一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法

本发明涉及核反应堆，具体涉及一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法。

背景技术：

1、核反应堆的小型化是目前反应堆发展的一种趋势，目的在于减小核反应堆的尺寸、增加其灵活性，并改进其安全性以及可维护性。小型化核反应堆具有以下特点和趋势。一是低功率，小型化的核反应堆功率与核电厂反应堆(数千兆瓦级)相比，功率很低，通常只有数兆瓦或者数十千瓦。因此小型化核反应堆可以应用于电力供应、航天应用、实验室研究和热能供应等诸多场合。二是小型化核反应堆具有很高的灵活性，小型化的核反应堆可以部署到各种环境中，例如偏远地区、极端气候条件或者受灾地区，小型化的核反应堆可以满足不同地点和应用的多样性需求。三是小型化的核反应堆通常采用模块化设计，因此，小型化的核反应堆相对容易建造，还可以根据实际情况进行定制化设计。

2、目前，在小型化反应堆方面，在专利号为cn109243653a中，有人申请了一种多用途小型核反应堆电源专利，该专利中申请人利用温差发电的方式将反应堆产生的热能转化为电能以供多种用途的装备与系统使用。另外，在专利号为cn111128411b中，有人申请了一种小型固态反应堆堆芯，在该专利中堆芯采用了多块金属导热块和固态慢化剂块，燃料元件棒插入到两者的插孔中，并用石墨填补缝隙，该专利采用一体化固态堆芯设计，减少了芯体结构材料的用量。在专利号cn112943477a中涉及了一种新型紧凑式空间核反应堆电源，该电源无需换热器，直接将自由活塞斯特林发电机与反应堆堆芯连接，降低了整个装置的体积。

3、在上述的专利中，堆芯的功率较低、并且没有涉及堆芯的反应性的控制、以及如何保证堆芯的核安全。在反应堆实际运行过程中，随着堆芯燃耗的加深，需要将控制棒处在不同位置来控制堆芯的反应性，从而保证功率的稳定。另外，对于所有的反应堆而言，核安全必须放在首位，因此，目前的反应堆设计中要求在事故情况下能保证核反应的及时中止。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的堆芯的功率较低和反应性控制的问题，从而提供一种采用多层环状燃料的便携式反应堆、工作方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用多层环状燃料的便携式反应堆，包括：壳体，所述壳体依次包括第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分，且所述第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分之间设有辐射屏蔽层；上端导热石墨，设于所述第一部分内，且在所述上端导热石墨内设有压紧弹簧；堆芯，设于所述第二部分内，所述堆芯包括多层环状燃料元件和石墨慢化剂、以及反射层，所述多层环状燃料元件与石墨慢化剂层叠、且嵌套设置，所述反射层位于所述石墨慢化剂的外壁上；控制棒，包括控制棒有效段和控制棒导热段，所述控制棒有效段位于堆芯内部；下端导热石墨，设于所述第三部分内；所述控制棒导热段设于所述第四部分的底部导热石墨内，且贯穿所述下端导热石墨，并与控制棒有效段底部抵接；控制棒驱动机构，设于所述第四部分内，所述控制棒驱动机构包括控制棒电磁驱动线圈和底部拉力弹簧、以及电磁销爪机构，所述控制棒电磁驱动线圈用于提升控制棒有效段和控制棒导热段，所述底部拉力弹簧用于将控制棒有效段复位到堆芯中，所述电磁销爪机构用于精确的控制控制棒的运行步长。

3、进一步地，所述电磁销爪机构包括：外壳，设于所述底部导热石墨中，所述外壳内部设有销爪；电磁销爪拉力弹簧，一端与所述销爪连接，另一端与外壳连接；电磁销爪驱动线圈，设于所述外壳上。

4、进一步地，还包括控制棒行程管，所述控制棒行程管设于所述底部导热石墨内，且套设于所述控制棒导热段上。

5、进一步地，所述底部导热石墨内设有电磁销爪上部安装孔和电磁销爪下部安装孔，所述电磁销爪上部安装孔沿所述底部导热石墨的径向设有多个，所述电磁销爪下部安装孔沿所述底部导热石墨的径向设有多个，所述电磁销爪机构设于所述电磁销爪上部安装孔和电磁销爪下部安装孔内。

6、进一步地，多个所述电磁销爪上部安装孔和多个电磁销爪下部安装孔在所述底部导热石墨的投影上呈交错设置。

7、进一步地，还包括电磁销爪导线孔，所述电磁销爪导线孔位于所述底部导热石墨内。

8、进一步地，还包括压紧弹簧行程管，所述压紧弹簧行程管设于所述上端导热石墨内，且所述压紧弹簧位于所述压紧弹簧行程管内。

9、进一步地，沿所述壳体的外壁上间隔设有多个定位销孔，所述定位销孔用于布置散热肋片。

10、进一步地，还包括壳体导线孔，所述壳体导线孔内设有导线，所述导线与控制棒电磁驱动线圈和电磁销爪驱动线圈连接。

11、本发明还提供了一种采用多层环状燃料的便携式反应堆的工作方法，包括：

12、在反应堆正常运行的过程中，控制棒电磁驱动线圈和电磁销爪机构内的电磁销爪驱动线圈，将会持续的通电，以维持控制棒有效段的位置，保证功率水平的稳定；但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段对中子的吸收强度，需要将控制棒有效段一部分提升到上端导热石墨中，以减小对中子的吸收；对于控制棒有效段的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈持续的通电，来持续产生对控制棒的向上的拉力，控制棒电磁驱动线圈与底部拉力弹簧产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构的动作来完成对控制棒有效段的提升；

