阅读说明：本技术 一种新型空间反应堆压力容器结构 (Novel space reactor pressure vessel structure ) 是由 谭思超 孟涛 何宇豪 李兴 陈杰 夏陈超 程坤 祁沛垚 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种新型空间反应堆压力容器结构,包括外压力容器、内压力容器、上密封压力容器、堆芯下腔室和支撑板；所述外压力容器和内压力容器均为半球形加圆柱形壳体结构,所述内压力容器设置在外压力容器的内部,且两者之间为环形下降通道,所述内压力容器圆柱段上下两端分别设置有上支撑板和下支撑板,所述上密封容器设置在内压力容器半球形结构内且与上支撑板连接,所述内压力容器与上密封容器之间为容纳辐射屏蔽材料空间。本发明在上密封压力容器与内压力容器之间填充辐射屏蔽材料能够起到一定的缓冲作用,同时二者之间还设置有数根缓冲连接件,能够增加结构稳固性和承压能力,整体结构设计简单,价格低廉,易加工。(The invention provides a novel space reactor pressure vessel structure, which comprises an outer pressure vessel, an inner pressure vessel, an upper sealed pressure vessel, a reactor core lower chamber and a supporting plate, wherein the outer pressure vessel is a hollow cylinder; outer pressure vessel and internal pressure vessel are hemisphere and cylindrical shell structure, the internal pressure vessel sets up the inside at outer pressure vessel, and is the annular passageway that descends between the two, both ends are provided with backup pad and bottom suspension fagging respectively about the internal pressure vessel cylinder section, just be connected with last backup pad in the pressure vessel hemisphere structure including last sealed vessel sets up, for holding radiation shielding material space between internal pressure vessel and the last sealed vessel. The radiation shielding material is filled between the upper sealed pressure container and the inner pressure container to play a certain buffering role, and meanwhile, a plurality of buffering connecting pieces are arranged between the upper sealed pressure container and the inner pressure container to increase the structural stability and the pressure bearing capacity.)

一种新型空间反应堆压力容器结构

技术领域

本发明涉及一种反应堆压力容器结构，尤其涉及一种新型空间反应堆压力容器结构，属于核反应堆安全、核技术、机械工程等技术领域。

背景技术

宇宙空间环境是新型的核能应用领域，但受航天发射能力以及成本限制，空间反应堆仅对重点区域进行辐射屏蔽，因此通常采用阴影式屏蔽结构，即仅对阴影屏蔽结构远离反应堆侧区域进行辐射屏蔽。由于通常辐射屏蔽材料为钨、铅等密度大的材料，并且反应堆辐射剂量高，因此需要大量的辐射屏蔽材料，进而使得空间反应堆质量较大。同时由于反应堆压力容器两侧球形腔室结构及外侧测量装置、管道等结构的影响，辐射屏蔽结构无法紧挨反应堆堆芯，仅能通过牺牲屏蔽区域范围的方式来降低辐射屏蔽结构质量。但随着空间核动力系统功能的增加及反应堆功率的增长，空间核动力系统所需屏蔽的区域会不断增加，因此需要设计新型的反应堆压力容器结构，以降低辐射屏蔽结构与反应堆堆芯的距离，进而实现进一步降低空间反应堆系统的质量，提高空间核反应堆的经济性。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构简单，成本低廉，可为空间反应堆减重及结构优化提供帮助的新型空间反应堆压力容器结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种新型空间反应堆压力容器结构，包括外压力容器、内压力容器、上密封压力容器、堆芯下腔室和支撑板；所述外压力容器和内压力容器均为半球形加圆柱形壳体结构，所述内压力容器设置在外压力容器的内部，且两者之间为环形下降通道，所述内压力容器圆柱段上下两端分别设置有上支撑板和下支撑板，所述上密封容器设置在内压力容器半球形结构内且与上支撑板连接，所述内压力容器与上密封容器之间为容纳辐射屏蔽材料空间，所述堆芯下腔室设置在外压力容器和内压力容器的下部且与环形下降通道相通，所述堆芯出口管设置在上密封压力容器上，所述堆芯入口管设置在外压力容器上且与环形下降通道相通。

