反应堆的制作方法

本申请涉及核电技术领域，尤其涉及一种反应堆。

背景技术：

目前，在核能发电过程中，一般采用热中子反应堆产生热能，然后利用该热能进行后续的发电。现有的热中子反应堆所需的铀235在地球上的储量较少，加之热核电站的核燃料主要是铀235，储量较少的铀235难以供应更多的热核电站，而且反应过程中会产生的大量钚239核废料，钚239核废料是一种潜在的长期核污染源，对现在以及未来的环境都具有一定的污染性。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种反应堆。

本申请提供的一种反应堆包括：

反应堆外壳；所述反应堆外壳用于隔热、热屏蔽及抗压；

设置于所述反应堆外壳内部的堆芯；

插入所述堆芯的多个控制棒组件；

所述堆芯包括燃料组件；所述燃料组件包括钚239燃料组件、铀238燃料组件；

所述反应堆外壳设置有外壳液态介质入口和介质蒸汽出口，所述外壳液态介质入口用于将液态介质输送至反应堆外壳内部；所述介质蒸汽出口用于输出含自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽；所述高压介质蒸汽中的自由电子和介质正离子由所述铀238燃料组件、钚239燃料组件核反应放出的高能射线激发介质蒸汽得到，所述介质蒸汽由所述钚239燃料组件核反应放热将所述液态介质气化得到；

所述高压介质蒸汽中的自由电子用于汇集为负极；所述高压介质蒸汽中的介质正离子用于汇集为正极；所述正极与所述负极用于构成直流发电电源。

可选的，所述堆芯还包括围壳；

所述围壳具有开口及液态介质入口，所述液态介质入口与所述外壳液态介质入口连通，用于将从外壳液态介质入口输入的液态介质输送至所述围壳内部。

可选的，所述钚239燃料组件设置在所述围壳的内部且所述铀238燃料组件设置在所述围壳的外部；

或，

所述钚239燃料组件及所述铀238燃料组件均设置于所述围壳的内部。

可选的，所述围壳除所述开口和所述液态介质入口外的部分密封设置。

可选的，所述钚239燃料组件包括多个钚239燃料棒；所述铀238燃料组件包括多个铀238燃料棒；

所述各钚239燃料棒之间紧密排列或存在间隙排列或部分紧密排列其余部分存在间隙排列；

所述各铀238燃料棒之间紧密排列或存在间隙排列或部分紧密排列其余部分存在间隙排列。

可选的，所述液态介质为单质，所述单质在常温常压下为液态或固态，所述单质具有熔点大于20℃、沸点小于1000℃、液态时导热系数大于0.6w/(m·k)、快堆环境中不发生核裂变的性质。

可选的，所述开口设置在围壳远离地面的一侧；所述液态介质入口设置在围壳靠近地面的一侧。

可选的，所述反应堆外壳包括隔热层、热屏蔽层、抗压力层。

可选的，所述各控制棒组件包括控制棒、连接结构与驱动装置；所述控制棒与所述驱动装置通过所述连接结构相连接；所述驱动装置位于所述反应堆外壳外。

可选的，所述部分控制棒组件的控制棒插入所述钚239燃料组件中；另一部分控制棒组件的控制棒插入所述铀238燃料组件中。

本申请的提供的技术方案可以包括以下有益效果：在反应堆外壳的内部设置堆芯，堆芯包括钚239燃料组件、铀238燃料组件。使用控制棒组件使反应堆工作时，液态介质通过外壳液态介质入口进入反应堆外壳内部，钚239在钚239燃料组件中裂变放热产生快中子、高能射线等，放出的热量使液态介质气化成介质蒸汽，快中子与铀238燃料组件中的铀238核反应，产生钚239，并放出高能射线，高能射线激发介质蒸汽产生自由电子和介质正离子，由于液态介质汽化过程中会使反应堆内压力增高，介质蒸汽为高压状态，经过上述气化及高能射线激发后产生含有自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽，高压介质蒸汽从介质蒸汽出口输出后，其中的自由电子汇集为负极，介质正离子汇集为正极，构成直流发电电源，以实现利用含有自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽发电的目的，同时，实现燃料增值，本申请的反应堆主要利用铀238和钚239作为燃料，有效消除目前热中子反应堆核废料钚239的核污染。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请的一个实施例提供的一种反应堆的结构示意图。

