具有球形工作元件固定堆芯的气体冷却核反应堆

本发明涉及一种气体冷却核反应堆，它具有球形工作元件（燃料元件、吸收器部件、纯石墨元件）固定堆芯的圆柱形核芯。由顶部反射层、侧壁反射层、底部反射层组成的石墨反射层将该堆芯围住。并具有一个补偿和停堆装置，它由侧壁反射层垂直通道中可控制的吸收棒构成。

德国专利P3518968.1介绍了这样一种类型的核反应堆。它具有结构紧凑、构造简单的优点，由此使所产生的热能成本低廉。运行燃料的固定堆芯可以在满负荷运转的条件下工作约10年至40年。然后更换运行燃料以及吸收棒。具有10至20兆瓦功率的核反应堆主要用来作为供热反应堆。

为了保证核反应堆起动可靠，在核芯还处于停堆状态时，就必须测量中子通量。为此，要求有一个中子源和一个起动通量测量装置。中子源必须满足两个条件：

中子源的中子放射量（源强度）应大到使具有给定灵敏度的起动测量仪表柱中的中子通量探测器每秒至少记录到5个脉冲;

中子源离探测器的距离必须大到，当反应堆的倍增系数为0.99时，在起动测量仪表柱中指示的中子最多只有5%是直接来自中子源。

第一个条件保证，从统计学的概念看，有足够精确的测量信号; 第二个条件保证，测量信号主要取决于核芯而不是取决于中子源。

迄今为止所建造的具有球形工作元件堆芯的核反应堆中，如钍高温反应堆THTR-300兆瓦（所谓球形元件反应堆）中，中子源可调节地安放在侧壁反射层的孔中。专利DE-OS3047098给出一种将起动-中子源送入高温反应堆侧壁反射层中去的传送装置。侧壁反射层的靠近核芯部分的中子源所处位置，从中子物理学方面来说是很不利的，而且为了满足前述的两个条件，要求中子源的源强很大。

中子源最有利的位置是在核芯中央。但这一最佳位置在钍高温反应堆THTR-300兆瓦和其它的这种结构型式的核反应堆中却是无法实现的，因为不管是一次还是多次通过核芯的工作元件在运行期间是循环的。如果工作元件还未循环，则仅在核芯第一次装料时，可以临时在核芯中安放中子源。在这种情况，中子源安装在一根棒中，如像停堆用的吸收棒一样，可以直接插入堆芯中。

在小型的具有固定堆芯的球形反应堆中，没有可直接插入堆芯中的吸收棒，中子源安装在侧壁反射层的孔中，问题是很多的，因为这种反应堆的调节和停堆是由在侧壁反射层中可控制的吸收棒、所谓反射层吸收棒来实现的，所以反射层要求有足够的位置。这种小型反应堆的反射层吸收棒要求效率尽可能高，使之除了调节和停堆之外还能满足反应堆尽可能长的耐用度所要求的剩余反应性。不输入燃料的高耐用度，要求在反应堆核芯周围安放尽可能多的反射层棒。因此，在侧壁反射层的核芯附近没有安放中子源的位置。

本发明的任务在于，在前述类型的核反应堆中，中子源的安装不需要占去反射层吸收棒所要求占有的位置，同时可以实现良好的中子物理学的作用。

本发明是通过下述特征解决这一任务的：

a）固定堆芯至少含有一个石墨球，石墨球中安放了中子放射物质，在运行期间，石墨球固定在其位置上;

b）具有中子放射物质的石墨球（载体球）直径与工作元件的直径相同;

c）具有中子放射物质的石墨球和工作元件一起放入核芯及从核芯中取出。

与较大功率的球形元件反应堆中中子源的结构相比，这里提出的解决措施具有下述优点：

由于中子源安放在核芯中的最佳位置，所以为了保证前面所要求的两个工作条件，中子源源强可以较小。在中子源直接放在核芯中时，所有源中子实际上都在核芯中;而位于侧壁反射层中的中子源却只有约一半的源中子进入核芯。从中子物理学的意义上说，在核芯中央比在周围效果好得多。因此较弱的中子源起动时中子通量测量精度可以很高（因此也比较便宜）。

在起动中子探测器所处的位置上，在来自核芯的中子和直接来自中子源的中子之间存在一个有利的关系，即直接来自中子源的中子所占比例很小。而后装在侧壁反射层中的中子源出来的中子，不穿过核芯就到达了探测器。安放在核芯的中子源不可能使所要求的源中子倍增因子的概率在核芯通过裂变明显地提高。所以，上述的第二个工作条件在所有的地方都自动得到满足。这使起动测量仪表的安装有较多的选择余地。

