[发明专利]核反应堆堆芯

说明书

核反应堆堆芯属于核能领域。核反应堆堆芯包括至少一个组件、固体(5)和液体中子慢化剂。该模块包括外壳(2)、至少一根热管、至少一个燃料元件、外壳(1)和隔热层(6)。热管由外壳(3)、灯芯(7)组成，并含有蒸发的冷却液。燃料元件由外壳(4)和核燃料(9)组成。热管和燃料元件的蒸发区封闭在充满液体冷却剂的护罩(1)中。采用高沸点液态金属，如锂、钙、铅、银作为热管的传热介质和套管(1)内的传热流体。在护罩(1)和模块机壳(2)之间的空间内放置隔热材料(6)；在固体中子慢化剂(5)中至少开一个孔，其中至少放置一个模块。模块和固体中子慢化剂(5)之间的空间充满液体中子慢化剂。技术成果是提高了反应堆设施的效率，扩大了活性区的范围。

本发明涉及核能领域，可用于热能直接转化为堆芯外电能的反应堆，特别是热光光电反应堆。

带热管的已知活跃区[美国发明“热管冷却移动式快堆”申请号：2016/0027536A1，2016年1月22日出版]。

根据该应用，反应堆堆芯包含棒燃料元件阵列和封装在金属块中的热管。燃料元件包含核燃料、上部和下部中子反射器以及位于反射器上方和下方的气穴。热管包含一个密封的外壳，里面充满了蒸发的冷却剂和一个灯芯。热管的布置是为了将堆芯外部的热量传递给气体冷却剂——燃气轮机的工作流体(空气或二氧化碳)。涡轮入口的工作流体(空气)的最高温度约为1100K。

这种技术方案的缺点是堆芯出口冷却剂温度相对较低，不允许热能直接转化为电能。

在技术本质上，与所要求的技术解决方案最接近的是快堆SAIRS的活跃区[M.S.El-Genk,J-M.P.Tourner，“SAIRS”-可扩展的AMTEC集成反应堆空间动力系统//《核能进展》，第45卷，第1期，第25-34页，2004年]。

活动区包括60个模块，由热管和3个燃料元件组成。这些模块彼此靠近，形成一个三角形的包。燃料元件的外壳通过铼三面体嵌入件焊接到热管的主体上，铼三面体嵌入件通过热传导将热量传递到热管。每个燃料元件的一端都有一个气腔。富集度为83.7％的氮化铀片为燃料。

这种技术解决方案的缺点是，堆芯出口处的冷却剂(1200K)温度相对较低，不允许有效地使用热电、热离子和热电功率转换器。

本发明的目的是消除这一缺点，即提高堆芯出口冷却剂的温度。

其技术成果是提高了核电站的效率，扩大了有源区的范围，特别是对于具有热光伏能量转换的反应堆。

为了消除核反应堆堆芯的这一缺陷，包括自主模块、燃料元件和热管，建议：

——·另外，在核反应堆堆芯上安装有带孔的固体中子慢化剂；

·为核心模块提供外壳，并将其放置在固体中慢化剂的孔中；

·在模块外壳内布置热管；

·将各热管和燃料元件的蒸发区封闭在充满液体冷却剂的护罩中；

·在护罩和模块机壳之间的空间内放置隔热材料；

——·模块和固体中子慢化剂之间的空间还填充有液体中子慢化剂。

在执行核反应堆堆芯的特殊情况下，建议：

第一，在模块的内腔中形成真空；

·第二，在另一种特殊情况下，用低导热性气体(例如氙)填充模块的内腔；

·第三，利用水作为液体中子慢化剂；

·第四，在另一种特殊情况下，作为液体中子慢化剂，使用非冷冻液体，例如酒精水溶液；

·第五，采用高沸点液态金属，如锂、钙、铅、银作为热管的传热介质和护罩内的传热流体。