CN108983112A - 一种小型核电源集成试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型核电源集成试验装置，包括电源+可控硅调压器、加热棒、紫铜基体、高温热管、铜板、半导体温差发电器、保护气腔室、冷却水通道、泵、水箱、废液池等部件；高温热管分为蒸发段、绝热段、冷凝段，高温热管的蒸发段置于紫铜基体内，高温热管的冷凝段置于铜板内，高温热管用于热量传递，将热量从紫铜基体输送至半导体温差发电器；通过调节可控硅调压器电压调节加热棒加热功率，模拟反应堆堆芯不同工况下的裂变功率；调节泵的流速模拟小型核电源应用于水下航行器不同航行速度时系统的冷却能力；该装置结构紧凑，质量轻便，可模块化生产，拼装方便，采用静态温差发电，可靠性高，无机械转动部件，不产生噪音，利于水下航行器的隐藏。

Description

一种小型核电源集成试验装置
技术领域
本发明涉及反应堆热工水力设计技术领域，具体涉及一种可应用于多种领域的小型核电源集成试验装置。
背景技术
自主式水下航行器(AUV)等小型海洋航行器作为便捷、高效的海洋移动平台，在海洋资源勘探、水下军事侦察和远程设备监测等领域有着十分重要的战略意义，是海陆空潜一体化监测网络的主要组成部分。自主式水下航行器的电力来源主要有一次性电池、蓄电池及燃料电池等，只能为航行器提供短时间的电力供应。有限的电力来源对航行器作业半径、航行速度、任务持续时间以及负载设备承载能力等有较大的限制。例如，美国军方研制的Bluefin-21型自主式水下航行器采用锂电池供电，在标准负载和3kn航速的续航能力仅为25h，在执行MH370搜寻任务时需频繁回收。当前，水下航行器进行长时间、远距离作业需定期回收电池充电，成本较高。燃料电池存在氢储问题，体积质量一般较大。而核能恰恰拥有功率密度大等特点，运行寿命可达10年以上，核动力装置应用于水下航行器可以革新换代式的提高水下航行器的续航能力，限制水下航行器发展的续航能力问题可以得到根本解决。
总之，针对应用于多种领域的小型核电源集成装置研究还未有相关现有技术见诸报道或公开。
发明内容
为避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可应用于多种领域小型核电源集成试验装置设计方案，满足应用于多种领域的小型核电源的集成性能实验研究的需要。
一种小型核电源集成试验装置，包括模拟反应堆堆芯不同工况下裂变功率的电源+可控硅调压器10，一端与电源+可控硅调压器10连接的多个加热棒21，加热棒21另一端竖直嵌入至紫铜基体31内部、高温热管41的蒸发段410竖直嵌入至紫铜基体31内部，加热棒21与高温热管41空间位置关系为相互平行且呈三角形形式排布；所述电源+可控硅调压器10、加热棒21、紫铜基体31、高温热管41的蒸发段410共同模拟反应堆堆芯；所述高温热管41分为蒸发段410、绝热段411和冷凝段412，高温热管41的冷凝段412置于与铜板61内，绝热段411用于连接高温热管的蒸发段410与冷凝段412，多根高温热管41的空间位置关系为相互平行；上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82热面相对置于铜板61内且位于高温热管41的蒸发段410上下两侧，高温热管41的作用为将热量从紫铜基体31输送至半导体温差发电器81热面；铜板61的上下两侧为冷却水通道71，上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82冷面与冷却水通道71的壁面相贴合，且冷却水通道71位于上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82的外侧；所述冷却水通道71一端通过泵72连接水箱91，另一端连通废液池73；所述水箱91、泵72、并联的冷却水通道71以及废液池73形成冷却系统，采用开式回路，保证冷却水通道71入口水温保持不变，模拟深海水下环境，泵72调整冷却系统中的冷却水流速，模拟多种领域在不同航行速度下海水对小型核电源的冷却能力。
所述上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82的结构相同，由多组第一半导体温差发电元件811和第二半导体温差发电元件812组成，第一半导体温差发电元件811和第二半导体温差发电元件812之间通过串并联调整输出电压和输出功率，从而满足不同的使用需求。
