一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统

本发明涉及核能领域在内的能源领域以及机械设备，特别是涉及一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统。

背景技术：

1、热管反应堆作为一种新型的小堆，具有好的可操控性以及较优的热瞬态反馈性能，同时具有高的可靠性和低保养要求，在宇宙探索、资源开发、核能装置小型化上有着广泛的运用。热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念，通过高温热管从堆芯直接导出热量，系统设计本身就较为简化，较为适宜作为小型核电源的技术选型。热管式反应堆是以固体反应堆为核心，由高温管道将热量直接输送到堆芯，因此系统结构简单，适合于小型核能发电。

2、车载热管小型堆在实际生产中可以得到广泛的应用，它能有效降低燃油消耗，降低二氧化碳排放量。热管是由其内部的工作液进行热交换而产生的热交换，其热传导率高，等温性好，热流密度变化性好，温度特性好，环境适应性好，热二极管和热切换特性好。利用热管对汽车小型堆进行换热，可以有效地改善其热传导特性。热管反应堆是一种新的小型堆，它具有良好的可控性和良好的热-暂态反馈特性，并且可靠性高，维护成本低，因此被广泛应用于宇宙探索，资源开发，核能装置小型化等领域。目前，国外小型空间核反应堆kilopower的测试的完成表明小型热管反应堆在航空、海洋探索中应用取得了实质性进展。

3、国内外对于热管反应堆的研究主要集中于堆芯物理热工设计、材料选择及自身安全特性等内容。如专利号为202110991519.0的中国专利一种移动式的热管反应堆防撞管系统，能够减缓撞击对热管反应堆的影响。但是，对于如何防止车载移动小堆主动对于外界的碰撞和核素向环境的扩散，目前缺少相关装置和设计。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统。在防止放射性核素向环境中泄漏的同时，对放射性核素进行沉降收集，同时尽量避免作业车对于外界的主动撞击，以降低事故发生的概率。

2、本发明的技术方案，一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，包括内壳系统、外壳系统和收集系统，收集系统包括集液管道、集液泵和储液箱；

3、内壳系统罩在收集系统上；内壳系统与收集系统组合形成密封结构，作为第一道屏障对设置在储液箱上的热管小堆进行防护；

4、外壳系统罩在内壳系统的外侧；外壳系统与内壳系统之间存在空腔；外壳系统改变工作车运动状态以防撞击，并监测内壳系统是否存在核素泄漏，作为第二道屏障对泄漏的核素进行收集。

5、进一步的，内壳系统包括报警装置、核素沉降装置和内壳；报警装置沿着内壳的内壁设置，核素沉降装置安装在内壳内壁正中间位置，并位于热管小堆上方。外壳系统包括喷淋装置、定位变向装置、放射性核素浓度探测器和外壳；喷淋装置安装在外壳内壁的正中间位置，并位于核素沉降装置的上方；放射性核素浓度探测器安装在外壳的内壁上，放射性核素浓度探测器监测浓度并与喷淋装置之间电信号连接。

6、内壳的材料采用带有碳钢衬里的钢筋混凝土，外壳的材料采用钢预应力混凝土。事故压力荷载是由大量的双向预应力钢束承受的，因此，壳体结构不会出现脆性破坏，设计压力也可不受限制，受力比较安全可靠。内壳和外壳均采用排列很密的粗钢筋以能承受事故压力和温度作用。内壳和外壳采用不灌浆无粘接的预应力配筋，便于对预应力钢束作定期的检查和补张拉以及作必要的更换。可以遮挡外部飞击物的撞击，并阻挡作业车对于外部环境的主动撞击。同时外壳的外壁整个表面上设有柔性材料涂层，以缓解作业车撞向障碍物时的作用力，保证车载移动小堆堆芯的安全，尽量避免严重事故的发生；顶部采用扁穹顶，筒壁扶壁只有三个，单根钢束的承载力增大一倍，由于充分发挥普通钢筋的作用，筒壁的预压应力降低。顶部也可以采用半球顶，省去环梁，改善防扩壳结构的受力性能；

7、在事故发生后，报警装置能检测到非正常工作状态后开启报警程序提醒操作员，并开启内壳系统的核素沉降装置释放沉降液以进行第一次的核素沉降收集。沉降的液体会在自然循环和集液泵的双重驱动下进入集液管道，最后在集液箱中收集。

8、进一步的，核素沉降装置在事故发生后所喷洒的沉降液中采用硼酸溶液、铪酸铕或碳酸硼；所述硼酸溶液的溶度为3000μg/g-50000μg/g。硼酸是一种大中子吸收截面的物质，可以降低反应性。沉降液将通过收集系统收集至集液箱中以便后续处理

9、进一步的，将内壳与外壳之间形成负压，可以使得放射性核素在内壳系统逸出时可以尽量滞留于内壳外表面。同时内壳和外壳之间设置有多个小型鼓风机，使得内壳有泄漏时，放射性核素不向外泄漏，可以尽量减小放射性核素通过外壳系统的概率。