本发明还包括这样一些特征：

1.上密封压力容器为圆锥形加圆板形壳体结构；

2.所述内压力容器和上密封压力容器连接有缓冲连接件；

3.所述缓冲器连接件包括上部分、下部分和弹簧；所述上部分与内压力容器固定连接，下部分与上密封压力容器连接，上部分和下部分通过弹簧连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的新型压力容器结构能够有效利用内部压力容器空间，既能容纳一定的辐射屏蔽材料用于降低辐射剂量，又不会对压力容器外侧结构和内部流动产生影响；

2)本发明的压力容器中容纳辐射屏蔽材料的空间在中间位置处大，而在边缘处小，这样设置能够充分结合辐射剂量特点及屏蔽要求，尽可能的降低辐射屏蔽结构质量；

3)在上密封压力容器与内压力容器之间填充辐射屏蔽材料能够起到一定的缓冲作用，同时二者之间还设置有数根缓冲连接件，能够增加结构稳固性和承压能力；

4)新型压力容器整体结构设计简单，价格低廉，易加工。

附图说明

图1是本发明的反应堆整体结构示意图；

图2是本发明的上密封压力容器局部结构示意图；

图3是本发明的上密封压力容器与内压力容器之间缓冲连接件结构示意图；

图4是本发明的反应堆整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的在于提供一种可容纳辐射屏蔽材料的新型空间反应堆压力容器结构，其结构简单，成本低廉，可为空间反应堆减重及结构优化提供帮助。

本发明的目的是这样实现的：压力容器结构主要包括3层结构，分别为外压力容器5、内压力容器11和上密封压力容器10。外压力容器5和内压力容器11均为半球形加圆柱形壳体结构，上密封压力容器10为圆锥形加圆板形壳体结构。内压力容器11下壁面与上密封压力容器10上壁面共同构成辐射屏蔽结构容纳空间12，该空间布置有内部辐射屏蔽结构。该结构既能够起到辐射屏蔽的作用，还可起到保温作用，降低反应堆向上部环境空间释放的辐射散热量。由于通常空间反应堆为减少质量，其屏蔽结构采用阴影式屏蔽方式，仅对屏蔽结构后侧阴影区域内的设备进行辐射屏蔽。当屏蔽结构距离反应堆中心越近时，达到同样的阴影区域范围所需的辐射屏蔽结构体积越小，因而质量也越小。但传统压力容器轴向方向外侧为半球形结构，并且存在较多管道结构，因而辐射屏蔽结构仅设置在最外侧位置。本发明的新型压力容器设计实现了在传统压力容器内部设置屏蔽结构，并不会对压力容器外侧结构产生影响，对堆芯内部流动也不会产生过大的影响，而且能够有效减少辐射屏蔽结构与核反应堆中心的距离，进而能够有效的减少辐射屏蔽结构质量。

为提高上密封压力容器承压能力及结构稳定性，本发明在内压力容器11和上密封压力容器10之间设置有数根缓冲连接件，该缓冲结构由上、下两部分17和16及缓冲弹簧18构成，其上部分17与内压力容器11通过焊接方式连接，下部分16与上密封压力容器10通过焊接方式连接。上部分17与下部分16通过弹簧18连接，二者之间留有空隙，可以在弹簧18的缓冲下发生位移，进而提高结构稳固性及承压能力。

