阅读说明：本技术 一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构 (Compact type space reactor core structure suitable for passive start ) 是由 郑友琦 李梁喆 贾晓茜 王永平 曹良志 吴宏春 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于无源启动的紧凑型空间反应堆堆芯结构,该堆芯结构由燃料区和外部结构组成；燃料区由燃料棒、控制棒和冷却剂组成；燃料区分为内外两区,内区燃料弥散有一定质量分数的中子毒物用来展平径向功率分布；燃料棒采用高浓二氧化铀燃料和耐高温钼合金包壳；外部结构由交替布置的径向反射层和冷却剂通道以及源量程探测器组成,其中径向反射层一方面用来反射堆芯泄漏的中子,另一方面用于反应堆启动时与宇宙空间中的质子或α粒子作用产生中子,从而提高初始中子注量水平；源量程探测器选用灵敏型～(3)He正比计数管,4个源量程探测器沿径向90°对称布置在金属铍内侧。整体而言,该型空间反应堆堆芯具有结构紧凑、便于监测的特点。(The invention discloses a compact space reactor core structure suitable for passive start, which consists of a fuel area and an external structure; the fuel area consists of fuel rods, control rods and a coolant; the fuel area is divided into an inner area and an outer area, and neutron poison with a certain mass fraction is dispersed in the fuel of the inner area to flatten the radial power distribution; the fuel rod is cladded by high-concentration uranium dioxide fuel and high-temperature-resistant molybdenum alloy; the outer structure consists of radial reflecting layers and coolant channels which are alternately arranged and a source range detector, wherein the radial reflecting layers are used for reflecting neutrons leaked from the reactor core on one hand and are used for generating neutrons by the action of protons or alpha particles in the cosmic space when the reactor is started on the other hand, so that the neutrons are providedHigh initial neutron fluence levels; sensitive type for selecting source range detector 3 He proportional counting tube, 4 source range detectors are symmetrically arranged at the inner side of the metal beryllium along the radial direction by 90 degrees. On the whole, the reactor core of the space reactor has the characteristics of compact structure and convenience in monitoring.)

一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构

技术领域

本发明属于核反应堆工程

技术领域

，具体涉及一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构。

背景技术

空间反应堆作为解决航天器在深空黑暗环境下能源供给问题的最优选择之一，具有结构紧凑、功率密度高、寿期长及环境适应能力强等特点。常见的空间堆堆型包括气冷快堆、液态金属冷却反应堆以及热管堆等，相较于其他堆型的热电转换系统，气冷快堆搭配直接式布雷顿循环系统具有更高的循环效率及更小的系统重量和体积。空间堆堆芯设计通常要求在不牺牲堆芯功率能力的前提下，尽可能地压缩堆芯体积，从而提升航天器的推进性能。

现有的反应堆启动技术是在堆芯内放置中子源，用于反应堆启动时提高堆芯初始中子注量水平至源量程探测器可探测的范围之内。对空间堆特殊的设计需求和运行环境，可以采用提高初始中子注量水平的无源启动方法，即通过反射层结构材料在宇宙空间辐照场内与质子或α粒子发生核反应产生中子。相比传统的启动方式，这种无源启动方式省去了堆内中子源占用的体积，避免了启堆过程中加载中子源组件所需的复杂系统以及中子源衰变对发射阶段堆芯安全的影响。但是，这种无源启动方式对反应堆燃料布置和反射层材料的选择提出了新的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构，通过合理的结构设计和材料选择，提高反应堆对所述无源启动方法的适用性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构，该堆芯结构由燃料区和包覆燃料区的外部结构4组成；所述燃料区内，燃料棒1呈六角形栅阵排布，控制棒2分散布置在燃料棒1间，燃料棒1间以及燃料棒1与控制棒2间由冷却剂3填充；所述外部结构4由交替布置的冷却剂通道12和径向反射层13以及布置在外层的径向反射层13内侧的源量程探测器14组成。

所述燃料区分为内外两区，内区由141根燃料棒1组成，外区由510根燃料棒1组成。

内区和外区的燃料棒1结构相同，所述燃料棒1径向由内至外依次为燃料芯块5、气隙6和包壳7，沿轴向燃料芯块5的两端为气腔9，气腔9的外端为轴向反射层8；所述轴向反射层8的材料为铍或氧化铍；所述气腔9内为氦气；内区的燃料棒1的燃料芯块5材料为90％质量分数的高浓二氧化铀和10％质量分数的Gd₂O₃，外区的燃料棒1的燃料芯块5材料为高浓二氧化铀，所述高浓二氧化铀的富集度大于90％；所述包壳7的材料为耐高温钼合金。

