新型核动力系统的发展

书书书!第!卷增刊原子能科学技术#$%&!!’())%&!*++,年-*月./$012345678’21542594:;524$%$78=52&*++,新型核动力系统的发展马云峰!赵福宇西安交通大学核能科学与工程系!陕西西安!-++!,#摘要!目前对于能源需求形式出现了许多新的要求!这样便产生了许多新型反应堆来满足其要求!这些反应堆也越来越多地受到人们的重视$本文综述了水下新型堆!空间堆和激光堆的性能和特点$这些新型堆为我国的航空航天!水下等特殊条件下的能源供给提供了相适应的选择$关键词!水下新型堆%空间堆%激光堆中图分类号!?,!@&-A!!!文献标志码!.!!!文章编号!-+++BA,-*++,#’-B+-,B+!!#$%&’()%*+,-$./0%1/2345)’C.D(4BE547!FG.HI(B8(!#$%&’(#)%*#%&*+,*-)*%%’)*-!.)&&*/)&010*-2*)3%’4)15!.)&&*-++!,!67)*ʣ)/.-)’!;$055/:1EE5654/545678:5094:J!/56592/$6J$E094845K/8)5J965:5L5%$)5:&;5J56592/$6J9%J$9L5M5540$6594:0$659//54/1$4J&;1J)9)56J(6L58J(4:56BK9/566592/$6!J)9256592/$694:4(2%596B)(0)5:%9J566592/$6&;545K6592/$6JK1%%M59:9)/5:/$)6$L1:5545678J())%8E$6956$J)925$6(4:56BK9/56J)5219%2$4:1/1$4J&841%/25’(4:56BK9/566592/$6%J)9256592/$6%4(2%596B)(0)5:%9J566592/$6收稿日期!*++,B+B*+%修回日期!*++,B-+B-作者简介!马云峰-,N*(#!男!陕西扶风人!硕士研究生!核能科学与工程专业9!水下新型堆水下核反应堆是水下核动力能源生产电能的装置$铀核裂变释放出的能量是以热能的形式出现的!而这种热能需借助旋转机械才能转换成电能$这种装置在大气中操作并无困难!但在全体淹没在海水中的条件下!欲使用这类机械实际上十分困难!尤其在这种条件下对旋转机械进行操作)管理和维修均存在很多问题$而水下核反应堆的宗旨是建立一适用于水下条件的反应堆!将核能直接转换成电能!以此克服这些困难$人们早已提出了适用于水下的反应堆的设计概念*-+$水下核反应堆主要部件有’由燃料元件组成的堆芯!控制元件及热离子二极管组件$在这些热离子二极管组件中!每个组件均被惰性气体包围!每个二极管的发射极均含有裂变材料$堆芯是装在被生物屏蔽套包围的单独的冷却系统中!而在该生物屏蔽套中配备了温度自动调节装置和维持冷却液体与海水之间压力的平衡装置$水下核反应堆基本结构示于图-$水下反应堆包括堆芯-!中心部分是由热离子二极管组件*组成$二极管组件*由导线!相互连接!以便向电缆@传输电流!电缆@与使用电路连接起来图中未显示#$每个组件*被放置在压力管A内!压力管A及堆芯上方和下方的腔图-!水下反应堆的正剖面图9#和局部详图M#I17&-!O4:56BK9/566592/$6E6$4/BE9259#94:%$29%)12/(65M#室和N均充有惰性气体$堆芯-被装在一次屏蔽套,内!屏蔽套,又被装在浸没在海水--中的二次屏蔽套-+内$冷却剂按箭头8方向流动$在热交换器-*中!冷却剂的循环受具有伺服机构-!的阀门-控制$屏蔽套,和热交换器-*带有-个加压冷却剂的装置-@!冷却剂通过自然对流在其中循环$二次屏蔽套-+内有-个和二次屏蔽套-+同轴的环形导向装置-A!在导向装置-A的末端带有流动孔道-!在其引导下二次冷却剂按箭头9方向流动$装有薄膜-,的压力调节装置-N一端与二次屏蔽套-+相通!另一端与海水--相通!用于平衡屏蔽套-+与周围海水--之间的压力$*@为手动反应堆控制装置!**为伺服机构$中子探测器*将反应堆运行数据提供给操纵者$阀门-的伺服机构-!!中子探测器*和中子吸收元件的伺服机构**均连接到信息和控制中心*!$:!空间堆空间飞行器发展到今天!对于能源的要求已有很大的变化!它们需更加可靠的电力输出系统来满足能源需求!而太阳能电池板其劣势在于!如果飞行器与太阳的距离太远!便不能保证足够的阳光照射!从而无法满足飞行器的能源要求$用核反应堆来提供能源则不存在与太阳远近的问题$基于热离子转换原理的核能系统对于长时间的空间任务有着明显的优势$热离子空间堆无移动部件从而保证了空间运行时的高稳定性%无需复杂的涡轮机械装置便能达到很高的转换效率!从而减轻了自身系统的重量%空间堆体积小)结构紧凑)重量轻!便于制作和往空间轨道的发射$热离子空间堆由于上述优势!已越来越适应当今空间任务的需求$美国已于*+世纪A+年代开始了相关领域的调查!在-,NA年!美国设立了热离子燃料元件验证工程;I3#P#!研究热离子燃料元件在空间任务中的应用$目前美国基于热离子转换原理设计的空间堆!其运行时间可达*!9**+$热离子转换基本原理如图*所示*+$电子在金属内部和其表面能量的差称为电子工作潜能!