本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆工程研究設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種球形燃料反應(yīng)堆。

背景技術(shù)：
球形燃料元件已應(yīng)用在高溫氣冷堆中，由于其有易于裝料、換料，對放射性物質(zhì)的良好包容能力等優(yōu)點，得到了普遍的認同。熔鹽堆綜合性能良好，但高溫下熔鹽的強腐蝕性是工程上難以解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明球形燃料反應(yīng)堆是把核燃料和固體冷卻劑一起封裝在球形固體中，制成球形燃料組件，并通過機械傳送系統(tǒng)，使球形固體在反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間循環(huán)流動，達到熱量由反應(yīng)堆傳遞到蒸汽發(fā)生器的目的。一般認為只有液體和氣體才能作為反應(yīng)堆冷卻劑，本發(fā)明球形燃料反應(yīng)堆是采用球形固體作為冷卻劑。球形固體有良好的滾動能力，大量的球形固體顆粒聚集在一起流動，可以表現(xiàn)出一些和液體流動類似的特征，特別是當(dāng)球形固體粒徑較小時，其流動特性和液體流動特性很相似。球形燃料反應(yīng)堆是讓球形固體顆粒借助其自身重力在反應(yīng)堆內(nèi)由上往下流動，并用提升傳送裝置把球形固體顆粒提升到需要的高度，球形固體不斷的上下循環(huán)流動。球形燃料反應(yīng)堆利用這種球形固體顆粒的循環(huán)流動來傳遞熱量。使熱量由溫度高地方傳遞到溫度低的地方。把核燃料封裝在球形固體中，固體對放射性物質(zhì)有良好的包覆能力，可以阻止放射性物質(zhì)的擴散，有利于安全。這種熱量傳遞的過程不僅在反應(yīng)堆里面有應(yīng)用價值，在其它工業(yè)領(lǐng)域可能也有應(yīng)用價值。球形固體顆粒集體流動的特性與其粒徑大小有很大關(guān)系，粒徑越小，其流動特性越接近液體，性狀和液體也越接近。球形固體顆粒是靠自身的滾動來流動，在重力作用下流動時實際上只有與壁面接觸的球有滾動，其上方其他的球以平動為主。粒徑越小，固體顆粒堆積時空隙率越小，導(dǎo)熱能力越好。如果顆粒溫度較高，顆粒通過熱輻射傳熱也是需要考慮的，高溫顆粒通過輻射傳遞熱量的速度可能比接觸熱傳導(dǎo)還快。球形固體顆粒傳熱速度比水的傳熱速度相比可能要慢，因為固體不能通過湍流傳熱。固體作為冷卻劑的優(yōu)勢是核燃料可以彌散在固體里面，使熱源不過分集中在某一點，因而可以彌補傳熱能力方面的不足。不能使反應(yīng)堆局部溫度過高，因此以球形固體作為冷卻劑的反應(yīng)堆體積功率密度可能要低一些。同樣功率的反應(yīng)堆其總體積可能要比壓水堆體積大。通過一些設(shè)計可以使單個核燃料球有自身的固有安全性，可以控制單個球里面的核燃料數(shù)量，因而產(chǎn)生的熱量速度可以控制在一定限度，以至于核燃料球可以在自身溫度升得太高之前就把熱量通過熱輻射傳遞出去，即使在周圍沒有其他冷卻劑情況下。反應(yīng)堆內(nèi)還有較多的不含核燃料的粒徑較小的冷卻劑球，這些球也用來把熱量傳出反應(yīng)堆。