[发明专利]一种双模式空间核反应堆堆芯

说明书

本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种双模式空间核反应堆堆芯。包括设有热管(1)和氢气流道(9)的燃料块，氢气能够通过氢气流道(9)被燃料块加热后喷出作为动力，同时氢气还能够对燃料块产生降温作用。本发明的技术方案在推进模式和发电模式下热管(1)均可安全地运行于其适宜温度条件下，提升了燃料(11)与氢气工质之间的传热效率，另一方面也显著提升了燃料(11)与热管(1)之间的传热性能，可简化反应堆的运行方式，并提高系统的可靠性。

技术领域

本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种双模式空间核反应堆堆芯。

背景技术

双模式空间核反应堆同时具备推进和发电的功能，结合了核热推进反应堆以及空间反应堆电源相对于常规能源的诸多优势。该反应堆非常适用于载人登月、载人火星、空间运输等任务。美俄等航天大国对双模式反应堆开展了广泛的研究，提出了较多反应堆方案，按照从堆芯导出用于发电的热量的方式可分为两种类型：一是采用冷却剂回路导出用于发电的热量；二是采用热管导出用于发电的热量。热管相比于冷却剂回路具有简单、非能动、抗单点失效、高可靠性等优势。下文对采用热管的三个方案分别进行介绍。

(1)美国的Michael G.Houts等在文献“Alert-derivative bimodal space powerand propulsion systems”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案ALERT。其堆芯活性区结构见图5(图中并未画出燃料内的氢气流道)，该方案采用圆环板状的碳化铀燃料，堆芯活性区由多块燃料板叠加而成，燃料板之间布置有钨板，用以增强导热能力，燃料和钨板内设置诸多轴向氢气流道。活性区中心孔和外围布置有诸多热管，热管工质为钠，包壳材料为铌，燃料与热管之间布置有两层容器，容器间留有一定的空隙。反应堆有两种模式运行：推进模式和发电模式。推进模式下，氢气自上而下流过燃料和钨板内的氢气流道，加热之后喷出，从而产生推力，此时，两层容器之间为真空，用来减弱燃料与热管之间的传热性能，防止热管过热；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电，此时，两层容器之间充入氦气，用来增强燃料与热管之间的传热性能。

(2)美国的Michael G.Houts等在文献“Heatpipe power system and heatpipebimodal system development status”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案HBS。其燃料与热管的布置结构见图6，燃料棒和热管呈三角形栅格排列，燃料棒和热管之间的空腔作为氢气流道，燃料最初选用二氧化铀，后提出可改用更耐高温的(U,Ta)C或W-(U,Zr)CN，热管设置有双层包壳，外包壳为钨，内包壳为钼，工质为钠或锂，两层包壳之间为真空空隙，用以防止热管过热。推进模式下，氢气自上而下流过燃料棒与热管之间的氢气流道，加热之后喷出产生推力；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电。

(3)美国的Gary F.Polansky等在文献“A bimodal spacecraft bus based on acermet fueled heat pipe reactor”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案。其热管结构见图7，热管与燃料的布置结构见图8。燃料和热管的结构较为特殊，其中，燃料为钨基CERMET燃料，其结构为九棱柱形，内含诸多轴向氢气流道；热管工质为钠，包壳为钼，热管外围含有6个翅片以及6个氢气流道。燃料棒与热管之间存在真空空隙，两者之间通过辐射传热。推进模式下，氢气先自上而下流经热管外围3个互不相邻的氢气流道，到达底部后自下而上流经另外3个氢气流道，然后再自上而下流经燃料内的氢气流道，最后喷出；发电模式下，停止氢气排放，堆芯热量由热管导出至堆外用于发电。

以上三种类型的双模式反应堆方案均存在不足之处，分析如下：

(1)对于ALERT方案，燃料与热管之间设置两层容器，推进模式下，容器间的空隙需抽真空，减少传热以保护热管；而在发电模式下，该空隙需注入氦气以增强传热。这种切换增加了系统的复杂度，并降低了系统的可靠性。