层设计，采用单变量变化法对轴向反射层和径向反射层厚度进行优化。因keff随反射层厚度的增加先增加后趋平，当keff-厚度曲线趋平时，确定此时的反射层厚度为设计厚度。对吸收层的厚度进行同样的设计，当控制鼓价值最大时确定为最优值。

所述控制转鼓设计，控制鼓的价值定义为条件(1)和条件(2)的keff差值，一个控制鼓的价值定义为条件(3)和(2)之间的keff差值，通过两者的倍率关系选择控制鼓的数量。

确定以上参数后，对空间堆发射意外掉落大海多个意外掉落安全工况(4)～(11)进行分析，以确定设计参数的最终可行。此时，在所有可行方案中选择死容积最小、换热面积/死容积比较大的方案。一体堆堆芯设计完成后，详细分析其中子及热工水力情况，以满足设计要求，如不满足，进行迭代优化设计。

本发明的有益效果为：

(1)堆芯与斯特林电机的一体化耦合设计，减少了系统间的结构连接，提高了系统可靠性，达到了空间堆一体化小型化的设计效果；

(2)基于中间变量的两步设计法解耦了堆芯及斯特林电机设计两个优化过程，系统输入参数几乎完全分离，相互控制不受影响，解决了堆芯斯特林电机耦合设计难题；

(3)基于板状燃料的堆芯设计，便于通过控制相邻燃料板之间的间隔距离，优化斯特林电机死容积大小；便于通过控制同心燃料板的层数，优化换热面积；两者共同作用，提高斯特林电机的热电转换效率和输出功率；

(4)基于板状燃料的堆芯相比棒状燃料的堆芯设计，在满足中子及热工分析的基础上，进一步减少了燃料装载量，节省了燃料，获得了较小的临界尺寸。

附图说明

图1为本发明的堆芯与斯特林电机耦合关系示意图，其中1为燃料元件，位于堆芯中心，为多层环柱状结构组成；2为径向反射层，位于燃料元件及压力容器外围，为环柱状；3为轴向反射层，位于燃料元件上部，尺寸与燃料元件相同，为多层环柱状结构；4为斯特林电机活塞与堆芯间的空腔，用于提供空间供配气活塞运动；5为斯特林电机冷却器，位于活塞外围，为环柱状结构；6为斯特林电机换热器，位于活塞外围，且处于轴向反射层及冷却器之间，为环柱状结构；7为斯特林电机活塞，为圆柱状；8为堆芯压力容器，位于燃料元件及换热器、冷却器外围，为圆柱状。

图2为本发明的两步法设计思路流程图。

图3为本发明的基于板状燃料的堆芯结构示意图，含侧视图及俯视图，其中1为燃料元件，2为径向反射层，3为轴向反射层，9为控制转鼓，10为控制转鼓吸收体。

图4为板状燃料组件结构细节示意图，其中11为燃料，12为包壳，13为燃料元件间气体间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，需要说明的是，这些具体实施方式仅仅是示意性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

以下给出具体的实施例1，以便更加详细的说明本发明的结构。

实施例1

本发明提供了一种堆芯及斯特林电机一体化耦合装置，其包括：燃料元件1，其位于堆芯中心，为多层环柱状结构；径向反射层2，其为与燃料元件的环柱状结构同心且半径更大的环柱状转体；轴向反射层3，其位于燃料元件上部，尺寸与燃料元件相同；斯特林电机活塞与堆芯间的空腔4，用于提供空间供配气活塞运动；斯特林电机活塞7；斯特林电机冷却器5，其包裹在活塞外围的上层；斯特林电机换热器6，其包裹在活塞外围的下层；堆芯压力容器8，其位于所述燃料元件、斯特林电机换热器及斯特林电机冷却器外围。

实施例2

以20kWt堆芯/斯特林电机系统设计为例，整个堆芯置于压力容器内，堆芯活性区域高度范围设有带转鼓结构的反射层，转鼓圆周一侧设有吸收体，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，当电机失电时，吸收体将自动转向反应堆堆芯一侧，从而实现停堆。堆芯设计参数在满足条件(1)～(11)的前提下，具体设计参数如下。

(1)反应堆主体为近圆柱形的压力容器，系统高度为619.37mm，容器内外壁直径为210/220mm，压力容器底部厚度为5mm；堆芯整体从反应堆容器外壳底部提升一定距离(3mm)，以形成冷却剂的流通通道，通过设置固定部件固定堆芯至容器壁。

(2)堆芯直径210mm，堆芯高度60mm，堆芯燃料选择时考虑到加工工艺选择U8Mo，U-235燃料富集度88％；板状燃料的具体结构如图4所示，其中燃料层数为17，燃料厚度4.6mm，包壳厚度0.5mm，相邻燃料板表面间隙(即流道宽度)为0.4mm，包壳材料选择钼铼合金。

(3)堆芯冷却剂为气体冷却剂，具体选择为氦气。

(4)反射层选择BeO，反射层高度为60mm，反射层内外直径为220/540mm。

(5)控制鼓材料为BeO，控制鼓设计价值为0.109，其中一个控制鼓价值为0.016，控制鼓数量为6。控制鼓吸收体材料为B4C，吸收体角度为130°，吸收体厚度为15mm。

在此基础上进行了堆芯几何设计，进而计算得到发动机的输出功率和效率，分别为5951W和25.7％，相比传统基于棒状燃料的堆芯方案，多个指标均有了大幅性能提升，两种方案的对比结果如下表所示，可以看出板状堆芯因更容易调整死容积和热交换面积，适合一体堆的集成化设计。

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尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。