[发明专利]一种空间核反应堆自主运行机构

说明书

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种空间核反应堆自主运行机构，设置在空间核反应堆内，包括通过直管型的热管(4)相连的密封容器和吸收体(7)，密封容器与热管(4)之间为密封连接，密封容器能够沿热管(4)的轴向做伸缩运动；吸收体(7)用于控制空间核反应堆的反应性的大小。本发明利用气体/液体的热胀冷缩效应，在空间核反应堆温度变化时自发引入一定的反应性，补偿由于燃耗等引起的反应性损失，维持空间核反应堆的临界运行。本发明的系统结构简单，对热管(4)的长度无过高要求，具备很高的可实现性。除空间核反应堆之外，本发明还适用于各种其他类型的核反应堆，其数量、位置、尺寸等均可根据具体的反应堆参数需求进行调整。

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种空间核反应堆自主运行机构。

背景技术

空间核反应堆在发射成功并启动运行后，由于燃耗的不断加深会导致反应性的持续下降，该反应性下降一般可由控制系统通过调节控制机构进行补偿，典型的控制机构有控制鼓、滑移式反射层等。以控制鼓为例，随着堆芯燃耗的加深，控制系统可调节控制鼓的转动角度，使控制鼓的吸收体逐渐转向堆外以引入反应性，维持反应堆的正常运行；对于采用滑移式反射层的反应堆，随着堆芯燃耗的加深，控制系统可调节滑移式反射层相对于堆芯活性区的轴向位置，以增加反应堆的反应性，并维持反应堆的正常运行。这两种方案中，都需要控制系统全程参与反应堆的控制，控制系统需要监测反应堆的运行状态，根据对运行状态的判断发出调节的指令，然后使得控制鼓或滑移式反射层做出相应的调节动作。因此，控制系统的可靠性直接影响反应堆的运行寿命。

美国2018年5月宣布其千瓦级空间堆Kilopower的地面实验堆取得成功。Kilopower的运行方式和传统的空间核反应堆有所不同。该反应堆的热功率很低，仅约4.2千瓦，而堆芯的燃料装量并不少，U-235接近30千克，因此随着燃耗的加深，反应性下降的量非常小。根据Kilopower的设计方案(可参考文献“Thermal power scaling of theKilopower space reactor”)，该反应堆在15年运行寿期内由于燃耗以及燃料肿胀导致的反应性损失总共仅为0.0014，而该反应堆具备-1.95E-5的燃料温度反应性系数，这样，仅需平均每年下降约5K的运行温度，即可维持反应堆的临界运行。因此，Kilopower在开始运行后，15年寿期内均不需要控制系统的控制，反应堆通过温度的缓慢下降即可维持自主运行状态。

然而，Kilopower这种依靠自身的负温度效应的自主运行方式对大部分空间核反应堆均不适用，Kilopower热功率仅为4.2千瓦，绝大多数空间核反应堆的热功率要比Kilopower大得多，对应的，运行过程中的反应性损失也较Kilopower大得多，无法通过自身的负温度效应来补偿，因此，大多数空间核反应堆在运行过程中，都需要控制系统的主动干预，通过调节控制鼓或滑移式反射层等来补偿该反应性损失。

发明内容

基于对现有空间核反应堆控制方式的认识，本发明的目的是提出一种新的运行机构，使得较大功率的空间核反应堆也可具备类似于Kilopower的自主运行特性，即在运行过程中无需控制系统的主动干预，其反应性损失可由小幅度的温度变化来进行补偿。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种空间核反应堆自主运行机构，设置在空间核反应堆内，其中，包括通过直管型的热管相连的密封容器和吸收体，所述密封容器与所述热管之间为密封连接，所述密封容器能够沿所述热管的轴向做伸缩运动；所述吸收体用于控制所述空间核反应堆的反应性的大小。

进一步，所述密封容器包括容器上端壳体和位于所述容器上端壳体下方的弹性波纹管，所述容器上端壳体与所述弹性波纹管的顶端之间密封连接；所述容器上端壳体内部为气体/液体腔室，所述弹性波纹管内部与所述气体/液体腔室连通；所述弹性波纹管具有伸缩弹性，能够使得所述密封容器沿所述热管的轴向做伸缩运动；所述容器上端壳体的横截面大于所述弹性波纹管的横截面。

进一步，所述热管的顶端通过所述弹性波纹管延伸到所述容器上端壳体的所述气体/液体腔室内。