CN108615566A - 一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统 - Google Patents

一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，所述系统中回路并行式冷却热管的热管蒸发段位于热管下部，置于堆芯中，热管蒸发段吸收堆芯产生的热量后，经过热管绝热段将热量传输到热管冷凝段，在热管冷凝段中将热量传递给主热交换器中的冷却气体，冷却气体从主热交换器出口流出后，经气体输出管进入布雷顿循环发电系统和温差发电系统，从温差发电系统出来后，气体将热量直接散发到环境中或给用户端供暖后再返回到余热热交换器；从散热盘或者余热热交换器出来的气体，经过气体输入管后，再进入主热交换器，形成一次闭式循环。所述系统经过多次热交换，最大限度地将热能转换为电能，提高了热效率。

Description

一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统
技术领域
本发明涉及核能发电技术领域，具体涉及一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统。
背景技术
随着太空探索技术的不断发展成熟与太空探索应用需求的扩大，人类已将目光放到了远离地球甚至远离太阳系的星球，并希望在星球上建设太空基地进行相关的科学研究。未来在其他星球表面(如月球、火星等)进行空间基地的建设，将具有十分重大的科学、军事和政治价值。空间基地的建设面临着复杂、严峻的空间环境，能源的稳定供应与管理成为空间基地正常运行的重要保障。太阳能电源和化学能电源因为自身的固有缺陷，无法克服如昼夜变化、燃料储量的一些因素的影响，使其在空间基地上的应用受到很大的局限。空间核反应堆电源不受环境影响、功率大、寿命长、安全可靠、能源供应可持续性强，因此被认为是空间基地与其他深空探测任务中理想可靠的能源供应方案。
由于空间核反应堆在空间基地与其他深空探测任务中具有许多无法替代的优势，美国、俄罗斯、日本、法国等国对空间核反应堆进行了诸多深入的研究，并提出了数十种空间核反应堆方案，其冷却方式包括气体冷却、液态金属冷却、热管冷却等。由于空间基地环境的复杂性，非能动冷却技术是空间核反应堆的首选，而热管冷却技术是具有高热导率、高瞬态反馈性能、高可靠性、低保养需求等优点的非能动冷却技术，因此目前空间核反应堆设计大都采用热管冷却。
但是在现有空间核反应堆设计中，单根冷却热管被布置在燃料元件中。热电转换系统往往只有一种，要么是某一种动态转换方式(斯特林循环、布雷顿循环、朗肯循环)，要么是某一种静态转换方式(热电偶转换)，这样使得热电转换效率很低，不能最大限度地利用热能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种安全性高、可靠性好、热能利用率高的采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，其特征在于：所述系统中反应堆的堆芯置于主容器中，堆芯下部设有堆芯支撑构件，堆芯边上设有反应性控制装置，回路并行式冷却热管的热管蒸发段位于热管下部，置于堆芯中，热管绝热段位于热管中部，热管冷凝段位于热管上部，置于主热交换器中，主热交换器出口通过气体输出管依次与布雷顿循环发电系统和温差发电系统串联；热管蒸发段吸收堆芯产生的热量后，经过热管绝热段将热量传输到热管冷凝段，在热管冷凝段中将热量传递给主热交换器中的冷却气体，冷却气体从主热交换器出口流出后，经气体输出管进入布雷顿循环发电系统，从布雷顿循环发电系统出来后进入温差发电系统，从温差发电系统出来后，气体的流向有两个选择：一、如果用户不需要利用气体余热，则打开与散热盘相连的阀门，关闭与余热热交换器相连的阀门，让气体直接通过散热盘进行辐射换热，将热量散发到环境中；二、如果用户需要利用气体余热，则关闭与散热盘相连的阀门，打开与余热热交换器相连的阀门，将气体通过供暖气体输出管传递给用户端，给用户端供暖后再通过供暖气体输入管返回到余热热交换器；从散热盘或者余热热交换器出来的气体，经过气体输入管后，再进入主热交换器，形成一次闭式循环。
进一步地，所述回路并行式冷却热管中相邻的两个热管的下端采用下U型连接弯头连接，上端采用上U型连接弯头连接，形成回路并行式。
进一步地，所述回路并行式冷却热管的热管绝热段置于屏蔽体中。
进一步地，所述屏蔽体呈漏斗形，置于主容器顶部。
进一步地，所述主容器置于地坑中。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明提供的采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，由于采用回路式并行热管，在加热段或者冷凝段热流密度不均衡时，管内部的工作液体在通道内部产生整体形式循环，能自动调节传热能力。在系统中将布雷顿循环发电系统、温差发电系统和余热热交换器，采用串联的方式布置，冷却气体从主热交换器出来后，依次流经这三种换热装置，将热能转换为电能或直接利用，能够使得从反应堆堆芯中带出来的热量得到最大限度的利用。这种热传输系统安全性高、可靠性好、热能利用率高，特别适用于空间核反应堆以及其他的小型核反应堆。
附图说明
图1为本发明实施例采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统的结构图。