13、当反应堆处于事故情况或者需要停堆时，只需对反应堆断电即可，顶部压紧弹簧和底部拉力弹簧会对控制棒产生一个竖直向下的合力，同时，由于控制棒电磁驱动线圈和电磁销爪机构内的电磁销爪驱动线圈全部断电，电磁销爪机构的销爪，将在电磁销爪拉力弹簧的作用下，迅速回到外壳内部，电磁销爪机构对控制棒的轴向运动将不会再产生影响，因此，控制棒有效段将会全部插入到堆芯中，中止核反应的进行。

14、本发明技术方案，具有如下优点：

15、1.本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆，包括：壳体，所述壳体依次包括第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分，且所述第一部分和第二部分、第三部分、以及第四部分之间设有辐射屏蔽层；上端导热石墨，设于所述第一部分内，且在所述上端导热石墨内设有压紧弹簧；堆芯，设于所述第二部分内，所述堆芯包括多层环状燃料元件和石墨慢化剂、以及反射层，所述多层环状燃料元件与石墨慢化剂层叠、且嵌套设置，所述反射层位于所述石墨慢化剂的外壁上；控制棒，包括控制棒有效段和控制棒导热段，所述控制棒有效段位于所述堆芯内部；下端导热石墨，设于所述第三部分内；所述控制棒导热段设于所述第四部分的底部导热石墨内，且贯穿所述下端导热石墨，并与控制棒有效段底部抵接；控制棒驱动机构，设于所述第四部分内，所述控制棒驱动机构包括控制棒电磁驱动线圈和底部拉力弹簧、以及电磁销爪机构，所述控制棒电磁驱动线圈用于提升控制棒有效段和控制棒导热段，所述底部拉力弹簧用于将控制棒有效段复位到堆芯中，所述电磁销爪机构用于精确的控制控制棒的运行步长。

16、反应堆正常运行时，多层环形燃料元件作为燃料元件会持续的释放热量以及快中子，石墨慢化剂用于减速反应堆中的中子，增大中子与核燃料的反应截面，快中子在慢化剂石墨的作用下减速，由快中子变为热中子，热中子轰击核燃料，使得多层环形燃料元件持续释放热量、以及快中子，释放的中子将会重复上述过程。布置在堆芯周围的堆芯反射层，堆芯反射层用来反射中子，使中子返回到反应堆的核心区域，从而增加核反应的概率同时减少中子泄漏，即将边界逃逸的中子反射回堆芯，以减小中子泄露，同时增加核反应的发生概率。堆芯内部的控制棒有效段会持续的吸收多余的中子，使得堆芯中的链式反应变得可控。从而保证整个堆芯发生持续可控的链式反应。同时，为了进一步防止放射性物质的泄露，在堆芯两端布置辐射屏蔽层。

17、堆芯在发生持续可控的链式反应的同时，将会释放大量的热量，布置在堆芯上端的上端导热石墨和布置在堆芯下端的下端导热石墨，由于石墨很高的导热率的特性，能将堆芯中的热量快速的导出，防止堆芯产生热量堆积。

18、在反应堆正常运行的过程中，所有的电磁线圈将会持续的通电，以维持控制棒有效段的位置，保证功率水平的稳定。但随着反应堆燃耗的加深，堆芯的反应性逐渐下降，需要减小控制棒有效段对中子的吸收强度，因此需要将控制棒有效段一部分提升到第一部分中，以减小对中子的吸收。对于控制棒有效段的提升，需要将控制棒电磁驱动线圈持续的通电，来产生对控制棒的向上的拉力，控制棒电磁驱动线圈与底部拉力弹簧产生的合力竖直向上，同时配合电磁销爪机构的动作来完成对控制棒有效段的提升。

19、在反应堆实际运行过程中，还涉及到控制棒的下降操作，控制棒有效段的下降操作相比于提升操作更为简洁，只需将控制棒电磁驱动线圈断电，底部拉力弹簧产生的合力持续竖直向下，同时电磁销爪机构进行动作即可完成控制棒有效段的下降。

20、该采用多层环状燃料的便携式反应堆，自身拥有较大的功率的同时保证了反应堆的便携性。在正常运行过程中可精准的控制堆芯的反应性，在事故情况下还能在不依靠外部电力的情况下迅速中止核反应，保证了反应堆的安全。

21、2.本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆，该采用多层环状燃料的便携式反应堆还包括控制棒行程管，所述控制棒行程管设于所述底部导热石墨内，且套设于所述控制棒导热段上。通过控制棒行程管的设置，从而便于将控制棒导热段安装在控制棒行程管内，为控制棒导热段提供了安装空间；同时，为控制棒的运动提供导向作用。

22、3.本发明提供的采用多层环状燃料的便携式反应堆，多个所述电磁销爪上部安装孔和多个电磁销爪下部安装孔在所述底部导热石墨内部在投影上的交错设置。该设置方式。可以将电磁销爪机构设置为多个，并且，多个电磁销爪机构互不干涉。

23、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。