CN111081393B - 一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构。本发明包括堆芯基体结构，热管，燃料棒，上部固定板，下部固定板，T型定位键，热管限位块；在堆芯基体结构内部设有燃料棒安装孔和热管安装孔，每一个热管安装孔外均匀的布置燃料棒安装孔；燃料棒和热管分别安装在燃料棒安装孔和热管安装孔内；上部固定板安装在堆芯基体结构顶部，下部固定板安装在堆芯基体结构底部，热管限位块安装在上部固定板与热管之间；T型定位键为T型板状结构，通过销子、螺栓来定位、连接固定堆芯基体结构、上部固定板、下部固定板。本发明结构简单可靠、易于制造安装，更有利于实现整个反应堆装置工程化。

Description

一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构
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和燃料棒的一体化固体堆芯结构。
背景技术
热管反应堆采用热管导热，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。
堆芯结构是热管反应堆的关键部件之一，起到包容、固定燃料棒和热管的作用，将燃料棒产生的热量传递给热管，同时承受外界传递到堆芯的载荷，保护燃料棒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，对于本发明所提及的堆芯结构并未有详细描述，典型的结构形式见图1-图3。本技术发明与公开报道的结构布置形式不同，与其他类型如压水堆、金属冷却反应堆、气冷堆的反应堆结构相比，设计原理和运行机理完全不同。
发明内容
本发明解决的技术问题：
本发明提供一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，结构简单可靠、易于制造安装，更有利于实现整个反应堆装置工程化。
本发明采用的技术方案：
一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，包括堆芯基体结构，热管，燃料棒，上部固定板，下部固定板，T型定位键，热管限位块；在堆芯基体结构内部设有燃料棒安装孔和热管安装孔，每一个热管安装孔外均匀的布置燃料棒安装孔；燃料棒和热管分别安装在燃料棒安装孔和热管安装孔内；上部固定板安装在堆芯基体结构顶部，下部固定板安装在堆芯基体结构底部，热管限位块安装在上部固定板与热管之间；T型定位键为T型板状结构，通过销子、螺栓来定位、连接固定堆芯基体结构、上部固定板、下部固定板。
燃料棒安装孔为光孔盲孔结构，热管安装孔为光孔通孔结构。
所述堆芯基体结构是圆柱结构，或者多边形棱柱结构。
所述上部固定板外形与堆芯基体结构一致，内部设置有燃料棒压紧固定孔、热管安装固定孔、定位键槽、定位销孔、螺纹孔；燃料棒压紧固定孔为锥形台阶孔盲孔结构，为燃料棒的安装提供导向、定位和固定；热管安装固定孔为台阶孔通孔结构，为热管的安装提供导向、定位和固定；当热管穿过热管安装固定孔后，由热管限位块实现限位固定；上部固定板的上端面设置有若干个定位销孔，与堆芯基体结构的销孔对应，通过定位销定位，用于保证上部固定板所有孔系与堆芯基体结构对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内；上部固定板外缘处设置的定位键槽，与堆芯基体结构的定位键槽对应，保证结构的组装精度；定位键槽底部的螺纹孔通过螺栓连接上部固定板和T型定位键。
所述下部固定板外形与堆芯基体结构一致，内部设置有燃料棒定位孔、热管安装固定孔、定位键槽、定位销孔、螺纹孔,燃料棒压紧固定孔为锥形台阶孔盲孔结构，为燃料棒的安装提供导向、定位和固定；热管安装固定孔为台阶螺纹孔盲孔结构，为热管的安装提供定位和固定；下部固定板的下端面设置有若干个定位销孔，与堆芯基体结构的销孔对应，通过定位销定位，用于保证下部固定板所有孔系与堆芯基体结构对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内；下部固定板外缘处设置的定位键槽，与堆芯基体结构的定位键槽对应，保证结构的组装精度；定位键槽底部的螺纹孔通过螺栓连接下部固定板和T型定位键。
所述燃料棒为圆柱形棒状结构，包括燃料棒上部固定段、燃料棒活性段、燃料棒下部固定段；燃料棒上部固定段、燃料棒下部固定段结构形式一致，均为缩径圆柱结构，端头为子弹头状，用于导向安装。
所述热管包括热管螺纹段、热管限位结构、蒸发段、绝热段、冷凝段；螺纹段位于热管端部，外径不大于蒸发段外径；蒸发段用于带走堆芯燃料棒产生的热量，绝热段用于防止热管内热量散热损失，冷凝段用于将热管内工质携带能量通过换热方式传递出去；热管限位结构位于绝热段靠蒸发段一侧，与热管限位块配合后对热管实现限位防松；热管在堆芯基体结构内的布置可以在堆芯轴向上一侧引出，也可根据需要设计为两侧对称引出。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，结构简单，固有安全性非常高，特别适用于热管反应堆结构设计。
