[发明专利]一种基于铀氢钇燃料和动态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统

说明书

本发明涉及一种基于铀氢钇燃料和动态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，包括热管、设置在屏蔽体内侧的反应堆、布置在屏蔽体外侧的控制鼓驱动机构、换热器和安全棒驱动机构；所述热管一端伸入反应堆的热管孔道，另一端穿过所述屏蔽体插入所述换热器；所述换热器与自由活塞式斯特林发电机连接；所述控制鼓驱动机构和安全棒驱动机构分别与所述反应堆的控制鼓和安全棒驱动连接。本发明的有益效果如下：该方案充分结合了铀氢锆燃料和热管冷却方式的安全性优点，保证在无人监控条件下长期运行的安全性；该方案充分简化系统结构，提高环境适应性和部署灵活性，可以很好地满足各类海洋活动对于十千瓦及以下量级能源的需求。

技术领域

本发明属于核电领域，具体涉及一种基于铀氢钇燃料和动态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统。

背景技术

对于偏远地区、孤立海岛、大洋深海、外层空间等特种任务环境，相较于化石燃料热机、化学电池、太阳能电池、放射性同位素电池等能源形式，核反应堆电源具有无可比拟的性能优势，突出表现为能量密度高、运行寿命长、功率范围广、环境适应性强等。根据堆芯冷却方式，可大致将核反应堆电源分为回路冷却式和热管冷却式两种。

回路冷却式核反应堆电源采用流体(液体或气体)冷却回路导出反应堆堆芯的裂变热继而将其转换为电能。文献“SP-100 Space Reactor Design”介绍了美国国家航空航天局(NASA)、国防部(DOD)和能源部(DOE)在20世纪90年代前后联合设计研发的核反应堆电源系统SP-100，这是一种采用氮化铀(UN)燃料和液态金属锂冷却回路的空间用核反应堆电源，可通过自由活塞式斯特林发电机、气体布雷顿循环、蒸汽朗肯循环等多种方式实现热电转换，输出电功率可在数十至数百千瓦范围内缩放，设计运行寿命10年。文献“The AMPS1.5MW Low-pressure Compact Reactor”介绍了加拿大ECS集团设计研发的核反应堆电源系统AMPS-100，这是一种采用铀氢钇(U-ZrH_1.6)燃料、水冷回路和氟利昂工质朗肯循环发电的船用核反应堆电源，输出电功率100kW，可用于核-柴电混合动力舰艇。

热管冷却式核反应堆电源采用热管导出反应堆堆芯的裂变热继而将其转换为电能。美国的M.S.E1-Genk等人在文献“Conceptual Design of HP-STMCs Space ReactorPower System for 110kWe”中提出了一种基于固态堆芯快堆的空间用核反应堆电源系统HP-STMCs，该系统采用氮化铀(UN)燃料，通过锂热管导出堆芯裂变热，由温差热电偶实现热电转换，最终废热通过钾热管辐射器向空间排放，输出电功率110kW，设计寿命10年。美国的B.W.Amiri等人在文献“A Stainless-steel，Uranium-dioxide，Potassium-heatpipe-cooled Surface Reactor”中提出了一种基于固态堆芯快堆的月球及地外行星表面用核反应堆电源系统HOMER-25，该系统采用二氧化铀(UO₂)燃料，通过钾热管导出堆芯裂变热，由自由活塞式斯特林发电机实现热电转换，最终废热通过铝制辐射器向空间或行星大气排放，输出电功率25kw，设计寿命5年。

以上列举的各型回路冷却式及热管冷却式核反应堆电源系统虽然在能量密度、运行寿命、功率范围、环境适应性等方面都远胜化石燃料热机、化学电池、太阳能电池、放射性同位素电池等能源形势，但同时也存在一些固有缺陷，例如回路冷却式反应堆无法从根本上杜绝冷却剂失流事故(LOFA)和冷却剂丧失事故(LOCA)、采用UO₂或UN等燃料无法避免正反应性引入事故(RIA)所可能导致的堆芯熔毁等严重后果，因此以上列举的各型核反应堆电源系统都必须设置专设安全机构以确保运行安全，这些机构反过来又必然导致系统质量、体积和复杂程度的增大。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于铀氢钇燃料和动态热电转换的热管冷却式核反应堆电源系统，能够满足十千瓦及以下量级能源需求。

本发明的技术方案如下：