核燃料球通過熱傳導(dǎo)和熱輻射把熱量傳遞給這些冷卻劑球，這些球也使反應(yīng)堆有較大的熱工裕量，事故情況下可以把熱量傳遞到反應(yīng)堆外面，還可以良好的包覆核燃料，提高了反應(yīng)堆的安全性。反應(yīng)堆容器外部可以放置較多的固體材料，并使之與反應(yīng)堆容器保持良好的接觸，這樣反應(yīng)堆的余熱可以通過熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞出來，反應(yīng)堆不會熔化。本發(fā)明球形燃料反應(yīng)堆主回路由反應(yīng)堆容器、蒸汽發(fā)生器、提升傳送裝置組成，反應(yīng)堆下部出口的高度處于低于或等于蒸汽發(fā)生器上部入口的高度，反應(yīng)堆設(shè)置兩套提升傳送裝置，分別用來把球形固體由反應(yīng)堆下部出口提升傳送到蒸汽發(fā)生器上部入口，把球形固體由蒸汽發(fā)生器下部出口提升傳送到反應(yīng)堆容器上部入口。球形固體在反應(yīng)堆容器內(nèi)吸收核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量后，在重力作用下落到堆容器下部出口，提升傳送裝置把球提升傳送到蒸汽發(fā)生器入口，球形固體在蒸汽發(fā)生器里面靠自身重力下落，并把熱量傳給冷側(cè)的水，落出蒸汽發(fā)生器后，提升傳送裝置再把球提升傳送到反應(yīng)堆容器上部入口。如此不斷循環(huán)，達到把熱量由反應(yīng)堆傳出到蒸汽發(fā)生器的目的。球形燃料反應(yīng)堆對于熱中子和快中子反應(yīng)堆都是適用的，可分別設(shè)計成兩種類型的反應(yīng)堆。提升傳送裝置類似于電動扶梯，為了減少對核燃料元件的損傷，盡量避免球的滾動，采用兩套提升傳送裝置，球在循環(huán)過程中只有重力作用下落過程可能有碰撞。機械傳送系統(tǒng)盡量采用大截面低流速的方案。低流速可以減小核燃料球受的摩擦力，這與球形固體顆粒的流動特性相適應(yīng)。由于球的溫度較高，應(yīng)盡量選用耐高溫的提升機。提升傳送裝置應(yīng)有良好的密封性，雖然反應(yīng)堆在接近常壓下運行，仍需要充以保護性氣體，隔離氧氣，使主回路保持一個密閉的環(huán)境是必要的，密閉的回路也可以作為一道放射性安全屏障。雖然采用一套提升傳送裝置也是可行的，但長期燃料球的滾動會增加球的磨損，影響球的使用壽命。提升傳送裝置應(yīng)該設(shè)計成能傳輸粒徑較小的固體顆粒，可以選用鋼絲布制成的傳送帶。為了防止固體顆粒從傳送帶兩邊的縫隙流失，傳送帶兩邊設(shè)置護欄，且護欄可以跟隨傳送帶一起移動。也可以設(shè)計中間低兩邊高的傳送帶，使固體顆粒不向兩邊流失。還要防止固體顆粒流到移動部件和靜止部件之間的縫隙里面，影響傳輸系統(tǒng)安全運行。為了盡量減小核燃料球在反應(yīng)堆容器上方靠重力下落時的沖擊力，傳輸系統(tǒng)也設(shè)計成有一定向下的傾角，使核燃料球緩緩的向下流動，傳輸系統(tǒng)的低端也設(shè)計有一定的傾角，使核燃料球不往后流動，這可以通過設(shè)計特定的導(dǎo)向軌道來實現(xiàn)。反應(yīng)堆容器上方入口設(shè)置導(dǎo)向槽道，使核燃料球能夠緩緩的往下流動。這種傳輸系統(tǒng)對固體顆粒的直徑還是有一定的要求的，太小接近粉末狀的固體可能并不適合采用這種傳輸裝置，因為很難保證傳輸過程中不流失。傳送帶應(yīng)該設(shè)計成有一定的柔性，以減小核燃料球與傳送帶的碰撞損傷，鋼絲布能夠滿足這一要求。