本發明涉及了反應堆技術領域，具體而言，涉及一種便攜式非能動核電反應堆。

背景技術：

在人類能源危機的背景下，核能的有效利用是近期乃至將來有效解決能源危機的途徑之一。由于目前成熟的可控核能技術主要是利用重材料裂變能的裂變堆技術，世界各國都爭相在該領域開發先進的裂變反應堆技術。當前成熟且商業化的裂變堆核電站雖然已經得到廣泛應用，但還有相當的技術值得進一步研究以提升其運行的安全性、經濟性等。特別是小型堆技術的突破，使得其已經初步具備了商業開發價值，尤其是隨著人們對供電模式由集中式供電向分布式供電方式的認識轉變，為小型核電反應堆的發展提供了充足的動力。

反應堆運行期間的安全可靠性是人們一直關注的焦點，這也成為影響反應堆項目立項建設的重要影響因素。縱觀核電反應堆發展的歷史，每次核電事故均會在全球范圍內引起高度關注，并且給核電反應堆的發展造成重大負面影響。因此，反應堆安全設計中的非能動設計成為新型反應堆設計中的重要工作。

現有核電反應堆存在規模較大、質量較重、移動不便、安全性能低等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述問題，提供一種便攜式非能動核電反應堆，實現核電反應堆的小型化、模塊化、可移動化、無水化、非能動控制的本質安全化等需求，使上述問題得到改善。

本發明的實施例是這樣實現的：

本發明提供了一種便攜式非能動核電反應堆，包括殼體、中子反射層、熱電轉換器、氫氣進氣閥、氫氣調節劑、燃料、氫氣導通管、熱管組及電流輸出端子。殼體圍成具有容納腔的筒體結構，中子反射層位于容納腔內且中子反射層沿殼體的軸向延伸，中子反射層將容納腔分為氫氣調節室和燃料室，氫氣調節室位于殼體與燃料室之間，熱電轉換器位于燃料室上部且熱電轉換器位于中子反射層與殼體之間，氫氣進氣閥位于殼體的頂部且氫氣進氣閥用于控制外部氫氣進入氫氣調節室，氫氣調節劑位于氫氣調節室內且氫氣調節劑與殼體的頂壁之間具有間隙，燃料位于燃料室內且燃料與熱電轉換器之間具有間隙，氫氣調節室與燃料室通過氫氣導通管連通，熱管組位于燃料室內，熱管組的一端與熱電轉換器連接，熱管組的另一端插入燃料內，電流輸出端子位于容納腔外且電流輸出端子穿過殼體與熱電轉換器連通。

在本發明可選的實施例中，氫氣導通管位于熱電轉換器與燃料之間，氫氣導通管位于殼體與氫氣調節劑之間。

在本發明可選的實施例中，便攜式非能動核電反應堆還包括單向安全閥，單向安全閥位于殼體的頂部且單向安全閥與氫氣調節室連通。

在本發明可選的實施例中，燃料室包括第一燃料腔和第二燃料腔，第一燃料腔與第二燃料腔連通，第一燃料腔為圓柱形，第二燃料腔為半球形，第二燃料腔朝向殼體的底壁凸起。

在本發明可選的實施例中，熱管組包括多根沿殼體的軸向延伸的熱管，多根熱管以燃料室的中軸線為中心沿燃料室的徑向間隔分布。

在本發明可選的實施例中，氫氣導通管的兩端分別設置有過濾片，兩個過濾片分別位于氫氣調節室和燃料室內。

在本發明可選的實施例中，便攜式非能動核電反應堆還包括復合屏蔽層，復合屏蔽層位于氫氣調節室與殼體之間。

在本發明可選的實施例中，熱電轉換器為鈉離子熱電轉換器，熱管內充注鈉鉀合金。

在本發明可選的實施例中，燃料為金屬鈾粉末。

在本發明可選的實施例中，便攜式非能動核電反應堆還包括中子源，中子源位于燃料室內且中子源與燃料混合。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

該反應堆利用金屬鈾的吸放氫性能隨溫度變化的特點，實現了利用氫氣作為中子慢化劑及運行控制劑的非能動反應堆設計。另外，該反應堆還將熱電轉換模塊集成于反應堆的主體設計中，實現了熱電轉換與反應堆的集成設計，同時在總體積及質量方面具備了便攜式的可移動的特點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例的便攜式非能動核電反應堆的第一種結構示意圖；

