CN111081392A - 一种采用热管的一体化固体堆芯 - Google Patents

Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体公开一种采用热管的一体化固体堆芯，该一体化固体堆芯包括堆芯基体结构、热管、燃料芯块、螺旋弹簧和端塞，堆芯基体结构内开有燃料芯块安装孔和热管安装孔，燃料芯块安装孔内从下至上依次设有燃料芯块、螺旋弹簧、端塞，热管安装孔内设有热管。本发明的一体化固体堆芯简单，传热导热效率高、固有安全性非常高。

Description

一种采用热管的一体化固体堆芯

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种采用热管的一体化固体堆芯。

背景技术

堆芯结构是热管反应堆的关键部件之一，起到包容、固定燃料芯块和热管的作用，将燃料芯块产生的热量传递给热管，同时承受外界传递到堆芯的载荷，保护燃料芯块和热管在结构和功能方面的完整性。对于热管反应堆的研究，国内外相关研究单位均进行了大量的研究，但是公开报道的都大多为宏观性的报道，对于堆芯结构并未有详细描述。

目前的压水堆、金属冷却反应堆、气冷堆等反应堆堆芯的燃料组件产生的热量都需要流动的液态或气态冷却剂介质来带走热量，必须考虑冷却剂介质流动通道，结构十分复杂。而热管堆堆芯是一种固态堆芯，不需要液态或气态的冷却剂介质导热，直接利用热管的特性导热，固体传热，因此压水堆、金属冷却反应堆、气冷堆等反应堆堆芯结构不能使用。

发明内容

本发明主要是针对未来小型功率需求、多种应用场合热管反应堆需求，提出一种具有结构简单、高可靠、模块化、可应用于小型热管反应堆的一体化固体堆芯。

实现本发明目的的技术方案：一种采用热管的一体化固体堆芯，该一体化固体堆芯结构包括堆芯基体结构、热管、燃料芯块、螺旋弹簧和端塞，堆芯基体结构内开有燃料芯块安装孔和热管安装孔，燃料芯块安装孔内从下至上依次设有燃料芯块、螺旋弹簧、端塞，热管安装孔内设有热管。

所述的热管在堆芯基体结构的热管安装孔内的布置在轴向上一侧引出，或者在轴向上两侧对称引出。

所述的堆芯基体结构的燃料芯块安装孔和热管安装孔的排列方式采用正三角形、正方形或者正六边形。

所述的燃料芯块安装孔为盲孔，由光孔和螺纹段构成，螺纹段位于光孔的敞口侧端部。

所述的燃料芯块螺旋弹簧安装在光孔内，端塞和密封垫片安装在螺纹段内。

所述的热管安装孔为盲孔，由螺纹段、光孔、限位台阶孔构成，盲侧为台阶状螺纹段，光孔位于台阶状螺纹段上方，限位台阶孔位于光孔的敞口侧端部。

所述的热管由热管螺纹段、热管限位结构、蒸发段、绝热段、冷凝段构成，螺纹段位于热管端部，蒸发段位于螺纹段与绝热段之间，热管限位结构位于绝热段靠蒸发段一侧。

所述的热管的螺纹段固定在热管安装孔的螺纹段内。

所述的热管限位结构安装在限位台阶孔内，热管限位结构与限位台阶孔之间设有限位块。

所述的端塞与螺旋弹簧之间设有密封垫片。

所述的端塞与堆芯基体结构之间通过环焊缝焊接。

所述的燃料芯块安装孔、密封垫片、端塞、环形焊缝螺旋弹簧、燃料芯块环形内部空间之间构成用于容纳氦气和裂变气体的密封腔体。

所述的限位块与堆芯基体结构之间通过角焊缝焊接，

所述的堆芯基体结构、热管、端塞、热管限位块、环焊缝，角焊缝均选用不锈钢或镍基合金材料。

采用上述采用热管的一体化固体堆芯结构的热管反应堆，所述的热管反应堆应用于水下空间站、陆上应急救灾、岛礁供电及海水淡化、海上能源开采或者小型城市供电供热。

本发明的有益技术效果在于：本发明所提供的采用热管的一体化固体堆芯结构简单，固有安全性非常高，特别适用于热管反应堆。与使用燃料棒的热管固体堆芯相比，由于没有了燃料棒的包壳和内部气隙，燃料芯块热量传递到热管的途径更为简单直接，传热导热效率更高，固有安全性高，导热传热能力强，具备模块化配置能力，可以和各种类型的热电转换装置匹配应用。