一种新型空间反应堆压力容器结构，压力容器包含3层壳体，分别为外压力容器5、内压力容器11和上密封压力容器10。外压力容器5和内压力容器11均为半球形加圆柱形壳体结构，上密封压力容器10为圆锥形加圆板形壳体结构，内压力容器11和上密封压力容器10连接有数根缓冲连接件，可为二者轴向位移提供缓冲，提高结构稳固性及承压能力。内压力容器11下壁面与上密封压力容器10上壁面共同构成辐射屏蔽结构容纳空间，该空间布置有内部辐射屏蔽结构。通过在传统压力容器内部设置屏蔽结构，减少了辐射屏蔽结构与核反应堆中心的距离，能够在保证辐射屏蔽要求的前提下有效的减少辐射屏蔽结构质量；内压力容器11和上密封压力容器10连接有数根缓冲连接件，可为二者轴向位移提供缓冲，提高结构稳固性及承压能力。缓冲连接件结构15由上、下两部分17和16及缓冲弹簧18构成，其上部分17与内压力容器11通过焊接方式连接，下部分16与上密封压力容器10通过焊接方式连接。上部分17与下部分16通过弹簧18连接，二者之间留有空隙，可以在弹簧18的缓冲下发生位移，进而为上密封压力容器10提供缓冲；内压力容器11上连接有数根圆筒形冷却剂出口管13，该管贯穿外压力容器5并在贯穿处与外压力容器5通过焊接方式连接。上密封压力容器10与堆芯上支撑板9通过焊接方式连接，堆芯上支撑板9与内压力容器11壁面通过焊接方式连接。上密封压力容器10下壁面与内压力容器11圆柱形壳体结构段内壁面共同构成冷却剂流动区域，反应堆内冷却剂可直接流出反应堆而不会进入容纳屏蔽材料空间12；上密封压力容器为圆锥形加圆板形壳体结构，在圆板形壳体结构段即中轴线位置处20，其与内压力容器11半球形结构段之间空间较大，可容纳更多屏蔽结构材料。而圆锥形结构段为倾斜面结构，与内压力容器11半球形结构段围成空间较小，可容纳的屏蔽结构材料少。对于空间反应堆来说，一般中轴线位置处辐射剂量最高，并且屏蔽要求也最高，而边缘处辐射剂量较低，屏蔽要求也较低。因此，该压力容器结构设计能够充分利用辐射屏蔽特点，在符合屏蔽要求的基础上尽可能的降低辐射屏蔽结构质量。

结合图1，一种新型空间反应堆压力容器结构，其结构主要包括堆芯入口管4、外压力容器5、环形下降通道14、堆芯下腔室6、堆芯下部支撑板7、核燃料结构8、堆芯上部支撑板9、上密封压力容器10、内压力容器11、辐射屏蔽结构容纳空间12、堆芯出口管13、传统外侧辐射屏蔽结构2。冷却剂经由堆芯入口管4进入反应堆内外压力容器之间的环形下降通道14，竖直向下运动直到进入半球形下腔室6，在下腔室6内旋转180度变为竖直向上运动，通过堆芯下部支撑板7及核燃料区域8后进入半球形上腔室，并从堆芯出口管13流出反应堆。冷却剂的流动与辐射屏蔽结构12完全独立，通过上密封压力容器10分隔。

结合图2，新型空间反应堆上腔室结构，可实现在上密封压力容器10上壁面与内压力容器11下壁面之间放置辐射屏蔽材料。一方面在压力容器内部空间填充辐射屏蔽材料可以降低反应堆上方外部空间内的辐射剂量，起到外部保护设备的作用，并且不会影响反应堆上方外部空间内原有的结构部件。另一方面，填充辐射屏蔽材料后还可以降低反应堆向上方环境散失的辐射热量，起到保温的作用。上密封压力容器10下表面与堆芯上部支撑板9上表面通过焊接方式连接，上密封压力容器10上的堆芯出口管13直接穿出内压力容器11并在穿出位置与内压力容器焊接在一起。上密封压力容器10上壁面与内压力容器11下壁面之间通过数根缓冲连接件15进行柔性连接，可为压力容器受热膨胀及承压膨胀提供缓冲及支撑。

结合图3，缓冲连接件结构15，由上部分17、下部分16及缓冲弹簧18共3部分构成，上部分17与内压力容器11通过焊接方式连接，下部分16与上密封压力容器10通过焊接方式连接，上部分17与下部分16通过弹簧18连接，二者之间留有空隙，可以在弹簧18的缓冲下发生位移，进而为上密封压力容器10提供缓冲功能。