侧壁反射层中不安放中子源，因此可以尽可能多地安装反射层吸收棒，大大提高了反射层棒的停堆效果，另一方面，使反应堆有 较高的耐用度。

因为在侧壁反射层中没有安装中子源的孔和固定装置，所以侧壁反射层结构简单。由此降低了造价。

不要求移动中子源。没有传动及固定中子源的装置，这样使包围反应堆和石墨反射层的反应堆压力壳的拆除工作简单，而且花费便宜。

本发明的其它具有优点的结构叙述于从属权利要求中，并在下面借助附图对一个实施例的描述进一步加以说明。其中：

图1    本发明核反应堆的纵剖面

图2    作为中子源载体的石墨球

从图1可看出安装于地下的、例如由钢筋混泥土构成的圆柱形压力壳1，以及被压力壳包住的腔体2。压力壳具有一个可拆下的盖板3。核反应堆4安装在腔体2内，其核芯是装有球形工作元件6的固定堆芯5。核芯功率密度总计约为4至6兆瓦/米3，总功率可达10至20兆瓦。堆芯5全部被石墨反射层7包围，它是由顶部反射层8、侧壁反射层9和底部反射层10组成。

顶部反射层8直接装在堆芯5的上面，在其与盖板3之间有一空间11，另一空间12是在底部反射层10和压力壳底之间，在这一空间中安装了金属支撑件13，把核反应堆4支撑在压力壳底上。

致冷气体、最好是氦气从上到下流过堆芯5，利用鼓风机14进行循环。鼓风机的扇叶在空间11中，其拖动电机15安装在盖板3的中心孔16中，外面装有密封件17。

堆芯5的侧面和下面被一个钢制的芯壳18包围住，该芯壳也容纳了侧壁反射层9和底部反射层10的一部分以及整个顶部反射层8。 侧壁反射层和底部反射层可分成内反射层和外反射层两部分。在侧壁反射层9的内反射层中有一竖直通道19，为了补偿和停堆的需要，在通道中装有可控制的吸收棒20。吸收棒20的拖动装置21装在盖板3的孔22中。

在空间11中有气体控制罩23，它将鼓风机14的吸入侧与压力侧分隔开。鼓风机装在芯壳18的上部。鼓风机从空间11抽入冷却气体，将其送入堆芯5。被加热了的冷却气体通过芯壳18和底部反射层10中的孔进入空间12。在空间12中，气体散开进入环形空间24，而后气体又回到空间11中。

在压力壳1的整个内表面安装了冷却系统，该系统由流过冷却水的管子构成，其安置应当使在满负荷状态和排除余热状态下，能可靠地排掉堆芯5中产生的热量。为了防止一次回路中冷却水的扰动，在腔2中冷却系统25前装了气体密封罩26，它构成了环形空间24的外侧壁。

在取掉盖板3之后，芯壳18连同侧壁及底部反射层9、10的内反射层、顶部反射层8、工作元件6和吸收棒20就可以从上方拆出。当工作元件烧尽后，就要进行这种拆除工作。

为了保证核反应堆4能可靠地起动，至少要配置一个中子源及必要的起动测量仪表（后者未在图中示出）。中子源装在工作元件6的堆芯5的内部，它由作为载体球的石墨球27构成，在石墨球中至少装有一种中子放射物质。所有的石墨球27具有和工作元件6同样的直径。在核反应堆4装料时，石墨球和工作元件6一起装入核芯，在反应堆运行期间固定在一定的位置上。在堆芯5的服务期限结束后，石墨球27和工作元件6一起从反应堆4中取出。

在这里给出的例子中，源强较小的四个石墨球27分布在堆芯5中。也可以只有一个载体球。这时，最好以适当的方式将它放在核芯的中央。

图2为一个作为载体球的石墨球27的放大示图。石墨球27的中部有一个圆柱形的空腔29，该空腔用一个由石墨制成的螺纹堵头30封住。在空腔29中放置了两个中子放射物质28，其中一个（31）为第一个堆芯而设置，而第二个（32）为反应堆运行时设置。也可以将第一个堆芯中的中子放射物质和为反应堆运行的中子放射物质分装在不同的载体球中。为前述第一个目的，例如可装入同位素Cf252，为了反应堆运行可采用一种可在中子流中活化的Sb/Be源。

也可以选用与图2中所示的置有紧凑的圆柱体形式的中子放射物质28的中子源，将中子放射物质以细颗粒形式分布在载体球的石墨中。