所述上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82位于保护气腔室51中，保护气腔室51中充满保护性气体，防止上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82氧化。
所述保护性气体为氩气。
所述上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82与铜板61间涂抹导热胶。
所述高温热管41共分为上下两排，平行排列。
本发明的目的是针对多种领域动力装置对提高其续航能力的需求，提出的一种可应用于多种领域的小型核电源集成试验装置，提供一种电加热模拟核反应堆裂变放热、系统结构模化处理之后的一体化实验集成装置。本发明所述装置能够进行小型核电源装置的启动试验、各种不同工况下的运行性能试验、热管管束启动以及性能试验、温差发电器性能试验，系统参数可以简便快速调节，模拟深海环境，可进行不同冷却能力对所述装置性能影响的试验探究，以便掌握所述装置的各种运行特性以及运行极限，为可应用于多种领域中的小型核电源的研究与研制提供研究基础。本发明装置结构紧凑，质量轻便，可模块化生产，拼装方便，采用静态温差发电，可靠性高，无机械转动部件，不产生噪音，利于水下航行器的隐藏。
附图说明
图1为小型核电源集成试验装置系统示意图。
图2为高温热管示意图。
图3为小型核电源集成试验装置主要部件效果图。
图4为小型核电源集成试验装置堆芯模拟部分截面图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种可应用于多种领域的小型核电源集成试验装置，包括电源+可控硅调压器10、加热棒21、紫铜基体31、高温热管41、铜板61、半导体温差发电器、保护气腔室51、冷却水通道71、泵72、水箱91、废液池73等部件。所述电源+可控硅调压器10、多根电加热棒21、紫铜基体31、以及置于紫铜基体内部的高温热管41蒸发段410共同模拟反应堆堆芯，高温热管41、加热棒21在紫铜基体中呈三角形平行排列，排布方式如图4所示，加热棒21通电加热紫铜基体31，模拟反应堆裂变产热，高温热管41作为热的良导体，将热量从紫铜基体31传递到铜板61中，进而传递至上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82，加热上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82的热面；上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82的冷面则由冷却水通道71中的冷却水冷却，使得上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82的两侧形成约为500度的温差，从而实现半导体温差发电过程。
作为本发明的优选实施方式，高温热管41共分为上下两排，平行排列。所述铜板61呈长方体形状，内部贯穿有两排平行排列的圆孔，高温热管41的冷凝段412置于圆孔中，与圆孔相配合。所述上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82与铜板61间涂抹导热胶。冷却水通道71为矩形通道。所述水箱91、泵72、冷却水通道71以及废液池73通过波纹管连接。
所述一种可应用于多种领域的小型核电源集成试验装置具有很高的安全性。任何一根高温热管41失效都不影响其安全性能，热量可以从相邻的其他高温热管41导出，因此此设计方案具有很高的固有安全性，对反应堆堆芯设计有指导价值，试验过程中可以调节可控硅调压器调节加热棒功率，模拟反应堆不同功率运行条件。
如图2所示，所述热管热量输送包括多根高温热管41，高温热管41分为蒸发段410、绝热段411、冷凝段412，热管的蒸发段410置于紫铜基体内，冷凝段412置于与半导体温差发电器相连的铜板61内，绝热段411连接热管的蒸发段410与冷凝段412，高温热管41将热量从紫铜基体31输送至铜板61，高温热管41内充有液态金属钾，通过液态金属钾的相变传递热量，具有很好的等温性，相同质量热管传递的热量比铜管大几个数量级。所述半导体温差发电器包括上下两组即上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82，每组半导体温差发电器都包括多个第一半导体温差发电元件811和第二半导体温差发电元件812、半导体温差发电元件之间通过串并联可以灵活的调整输出电压和输出功率，从而满足不同的使用需求。
