超熱中子反應堆

超熱中子反應堆是目前技術較成熟的空間核反應堆，例如蘇聯的Topaz-Ⅰ，Topaz-Ⅱ熱離子反應堆，美國的SNAP—10A溫差發電反應堆。

與熱堆相比，超熱中子堆體積小、質量輕、中子平均能量約0.1eV，比熱堆的平均中子能量（0.025eV）高，故稱超熱中子堆。

基本介紹

• 中文名：超熱中子反應堆
• 外文名：epithermal reactor
• 特點：體積小、質量輕
• 例子：Topaz-Ⅰ、SNAP-10A
• 領域：能源綜合術語

簡介

超熱中子反應堆是目前技術較成熟的空間核反應堆，例如蘇聯的Topaz-Ⅰ，Topaz-Ⅱ熱離子反應堆，美國的SNAP-10A溫差發電反應堆。

圖1 Topaz型熱離子反應堆系統示意圖

與熱堆相比，超熱中子堆體積小、質量輕、中子平均能量約0.1eV，比熱堆的平均中子能量（0.025eV）高，故稱超熱中子堆。

Topaz型熱離子核反應堆系統的反應堆與熱電轉換系統是組成一體的，主要由反應堆活性區、反應堆控制系統、冷卻系統、核輻射防護禁止和輔助系統等組成，見圖1。

圖中，1—銫蒸氣供給系統；2—控制鼓傳動裝置；3—中子源；4—反應堆；5—電磁泵；6—冷卻劑管道；7—核輻射防護禁止；8—熱輻射器；9—電器連線外掛程式；10—發射場用電源插頭。

反應堆活性區

反應堆活性區是可控核裂變反應發生的地方，是核反應堆的心臟。主要部件有熱離子燃料元件、氫化鋯慢化劑、鈹反射層和鈉鉀合金冷卻劑。熱離子燃料元件用UO₂。作核燃料，在活性區呈三角形排列。它既是反應堆的燃料，核裂變產生熱能，又是熱電轉換器件。

Topaz型熱離子反應堆活性區為圓柱形，幾十根熱離子燃料元件插在氫化鋯慢化劑中。反應堆活性區放在不鏽鋼容器里，四周是鈹反射層。在鈹反射層中，插有12個由鈹製成的轉動控制鼓。12個轉動控制鼓分成四組，兩組為安全鼓，保證反應堆處於次臨界狀態；兩組為調節鼓，控制反應堆的輸出熱功率。

圓柱體的氫化鋯慢化劑開有插熱離子燃料元件的孔，一層層堆疊，軸向用彈簧壓緊。氫化鋯表面塗防氫滲透塗層，防止氫化鋯高溫分解時氫泄漏，保持氫化鋯的中子慢化能力，以確保反應堆壽命期內有足夠的後備反應性。

反應堆控制系統

反應堆控制系統由轉動控制鼓、轉動控制鼓傳動機構、自動控制系統組成。

轉動控制鼓由反射中子能力最強的鈹材料製成，形狀為圓柱體。沿圓柱體表面徑向120°的表面上覆蓋B₄C中子吸收材料。調節鼓用於調節反應堆的輸出熱功率，調節鼓慢速均勻轉動，轉動180°需3～5s。

轉動控制鼓的傳動機構由電機、磁離合器、減速器、終端微型開關等組成。每個傳動裝置帶動三個轉動控制鼓，按相同方向以給定速度轉動。

自動控制系統由反應堆自動控制信號裝置和供電系統組成。自動控制信號裝置包括反應堆電源系統各種運行參數的遙測和數據分析系統，以及控制信號傳送和地面指令接收裝置。供電系統把熱離子反應堆產生的電能經電流電壓調節系統，為衛星、反應堆轉動控制鼓傳動裝置、反應堆冷卻系統的電磁泵、熱離子能量轉換器供銫系統提供電力，同時調節多餘的電力。

反應堆冷卻系統

冷卻系統由電磁泵、冷卻劑（鈉鉀合金）、管道和熱輻射器組成。反應堆產生的90%熱量是廢熱，通過輻射器向空間排放。反應堆產生的熱能，由電磁泵壓送的鈉鉀合金冷卻劑流經反應堆活性區帶走，冷卻劑流經熱輻射器，再回到電磁泵，構成冷卻迴路。冷卻劑進入反應堆的溫度約500℃左右，流出反應堆的最高溫度610℃，系統壓力0.12～0.16 MPa。

電磁泵工作電壓1.1～1.2 V，工作電流1350～1500A，由幾根熱離子燃料元件給電磁泵供電。反應堆發射到軌道後，用蓄電池組供電啟動反應堆。

熱輻射器由多根管子組成一個圓錐體散熱器，管子上焊有銅散熱片，散熱片上塗有高黑度的塗層，以提高熱輻射效率。當反應堆冷卻劑出口溫度為610℃時，Topaz-Ⅰ熱輻射器和管路的應堆冷卻劑出口溫度為610℃時，Topaz-Ⅰ熱輻射器和管路的總散熱能力達170～175 kW。

輻射防護禁止

輻射防護採用影子禁止，設計成圓台狀，圓台體頂角14°～17°。輻射防護禁止層由禁止中子的氫化鋰（LiH）和禁止γ射線的鎢材料組合而成。為防止氫化鋰潮解和氫泄漏，氫化鋰包裹在不鏽鋼或鈦合金製成的容器中。第一層禁止用含硼不鏽鋼，起到禁止熱和禁止中子的作用。禁止後，離Topaz-Ⅰ反應堆5m處的劑量平面上中子注量為10¹²～10¹³個/cm²，γ射線劑量為5×10³Gy。

輔助系統

輔助系統包括銫系統、氦系統、蓄電池組等。