機械傳送系統(tǒng)需要有冷卻措施，以防止其溫度上升太高降低機械強度。兩套提升傳送裝置應(yīng)該保持同樣的流量，相互之間保持協(xié)調(diào)是必要的。球形燃料反應(yīng)堆的控制捧直徑與壓水堆的控制棒相比要大，主要是因為核燃料球在反應(yīng)堆容器內(nèi)往下流動是一個機械運動的過程，機械運動對于其運動的部件有機械強度的要求，細小的控制棒顯然不能滿足機械強度的要求，應(yīng)該采用柱狀的控制棒，其直徑較大。為了與核燃料球機械移動的特性向適應(yīng)，控制棒柱的截面形狀設(shè)計成環(huán)形跑道那樣的形狀，其側(cè)面與核燃料球流進反應(yīng)堆容器的方向平行，這樣可以減小流動阻力。如果有固體慢化劑，控制棒可以置于慢化劑中制成機械強度較高的棒柱，則對于控制棒沒有特殊要求。反應(yīng)堆控制棒裝在一個由耐高溫高硬度材料制成的空心柱管里面，套管壁應(yīng)較厚，有較高的機械強度。因為機械運動的特性，球形燃料反應(yīng)堆對于堆內(nèi)構(gòu)件的機械強度要求更高。多根控制棒柱布置在反應(yīng)堆容器里面可能會增加球形固體流動的阻力，球形固體顆粒的流動性比液體要差一些。如果是多環(huán)路的反應(yīng)堆，球形固體流動方向的不一致可以彌補其流動性能的不足。與壓水堆一樣，控制棒相互連接固定起來，做成控制棒組件，控制棒的上下移動可以實現(xiàn)對反應(yīng)堆內(nèi)反應(yīng)性的控制。核燃料球形固體由內(nèi)層核燃料和外層冷卻劑組成。球形燃料反應(yīng)堆并不需要冷卻劑持續(xù)處于液態(tài)，但也允許冷卻劑在固態(tài)和液態(tài)之間轉(zhuǎn)變。對于功率密度不大的反應(yīng)堆，可以采用固體冷卻劑，也不需要固體冷卻劑熔化，這樣可以選用一些耐高溫材料作為冷卻劑，固體承受外力的能力較強，球不容易發(fā)生破損。即使發(fā)生輕微的破損，放射性裂變產(chǎn)物也較難擴散開來，固體顆粒冷卻劑也不會流失，有利于系統(tǒng)的安全。對于小功率堆，采用固體冷卻劑系統(tǒng)有較高的固有安全性。用于做冷卻劑的固體材料應(yīng)中子截面低、熱導(dǎo)率高、比熱容大、耐高溫、高硬度，以至于很高的溫度下仍然能良好的包覆放射性物質(zhì)，氧化鎂、氧化鋁、碳化硅是比較常見的耐高溫材料，一些復(fù)合材料如金屬陶瓷、鎢銅等會較好的符合要求。碳化硅有比熱容大，247℃時為1266.93J/(kg·k)，熱導(dǎo)率大，耐高溫性能良好，高硬度的特點，是綜合性能較好的固體冷卻劑。把核燃料粉末壓制成一兩毫米的核燃料小球，再用耐高溫固體冷卻劑將其包覆起來，制成約十毫米左右的核燃料球。如果允許固體熔化，或者采用液體核燃料，最外層還有用耐高溫高強度的固體材料制成的厚包殼，內(nèi)層和外層之間有支撐結(jié)構(gòu)，用于承受外力，避免外力作用到核燃料元件上。冷卻劑的相變可以大幅提高熱量傳遞能力，用熔點低的固體材料如鋁、鎂、銅以及它們的合金作冷卻劑，冷卻劑的流量可以大幅減少。鋁有中子截面低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熱導(dǎo)率高，比熱容大，熔點低，與核燃料能夠良好共存的優(yōu)點。