圖2為圖1的ⅱ-ⅱ方向視圖；

圖3為圖1的燃料室的結構示意圖；

圖4為金屬鈾的溫度-飽和氫氣壓力圖。

圖標：100-便攜式非能動核電反應堆；11-殼體；110-容納腔；111-氫氣調節室；1111-氫氣調節劑；112-燃料室；1121-燃料；1122-第一燃料腔；1123-第二燃料腔；113-氫氣導通管；1131-過濾片；12-中子反射層；13-熱電轉換器；131-熱管組；14-氫氣進氣閥；15-單向安全閥；16-電流輸出端子；17-復合屏蔽層；18-中子源。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例

請參照圖1，本實施例提供一種便攜式非能動核電反應堆100，包括殼體11、中子反射層12、熱電轉換器13、氫氣進氣閥14、氫氣調節劑1111、燃料1121、氫氣導通管113、熱管組131及電流輸出端子16。

殼體11圍成具有容納腔110的筒體結構，即殼體11內部中空形成容納腔110。殼體11圍成的容納腔110的形狀可以為多種形式，既可以為圓柱形，也可以為方柱，使用者可以根據實際情況選取不同的形狀。作為本實施例的可選方式，容納腔110的形狀為圓柱形，即殼體11圍成具有容納腔110的圓柱體，殼體11包括側壁、底壁和頂壁，也就是說，側壁、底壁和頂壁圍成容納腔110。

中子反射層12位于容納腔110內，并且中子反射層12沿殼體11的軸向延伸，即中子反射層12位于頂壁和底壁之間，中子反射層12將容納腔110分為氫氣調節室111和燃料室112。氫氣調節室111和燃料室112為兩個相對獨立的腔室，氫氣調節室111位于殼體11的側壁與燃料室112之間，相當于氫氣調節室111包圍在燃料室112之外。中子反射層12將容納腔110分為氫氣調節室111和燃料室112，通過調節中子反射層12的位置可以改變氫氣調節室111和燃料室112的容積，中子反射層12位于容納腔110內的位置可以根據實際情況調節。

中子反射層12用于提高中子利用效率，并降低中子泄露率，中子反射層12的材料可以選用beo材料，也可以選用金屬be。中子反射層12的設計，還具備熱層的功能，即阻止燃料室112的熱能向氫氣調節室111的傳遞，不僅提升燃料室112熱能的利用效率，同時保證氫氣調節室111內的氫氣調節劑1111處于較低的溫度范圍，以便其同時具有理想的吸放氫速率。

如圖2所示，氫氣調節室111的橫截面為環形，氫氣調節室111將燃料室112包圍。環形的氫氣調節室111可以合理利用容納腔110的內部空間，便于氫氣調節室111與燃料室112的分布。在本實施例中，氫氣調節室111的上部連通有氫氣進氣閥14，氫氣進氣閥14位于殼體11的頂部且位于氫氣調節室111外，氫氣進氣閥14用于控制外部氫氣進入氫氣調節室111。氫氣進氣閥14的主要功能是向氫氣調節室111內注入初始量的氫氣，另外，反應堆維護時，裂變及衰變氣態產物也可通過此閥門進行置換，以便保證反應堆內氫氣的純度。

進一步地，為了平衡氫氣調節室111的氫氣量，氫氣調節室111連通有單向安全閥15，單向安全閥15位于殼體11的頂部，當氫氣調節室111內氣體壓力高于設計值時，單向安全閥15便自動開啟外泄氫氣，從而避免內部由于氫氣過量可能導致的超臨界事故。

如圖1所示，氫氣調節劑1111位于氫氣調節室111內，為了方便氫氣與氫氣調節劑1111反應，氫氣調節劑1111與殼體11頂壁之間具有間隙。氫氣調節劑1111為粉末狀，氫氣調節劑1111一般選用金屬貧鈾(天然鈾經濃縮處理后的剩余物，主要成分為²³⁸u)，也可選擇lani5等貯氫合金。

燃料室112由中子反射層12圍成，燃料室112用于儲存燃料1121以及為燃料1121與氫氣的反應提供空間。為了更好地使燃料1121與氫氣反應并產生熱量，作為本實施例的可選方式，如圖3所示，燃料室112包括第一燃料腔1122和第二燃料腔1123，第一燃料腔1122與第二燃料腔1123連通，第一燃料腔1122為圓柱形，第二燃料腔1123為半球形，第二燃料腔1123位于第一燃料腔1122與殼體11的底壁之間，第二燃料腔1123朝向殼體11的底壁凸起。