附图说明

图1为本发明所提供的一种采用热管的一体化固体堆芯的示意图；

图2为图1的I处局部放大图的主视示意图；

图3为图2的俯视示意图；

图4为图1的II处局部放大图的主视示意图；

图5为图4的俯视示意图；

图6为本发明所提供的堆芯基本的剖视示意图；

图7为图6的燃料芯块安装孔的示意图；

图8为图6的热管安装孔的示意图；

图9为本发明所提供的堆芯基本的俯视示意图；

图10为本发明所提供的燃料芯块的剖视示意图；

图11为本发明所提供的燃料芯块的俯视示意图；

图12为本发明所提供的热管的结构示意图；

图13为本发明所提供的螺旋弹簧的结构示意图；

图14为本发明所提供的端塞的剖视示意图；

图15为本发明所提供的端塞的俯视示意图。

图中：

1—堆芯基体结构，2—热管，3—燃料芯块，4—螺旋弹簧，5—密封垫片，6—端塞，7—热管限位块；

11—燃料芯块安装孔，111—光孔，112—螺纹段；

12—热管安装孔，121—螺纹段，122—光孔，123—限位台阶孔；

21—热管螺纹段，22—热管限位结构，23—蒸发段，24—绝热段，25—冷凝段；

601—端塞螺纹段，602—端塞安装孔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

如图1、2、3、4、5所示，本发明所提供的一种采用热管的一体化固体堆芯，该一体化固体堆芯包括堆芯基体结构1，热管2，燃料芯块3，螺旋弹簧4，密封垫片5，端塞6，热管限位块7。

如图1、6、7、8、9所示，堆芯基体结构1是整个堆芯结构的核心，燃料芯块3和热管2均安装在堆芯基体结构1上。堆芯基体结构1可以是圆柱结构，也可以是多边形棱柱结构。在堆芯基体结构1内部，327根热管2和624处燃料芯块3组合按照正六边形排列安装在燃料芯块安装孔11和热管安装孔12。堆芯基体结构1的燃料芯块安装孔11和热管安装孔12的排列方式可以采用正三角形、正方形或者正六边形。燃料芯块安装孔11为盲孔，由光孔111和螺纹段112构成，螺纹段112位于光孔111的敞口侧端部。将燃料芯块3、螺旋弹簧4、密封垫片5依次安装在燃料芯块安装孔11内后，将带外螺纹的端塞6安装在燃料芯块安装孔11内，燃料芯块3、螺旋弹簧4、密封垫片5、端塞6从下至上安装在燃料芯块安装孔11内；端塞6旋紧后密封焊接，通过环焊缝8实现与堆芯基体结构1之间的密封焊接。燃料芯块3和、螺旋弹簧4安装在光孔111内，端塞6和密封垫片5安装在螺纹段112内。如图10、11所示，燃料芯块3为环形燃料，燃料芯块3可以采用UO2烧结芯块。燃料芯块安装孔11、密封垫片5、端塞6、环形焊缝8、螺旋弹簧4、燃料芯块3环形内部空间之间形成密封腔体，密封腔体用于容纳氦气和裂变气体。

如图8、12所示，热管安装孔12也是盲孔，由螺纹段121、光孔122、限位台阶孔123构成，热管安装孔12的盲侧为台阶状螺纹段121，光孔122位于台阶状螺纹段121上方，限位台阶孔123位于光孔122的敞口侧端部。如图12所示，热管2由热管螺纹段21、热管限位结构22、蒸发段23、绝热段24、冷凝段25构成。螺纹段21位于热管2的端部，蒸发段23位于螺纹段21与绝热段24之间，螺纹段21外径不大于蒸发段23外径；热管2的螺纹段21固定在堆芯基体结构1的热管安装孔12的螺纹段121内，且两者之间螺纹固定连接。蒸发段23用于带走堆芯燃料芯块2产生的热量，绝热段24用于防止热管内热量散热损失；冷凝段25位于绝热段24的端部，冷凝段25用于将热管内工质携带能量通过换热方式传递出去。热管限位结构22位于绝热段24靠蒸发段23一侧，限位块7、热管限位结构22安装在限位台阶孔123内，热管限位结构22与热管限位块7配合后对热管2实现