鋁可以和核燃料形成合金，鋁熔化時，核燃料可以游離在液態(tài)鋁中，形成熔融物，熔融物有良好的傳熱能力，有利于系統(tǒng)的安全，鋁可以起到包覆核燃料的作用，鋁的熔點低但沸點很高，反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重事故堆芯熔化時，鋁可以防止放射性物質(zhì)擴散。鋁的熔點低，熔化熱大，是綜合性能較好的金屬冷卻劑。鋁在反應(yīng)堆內(nèi)熔化在蒸汽發(fā)生器里凝固，可以實現(xiàn)相變傳熱，這對于快中子反應(yīng)堆比較重要，但由于液態(tài)的鋁沒有機械強度，球形固體外圍還需要耐高溫高硬度材料制成的包殼，碳化硅是一個比較好的選擇。為了提高球的抗沖擊能力，還需要在球形固體內(nèi)部架設(shè)支撐結(jié)構(gòu)，使球有較高的硬度。球的損壞會導(dǎo)致放射性液體的流出，采用良好的機械設(shè)計方案使球有高強度高硬度是必要的。為了使冷卻劑有足夠的熱容量，冷卻劑的裝量較多。需要根據(jù)反應(yīng)堆的實際用途，確定堆容量的大小，合理安排核燃料和冷卻劑的量。球形固體之間會有一些間隙，使用一些較小的冷卻劑球來填充這些空隙是必要的，小冷卻劑球也隨同核燃料球一起由提升傳送裝置在反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間循環(huán)。為了使核燃料球形固體顆粒有更好的流動性，粒徑越小越易流動，也不容易因球之間的碰撞而破裂，主要是小球自身重量小，下落時碰撞點的碰撞力小，固體材料有一定許用應(yīng)力限值，小顆粒顆粒群的形狀也易于改變，因而應(yīng)該把核燃料球做得盡可能小，這就需要里面放置的核燃料數(shù)量也較少。加入一些粒徑更小的不含核燃料的冷卻劑球與核燃料球的均勻的混合起來可以使堆積空隙率很小，傳熱能力增強，顆粒群流動的時候?qū)嶋H上只有粒徑較小冷卻劑球與壁面有滾動，核燃料球幾乎不滾動，只是跟隨著移動。核燃料球的直徑10毫米左右可能是比較合適的，具體大小需要綜合考慮，且通過球的流動試驗確定。對于熱中子堆，球形燃料反應(yīng)堆可以采用石墨和水作為慢化劑。以石墨作為慢化劑固有安全更好，體積也較大，石墨做成柱狀，置于反應(yīng)堆容器內(nèi)。如果采用水作為慢化劑，反應(yīng)堆體積可以大幅減小，如果采用重水，會更優(yōu)越。水在反應(yīng)堆內(nèi)只作為慢化劑，不用于導(dǎo)出反應(yīng)堆熱量，水管和核燃料球之間有隔熱腔，中間有氣體，這樣熱量很少能夠傳遞給水，水在反應(yīng)堆容器內(nèi)不汽化，壓力也不大，其熱量通過循環(huán)回路導(dǎo)出到外部。球形燃料反應(yīng)堆正常運行情況下泄露的放射性裂變產(chǎn)物很少，裂變產(chǎn)物幾乎都被固化在固體冷卻劑里面，即使核燃料球出現(xiàn)裂紋也只有很少的放射性裂變產(chǎn)物泄露出來。本發(fā)明球形燃料反應(yīng)堆的蒸汽發(fā)生器不同于壓水堆的蒸汽發(fā)生器，其功能和結(jié)構(gòu)與鍋爐很相似。把核燃料球的熱量傳遞給水，可以有多種方式。核燃料球在提升傳送裝置上移動，其截面可以較大，可以在提升傳送裝置里面設(shè)置水管，并排的水管與球的移動方向一致。系統(tǒng)設(shè)置風(fēng)道系統(tǒng)，氣體從提升傳送裝置的底端向高端流動，核燃料球的熱量通過熱輻射、熱傳導(dǎo)、氣體對流傳遞給水。