如圖1所示，熱電轉換器13位于燃料室112的上部，并且熱電轉換器13位于中子反射層12與殼體11之間，即熱電轉換器13位于燃燒室與殼體11之間，熱電轉換器13的邊緣與中子反射層12連接。

進一步地，在本實施例中，熱電轉換器13為鈉離子熱電轉換器，其材料本身具備僅允許鈉離子通過而電子不能通過的功能，利用高溫下鈉離子流穿越該材料形成電流的原理實現熱電轉換。

進一步地，該便攜式非能動核電反應堆100還包括電流輸出端子16，電流輸出端子16位于容納腔110外，并且電流輸出端子16穿過殼體11與熱電轉換器13連通。電流輸出端子16用于將熱電轉換器13的電流輸出至外部儲存設備。

在本實施例中，燃料1121位于燃料室112內，燃料1121與熱電轉換器13之間具有間隙。也就是說，粉末狀的燃料1121的上端面與燃料室112的頂端預留足夠的空間，用以緩解金屬吸氫和運行過程中裂變產物及輻照所引起的材料腫脹。燃料1121采用燃料級(²³⁵u豐度約為5％)或更高²³⁵u豐度的金屬鈾粉末作為裂變燃料，燃料1121裝入反應堆前需經活化處理，活化的方式是采用氘氣經金屬燃料1121吸放2次以上，并保證燃料1121在裝填時，活化氣體氘被充分釋放干凈。

如圖1所示，熱管組131位于位于燃料室112內，并且熱管組131的一端與熱電轉換器13連接，熱管組131的另一端插入燃料1121內。熱管組131的插入燃料1121的一端盲封，熱管組131包括多根沿殼體11的軸向延伸的熱管，多根熱管以燃料室112的中軸線為中心沿燃料室112的徑向間隔分布。也就是說，多根熱管的排布以燃料室112中軸線為中心，按照相鄰熱管等間距陣列方式排布。多根熱管的分布既提高燃料室112內的熱能提取效率，同時保證燃料室112內的溫度場的均勻化，防止燃料室112內局部過熱。

進一步地，本實施例采用熱管提取燃料1121釋放的裂變能，熱管內充注鈉鉀合金，其中鈉的作用主要是承擔載熱及提供鈉離子，而鉀的添加主要是利用合金化來降低鈉的熔點，使得金屬鈉更易液化，并在較低溫度下呈液體狀態，以增加其載熱過程中的流動性，進而將燃料室112內的熱能載帶輸入熱電轉換器13。

氫氣導通管113用于氫氣調節室111與燃料室112連通，以便于氫氣在氫氣調節室111和燃料室112間的自由流通。氫氣導通管113位于熱電轉換器13與燃料1121之間，并且氫氣導通管113位于殼體11的頂壁與氫氣調節劑1111之間，也就是說，氫氣導通管113用于氫氣在氫氣調節室111與燃料室112之間的自由流通。

進一步地，氫氣導通管113的兩端分別裝有過濾片1131，兩個過濾片1131分別位于氫氣調節室111和燃料室112。過濾片1131的作用是，防止粉末狀的燃料1121和氫氣調節劑1111被氫氣載帶進入氫氣導通管113內，從而使得燃料1121與氫氣調節劑1111混合。作為本實施例的可選方式，過濾片1131為不銹鋼過濾片1131。過濾片1131的材料并不局限于不銹鋼材料，使用者可以根據實際情況選取不同的過濾片1131。

在本實施例中，該便攜式非能動核電反應堆100還包括復合屏蔽層17，復合屏蔽層17位于氫氣調節室111與殼體11之間，用以屏蔽內部中子和γ射線向環境的照射，該屏蔽層為輕原子核和重原子核元素組成的復合材料。

在本實施例中，便攜式非能動核電反應堆100還包括中子源18，中子源18位于燃料室112內且中子源18與燃料1121混合。中子源18采用金屬中子源，混置于燃料室112底端的金屬燃料1121中，在向反應堆內通入氫氣之前，體系處于深次臨界狀態，隨著氫氣被燃料1121的吸收，體系逐漸達到并穩定在臨界狀態，該過程無需額外調控，僅靠設計本身即可非能動實現。

