锂热管冷却空间反应堆堆芯物理特性研究

发布时间：2023-03-03 20:26

　　空间核反应堆电源因其功率范围广、比功率高、寿命长、环境适应性好和不依赖阳光等优点,已成为未来空间探索最理想的动力能源。热管冷却反应堆作为空间核反应堆类型之一,采用非能动传热技术,无泵驱动,具有结构紧凑、固有安全性高等优点,备受国内外研究者的青睐。而热管冷却空间堆所用的热管工质主要是锂、钠和钾等碱金属,其中锂密度低、传热性能好,锂热管冷却成为空间堆的主要冷却方式之一。与传统的强迫循环冷却反应堆相比,锂热管冷却反应堆在堆芯结构、堆芯温度、堆芯材料与冷却方式等诸多方面有显著差异,因而其物理特性与传统核反应堆有着明显区别。目前国际上锂热管冷却反应堆研究尚处于概念探索阶段,为深入研究锂热管冷却反应堆的物理特性,本文在充分调研国内外空间核反应堆相关设计要求与设计概念的基础上,围绕堆芯材料选择、发射掉落临界安全分析和反应性控制方式设计等方面开展锂热管冷却空间堆的中子物理特性研究,具体研究内容包含:(1)锂热管冷却空间堆的关键参数分析以及堆芯设计研究。本文以提高反应堆安全性与中子经济性为原则,对锂热管冷却空间堆的堆芯关键参数进行了深入研究,重点分析了燃料类型、结构材料、7Li富集度等参数对锂热管冷却反应堆物理特性的影响规律,并基于分析结果设计了功率为1MWt、运行寿期10年的锂热管冷却反应堆堆芯物理方案。研究结果表明:堆芯工作温度在小于1500 K时使用PWC-11和Nb-1Zr两种结构材料具有最佳的中子经济性与安全性,堆芯温度高于1500 K时,Mo-14Re是最佳结构材料选择;此外冷却剂中7Li富集度与UN燃料中15N含量的提高可有效提高堆芯的中子经济性,但会导致反应堆空泡系数略有升高,削弱堆芯负反馈效应。(2)锂热管冷却空间堆的掉落临界安全特性研究。针对空间反应堆的发射掉落临界安全问题,研究了确保锂热管冷却空间堆掉落临界安全的措施,重点分析了 155Gd、157Gd、151Eu和149Sm等谱移吸收材料添加到燃料中或涂抹在堆容器外壁的不同应用方式对锂热管空间堆掉落临界安全特性的影响,并比较了二者的中子学性能。研究结果表明:157Gd为最有效的谱移吸收材料,将0.5%157Gd添加到燃料中的方式可有效改善锂热管冷却反应堆的掉落临界安全特性,且反应堆正常运行时反应性亏损较小。(3)锂热管冷却空间堆的反应性控制方法研究。开展了基于转鼓与滑动反射层两种堆外反应性控制方法的研究,探究了两种控制方式的关键设计参数对控制价值的影响规律,基于分析结果优化设计了两套反应性控制方案,并分析了其中子学性能。研究结果表明:对于转鼓控制方式,增大B4C吸收体厚度与10B含量可提高转鼓价值,且转鼓吸收体包角为120°时转鼓价值最高,反应堆反应性随转鼓转角的变化呈非线性关系,转鼓转角变化对轴向功率分布有较小的影响,但对径向功率分布影响较大。对于滑动反射层控制方式,在相同停堆深度下从堆芯中心附近移动反射层可获取较大的控制价值且所需移动距离较短:滑动反射层的移动距离与反应堆反应性呈线性变化,且对堆芯轴向与径向功率分布均有较大的影响。本论文的相关研究成果可为锂热管冷却反应堆的材料选型、安全研究以及反应性控制系统设计提供参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL351.1
【部分图文】：

示意图,能源特性,衰变能,空间动力

逦与太＿距离（Ａｌ．，＞逡逑图Ｕ空间动力能源特性逡逑空间核电源一般可分为两类：放射性同位素电源与核反应堆电源，图１．２为逡逑两种空间核电源的示意图。放射性同位素核电源是指利用放射性同位素的衰变能逡逑Ｉ逡逑

示意图,热管,工作原理,热管冷却

热管冷却反应堆是一种利用热管传热元件冷却堆芯的新型反应堆，与传统反逡逑应堆相比，它在堆芯结构、冷却剂、材料、工作温度等诸多方面有巨大的差异［３２］。逡逑图１．３为热管冷却反应堆的结构示意图，热管冷却反应堆堆芯是由多组热管燃料逡逑组件构成，而每个热管燃料组件通常为数根燃料棒与一个热管捆绑一起，热管与逡逑燃料棒之间利用高导热的结构材料焊接成一体。燃料棒所释放的核裂变热通过结逡逑构材料传递给热管，再由热管将热量带出堆芯。这种方式从根本上改变／反应堆逡逑堆芯的几何布置，堆芯内每根热管各自独立布置，热传输设计冗余大。在某一根逡逑或者数根热管破损情况下，其热量可通过临近热管带出，而对反应堆系统无明显逡逑影响，可有效避免系统的单点失效事故。由于省去主管道、循环泵以及一些辅助逡逑设备大大简化了系统结构，因而设备成本更低、系统更加紧凑。逡逑ｍ，／Ｗｋ邋．产逦丨逡逑（ａ）热管冷却反应堆示意图逦（ｂ）堆芯内部布局逡逑图１．３热管冷却反应堆结构示意图［１９］逡逑热管技术是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Ｇ．Ｍ．Ｇｒｏｖｅｒ在１９６３年发明逡逑的

源系统,核电,热管冷却,反应堆

２００５年由美国新墨西哥大学提出了一种锂热管冷却空间反应堆电源系统概逡逑念ＨＰ－ＳＴＭＣｓ，该系统由锂热管冷却反应堆、温差发电系统、屏蔽体、钾热管辐逡逑射散热器等部分构成，其结构如图１．６所示。该系统中锂热管冷却反应堆的热功逡逑率为１．６ＭＷｔ，平均每根锂热管携带大约１２．７ｋＷｔ热量。温差发电采用的是ＳｉＧｅ逡逑温差材料，在正常运行时其热端温度为１３００Ｋ，冷端温度为７７６Ｋ。在这个温差逡逑条件下，整个电源系统的热电转换效率为６．７％，总共产生１１０邋ｋＷｅ的电功率，逡逑整个系统的比功率为２６．８邋Ｗｅ／ｋｇ。逡逑＾—邋逦—邋９．６０邋ｍ邋－邋逦逦逦—逡逑＾逦邋１邋９７邋ｍ邋逦＊－逦｜逦２．６１逦３９，９逦２４３．２逦１６２邋Ｋ－ＨＰｓ邋［逡逑５．２９邋ｍ，邋４７．１逦ｒｎｄｔｅｔｏｆ逡逑３１４．３邋ｋ＾．邋１８２邋Ｋ－ＨＰｓ逦ｖｉｅｗ邋ｆａｃｔｏｒ逡逑３．邋－－逦１逦Ｌ邋

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