限位防松，限位块7与堆芯基体结构1之间通过角焊缝9焊接固定。

热管2在堆芯基体结构1内的布置可以在堆芯基体结构1的轴向上一侧引出，也可以在堆芯基体结构1的轴向两侧对称引出。

如图13所示，螺旋弹簧4材料可以选用核反应堆常用的镍基合金，降低研发成本。

如图14、15所示，端塞6为圆柱状结构，下端面与密封垫片5配合，端塞6的外侧螺纹段601与燃料芯块安装孔11的螺纹段112采用螺纹配合，端塞6的上端面对称设计的两个安装孔602使用特殊扳手实现端塞6的安装固定。

除了燃料芯块3和螺旋弹簧4外，其余结构均采用同一种材料保证安装和应用效果，保障运行可靠性和安全性，可以选用核反应堆常用的不锈钢或镍基合金材料。

采用本发明所提供的一种采用热管的一体化固体堆芯结构的热管反应堆，由于采用热管导热、无系统回路和大功率机械转动设备，具有长寿期甚至全寿期无换料、高固有安全性、低噪音、高功率体积重量比、系统设备简单可靠等技术特点，结合热电偶发电、热声电发电、热光伏发电等多种先进发电技术实现热电转换，可广泛应用于水下空间站、陆上应急救灾、岛礁供电及海水淡化、海上能源开采、小型城市供电供热等领域作为能源供应选项。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (15)

1.一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：该一体化固体堆芯结构包括堆芯基体结构(1)、热管(2)、燃料芯块(3)、螺旋弹簧(4)和端塞(6)，堆芯基体结构(1)内开有燃料芯块安装孔(11)和热管安装孔(12)，燃料芯块安装孔(11)内从下至上依次设有燃料芯块(3)、螺旋弹簧(4)、端塞(6)，热管安装孔(12)内设有热管(2)。

2.根据权利要求1所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的热管(2)在堆芯基体结构(1)的热管安装孔(12)内的布置在轴向上一侧引出，或者在轴向上两侧对称引出。

3.根据权利要求3所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的堆芯基体结构(1)的燃料芯块安装孔(11)和热管安装孔(12)的排列方式采用正三角形、正方形或者正六边形。

4.根据权利要求3所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的燃料芯块安装孔(11)为盲孔，由光孔(111)和螺纹段(112)构成，螺纹段(112)位于光孔(111)的敞口侧端部。

5.根据权利要求4所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的燃料芯块(3)螺旋弹簧(4)安装在光孔(111)内，端塞(6)和密封垫片(5)安装在螺纹段(112)内。

6.根据权利要求5所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的热管安装孔(12)为盲孔，由螺纹段(121)、光孔(122)、限位台阶孔(123)构成，盲侧为台阶状螺纹段(121)，光孔(122)位于台阶状螺纹段(121)上方，限位台阶孔(123)位于光孔(122)的敞口侧端部。

7.根据权利要求1所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的热管(2)由热管螺纹段(21)、热管限位结构(22)、蒸发段(23)、绝热段(24)、冷凝段(25)构成，螺纹段(21)位于热管端部，蒸发段(23)位于螺纹段(21)与绝热段(4)之间，热管限位结构(22)位于绝热段(24)靠蒸发段(23)一侧。

8.根据权利要求7所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的热管(2)的螺纹段(21)固定在热管安装孔(12)的螺纹段(121)内。

9.根据权利要求8所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的热管限位结构(22)安装在限位台阶孔(123)内，热管限位结构(22)与限位台阶孔(123)之间设有限位块(7)。

10.根据权利要求9所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的端塞(6)与螺旋弹簧(4)之间设有密封垫片(5)。

11.根据权利要求10所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的端塞(6)与堆芯基体结构(1)之间通过环焊缝(8)焊接。

12.根据权利要求11所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的燃料芯块安装孔(11)、密封垫片(5)、端塞(6)、环形焊缝(8)螺旋弹簧(4)、燃料芯块(3)环形内部空间之间构成用于容纳氦气和裂变气体的密封腔体。

13.根据权利要求13所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的限位块(7)与堆芯基体结构(1)之间通过角焊缝(9)焊接。

14.根据权利要求14所述的一种采用热管的一体化固体堆芯，其特征在于：所述的堆芯基体结构(1)、热管(2)、端塞(6)、热管限位块(7)、环焊缝(8)，角焊缝(9)均选用不锈钢或镍基合金材料。

15.采用权利要求1至14中任一项所述的采用热管的一体化固体堆芯的热管反应堆，其特在于：所述的热管反应堆应用于水下空间站、陆上应急救灾、岛礁供电及海水淡化、海上能源开采或者小型城市供电供热。

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