如果球的直徑大一些，傳送帶可以允許有空隙，氣體可以透過堆積的核燃料球，氣體與核燃料球之間有良好的傳熱，則可以使氣流從傳送帶下側(cè)向上側(cè)流動，氣流流動到上側(cè)的水管時就把熱量傳遞給水，這樣通過氣體的不斷循環(huán)流動和熱輻射，熱量傳遞給了水。如果球堆積時有足夠的空隙讓氣體流過，在反應(yīng)堆容器里面也可以通過這種方式導(dǎo)出熱量。當(dāng)核燃料球移動到蒸汽發(fā)生器里面，蒸汽發(fā)生器內(nèi)設(shè)置了許多流道，流道的方向與核燃料球流進方向一致，流道之間有水，流道窄而長，流道用高硬度、耐磨、熱導(dǎo)率高的材料做成，核燃料球的熱量通過熱輻射、熱傳導(dǎo)傳遞給水。長流道使蒸汽發(fā)生器有很大的傳熱面積，蒸汽發(fā)生器體積可以設(shè)計得較大，核燃料球在蒸汽發(fā)生器里面停留時間可以較長，使核燃料球可以有較長的時間把熱量傳遞給水。如果球的堆積空隙率大，也可以設(shè)置氣體循環(huán)回路，幫助傳熱，氣體吸收核燃料球的熱量后流經(jīng)后面的水管，把熱量傳遞給水。為了盡可能的提高冷卻劑的傳熱能力，可以在把鋁封裝在球形固體冷卻劑顆粒內(nèi)，制成導(dǎo)熱能力較強的小球顆粒。蒸汽發(fā)生器熱側(cè)也允許有液體，加入液態(tài)金屬可以大幅加強球形固體和冷側(cè)工質(zhì)之間的傳熱?？梢栽跓醾?cè)加入水，水作為核燃料球與冷側(cè)的傳熱介質(zhì)，但通常并不希望水進入到反應(yīng)堆內(nèi)，為了避免這種情況，蒸汽發(fā)生器下部設(shè)置一個水箱和水泵，水泵用來把水抽到蒸汽發(fā)生器的上部，水到達蒸汽發(fā)生器上部后借助自身重力向下流動，并與核燃料接觸，冷卻核燃料球，然后流回落到下部水箱，這樣水起到傳熱介質(zhì)的作用，把熱量傳遞給了冷側(cè)的水。設(shè)置一個類似壓水堆的蒸汽發(fā)生器，利用水循環(huán)回路冷卻核燃料球，把核燃料球的熱量，傳遞給水，再通過蒸汽發(fā)生器的熱交換，把熱量傳遞給二回路水也是可行的。蒸汽發(fā)生器內(nèi)部是低放射性的，為了阻止核燃料發(fā)生核反應(yīng)，里面放置大量的強中子吸收材料，如硼、鎘。蒸汽發(fā)生器是一個把核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳出到外界的鍋爐，核燃料在里面發(fā)生衰變，放出強射線，因而也是一個有放射性的環(huán)境，但相比反應(yīng)堆內(nèi)高中子通量照射放射性小了很多。核燃料球的溫度較高，可以使二回路的水達到較高的溫度，可以滿足超臨界的要求，因而這種反應(yīng)堆可以有較高的熱效率。如果采用耐高溫材料，使流出的核燃料球溫度更高，甚至可以驅(qū)動效率更高的布雷頓循環(huán)(燃氣輪機)發(fā)電機。設(shè)置二次熱交換回路屏蔽放射性，還可以用于供熱、熱化學(xué)產(chǎn)氫、煤的液化和氣化等。如果選用中子截面較低的材料作冷卻劑，降低中子有害吸收，球形燃料反應(yīng)堆可以有較大的增值比，特別是如果設(shè)計快中子堆，其增值能力可以較強。可以使用壓水堆卸出的乏燃料作燃料，嬗變高放廢物。一些固體材料中子吸收截面很低，幾乎不吸收中子，采用這樣的固體作冷卻劑，可以使?jié)舛容^低的核燃料達到臨界，因而球形燃料反應(yīng)堆可以充分的利用核燃料。球形燃料反應(yīng)堆內(nèi)核燃料類型、濃度、數(shù)量，冷卻劑的類型、數(shù)量，核燃料球的直徑、結(jié)構(gòu)，是可以根據(jù)反應(yīng)堆實際用途進一步詳細確定的。