一种球型裂变核反应堆堆芯
阅读说明：本技术 一种球型裂变核反应堆堆芯 (Reactor core of spherical fission nuclear reactor ) 是由 王翔 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种球型裂变核反应堆堆芯,属于核反应堆堆芯领域。解决了现有裂变核反应堆堆芯几何形状与各向同性的中子分布没有充分匹配、空间没有得到充分利用的问题。它包括球型容器、液态燃料、控制棒棒体和冷却机构,所述液态燃料填充在球型容器内部,所述球型容器表面开设有多个规则排布的圆孔,每个圆孔均与控制棒内筒相连,多个控制棒内筒均延伸至球型容器内部,所述控制棒棒体插入到控制棒内筒中,所述冷却机构与球型容器内部相连并与液态燃料进行换热。它主要用于裂变核反应堆。(The invention provides a reactor core of a spherical fission nuclear reactor, belonging to the field of reactor cores of nuclear reactors. The reactor core solves the problems that the geometric shape of the reactor core of the existing fission nuclear reactor is not fully matched with the isotropic neutron distribution, and the space is not fully utilized. The liquid fuel is filled in the spherical container, a plurality of regularly-distributed round holes are formed in the surface of the spherical container, each round hole is connected with the control rod inner barrel, the control rod inner barrels extend into the spherical container, the control rod bodies are inserted into the control rod inner barrels, and the cooling mechanism is connected with the interior of the spherical container and exchanges heat with the liquid fuel. It is mainly used in fission nuclear reactors.)
技术领域
本发明属于核反应堆堆芯领域，特别是涉及一种球型裂变核反应堆堆芯。
背景技术
目前基于裂变原理的核反应堆多是以板状结构或圆柱型结构，这样的结构虽然是常规形状，但是从中子分布的角度出发并非最优；在满足了核反应堆核燃料临界体积的基础上，与其它形状的核反应堆堆芯相比，球型核反应堆可以具有最小体积，进而拥有最小质量。目前球型核反应堆只是在基于聚变原理的装置中有所应用，而没有在裂变核反应堆中使用。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种球型裂变核反应堆堆芯。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种球型裂变核反应堆堆芯，它包括球型容器、液态燃料、控制棒棒体和冷却机构，所述液态燃料填充在球型容器内部，所述球型容器表面开设有多个规则排布的圆孔，每个圆孔均与控制棒内筒相连，多个控制棒内筒均延伸至球型容器内部，所述控制棒棒体插入到控制棒内筒中，所述冷却机构与球型容器内部相连并与液态燃料进行换热。
更进一步的，所述多个控制棒内筒均指向球型容器的球心。
更进一步的，所述多个控制棒内筒与球型容器的球心之间存在夹角，多个控制棒内筒的长度相等。
更进一步的，所述冷却机构包括冷却管道、冷却剂入口和冷却剂出口，所述冷却管道贯穿球型容器的中心并沿圆周方向延伸出多个冷却通道，多个冷却通道之间相互连通，所述冷却管道两端分别与冷却剂入口和冷却剂出口相连，所述多个控制棒内筒穿插在多个冷却通道之间。
更进一步的，所述冷却机构为热管，所述热管内部插入球型容器的内部，热管外部位于球型容器的外部，通过毛细作用或相变进行热管中流体的传输与换热。
更进一步的，所述反应堆堆芯还包括搅浑装置，所述搅浑装置数量为一个或多个，每个搅浑装置的旋转端均设置在球型容器内部，每个搅浑装置的输入端均与电机相连。
更进一步的，所述球型容器上设置有换料管道，所述换料管道的换料入口和换料出口分别布置在球型容器的上部和下部。
更进一步的，所述液态燃料为液态金属或熔盐。
更进一步的，所述液态金属燃料或熔盐含有铀或钚。
更进一步的，所述球型容器表面设置有稳压装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有裂变核反应堆堆芯几何形状与各向同性的中子分布没有充分匹配、空间没有得到充分利用的问题。本发明可应用于包括飞行器用核反应堆、航空航天用核反应堆等多个应用领域中，也可以在深海核反应堆等多个应用领域推广，充分借助了球型的对称性，使得堆芯在中子分布、温度分布等方面更加均匀。同时，作为在太空无重力环境中使用的核反应堆，在太空中液态燃料会由于表面张力的作用，以球形的形态聚集在中心位置，产生的气态裂变产物围绕在核燃料周围，即便在没有稳压设备的前提下，在因气态裂变产物增多而压力升高时，整个球型堆芯作为一个整体耐压程度较其它形状的堆芯要更高。使用液态燃料可以对核燃料及时进行更新、在线更换，不影响反应堆的运行。同时液态燃料可以防止堆芯融化事故的发生，具有良好的事故容错特性。
