[发明专利]一种基于碳纳米管的无冷却剂超小紧凑型空间反应堆堆芯

说明书

本发明涉及一种基于碳纳米管的无冷却剂超小紧凑型空间反应堆堆芯，xy平面上堆芯形状正方形，按径向从其中心向外依次为中子源区、燃料区、第一反射区(包含控制鼓区)、屏蔽区，按轴向从上到下依次为发电热端区、屏蔽区、第二反射区、燃料区、气室、第三反射区、屏蔽区。燃料区由燃料棒栅元组成，燃料棒按正方形栅格排列，其外围原冷却剂区域填充为碳纳米管材料，燃料棒所释放能量经碳纳米管通过热传导方式传递到发电热端区。控制鼓区包含8根圆柱形控制鼓，可旋转不同角度实现启堆、停堆和稳态运行功能。该堆芯热传导效率高，无冷却剂，结构简单、紧凑，具有超小体积、堆芯装料量少、安全且经济的功能。

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种采用碳纳米管作为导热材料且无对流换热方式的超小紧凑型空间反应堆堆芯。

背景技术

伴随人类对太空的不断探索，在越来越多的空间任务中，常规能源(化学能、太阳能) 已不能满足需求，先进的空间核反应堆电源成为必然甚至是唯一的选择。相较常规化学能源，核能具有更高的功率密度，卓越的性能优势使其可作为核反应堆电源供电方案应用于深空探测、星表基地、地球轨道应用等多种民用航天任务中。早在20世纪60年代，美国和苏联两个超级大国就已将核能成功应用于太空。1965年4月，美国成功发射了世界上第一个空间核反应堆电源SNAP-10A。迄今为止，美国和苏联成功发射了35个装备有空间核反应堆电源的航天器。

空间核反应堆电源技术是典型的军民两用技术，其研发与应用将对国家军事战略与技术、深太空科学探索、拓展人类生存空间和开发宇宙资源等产生重大影响。进入21世纪后，美俄相关空间核反应堆电源研发计划稳步推进，我国也明确表示在未来的深空探测任务中将应用空间核动力，以空间核反应堆电源为代表的空间核动力技术进入了黄金发展时期。

空间核反应堆电源具有功率密度高、重量轻、体积小、寿命长、受外界环境影响小等特点，是未来深空探测不可或缺的电源。空间核反应堆按照堆芯冷却的方式主要可分为三大类：热管冷却反应堆、液态金属冷却反应堆以及气体冷却反应堆。其中，热管冷却反应堆采用非能动传热技术，具有固有安全性高、可操作性好、可靠性高以及低保养要求等优点，是目前先进空间反应堆研制的热点。作为一维纳米材料，碳纳米管重量轻，具有良好的力学、电学和化学性能，热传导率高，可以作为热传导材料。目前所设计的空间反应堆未见以碳纳米管作为导热材料，且所提出的冷却方式主要采用对流换热，本发明所提出的一种采用碳纳米管作为导热材料且无对流换热方式的超小紧凑型空间反应堆堆芯(超小型反应堆概念由美国国防委员会特别工作小组提出，指输出功率低于10兆瓦的反应堆)未见文献报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种采用碳纳米管作为导热材料的无冷却剂超小紧凑型空间反应堆堆芯，该堆芯热传导效率高，无冷却剂，结构简单、紧凑，具有超小体积、堆芯装料量少、安全且经济的功能。

本发明采用下述技术方案：一种基于碳纳米管导热的无冷却剂超小紧凑型空间反应堆堆芯，所述反应堆堆芯基于碳纳米管作为导热材料设计。反应堆堆芯释放能量通过碳纳米管以热传导方式传递到发电热端区，再经热电转换发电。

所述反应堆堆芯形状为正方形布置，按径向从其中心向外依次为中子源区1、燃料区、第一反射区3、屏蔽区5，按轴向从上到下依次为发电热端区6、屏蔽区5、第二反射区7、燃料区2、气室8、第三反射区9、屏蔽区5；所述第一反射区3包含控制鼓区4。

所述燃料区2由燃料棒栅元组成，燃料棒按正方形栅格排列，燃料棒外围原冷却剂区域填充为碳纳米管材料，燃料棒所释放能量经碳纳米管通过热传导方式传递到发电热端区6。

所述燃料棒所释放能量经碳纳米管通过热传导方式传递到发电热端区6，不采用通用冷却剂传热方式而采用热传导方式，使用导热系数极高即3000W/mK的碳纳米管将堆芯内释放能量传递到堆外，通过斯特林技术或温差热电偶方式发电；该堆芯热传导效率高，无冷却剂，结构简单、紧凑，具有超小体积、堆芯装料量少、安全且经济的功能。