图2是本申请的一个实施例提供的一种堆芯的结构示意图。

图3是利用本申请的一个实施例提供的一种反应堆进行发电的流程示意图。

附图标记：控制棒组件-1；反应堆外壳-2；介质蒸汽出口-3；堆芯-4；控制棒-41；围壳-42；液态介质-43；钚239燃料组件-44；铀238燃料组件-45；液态介质入口-5。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

请参阅图1、图2，图1是本申请的一个实施例提供的一种反应堆的结构示意图；图2是本申请的一个实施例提供的一种堆芯的结构示意图。

如图1和图2所示，本实施例提供的反应堆包括：

反应堆外壳2；

设置于所述反应堆外壳内部的堆芯4；

插入所述堆芯的多个控制棒组件1；

所述堆芯包括燃料组件；所述燃料组件包括钚239燃料组件44、铀238燃料组件44；

所述反应堆外壳设置有外壳液态介质入口和介质蒸汽出口3，所述外壳液态介质入口用于将液态介质输送至反应堆外壳内部；所述介质蒸汽出口用于输出含自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽；所述高压介质蒸汽中的自由电子和介质正离子由所述铀238燃料组件、钚239燃料组件核反应放出的高能射线激发介质蒸汽得到，所述介质蒸汽由所述钚239燃料组件核反应放热将所述液态介质气化得到；

所述高压介质蒸汽中的自由电子用于汇集为负极；所述高压介质蒸汽中的介质正离子用于汇集为正极；所述正极与所述负极用于构成直流电源。

另外，所述堆芯还可以包括围壳42；所述围壳具有开口及液态介质入口，所述液态介质入口与所述外壳液态介质入口连通，用于将从外壳液态介质入口输入的液态介质输送至所述围壳内部。

在反应堆外壳的内部设置堆芯，堆芯包括钚239燃料组件、铀238燃料组件和围壳，在围壳远离地面的一侧具有开口，靠近地面一侧设置有液态介质入口。使用控制棒组件使反应堆工作时，液态介质通过液态介质入口进入围壳内部，钚239在钚239燃料组件中裂变放热产生快中子，放出的热量使液态介质气化成介质蒸汽，快中子与铀238燃料组件中的铀238核反应，产生钚239，并放出高能射线，高能射线激发介质蒸汽产生自由电子和介质正离子，由于液态介质汽化过程中会使反应堆内压力增高，介质蒸汽为高压状态，经过上述气化及高能射线激发后产生含有自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽，高压介质蒸汽从介质蒸汽出口输出后，其中的自由电子汇集为负极，介质正离子汇集为正极，构成直流电源，以实现利用含有自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽发电的目的，同时，实现燃料增值，本申请的反应堆主要利用铀238和钚239作为燃料，有效消除目前热中子反应堆核废料钚239的核污染。

其中，液态介质在经过本申请的反应堆时，会经过气化及高能射线的激发，进而转化为含有自由电子和介质正离子的高压介质蒸汽，并从本申请的反应堆的介质蒸汽出口输出到直流发电装置。

需要说明的是，高压介质蒸汽进入直流发电装置后，首先会经过一个方向固定的磁场或者低压电场，高压介质蒸汽中的自由电子会在该磁场或者低压电场的作用下从高压介质蒸汽中部分或全部分离出，分离出的自由电子会汇集为负极；经过自由电子分离后的高压介质蒸汽会经过预先设置好的直流电场，该直流电场的方向与高压介质蒸汽流动的方向设置为相反的状态，这样，高压介质蒸汽在其本身高压的作用下会使其中的介质正离子在该直流电场中做负功，高压介质蒸汽中的介质正离子的电势会升高，同时，介质正离子会汇集为正极；上述负极和正极会构成直流电源，基于此，该直流发电装置实现直流发电。

