空間核反應(yīng)堆電源因其功率范圍廣、比功率高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好和不依賴陽(yáng)光等優(yōu)點(diǎn),已成為未來(lái)空間探索最理想的動(dòng)力能源。熱管冷卻反應(yīng)堆作為空間核反應(yīng)堆類型之一,采用非能動(dòng)傳熱技術(shù),無(wú)泵驅(qū)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)緊湊、固有安全性高等優(yōu)點(diǎn),備受?chē)?guó)內(nèi)外研究者的青睞。而熱管冷卻空間堆所用的熱管工質(zhì)主要是鋰、鈉和鉀等堿金屬,其中鋰密度低、傳熱性能好,鋰熱管冷卻成為空間堆的主要冷卻方式之一。與傳統(tǒng)的強(qiáng)迫循環(huán)冷卻反應(yīng)堆相比,鋰熱管冷卻反應(yīng)堆在堆芯結(jié)構(gòu)、堆芯溫度、堆芯材料與冷卻方式等諸多方面有顯著差異,因而其物理特性與傳統(tǒng)核反應(yīng)堆有著明顯區(qū)別。目前國(guó)際上鋰熱管冷卻反應(yīng)堆研究尚處于概念探索階段,為深入研究鋰熱管冷卻反應(yīng)堆的物理特性,本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外空間核反應(yīng)堆相關(guān)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)概念的基礎(chǔ)上,圍繞堆芯材料選擇、發(fā)射掉落臨界安全分析和反應(yīng)性控制方式設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展鋰熱管冷卻空間堆的中子物理特性研究,具體研究?jī)?nèi)容包含:(1)鋰熱管冷卻空間堆的關(guān)鍵參數(shù)分析以及堆芯設(shè)計(jì)研究。本文以提高反應(yīng)堆安全性與中子經(jīng)濟(jì)性為原則,對(duì)鋰熱管冷卻空間堆的堆芯關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了深入研究,重點(diǎn)分析了燃料類型、結(jié)構(gòu)材料、7Li富集度等參數(shù)對(duì)鋰熱管冷卻反應(yīng)堆物理特性的影響規(guī)律,并基于分析結(jié)果設(shè)計(jì)了功率為1MWt、運(yùn)行壽期10年的鋰熱管冷卻反應(yīng)堆堆芯物理方案。研究結(jié)果表明:堆芯工作溫度在小于1500 K時(shí)使用PWC-11和Nb-1Zr兩種結(jié)構(gòu)材料具有最佳的中子經(jīng)濟(jì)性與安全性,堆芯溫度高于1500 K時(shí),Mo-14Re是最佳結(jié)構(gòu)材料選擇;此外冷卻劑中7Li富集度與UN燃料中15N含量的提高可有效提高堆芯的中子經(jīng)濟(jì)性,但會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆空泡系數(shù)略有升高,削弱堆芯負(fù)反饋效應(yīng)。(2)鋰熱管冷卻空間堆的掉落臨界安全特性研究。針對(duì)空間反應(yīng)堆的發(fā)射掉落臨界安全問(wèn)題,研究了確保鋰熱管冷卻空間堆掉落臨界安全的措施,重點(diǎn)分析了 155Gd、157Gd、151Eu和149Sm等譜移吸收材料添加到燃料中或涂抹在堆容器外壁的不同應(yīng)用方式對(duì)鋰熱管空間堆掉落臨界安全特性的影響,并比較了二者的中子學(xué)性能。研究結(jié)果表明:157Gd為最有效的譜移吸收材料,將0.5%157Gd添加到燃料中的方式可有效改善鋰熱管冷卻反應(yīng)堆的掉落臨界安全特性,且反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)反應(yīng)性虧損較小。(3)鋰熱管冷卻空間堆的反應(yīng)性控制方法研究。開(kāi)展了基于轉(zhuǎn)鼓與滑動(dòng)反射層兩種堆外反應(yīng)性控制方法的研究,探究了兩種控制方式的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)控制價(jià)值的影響規(guī)律,基于分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)了兩套反應(yīng)性控制方案,并分析了其中子學(xué)性能。研究結(jié)果表明:對(duì)于轉(zhuǎn)鼓控制方式,增大B4C吸收體厚度與10B含量可提高轉(zhuǎn)鼓價(jià)值,且轉(zhuǎn)鼓吸收體包角為120°時(shí)轉(zhuǎn)鼓價(jià)值最高,反應(yīng)堆反應(yīng)性隨轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)角的變化呈非線性關(guān)系,轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)角變化對(duì)軸向功率分布有較小的影響,但對(duì)徑向功率分布影響較大。對(duì)于滑動(dòng)反射層控制方式,在相同停堆深度下從堆芯中心附近移動(dòng)反射層可獲取較大的控制價(jià)值且所需移動(dòng)距離較短:滑動(dòng)反射層的移動(dòng)距離與反應(yīng)堆反應(yīng)性呈線性變化,且對(duì)堆芯軸向與徑向功率分布均有較大的影響。本論文的相關(guān)研究成果可為鋰熱管冷卻反應(yīng)堆的材料選型、安全研究以及反應(yīng)性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TL351.1
【部分圖文】：