金属表面电子的能量称为费米潜能!当电子的能量超过金属的费米潜能时!电子便会脱离金属表面被发射出去$热离子能量转换正是基于热金属表面的电子发射原理$装置中包括两个电极!温度高的为发射极!温度低的为接收极$热源是核反应堆!它为发射极提供热量!当发射极的温度足够高!其表面的电子便会被发射出去!只要极间的距离足够小!电子便会被接收极所俘获!电子的能量便传递给了接收极!在此过程中!如果发射N,-原子能科学技术!!第!卷极金属的费米能高于接收极金属的费米能!便会产生电流!电能数值的大小等于两极金属费米能的差$图*!热离子转换基本原理I17&*!Q9J12)61421)%5$E/5601$4122$4L56J1$4基于热离子二极管的特点!美国设计的混合反应堆如图所示*+$混合型空间堆有控制棒!用来控制反应堆的功率$外层防护层的组成材料有氢化锂以阻止中子泄露!用钨以阻止射线$氢气经过预热由反应堆的底部进入!再经由热离子二极管组成的堆芯!氢气被加热后喷出空间堆!为空间飞行器提供推动力$这种空间堆既为空间飞行器提供了电能!又提供了推动力!更适用于现代空间飞行任务的要求$图!混合反应堆正剖面图I17&!C1R6592/$6E6$4/BE925)12/(65;!激光堆激光堆发展至今已有!+多年!由于其高能量和高的能量转换效率!-,A年建立了第-座激光堆!目前全球已建立了多座激光反应堆*!+$激光堆是将核裂变所产生的带电粒子的能量传递给激光媒介从而产生激光!是一种直接转化核裂变能量的方式$核裂变可提供巨大的能量来激发和电离激光媒介$裂变碎片携带了裂变的主要能量!通过对激光媒介的激发和电离将能量传递过去$电离产生了高能量的二次电子!其携带了主要的离子能量$激光媒介是气态的!以利于光子通过$二次电子产生了电离和激发$能量主要通过电子传递$激光动力学主要依赖于中子动力学$激光堆系统的优势在于中子有很高的穿透能量!还拥有很高的能量转换效率$激光堆不需间接的媒介来产生电力!从而系统效率得以提高!系统也更为简单$激光堆基本原理示于图!$图!!激光堆基本原理示意图I17&!!Q9J12)61421)%5$E4(2%596B)(0)5:%9J566592/$6以核为能量驱动的系统需要一在离子源与激光媒体间有良好能量转换效率的界面$在众多的选择中!固体B气体所使用的激光媒体是气态的!且有很高的能量转换效率$固体B气体界面有如下方式’-#常规的能源表面%*#热源$;9!常规表面能源对于固体B气体界面!常规方法是将燃料放置在金属底层!从而形成一通道!可让气态的激光媒体穿过该通道!直接与燃料接触$核裂变在燃料层中发生!半数的裂变碎片运动到金属底层!另一半移动到激光气态媒体中$由于碎片的运动路径非常短!相当多的能量损失在燃料层中$如果燃料层足够薄!对气态激光媒体的能量转换效率能达到*@S!而一般情况下为*+S$,,-增刊!!马云峰等’新型核动力系统的发展;:!热源激光媒体是气态的TH*!裂变能量以热量的形式传递给激光媒体$TH*激光在高能量装置中是有效的连贯光能!对于激光堆的TH*激光温度和电子能量分布有着很大的影响$因此!有两个方案可供选择’-#能量转换方案%*#动态气体系统$在能量转换方案中!混合在TH*与G5中的气态?*被裂变碎片所激发$混合空间的温度可通过共振将能量从?*传递给TH*$在气体动态系统中!-@++U的气体被传递到?*与TH*的混合物中$高温的混合气体通过膨胀来降低能量$迅速膨胀可减少高温状态下TH*与?*的能量$少量的G5与G*H能够提升在膨胀过程中TH*的钝化作用$装置可产生-+VA#0的激光$发射激光后!气体会被密封!且返回高温的储藏罐中$基于这种设计理念!激光媒体可从核燃料层中分离出来!通过覆盖层将几乎-++S的裂变能量传递给激光媒体!大量的固体燃料和固体缓和剂可使反应堆更紧凑$而此方案的不足是TH*的波长过大!影响其很多方面的应用*!+$=!结论通过对以上几种新型反应堆的调研发现!其均是针对特殊的工作条件而设计的!因此!均有着不同于普通反应堆的突出特点$这使我们在更多的领域能够更好地使用反应堆技术来利用核能$参考文献!*-+!’(M0961454(2%5966592/$6’O’!N!+!-*P+&-,!B-+B+N&**+!G’W?XGY!’G.G.Q.G!.?=Z3[TU&’8J/500$:5%14794:6592/$6:5J174J/(:15J$E/59:L9425:/5601$412141/19/1L5J)9254(2%5966592B/$6*\+&?(2%596;524$%$78!-,,A!--@’-B*-&*+!’OC3Z’!3YWH;QU&G8M61:/5601$412J)9256592/$6JE$6)$K5694:)6$)(%J1$4*\+&?(B2%596;524$%$78!-,,!!-+’-@@B-N-&*!+!XOX]&.49%8J1J$E17)$K56,5456784(2%596)(0)5:%9J56,6592/$62$425)/J*=+&T$%(0M19’O41L56J1/8$EC1JJ$(61!-,N&++*原子能科学技术!!第!卷