本發明實施例的工作原理為：

(1)開啟氫氣進氣閥14，將定量的氫氣經氫氣進氣閥14導入出廠狀態為真空的氫氣調節室111，并經氫氣導通管113進入同樣處于真空狀態的燃料室112內。

(2)氫氣調節劑1111和燃料1121吸收氫氣的過程為放熱過程，該過程導致燃料室112和氫氣調節室111溫度升高，同時加快了燃料1121和氫氣調節劑1111的吸氫速率。

(3)燃料級的金屬鈾和作為氫氣調節劑1111的貧鈾吸氫后生成鈾氫化物，且二者的吸放氫性能基本一致，如圖4所示，隨著溫度的升高，金屬鈾的飽和氫氣壓迅速增高，這意味著，溫度升高后，金屬鈾中的吸氫量快速降低。

(4)氣隨著金屬燃料1121的吸氫量的增加，燃料1121中的h/u值不斷增高，燃料1121體系的中子有效增殖系數keff值逐漸增大，當keff值稍高于1.0時，體系在預先置入燃料1121底端的金屬中子源18所釋放的中子的影響下，迅速使燃料室112內的中子快速增值，同時中子誘發燃料1121中的²³⁵u發生裂變，釋放裂變能，進而使得燃料室112的溫度進一步升高。

(5)隨著燃料室112內的溫度升高，燃料1121中所吸收的氫氣釋放入燃料室112，并通過氫氣導通管113進入氫氣調節室111，進而被未吸氫飽和的氫氣調節劑1111所吸收，這一過程確保燃料室112和氫氣調節室111內的氫氣壓力始終維持在一定的安全壓力范圍內。

(6)燃料1121中的氫釋放后，導致燃料室112內的中子有效增殖系數keff值降低至1.0以下，從而降低燃料室112內的中子總數，進而減少裂變釋能。鈾氫化物放氫本身是一個吸熱過程，該過程將導致燃料室112內的熱能被部分消耗，同時在熱管將燃料室112內的熱能提取進入熱電轉換器13的作用下，燃料室112的溫度下降。而燃料室112內的溫度下降后，氫氣又會重新被燃料1121吸收以增大體系的keff值。如此周而復始，使得燃料室112內的中子有效增殖系數keff值始終在1.0附近波動，以維持一定功率的裂變釋能。該過程無需任何外界干涉，僅依靠燃料1121金屬鈾和氫氣調節劑1111吸放氫性能隨溫度的變化規律自我調節，因此屬于非能動的運行控制過程。

(7)燃料1121中能夠吸收熱中子(中子能量為0.0235ev)發生裂變反應釋放能量的主要是²³⁵u，而其發生裂變反應后釋放的中子能量具有連續能譜，而比熱中子能量高的中子必須通過與燃料室112內的氫核(包括被燃料1121吸收以固態鈾氫化物狀態存在和孔隙及自由空間中以氣態存在的氫)發生碰撞，進而慢化成為熱中子，方可用于誘發²³⁵u的裂變，因此，氫在這里的作用是中子慢化劑。

(8)燃料室112內的中子數量是維持燃料室112以一定功率釋放裂變能的重要因素，然而中子在其中的飛行軌跡是無方向性的，其很容易透過燃料室112壁逃逸，從而降低燃料室112內的中子利用效率，因此在燃料室112外側設計了中子反射層12(主要利用的是be核具有非常大的中子彈性碰撞截面的特點，本反應堆設計中建議使用beo)，用以將逃逸出燃料室112的中子反射回燃料室112，從而提高中子的利用率，同時減少了后續屏蔽中子的壓力。

(9)熱管的主體部分位于燃料室112，并埋于粉末狀的燃料1121中，其上端與熱電轉化器連通，位于燃料室112的下端盲封，熱管內采用低熔點的金屬鈉(或鈉鉀合金)作為載熱體。燃料室112內的熱能透過熱管壁傳至載熱體，熱管下端的載熱體受熱后密度降低，而位于熱電轉換器13中的載熱體密度高，由此產生對流效應，高溫的載熱體流入熱電轉化器，而熱電轉換器13中的低溫載熱體回流至熱管，周而復始，實現熱能由燃料室112向熱電轉換器13的傳遞。

本發明實施例的有益效果為：

本發明提供了一種便攜式非能動核電反應堆100，該反應堆利用金屬鈾的吸放氫性能隨溫度變化的特點，實現了利用氫氣作為中子慢化劑及運行控制劑的非能動反應堆設計；實現了核電反應堆的小型化、模塊化、可移動化、無水化、非能動運行控制的本質安全化。

以上僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。