附图说明
图1为本发明所述的一种球型裂变核反应堆堆芯俯视结构示意图；
图2为本发明所述的一种球型裂变核反应堆堆芯侧视结构示意图；
图3为本发明所述的球型旋风式裂变核反应堆堆芯俯视结构示意图；
图4为本发明所述的球型旋风式裂变核反应堆堆芯侧视结构示意图；
图5为本发明所述的球型静态转换热管式裂变核反应堆堆芯俯视结构示意图；
图6为本发明所述的球型静态转换热管式裂变核反应堆堆芯侧视结构示意图；
图7为本发明所述的球型带搅浑装置的裂变核反应堆堆芯俯视结构示意图；
图8为本发明所述的球型带搅浑装置的裂变核反应堆堆芯侧视结构示意图。
1-球型容器外侧，2-球型容器内侧，3-燃料，4-控制棒内筒，5-控制棒棒体，6-控制棒外端，7-冷却管道，8-换料管道，9-换料入口，10-换料出口，11-冷却剂入口，12-冷却剂出口，13-热管，14-电机，15-搅浑装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-8说明本实施方式，一种球型裂变核反应堆堆芯，它包括球型容器、液态燃料3、控制棒棒体5和冷却机构，所述液态燃料3填充在球型容器内部，所述球型容器表面开设有多个规则排布的圆孔，每个圆孔均与控制棒内筒4相连，多个控制棒内筒4均延伸至球型容器内部，所述控制棒棒体5插入到控制棒内筒4中，所述冷却机构与球型容器内部相连并与液态燃料3进行换热。
本实施例反应堆堆芯结构整体为一个球型，液态燃料3填充在球型容器中，聚集足够体积和质量的裂变物质后发生裂变，产生热量。在球型容器表面有若干规则排布的圆孔，对应向球型容器内部延申的控制棒内筒4。控制棒棒体5从外部通过球型容器表面的圆孔可以插入控制棒内筒中，实现对反应堆反应性的控制。控制棒棒体5的插拔不与核燃料3本身接触，也就不对核燃料3本身产生影响。
本实施例为基本的球型裂变核反应堆堆芯，如图1-2所示，多个控制棒内筒4均指向球型容器的球心，控制棒棒体5以向心的方式指向球型容器的球心，此时，冷却机构包括冷却管道7、冷却剂入口11和冷却剂出口12，冷却管道7贯穿球型容器的中心并沿圆周方向延伸出多个冷却通道，多个冷却通道之间相互连通，冷却管道7两端分别与冷却剂入口11和冷却剂出口12相连，多个控制棒内筒4穿插在多个冷却通道之间，在这样的布局中，尽管所有的控制棒棒体5都向心布置，但是由于中心沿纵轴方向存在冷却管道7，因此只有水平布置的控制棒棒体5长度最长，其它角度的控制棒棒体5会具有不同的长度，控制棒棒体5的价值因此不同，对反应性的控制能力也因此不同。冷却剂从冷却管道得上部或下部进入堆芯，从另一对应方向流出。在反应堆堆芯中主要穿过堆芯中心部位，同时也有部分管道从旁边穿过。这样可以最大限度的冷却堆芯中心部位，也就是一般说来堆芯中温度最高的部分，以液体或气体为冷却剂参与朗肯循环、布雷顿循环、斯特林循环等动态能量转换过程。
本实施例为旋风式裂变核反应堆堆芯，如图3-4所示，多个控制棒内筒4与球型容器的球心之间存在夹角，多个控制棒内筒4的长度相等，此时，冷却机构包括冷却管道7、冷却剂入口11和冷却剂出口12，冷却管道7贯穿球型容器的中心并沿圆周方向延伸出多个冷却通道，多个冷却通道之间相互连通，冷却管道7两端分别与冷却剂入口11和冷却剂出口12相连，多个控制棒内筒4穿插在多个冷却通道之间，这样的布置形式使控制棒棒体5不再向心，而是错开一定角度，穿插在冷却管道7之间，能够保证所有的控制棒棒体5都具有相同的长度，使得控制棒棒体5的价值尽量一致，进而使反应堆的运行方式、控制棒的控制方式更为简单。冷却剂从冷却管道得上部或下部进入堆芯，从另一对应方向流出。在反应堆堆芯中主要穿过堆芯中心部位，同时也有部分管道从旁边穿过。这样可以最大限度的冷却堆芯中心部位，也就是一般说来堆芯中温度最高的部分，以液体或气体为冷却剂参与朗肯循环、布雷顿循环、斯特林循环等动态能量转换过程。
本实施例为球型静态转换热管式裂变核反应堆堆芯，如图5-6所示，上述实施例也可采用热管13作为冷却机构，参与静态能量转换，取消了堆芯中的冷却管道7，而使用插在球型容器表面的热管13进行换热，热管13内部插入球型容器的内部，热管13外部位于球型容器的外部，通过毛细作用或相变进行热管13中流体的传输与换热。
本实施例为球型带搅浑装置的裂变核反应堆堆芯，如图7-8所示，上述实施例反应堆堆芯还包括搅浑装置15，搅浑装置15数量为一个或多个，每个搅浑装置15的旋转端均设置在球型容器内部，每个搅浑装置15的输入端均与电机14相连，多个搅浑装置15对称布置且旋转方向相反，增加了搅浑装置15可以使得核燃料3在无重力作用下强制对流进行换热，根据实际需求进行布置的搅浑装置可以以螺旋桨为实现方式，也可采用其它通过旋转方式使得核燃料对流的方式，根据实际需求进行布置的搅浑装置15可设定旋转方向，以避免为系统增加额外的角动量。
上述实施例中球型容器上设置有换料管道8，换料管道8的换料入口9和换料出口10分别布置在球型容器的上部和下部，随着燃耗的增加和核燃料3的消耗，需要对堆芯内的液态燃料3进行更换和更新。同时，换料管道8的换料入口9和换料出口10还可以作为紧急情况下堆芯内用于泄流的管道。液态燃料3为液态金属或熔盐，液态燃料可以使用热导率较高的含铀、钚等易裂变核素的液态金属燃料，或在有强制换热时使用其它液态燃料，如含铀、钚等易裂变核素的熔盐等。根据所选择核燃料的不同，在球型容器表面设置有稳压装置，以容纳液态燃料3在裂变过程中所释放出来的气体带来球型容器内部压力的升高。
以上对本发明所提供的一种球型裂变核反应堆堆芯，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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