结合图4，反应堆整体结构，主要包括堆芯控制棒导向管1、阴影式屏蔽结构2、反应堆本体3。由于通常空间反应堆为减少质量，其屏蔽结构采用阴影式屏蔽方式，仅对屏蔽结构远离反应堆侧阴影区域内的设备进行辐射屏蔽。当屏蔽结构距离反应堆中心越近时，达到同样的阴影区域范围所需的辐射屏蔽结构体积越小，因而质量也越小。但传统压力容器轴向方向外侧为半球形结构，并且存在较多管道结构，因而传统辐射屏蔽结构仅设置在最外侧位置即为阴影式屏蔽结构2所在位置。

一种新型空间反应堆压力容器结构，压力容器包含3层壳体，分别为外压力容器5、内压力容器11和上密封压力容器10。外压力容器5和内压力容器11均为半球形加圆柱形壳体结构，上密封压力容器10为圆锥形加圆板形壳体结构，内压力容器11和上密封压力容器10连接有数根缓冲连接件，可为二者轴向位移提供缓冲，提高结构稳固性及承压能力。内压力容器11下壁面与上密封压力容器10上壁面共同构成辐射屏蔽结构容纳空间，该空间布置有内部辐射屏蔽结构12。通过在传统压力容器内部设置屏蔽结构，减少了辐射屏蔽结构与核反应堆中心的距离，能够在保证辐射屏蔽要求的前提下有效的减少辐射屏蔽结构质量一种新型空间反应堆压力容器结构，其特征在于：压力容器包含3层壳体，分别为外压力容器5、内压力容器11和上密封压力容器10。外压力容器5和内压力容器11均为半球形加圆柱形壳体结构，上密封压力容器10为圆锥形加圆板形壳体结构，内压力容器11和上密封压力容器10连接有数根缓冲连接件，可为二者轴向位移提供缓冲，提高结构稳固性及承压能力。内压力容器11下壁面与上密封压力容器10上壁面共同构成辐射屏蔽结构容纳空间，该空间布置有内部辐射屏蔽结构。通过在传统压力容器内部设置屏蔽结构，减少了辐射屏蔽结构与核反应堆中心的距离，能够在保证辐射屏蔽要求的前提下有效的减少辐射屏蔽结构质量本发明提供的是一种适用于宇宙空间环境下的紧凑的反应堆压力容器结构，该结构能够充分利用内部空间在压力容器壳体之间容纳部分辐射屏蔽结构，因而能够节省空间以及系统质量。该结构包括3层不锈钢或高温难熔合金制成的压力容器壳体，分别为外压力容器、内压力容器和上密封压力容器。3层压力容器包裹的空间内装有核反应堆堆芯、冷却剂以及内部支撑结构。外压力容器与内压力容器共同构成入口段冷却剂流动通道，并提供最外侧的密封，上密封压力容器下壁面与内压力容器圆柱形壳体结构段内壁面共同构成冷却剂流动区域，上密封压力容器上壁面与内压力容器半球形结构下壁面共同构成屏蔽结构容纳空间，内部可容纳钨金属、碳化硼等辐射屏蔽材料，因其距离核反应堆较近，因而能够降低所需屏蔽材料的质量，同时还可起到保温作用，降低通过此处向上部环境空间释放的辐射散热量。本压力容器结构设计解决了传统空间反应堆难以降低辐射屏蔽结构质量的难题，可实现在有限空间内既降低辐射屏蔽质量，又减少散热损失，并且设计简单、成本低廉。

综上，本发明的新型压力容器结构可以实现利用内部空间容纳一定的辐射屏蔽材料用于降低辐射剂量，同时不会对压力容器外侧结构和内部流动产生影响。本发明的压力容器中容纳辐射屏蔽材料的空间在中轴线位置处大，而在边缘处小，这样设置能够充分结合辐射剂量特点及屏蔽要求，尽可能的降低辐射屏蔽结构质量，同时还具有一定的承压能力，从而保证宇宙真空环境的使用安全。本发明可以降低空间反应堆辐射屏蔽质量，并可提高反应堆保温效果，压力容器设计简单，价格低廉，适用堆型范围广。