機械傳送系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致球不能傳出反應(yīng)堆，反應(yīng)堆內(nèi)核燃料不能得到冷卻，可能引發(fā)堆芯熔化事故。反應(yīng)堆內(nèi)有大量固體冷卻劑，堆芯熔化時，冷卻劑和核燃料一起熔化形成熔融物，冷卻劑可以把放射性物質(zhì)包覆起來，阻止其向外部環(huán)境擴散，因而即使出現(xiàn)堆芯熔化的嚴(yán)重事故也只有少量的放射性物質(zhì)泄露。和其他類型的反應(yīng)堆一樣，球形燃料反應(yīng)堆也可以用很多能動和非能動的措施阻止事故朝堆芯熔化方向發(fā)展。球形燃料反應(yīng)堆有一個獨特安全性能是，可以采用較小的能量，把已經(jīng)停堆但還有大量余熱的核燃料球移動到蒸汽發(fā)生器內(nèi)，蒸汽發(fā)生器里面有大量的水，可以慢慢的把熱量傳遞給水。即使蒸汽發(fā)生器的水流失，核燃料球被擴展得很寬，有很大的傳熱面積，單個核燃料球功率密度不大，核燃料被彌散到數(shù)量較多的固體冷卻劑中，可以通過其自身的熱傳導(dǎo)和熱輻射傳出熱量。也可以利用重力把球形固體顆粒冷卻劑注入到蒸汽發(fā)生器的水側(cè)。把蒸汽發(fā)生器包覆起來，形成很大的固體保護屏障。反應(yīng)堆的余熱可以采用多種方式導(dǎo)出，可以設(shè)置類似氣冷堆的氣體傳熱系統(tǒng)，用于緊急情況下導(dǎo)出堆芯余熱，氣體傳熱系統(tǒng)可能還可以用于氣態(tài)放射性裂變產(chǎn)物的吸收凈化。反應(yīng)堆內(nèi)可以預(yù)留了注水通道，用于反應(yīng)堆停堆關(guān)閉時正常熱量傳輸系統(tǒng)失效時導(dǎo)出堆芯余熱，注水通道在反應(yīng)堆正常運行時是空的，一般不允許水進入。預(yù)留的注水通道可以采用和壓水堆同樣的原理，導(dǎo)出反應(yīng)堆余熱。反應(yīng)堆容器外壁螺旋式布置不銹鋼管道，堆芯失去冷卻時，可以往管道內(nèi)通水，達到冷卻堆芯的目的。本發(fā)明球形燃料反應(yīng)堆可以設(shè)計成小功率堆，即使在所有能動的堆芯余熱導(dǎo)出系統(tǒng)都失效時，也能通過非能動的措施導(dǎo)出堆芯余熱。由于反應(yīng)堆功率小，體積功率密度低，系統(tǒng)總是有足夠的熱量擴散能力導(dǎo)出堆芯余熱，這樣反應(yīng)堆有較高的固有安全性。較高的固有安全性比較容易被人們所接受，因而這種反應(yīng)堆可以較廣泛的使用。附圖說明圖1球形燃料反應(yīng)堆系統(tǒng)示意圖1反應(yīng)堆容器2蒸汽發(fā)生器3電動機4提升傳送裝置5控制棒圖2帶冷卻劑外層的核燃料球形固體1核燃料2冷卻劑3支撐結(jié)構(gòu)4外層包殼具體實施方式本發(fā)明提出了一種把核燃料和固體冷卻劑一起封裝在球形固體中，并通過機械傳送系統(tǒng)使球形固體在反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間流動達到把熱量傳出到蒸汽發(fā)生器的核反應(yīng)堆。這種反應(yīng)堆用途廣泛，可以根據(jù)實際用途進一步詳細設(shè)計。特別是如果設(shè)計成小功率堆，固有安全性較高，可以在很多領(lǐng)域使用。