图2为本发明实施例中回路并行式冷却热管的结构图。
图3为现有技术中单根冷却热管的结构图。
其中，1-主容器，2-堆芯，3-堆芯支撑构件，4-反应性控制装置，5-下U型连接弯头，6-热管蒸发段，7-热管绝热段，8-热管冷凝段，9-上U型连接弯头，10-主热交换器，11-主热交换器出口，12-气体输出管，13-布雷顿循环发电系统，14-温差发电系统，15-散热盘，16-余热热交换器，17-供暖气体输出管，18-用户端，19-供暖气体输入管，20-气体输入管，21-屏蔽体，22-地坑。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
以应用于空间核反应堆的设计为例，本实施例提供了一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，所述系统的结构图如图1所示，其中，反应堆的堆芯(2)置于主容器(1)中，堆芯(2)下部设有堆芯支撑构件(3)，堆芯(2)边上设有反应性控制装置(4)，回路并行式冷却热管的热管蒸发段(6)位于热管下部，置于堆芯(2)中，热管绝热段(7)位于热管中部，热管冷凝段(8)位于热管上部，置于主热交换器(10)中，主热交换器出口(11)通过气体输出管(12)依次与布雷顿循环发电系统(13)和温差发电系统(14)串联；热管蒸发段(6)吸收堆芯(2)产生的热量后，经过热管绝热段(7)将热量传输到热管冷凝段(8)，在热管冷凝段(8)中将热量传递给主热交换器(10)中的冷却气体，冷却气体从主热交换器出口(11)流出后，经气体输出管(12)进入布雷顿循环发电系统(13)，从布雷顿循环发电系统(13)出来后进入温差发电系统(14)，从温差发电系统(14)出来后，气体的流向有两个选择：一、如果用户不需要利用气体余热，则打开与散热盘(15)相连的阀门，关闭与余热热交换器(16)相连的阀门，让气体直接通过散热盘(15)进行辐射换热，将热量散发到环境中；二、如果用户需要利用气体余热，则关闭与散热盘(15)相连的阀门，打开与余热热交换器(16)相连的阀门，将气体通过供暖气体输出管(17)传递给用户端(18)，给用户端(18)供暖后再通过供暖气体输入管(19)返回到余热热交换器(16)；从散热盘(15)或者余热热交换器(16)出来的气体，经过气体输入管(20)后，再进入主热交换器(10)，形成一次闭式循环。
具体地，相比于现有技术中单根冷却热管，如图3所示，本实施例中的回路并行式冷却热管中相邻的两个热管的下端采用下U型连接弯头(5)连接，上端采用上U型连接弯头(9)连接，形成回路并行式，如图2所示。所述回路并行式冷却热管的热管绝热段(7)置于屏蔽体(21)中，所述屏蔽体(21)呈漏斗形，置于主容器(1)顶部，所述主容器(1)置于地坑(22)中。
在本实施例中，反应堆布置了两套同样的热传输系统。在系统中将布雷顿循环发电系统、温差发电系统和余热热交换器，采用串联的方式布置，冷却气体从主热交换器出来后，依次流经这三种换热装置，将热能转换为电能或直接利用，能够使得从反应堆堆芯中带出来的热量得到最大限度的利用。这种热传输系统安全性高、可靠性好、热能利用率高，特别适用于空间核反应堆以及其他的小型核反应堆。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，其特征在于：所述系统中反应堆的堆芯置于主容器中，堆芯下部设有堆芯支撑构件，堆芯边上设有反应性控制装置，回路并行式冷却热管的热管蒸发段位于热管下部，置于堆芯中，热管绝热段位于热管中部，热管冷凝段位于热管上部，置于主热交换器中，主热交换器出口通过气体输出管依次与布雷顿循环发电系统和温差发电系统串联；热管蒸发段吸收堆芯产生的热量后，经过热管绝热段将热量传输到热管冷凝段，在热管冷凝段中将热量传递给主热交换器中的冷却气体，冷却气体从主热交换器出口流出后，经气体输出管进入布雷顿循环发电系统，从布雷顿循环发电系统出来后进入温差发电系统，从温差发电系统出来后，气体的流向有两个选择：一、如果用户不需要利用气体余热，则打开与散热盘相连的阀门，关闭与余热热交换器相连的阀门，让气体直接通过散热盘进行辐射换热，将热量散发到环境中；二、如果用户需要利用气体余热，则关闭与散热盘相连的阀门，打开与余热热交换器相连的阀门，将气体通过供暖气体输出管传递给用户端，给用户端供暖后再通过供暖气体输入管返回到余热热交换器；从散热盘或者余热热交换器出来的气体，经过气体输入管后，再进入主热交换器，形成一次闭式循环。
2.根据权利要求1所述的采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，其特征在于：所述回路并行式冷却热管中相邻的两个热管的下端采用下U型连接弯头连接，上端采用上U型连接弯头连接，形成回路并行式。
3.根据权利要求1所述的采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，其特征在于：所述回路并行式冷却热管的热管绝热段置于屏蔽体中。
4.根据权利要求3所述的采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，其特征在于：所述屏蔽体呈漏斗形，置于主容器顶部。
5.根据权利要求1所述的采用回路并行式热管冷却的小型核反应堆热传输系统，其特征在于：所述主容器置于地坑中。
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