所述径向反射层13的最外层厚度较内层的厚；所述径向反射层13的材料为金属铍。

所述径向反射层13主要以⁹Be的形态存在，⁹Be在宇宙空间辐照场内与质子或α粒子发生(p,n)反应或(α,n)反应产生中子，具体反应方程式如下：

所述(p,n)反应截面或(α,n)反应截面主要集中在1～100MeV的能量区间内。

所述源量程探测器14选用灵敏型³He正比计数管，中子注量率监测范围为10^-1n/(cm² s)～10⁵n/(cm² s)，全堆共布置有四个源量程探测器14，沿周向90°对称布置在外层的径向反射层(13)内侧。

所述冷却剂3选择氦氙混合气体，其中氦气的质量分数为17.5％。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、与传统的空间气冷快堆燃料布置相比，取消了组件盒式设计，燃料棒以六角形排列方式紧凑布置于堆芯，进一步压缩了堆芯体积。

2、与传统的空间气冷快堆燃料布置相比，增加了燃料的分区设计，内区燃料芯块内弥散中子吸收材料Gd₂O₃，Gd₂O₃具有较强的热中子吸收能力以及较弱的快中子吸收能力，在展平堆芯径向功率分布的同时，可用于掉落事故时抑制反应性。

3、与传统的空间气冷快堆反射层结构相比，将金属铍裸露布置在堆芯外侧，有效提高了金属铍与宇宙粒子作用产生中子的能力，这种反射层结构提高了反应堆对无源启动方式的适用性。

附图说明

图1为空间堆堆芯布置示意图。

图2为燃料棒横截面示意图。

图3为燃料棒纵向截面示意图。

图4为反射层结构示意图。

图5为某太阳活动高年时测得的宇宙射线峰值能谱。

图6为源量程探测器布置方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。

如图1所示，一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构，该堆芯结构由燃料区和包覆燃料区的外部结构4组成；所述燃料区内，燃料棒1呈六角形栅阵排布，控制棒2分散布置在燃料棒1间，其余区域由冷却剂3填充；所述外部结构4由冷却剂通道12、径向反射层13和源量程探测器14组成。

优选地，所述冷却剂3选择氦氙混合气体，其中氦气的质量分数为17.5％。

如图1所示，所述燃料区分为内外两区，内区的燃料棒1的数目为141根，外区的燃料棒1的数目为510根，控制棒2的数目为10根；燃料棒1的直径为13.0mm，相邻两根燃料棒1的中心距为14.2mm，控制棒2的直径为35.0mm；控制棒吸收体的材料为B₄C。

如图2所示，所述燃料棒1径向由内至外依次为燃料芯块5、气隙6和包壳7，燃料芯块5的外径为10.9mm，气隙6的外径为11.0mm，包壳7的外径为13.0mm；内外区燃料棒1采用相同的几何结构，内区的燃料棒1的燃料芯块5材料为90％质量分数的高浓二氧化铀和10％质量分数的Gd₂O₃，外区的燃料棒1的燃料芯块5材料为高浓二氧化铀，所述高浓二氧化铀的富集度大于90％；气隙6内为氦气；包壳7的材料为耐高温钼合金。

如图3所示，所述燃料棒1轴向由轴向反射层8、气腔9和燃料芯块5构成，其中燃料段长度为483.6mm，气腔段长度为150mm；轴向反射层8材料为铍或氧化铍；气腔9由氦气填充，用于容纳裂变气体。

如图4所示，所述外部结构4中的冷却剂通道12和径向反射层13交替布置，其中最外层的径向反射层13的厚度为71mm；径向反射层13的材料为金属铍；径向反射层13在宇宙空间中与质子或α粒子发生(p,n)反应或(α,n)反应产生中子，反应截面主要集中在1～100MeV的能量区间，太阳活动高年时，宇宙空间辐照场中约90％为质子，10％为α粒子，且如图5所示，粒子的能量同样集中在1～100MeV。

如图6所示，四个源量程探测器14沿周向90°对称布置在外层的径向反射层13内侧，径向反射层13的材料金属铍具有较大的中子散射截面，源量程探测器布置在该位置有利于获得更高的中子计数率；源量程探测器14选用灵敏型³He正比计数管，中子注量率监测范围为10^-1n/(cm² s)～10⁵n/(cm² s)；当宇宙射线平均粒子注量率达到1.3×10⁵#/(cm² s)时，探测器位置处的中子计数率可达到探测器的最低探测量程，此时源量程探测器14可以实现对堆芯状态的监视。

本发明提供了一种适用于无源启动的紧凑型空间堆堆芯结构，可以在不牺牲反应堆功率能力的情况下，压缩堆芯体积和重量，提高堆芯中子物理性能和航天器推进性能。