10、外壳系统包括放射性核素浓度探测器，它可以进行自我学习，检测放射性核素浓度的同时积累数据经验，以便下次可以独立判断是否输送电信号至喷淋装置以进行再次核素沉降和中子吸收。同时可以输送信号至操作员处提醒操作员关心热管小堆的状态。放射性核素浓度探测器已有现成技术，但是其与智能化的配合，仍需进一步设计和研究。

11、外壳系统包括定位变向装置，它使得作业车拥有自我驾驶功能，根据大量数据建立对应的模型，在数字孪生之后其可以拥有预测功能，面对外界的环境变化可以进行自我状态控制，进行停车或者变向，以及速度的控制，避免作业车与障碍物的主动撞击，以避免不可控因素对车载热管小堆完整性的影响。车的自动驾驶功能已经在先进汽车行业有所应用，然而在工程作业车的应用仍需进一步开发。

12、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

13、本发明的防止核素泄漏系统在会自动控制作业车的状态并且外壳和内壳会阻挡外部飞击物的撞击，若仍有核素泄漏，内壳系统会报警并通过核素沉降装置将放射性核素进行第一次沉降，废液将通过集液管道暂存到储液箱中，沉降液在将核素沉降的同时，减轻事故导致的严重后果。同时进行作业车的智能定位变向控制，尽量避免其对外部障碍物的主动撞击。

14、本发明设置了多重屏障，若有放射性核素从内壳中泄漏，外壳系统上的放射性核素浓度探测器会检测到核素并开启外壳系统上的喷淋装置，进行第二次放射性核素沉降，废液通过集液管道暂存到储液箱中并等待后续处理。确保在热管反应堆受撞击时及时阻止核辐射泄漏，来减轻因撞击带来的泄漏危险，有效的提高了小型热管反应堆的安全性能，保障环境及人身安全。

15、本发明的防止核素扩散系统经济型好、安全性能强、检查维修方便，能适应车载热管反应堆的防止核素泄漏要求。可用于各种需提供防止核素泄漏的各类小型核反应堆特别是移动式热管反应堆上。

技术特征：

1.一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，包括内壳系统(1)、外壳系统(2)和收集系统(3)，其特征在于，收集系统(3)包括集液管道(31)、集液泵(32)和储液箱(33)；

2.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，内壳系统(1)包括报警装置(11)、核素沉降装置(12)和内壳(13)；报警装置(11)沿着内壳(13)的内壁设置，核素沉降装置(12)安装在内壳(13)内壁正中间位置，并位于热管小堆(4)上方。

3.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，外壳系统(2)包括喷淋装置(21)、定位变向装置(22)、放射性核素浓度探测器(23)和外壳(24)；喷淋装置(21)安装在外壳(24)内壁的正中间位置，并位于核素沉降装置(12)的上方；放射性核素浓度探测器(23)安装在外壳(24)的内壁上，放射性核素浓度探测器(23)监测浓度并与喷淋装置(21)之间电信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，内壳(13)的材料采用带有碳钢衬里的钢筋混凝土，外壳(24)的材料采用钢预应力混凝土。

5.根据权利要求4所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，内壳(13)和外壳(24)采用不灌浆无粘接的预应力配筋。

6.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，报警装置(11)检测报警信号，并开启核素沉降装置(12)进行第一次核素沉降收集。

7.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，核素沉降装置(12)所喷洒的沉降液中采用硼酸溶液、铪酸铕或碳酸硼；硼酸溶液的溶度为3000μg/g-50000μg/g。

8.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，核素沉降装置(12)通过自然循环和集液泵(32)将含有放射性核素的废液储存在储液箱(33)中。

9.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，通过真空泵降低内壳(24)处的压力，内壳(24)内部形成负压环境；同时内壳(24)和外壳(13)之间设置有多个小型鼓风机，可以从外壳(13)向内壳(24)方向吹风，使得内壳(24)有泄漏时，放射性核素不向外泄漏。

10.根据权利要求1所述的一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统，其特征在于，定位变向装置(22)使得作业车拥有自我驾驶功能，避免作业车与障碍物的主动撞击。

技术总结
本发明涉及一种在事故条件下车载热管反应堆防止核素泄漏系统。在将车载热管反应堆应用于工程实践时，需要考虑在正常作业时因外部碰撞等因素带来的核素扩散问题。本发明的防泄漏系统首先具有智能变向功能，可以通过对外界的情况判断控制作业车的状态，以尽量避免作业车对外部环境的主动撞击；其次在发生外部碰撞时其可以最大限度地保证内部堆芯得完整性，以防止事故的发生；在事故发生时其通过两道屏障实现核素的收集，以确保在事故发生时放射性核素未能扩散到环境中，以保障人身及环境安全，实现安全最大化。防扩壳系统可以适合于各类移动式核能系统，在边远地区、海岛、太空等许多领域都可以得到重要应用。

技术研发人员：周涛,张豪磊,刘鹏,唐剑宇
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16