所述水箱91、泵72、并联的冷却水通道71以及废液池73共同组成冷却系统，冷却水通道71采用矩形通道，矩形通道壁面平整，利于与温差发电器冷面贴合，利于减少接触热阻，利于提高系统发电效率，冷却水采用水或者海水，换热能力较强，可以对上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82冷面进行充分冷却，利于提高系统发电效率，整个系统冷却采用开式回路，结构简单，无需复杂的闭式回路装置，可保证冷却水通道71入口水温保持不变，模拟深海水下环境，泵72可以调整整个系统中的冷却水流速，模拟航行器在不同航行速度下系统的冷却能力，所述试验装置还可放置于摇摆台上研究摇摆等海洋条件对装置系统性能的影响。所述上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82放置于保护气腔室51内，保护气腔室51内充满保护性气体(氩气)，上半导体温差发电器81和下半导体温差发电器82热面运行温度在500℃左右，在空气中易被氧化，发电性能会受到严重影响，因此设计此保护气腔室51，内部充满保护性气体(氩气)，防止温差发电器的氧化，利于提高温差发电器使用寿命。

Claims (6)

1.一种小型核电源集成试验装置，其特征在于：包括模拟反应堆堆芯不同工况下裂变功率的电源+可控硅调压器(10)，一端与电源+可控硅调压(10)连接的多个加热棒(21)，加热棒(21)另一端竖直嵌入至紫铜基体(31)内部、高温热管(41)的蒸发段(410)竖直嵌入至紫铜基体(31)内部，加热棒(21)与高温热管(41)空间位置关系为相互平行且呈三角形形式排布；所述电源+可控硅调压器(10)、加热棒(21)、紫铜基体(31)、高温热管(41)的蒸发段(410)共同模拟反应堆堆芯；所述高温热管(41)分为蒸发段(410)、绝热段(411)和冷凝段(412)，高温热管(41)的冷凝段(412)置于与铜板(61)内，绝热段(411)用于连接高温热管的蒸发段(410)与冷凝段(412)，多根高温热管(41)的空间位置关系为相互平行；上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)的热面相对置于铜板(61)内且位于高温热管(41)的蒸发段(410)上下两侧，高温热管(41)的作用为将热量从紫铜基体(31)输送至半导体温差发电器(81)热面；铜板(61)的上下两侧为冷却水通道(71)，上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)冷面与冷却水通道(71)的壁面相贴合，且冷却水通道(71)位于上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)的外侧；所述冷却水通道(71)一端通过泵(72)连接水箱(91)，另一端连通废液池(73)；所述水箱(91)、泵(72)、并联的冷却水通道(71)以及废液池(73)形成冷却系统，采用开式回路，保证冷却水通道(71)入口水温保持不变，模拟深海水下环境，泵(72)调整冷却系统中的冷却水流速，模拟多种领域在不同航行速度下海水对小型核电源的冷却能力。
2.根据权利要求1所述一种小型核电源集成试验装置，其特征在于：所述上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)的结构相同，由多组第一半导体温差发电元件(811)和第二半导体温差发电元件(812)组成，第一半导体温差发电元件(811)和第二半导体温差发电元件(812)之间通过串并联调整输出电压和输出功率，从而满足不同的使用需求。
3.根据权利要求1所述一种小型核电源集成试验装置，其特征在于：所述上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)位于保护气腔室(51)中，保护气腔室(51)中充满保护性气体，防止上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)氧化。
4.根据权利要求3所述一种小型核电源集成试验装置，其特征在于：所述保护性气体为氩气。
5.根据权利要求3所述一种小型核电源集成试验装置，其特征在于：所述上半导体温差发电器(81)和下半导体温差发电器(82)与铜板(61)间涂抹导热胶。
6.根据权利要求3所述一种小型核电源集成试验装置，其特征在于：所述高温热管(41)共分为上下两排，平行排列。
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