邐與太＿距離（Ａｌ．，＞逡逑圖Ｕ空間動(dòng)力能源特性逡逑空間核電源一般可分為兩類：放射性同位素電源與核反應(yīng)堆電源，圖１．２為逡逑兩種空間核電源的示意圖。放射性同位素核電源是指利用放射性同位素的衰變能逡逑Ｉ逡逑

熱管冷卻反應(yīng)堆是一種利用熱管傳熱元件冷卻堆芯的新型反應(yīng)堆，與傳統(tǒng)反逡逑應(yīng)堆相比，它在堆芯結(jié)構(gòu)、冷卻劑、材料、工作溫度等諸多方面有巨大的差異［３２］。逡逑圖１．３為熱管冷卻反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)示意圖，熱管冷卻反應(yīng)堆堆芯是由多組熱管燃料逡逑組件構(gòu)成，而每個(gè)熱管燃料組件通常為數(shù)根燃料棒與一個(gè)熱管捆綁一起，熱管與逡逑燃料棒之間利用高導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)材料焊接成一體。燃料棒所釋放的核裂變熱通過(guò)結(jié)逡逑構(gòu)材料傳遞給熱管，再由熱管將熱量帶出堆芯。這種方式從根本上改變／反應(yīng)堆逡逑堆芯的幾何布置，堆芯內(nèi)每根熱管各自獨(dú)立布置，熱傳輸設(shè)計(jì)冗余大。在某一根逡逑或者數(shù)根熱管破損情況下，其熱量可通過(guò)臨近熱管帶出，而對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)無(wú)明顯逡逑影響，可有效避免系統(tǒng)的單點(diǎn)失效事故。由于省去主管道、循環(huán)泵以及一些輔助逡逑設(shè)備大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因而設(shè)備成本更低、系統(tǒng)更加緊湊。逡逑ｍ，／Ｗｋ邋．產(chǎn)邐丨逡逑（ａ）熱管冷卻反應(yīng)堆示意圖邐（ｂ）堆芯內(nèi)部布局逡逑圖１．３熱管冷卻反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)示意圖［１９］逡逑熱管技術(shù)是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Ｇ．Ｍ．Ｇｒｏｖｅｒ在１９６３年發(fā)明逡逑的

２００５年由美國(guó)新墨西哥大學(xué)提出了一種鋰熱管冷卻空間反應(yīng)堆電源系統(tǒng)概逡逑念ＨＰ－ＳＴＭＣｓ，該系統(tǒng)由鋰熱管冷卻反應(yīng)堆、溫差發(fā)電系統(tǒng)、屏蔽體、鉀熱管輻逡逑射散熱器等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖１．６所示。該系統(tǒng)中鋰熱管冷卻反應(yīng)堆的熱功逡逑率為１．６ＭＷｔ，平均每根鋰熱管攜帶大約１２．７ｋＷｔ熱量。溫差發(fā)電采用的是ＳｉＧｅ逡逑溫差材料，在正常運(yùn)行時(shí)其熱端溫度為１３００Ｋ，冷端溫度為７７６Ｋ。在這個(gè)溫差逡逑條件下，整個(gè)電源系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率為６．７％，總共產(chǎn)生１１０邋ｋＷｅ的電功率，逡逑整個(gè)系統(tǒng)的比功率為２６．８邋Ｗｅ／ｋｇ。逡逑＾—邋邐—邋９．６０邋ｍ邋－邋邐邐邐—逡逑＾邐邋１邋９７邋ｍ邋邐＊－邐｜邐２．６１邐３９，９邐２４３．２邐１６２邋Ｋ－ＨＰｓ邋［逡逑５．２９邋ｍ，邋４７．１邐ｒｎｄｔｅｔｏｆ逡逑３１４．３邋ｋ＾．邋１８２邋Ｋ－ＨＰｓ邐ｖｉｅｗ邋ｆａｃｔｏｒ逡逑３．邋－－邐１邐Ｌ邋

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本文編號(hào)：2821040