堆芯中围壳与燃料组件的位置关系可以有多种，比如，可以将钚239燃料组件及所述铀238燃料组件均设置于所述围壳的内部，更优地，可以将钚239燃料组件设置在所述围壳的内部且所述铀238燃料组件设置在所述围壳的外部，围壳的作用是将液态介质密封在围壳的内部，但是，围壳与燃料组件的关系对自由电子激发的效率、液态介质用量等具有一定的影响，当钚239燃料组件及所述铀238燃料组件均设置于所述围壳的内部时，自由电子激发效率最低；当不设置围壳时，效率最高；当钚239燃料组件设置于所述围壳的内部时，液态介质用量最少，当不设置围壳时，液态介质用量最多。当然，围壳与燃料组件的位置关系还可以是将全部的钚239燃料组件及铀238燃料组件的一部分设置于所述围壳的内部，铀238燃料组件的另一部分设置在围壳的外部；或者，将钚239燃料组件的一部分放置在围壳的内部，钚239燃料组件的另一部分及铀238燃料组件放置在围壳的外部。

另外，围壳的形状可以是圆柱形、长方体形、正方体型等任何可构成容纳空间的形状，由于围壳的形状，其可能是由多个部分组成的，比如围壳为圆柱形时，可以由侧面及底面两部分组成。为了使液态介质能够进入围壳，需要在围壳靠近地面的一侧设置液态介质入口，为了使高压介质蒸汽能够从围壳中逸出，需要在围壳远离地面的一侧设置开口。为了防止液态介质从围壳中泄露出去，可以在侧面及底面连接处等围壳上出开口和液态介质入口外的的部分进行密封设置，该密封设置可以参考反应堆现有的密封方式，此处不再赘述。

需要说明的是，围壳上的开口和液态介质入口的设置位置可以有多种，首先可以将围壳远离地面的一侧定义为第一底面，将围壳靠近地面的一侧定义为第二地面，其余侧定义为围壳的侧面；基于上述定义，可以将液态介质入口设置在围壳的侧面、第一底面或第二底面；可以将开口设置在第一底面和/或侧面。

在反应过程中，可以对液态介质与围壳内的燃料组件的位置关系进行控制，比如，围壳内的燃料组件可以部分浸入或全部浸没于液态介质中。

需要说明的是，钚239燃料组件可以包括多个钚239燃料棒，铀238燃料组件可以包括多个铀238燃料棒。燃料棒之间的排列可以是紧密排列，也可以存在间隙排列也可以是部分紧密排列其余部分存在间隙排列。

由于该反应堆产出的高压介质蒸汽是用来发电的，因此对于其来源，即液态介质有一定的要求，比如液态介质为单质，所述单质在常温常压下为液态或固态，所述单质具有熔点大于20℃、沸点小于1000℃、液态时导热系数大于0.6w/(m·k)、快堆环境中不发生核裂变的性质。具体而言，可以是汞。

反应堆外壳的作用是实现隔热、热屏蔽及抗压，其可以是能够实现上述作用的任意形式的反应堆外壳，比如，该反应堆外壳可以包括隔热层、热屏蔽层、抗压力层。具体的，隔热层可以是硅酸铝、氧化铝等保温材料；热屏蔽层可以是硼钢、加硼石墨等；抗压力层可以是钢制。

另外，控制棒组件可以包括控制棒41、连接结构、驱动装置；所述控制棒与所述驱动装置通过所述连接结构相连接；所述驱动装置位于所述反应堆外壳外。其中，所述部分控制棒组件的控制棒插入所述钚239燃料组件中；另一部分控制棒组件的控制棒插入所述铀238燃料组件中。上述控制棒组件可以参考现有反应堆技术，此处不再赘述。

采用汞作为介质时，反应堆事故停堆可采用向堆芯注入中子吸收剂汞齐的方式，如铕汞齐。

进一步地，所述高能射线可以为γ射线。

请参阅图3，图3是利用本申请的一个实施例提供的一种反应堆进行发电的流程示意图。

如图3所示，在得到含自由电子和介质正离子高温高压介质蒸汽后，先经过电子分离将其中的自由电子分离出去，分离出去的自由电子汇集到一端形成直流发电的负极；然后将分离出自由电子之后的高温高压介质蒸汽通入高压直流电场中，介质蒸汽中的正离子在高压的作用下在主电场，即直流电场中克服电场力做负功，正离子的电势升高，并汇集到一端形成直流发电的正极，此时热能便直接转化为电能。

然后，对经过上述步骤后的介质蒸汽进行冷却，液化成液态介质，经过加压后进入反应堆中。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所述技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。