[发明专利]加装涡轮的热电转换一体化反应堆

说明书

本发明公开了一种加装涡轮的热电转换一体化反应堆，在斯特林型热电转换一体化反应堆的基础上加装涡轮发动机，从而显著提高输出功率。反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、内屏蔽、发电机、启动发动机、涡轮和压气机，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的筒体以及盖设在筒体顶部的盖体、支撑在筒体底部的底封头组成。反应堆外包括转鼓控制棒、热管散热器。本发明的基本思想适用于快堆，也适用于热堆，还适用于同位素热源等其它持久性热源。

技术领域

本发明属于空间小型核动力装置技术领域，特别涉及一种具有全环境自动循环能力的加装涡轮的热电转换一体化微型反应堆。

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，实现了一种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具有全环境自动循环能力的加装涡轮的热电转换一体化微型反应堆，使用核电厂成熟的冷却方式实现空间条件下的自动循环能力，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。

涡轮式热电转换一体化反应堆，其结构如下：反应堆内包括反应堆压力容器、堆内构件、反应堆芯、内屏蔽、发电机、启动发动机、涡轮和压气机，其中，反应堆压力容器由近圆柱形的筒体以及盖设在筒体顶部的盖体、支撑在筒体底部的底封头组成；反应堆外包括转鼓控制棒、热管散热器；

压力容器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设有堆芯，堆内构件围筒与压力容器筒体之间为冷却剂向下流动的区域，该冷却剂向下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；压力容器外部在堆芯活性区高度设置若干环形排列的转鼓控制棒，转鼓为圆柱形，主体结构以及周向一侧外层结构为中子反射材料，另一侧外层结构为中子吸收材料，通过旋转转鼓调节控制棒对堆芯中子的吸收从而调节堆芯的反应性；转鼓下部旋转轴插入底屏蔽结构，上部连接旋转电机；旋转电机插入转鼓气缸内；

堆芯构件底部设有启动发动机，可以但不限于四缸斜盘斯特林发动机；启动发动机的工作过程类似斯特林型热电转换一体化反应堆，当反应堆由停堆状态启动时，以及在低功率运行状态下，堆芯裂变热导致堆芯以及压气机位置气体冷却剂温度上升，在启动发动机两端造成温差，引起发动机运动，推动发电机及压气机转动；