核反应堆堆芯的制作方法

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个发热元件组成。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，在核反应堆的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和燃料元件；

——·燃料元件应当由核燃料制成，核燃料位于与之热接触的本体周围热管的蒸发区内，并封装在壳体中；

——·在燃料元件外壳和模块外壳之间的空间内放置隔热层；

——·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，在模块箱中形成真空；

——·第二，在另一种特殊情况下，用低导热性的惰性气体(例如氙)填充模块；

——·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，使用至少不超过-40℃的非冷冻液体，例如酒精水溶液；

——·第五，高沸点的低熔点金属，如锂、钙、铅、银等，应作为热管的热载体。

本发明在附图中示出，其中图1示出了核反应堆堆芯的一个实施例的横截面，图2

上是核反应堆核心模块的一个实施例的纵截面，图3上是核反应堆核心模块的一个实施例的横截面。图中采用了下列位置代号：1:模块外壳；2:热管体；3:燃料元件外壳；4:固体中子慢化剂；5:隔热层；6:芯热管；7:固体慢化剂盖；8:核燃料。

本发明包括以下内容。

核反应堆的堆芯包括至少一个堆芯模块、一个由4个中子组成的固体慢化剂和一个由中子组成的液体慢化剂。

核心模块包括至少一个热管、至少一个燃料元件和隔热层5。

核心模块以外壳1的形式制成，外壳1由弱吸收中子的材料制成，例如锆合金。在特定的执行情况下，在核心模块的壳体1中产生真空。在另一种特殊情况下，填充有具有低导热性的惰性气体，例如氙。

真空或惰性气体可防止芯模块外壳1、热管外壳2和隔热层5的材料腐蚀。

热管是以套管2的形式制成的，装有灯芯6，并含有热载体——一种高沸点的低熔点金属。

在特殊情况下，锂、钙、铅和银被用作热管的热载体。

热管的壳体2和芯6由例如钼的耐火材料制成。

热管的设计目的是除去核反应堆堆芯外燃料元件中产生的热量。

燃料元件由核燃料8制成，位于与之热接触的本体2周围热管的蒸发区内，密封在壳体3内；

燃料元件的外壳3由例如钼的耐火材料制成。

以裂变同位素含量不超过20％的氧化物、氮化物、碳化物形式的铀或钚同位素被用作核燃料8的裂变材料。

燃料元件的目的是由于核燃料8中发生的核反应而获得热量。

隔热层5位于芯模块内部，芯模块的主体1和燃料元件的壳体3之间。隔热层5以多层隔热板的形式制成，多层隔热板由例如钼的难熔金属箔制成。

隔热5的目的是防止热量通过堆芯模块的外壳1泄漏到液体中子慢化剂中。

固体中子慢化剂4由中子减速材料(例如铍)制成，其形状为圆柱形或带有孔的多面体。所有中子减速材料都封装在固体慢化剂4的情况7中。在4个中子的固体慢化剂的孔中放置了核心模块。核心模块和4个中子的固体慢化剂之间的空间充满了中子的液体慢化剂。

在特定情况下，水被用作液体中子慢化剂，或当温度降到至少零下40℃时不会结冰的液体，例如酒精溶液。

设计了一个由4个中子组成的固体慢化剂和一个液体慢化剂来获得中子的热谱。此外，液体中子慢化剂用作冷却固体慢化剂4中子和模块外壳1的冷却剂。

固体慢化剂的情况7设计用于保护4个中子的固体慢化剂免受液体慢化剂中子的腐蚀作用。

核反应堆的核心工作如下。

在核燃料8中，燃料元素随着热量的释放而发生裂变反应。产生的热量通过热管的主体2传递到注入热管芯6的冷却剂。冷却剂从芯6蒸发，冷却剂蒸汽充满热管体2的内部空间，将核反应堆堆芯外的蒸发热输送到能量转换器，在那里冷凝并通过芯6返回热管的蒸发区。蒸发冷却剂的传热几乎在热源与其耗热量之间没有温差的情况下发生，这使得人们不仅可以在核反应堆堆芯出口处，而且可以在能量转换器入口处获得相对较高(1500-1800k)的冷却剂温度。这为核电站提供了更高的效率，并扩大了核电站的范围。

固体中子慢化剂4与液体中子慢化剂一起提供了低浓缩核燃料8中热中子发生核裂变反应的可能性。液体中子慢化剂补充了固体慢化剂4的功能，还用作冷却固体中子慢化剂4的冷却剂。

由于隔热层5的作用，通过模块1外壳的热泄漏最小化，因此液体中子慢化剂的温度较低。这允许你在大气压下使用水或乙醇水溶液作为液体慢化剂。

核反应堆核心的一个具体体现。

一个由4个中子组成的固体慢化剂由几个直径760毫米、总高度约700毫米的铍盘和217个直径40毫米的孔组成。铍盘被锆合金e110制成的外壳7完全包围。在4个中子的固体慢化剂的孔中放置了核心模块。水被用作液体中子慢化剂。4个中子的固体慢化剂中的孔与组件呈同心圆排列，组件中心之间的最小距离为42毫米。

核反应堆堆芯组件由直径约35毫米、壁厚1.5毫米的圆柱体1制成，由锆合金e110制成。模块壳体1内有一根热管。

外径约14毫米的热管套管2由钼制成。在热管体2的内表面上，安装热管芯6，由两层具有约40微米的方形网格的钼网制成。热管的芯6有液态锂。热管和核燃料8的蒸发区封闭在燃料元件的外壳3中。在燃料元件的外壳3和模块1的外壳之间放置隔热层5，隔热层5由四层钼和五层锆箔构成的多层隔热板。模块壳体1中产生真空，残余气体压力不超过10^-1pa。

外径为20毫米和壁厚为1毫米的燃料元件的外壳3由钼制成，填充有核燃料片8的二氧化铀，其富集率为19.75％。燃料塔的高度约为500毫米。燃料芯块和燃料元件外壳3之间形成环形间隙(未显示)，以将气体裂变产物转移到位于核燃料8上方的空腔中。堆芯中燃料元件的总数等于模块的数目。当有源区的热功率为1200千瓦时，一个燃料元件的平均功率约为5.7千瓦。燃料元件外壳3的计算温度为1525k，热管的热载体为li⁷，液体慢化剂为常压水。

与最接近的技术解决方案相比，拟议的核反应堆堆芯的优点是将堆芯出口冷却剂的温度从1200k提高到1500k及以上，从而提高核电站的效率。此外，这允许你扩大活跃区的范围，特别是对于热光光电能量转换的反应堆。

术语表

核反应堆堆芯

1.模块外壳

2.热管壳

3.燃料元件外壳

4.固体中子慢化剂

5.保温

6.热管芯

7.固体慢化剂盖

8.核燃料

+水(图中未编号)

+液体冷却剂

+热载体蒸汽

+液体中子慢化剂

堆芯＝固体中子慢化剂+堆芯模块+液体中子慢化剂。

核心模块＝模块体+热管+燃料棒+隔热层

热管＝热管体+热管芯+冷却剂。

燃料棒＝燃料+包壳