超小型反应堆系统的制作方法

本发明属于核反应堆工程，具体涉及一种超小型反应堆系统。

背景技术：

1、随着太空探测、载人登月等需求愈发强烈，各大国纷纷发布空间探索计划，准备建造月球基地等空间基地。空间基地对能源有着长寿期(几十年)、大功率(上百千瓦)的要求，传统的太阳能电池、同位素电池、化学能电池不能满足，核能成为最佳甚至是唯一的选择。

2、然而，太空距离遥远，需要依靠火箭搭载，对反应堆的可运输性有着严苛的要求。太空可能无大气、无补给、存在地质活动、昼夜温差达数百度(零下200度到零上200度)，对反应堆的安全性和环境适应性也有极高的要求。空间基地可能常年没有反应堆专业相关人员值守，反应堆系统应能保证以足够的功率水平、长寿期地智能运行，以满足基地对各种基础能源形式的需求。这些使得空间基地超小型反应堆的研发面临巨大挑战。

3、目前国际上进展最快的空间基地反应堆是美国的kilopower堆，已初步在地面上完成了满功率原型堆测试，该堆采用umo块状合金燃料，单个反应堆仅能提供10kw的功率，堆芯寿期也仅有10年。国内有基于传统棱柱式高温气冷堆设计的空间堆方案，但仅堆芯重量已达数吨，超过常规火箭的搭载能力；也有基于液态金属冷却的空间堆方案，但可能面临冷却剂凝固的风险。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，针对空间基地对长时间、大功率的能源需求，提供一种超小型反应堆系统，该系统为体积小、重量轻、安全性高、智能运行的长寿期微小型反应堆系统，以满足空间基地对各种基础能源形式的需求、火箭搭载需求、太空环境下稳定运行的需求。

2、解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种超小型反应堆系统，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，

3、反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，余热导出机构用于导出反应堆堆芯的余热，能量输出回路接口组件与压力容器连接，通过能量输出回路接口组件为压力容器内的反应堆堆芯传输能量。

4、优选的是，反应堆堆芯包括：活性区、反射层、控制棒，活性区、控制棒设置于反射层内，控制棒设置于活性区与反射层之间。

5、优选的是，所述控制棒的吸收体材料中包含碳化硼、钐、铕、铪中的一种或多种混合；

6、反射层材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合。

7、优选的是，活性区包括：燃料组件，燃料组件包括：核燃料单元、包覆于核燃料单元外的骨架，骨架包括：外壳、冷却剂通道，外壳与冷却剂通道连接形成闭合的骨架，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂通道贯穿燃料组件，冷却剂通道的流道用于通过冷却剂。

8、优选的是，所述冷却剂材料为氦气或氦氙混合气体。

9、优选的是，每个燃料组件包括至少两个冷却剂通道。

10、优选的是，燃料组件为六棱柱形，燃料组件为若干个，燃料组件分布在六棱柱格架内的栅格中。

11、优选的是，任意相邻的两个燃料组件至少一个侧面相叠合。

12、优选的是，核燃料单元包括：包覆颗粒弥散燃料、慢化剂、可燃毒物，包覆颗粒弥散燃料在核燃料单元内的体积占比为40～75％。

13、优选的是，慢化剂材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合；

14、可燃毒物材料中包含钆元素、硼元素中的一种或多种混合。

15、优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于屏蔽体内的事故诊断装置，用于诊断反应堆堆芯事故。

16、优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于屏蔽体内的堆芯监测装置，用于监测反应堆堆芯的运行状况。

17、优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于地球端的控制装置、设置于太空的控制棒驱动机构，堆芯监测装置通过卫星通讯将反应堆堆芯的运行状况发送给控制装置，控制装置判断反应堆堆芯的运行状况，若反应堆堆芯的运行状况为预设的停堆情况，则控制控制棒驱动机构对反应堆堆芯停堆。

18、优选的是，能量输出回路接口组件包括：供电回路接口、供热回路接口、供氢回路接口，反应堆堆芯通过供电回路接口向外界供电，通过供热回路接口向外界供热，通过供氢回路接口向外界供氢。

19、优选的是，所述的超小型反应堆系统，还包括：设置于压力容器外的缓冲装置，缓冲装置用于缓冲冲击。

20、优选的是，所述余热导出机构为热管式辐射器，热管式辐射器通过热传导和热辐射方式导出热量。

21、优选的是，屏蔽体为星体表面大地，反应堆埋置于星体表面大地底下；或者，

22、屏蔽体为土壤通过增材制造技术打印成的壳体，通过壳体状的屏蔽体包围其内部件。

23、本发明实现了在空间基地长寿期、安全地供应热、电、氢等多种能源的功能；通过采用先进四代堆气冷堆技术保证反应堆堆芯在太空恶劣环境下仍具备很高的安全性；通过碳化硅骨架结构进一步增强对裂变产物的屏障作用，也使得一体化堆芯结构可以通过先进增材制造技术直接制造；通过颗粒燃料的密集排布和慢化剂材料的填充方式实现堆芯体积小、重量轻，可以通过火箭搭载至外太空。

