[发明专利]全环境的自然循环微型一体化反应堆

说明书

本发明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，特别涉及一种全环境的自然循环微型一体化反应堆。

背景技术

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。

本发明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。

发明内容

本发明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。