24、本发明中的超小型反应堆系统，通过先进四代堆气冷堆技术，保证反应堆在太空零下200度到零上几百度的环境下可稳定、安全地运行，解决太空恶劣环境下堆芯的环境适应性和安全性问题。通过碳化硅骨架结构、包覆颗粒弥散燃料密集排布、慢化剂填充形式、可燃毒物弥散形式，实现了堆芯体积小、重量轻、安全性高的效果，解决了火箭搭载运输困难的问题，堆芯质量在350kg以内，可以实现200kw(满足空间基地能量需求量)、20年以上的长时间运行。通过供电供热供氢多条能量输出回路接口，解决空间基地对各种基础能源形式的需求问题。通过余热导出结构、土壤屏蔽体、事故诊断系统和堆芯监测系统、地球远程监测和强制停堆权限，解决堆芯智能运行、现场无人值守的需求问题。

技术特征：

1.一种超小型反应堆系统，其特征在于，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，余热导出机构用于导出反应堆堆芯的余热，能量输出回路接口组件与压力容器连接，通过能量输出回路接口组件为压力容器内的反应堆堆芯传输能量。

2.根据权利要求1所述的超小型反应堆系统，其特征在于，反应堆堆芯包括：活性区、反射层、控制棒，活性区、控制棒设置于反射层内，控制棒设置于活性区与反射层之间。

3.根据权利要求2所述的超小型反应堆系统，其特征在于，所述控制棒的吸收体材料中包含碳化硼、钐、铕、铪中的一种或多种混合；

4.根据权利要求2所述的超小型反应堆系统，其特征在于，活性区包括：燃料组件，燃料组件包括：核燃料单元、包覆于核燃料单元外的骨架，骨架包括：外壳、冷却剂通道，外壳与冷却剂通道连接形成闭合的骨架，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂通道贯穿燃料组件，冷却剂通道的流道用于通过冷却剂。

5.根据权利要求4所述的超小型反应堆系统，其特征在于，所述冷却剂材料为氦气或氦氙混合气体。

6.根据权利要求4所述的超小型反应堆系统，其特征在于，每个燃料组件包括至少两个冷却剂通道。

7.根据权利要求4所述的超小型反应堆系统，其特征在于，燃料组件为六棱柱形，燃料组件为若干个，燃料组件分布在六棱柱格架内的栅格中。

8.根据权利要求7所述的超小型反应堆系统，其特征在于，任意相邻的两个燃料组件至少一个侧面相叠合。

9.根据权利要求4～8任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，核燃料单元包括：包覆颗粒弥散燃料、慢化剂、可燃毒物，包覆颗粒弥散燃料在核燃料单元内的体积占比为40～75％。

10.根据权利要求9所述的超小型反应堆系统，其特征在于，慢化剂材料为氢化钇、氢化锆、氧化铍、铍、石墨中的一种或多种混合；

11.根据权利要求1所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于屏蔽体内的事故诊断装置，用于诊断反应堆堆芯事故。

12.根据权利要求1所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于屏蔽体内的堆芯监测装置，用于监测反应堆堆芯的运行状况。

13.根据权利要求12所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于地球端的控制装置、设置于太空的控制棒驱动机构，堆芯监测装置通过卫星通讯将反应堆堆芯的运行状况发送给控制装置，控制装置判断反应堆堆芯的运行状况，若反应堆堆芯的运行状况为预设的停堆情况，则控制控制棒驱动机构对反应堆堆芯停堆。

14.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，能量输出回路接口组件包括：供电回路接口、供热回路接口、供氢回路接口，反应堆堆芯通过供电回路接口向外界供电，通过供热回路接口向外界供热，通过供氢回路接口向外界供氢。

15.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，还包括：设置于压力容器外的缓冲装置，缓冲装置用于缓冲冲击。

16.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，所述余热导出机构为热管式辐射器，热管式辐射器通过热传导和热辐射方式导出热量。

17.根据权利要求1～8、10～13任意一项所述的超小型反应堆系统，其特征在于，屏蔽体为星体表面大地，反应堆埋置于星体表面大地底下；或者，

技术总结本发明公开了一种超小型反应堆系统，包括：反应堆堆芯、压力容器、余热导出机构、屏蔽体、能量输出回路接口组件，反应堆堆芯、压力容器、能量输出回路接口组件设置于屏蔽体内，反应堆堆芯设置于压力容器内，余热导出机构设置于屏蔽体外，余热导出机构通过连接管路与压力容器连接，连接管路贯穿屏蔽体，能量输出回路接口组件与压力容器连接。本发明实现了长寿期、安全地供应热、电、氢等多种能源的功能；通过采用先进四代堆气冷堆技术保证堆芯在恶劣环境下仍具备很高的安全性；通过骨架结构增强对裂变产物的屏障作用；通过颗粒燃料的密集排布和慢化剂材料的填充方式实现堆芯体积小、重量轻，可以通过火箭搭载。技术研发人员：张成龙,贺楷,董建华,朱思阳,张朔婷,黄政,王子祺,刘国明,张鹏,袁媛,周喆受保护的技术使用者：中国核电工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9