(2)与使用燃料芯块的一体化热管固体堆芯结构相比，由于不需要建立密闭承压空腔，整个堆芯结构可设计成更有利于制造和安装的结构，更有利于实现整个反应堆装置工程化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。
图1为现有技术中热管反应堆结构示意图一；
图2为现有技术中热管反应堆结构示意图二；
图3为现有技术中热管反应堆结构示意图三；
图4为堆芯基体结构内部结构示意图；
图5为本发明提供的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构剖视图；
图6为本发明提供的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构正视图；
图7为图5局部放大图；
图8为图7俯视图；
图9为上部固定板正视图；
图10为上部固定板剖视图；
图11为上部固定板安装视图；
图12为下部固定板正视图；
图13为下部固定板剖视图；
图14为下部固定板安装视图；
图15为燃料棒结构示意图；
图16为热管结构示意图；
图17为T型定位键俯视图；
图18为T型定位键正视图；
图中：1-堆芯基体结构、2-热管、3-燃料棒、4-上部固定板、5-下部固定板、6-T型定位键、7-热管限位块、8-销子、9-螺栓、11-燃料棒安装孔、12-热管安装孔、13-定位键槽、14-定位销孔、15-螺纹孔、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、31-燃料棒上部固定段、32-燃料棒活性段、33-燃料棒下部固定段、41-燃料棒压紧固定孔、42-热管安装固定孔、43-定位键槽、44-定位销孔、45-螺纹孔、51-燃料棒定位孔、52-热管安装固定孔、53-定位键槽、54-定位销孔、55-螺纹孔、61-定位面、62-定位销孔、63-固定板用螺孔、64-堆芯基体结构用螺孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构作进一步详细说明。
本发明提供的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，包括堆芯基体结构1，热管2，燃料棒3，上部固定板4，下部固定板5，T型定位键6，热管限位块7，销子8，螺栓9；
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，以多边形棱柱结构为例，如图4所示，在堆芯基体结构1内部设有燃料棒安装孔11和热管安装孔12，每一个热管安装孔12外均匀的布置燃料棒安装孔11；燃料棒3和热管2分别安装在燃料棒安装孔11和热管安装孔12内；如图5所示，上部固定板4安装在堆芯基体结构1顶部，下部固定板5安装在堆芯基体结构1底部，如图7和图8所示，热管限位块7安装在上部固定板4与热管2之间；
燃料棒安装孔11为光孔盲孔结构，热管安装孔12为光孔通孔结构。
如图9-11所示，上部固定板4结构为外形与堆芯基体结构1一致的多孔板形结构，内部设置有燃料棒压紧固定孔41、热管安装固定孔42、定位键槽43、定位销孔44、螺纹孔45；燃料棒压紧固定孔41为锥形台阶孔盲孔结构，为燃料棒3的安装提供导向、定位和固定。热管安装固定孔42为台阶孔通孔结构，为热管2的安装提供导向、定位和固定，当热管2穿过热管安装固定孔42后，由热管限位块7实现限位固定。上部固定板4的上端面设置有若干个定位销孔44，与堆芯基体结构1的销孔14对应，通过定位销8定位，用于保证上部固定板4所有孔系与堆芯基体结构1对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内。上部固定板4外缘处设置的定位键槽43，与堆芯基体结构1的定位键槽13对应，保证结构的组装精度。定位键槽43底部的螺纹孔45通过螺栓9连接上部固定板4和T型定位键6，使其组装成为一个整体。
如图12-14所示，下部固定板5结构为外形与堆芯基体结构1一致的多孔板形结构，内部设置有燃料棒定位孔51、热管安装固定孔52、定位键槽53、定位销孔54、螺纹孔55,。燃料棒压紧固定孔51为锥形台阶孔盲孔结构，为燃料棒3的安装提供导向、定位和固定。热管安装固定孔52为台阶螺纹孔盲孔结构，为热管2的安装提供定位和固定。下部固定板5的下端面设置有若干个定位销孔54，与堆芯基体结构1的销孔14对应，通过定位销8定位，用于保证下部固定板5所有孔系与堆芯基体结构1对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内。下部固定板5外缘处设置的定位键槽53，与堆芯基体结构1的定位键槽13对应，保证结构的组装精度。定位键槽53底部的螺纹孔55通过螺栓9连接下部固定板5和T型定位键6，使其组装成为一个整体。
堆芯基体结构1的上、下端面设置有若干个定位销孔14，与上部固定板4的销孔44、下部固定板5的销孔54对应，通过定位销8定位，用于保证堆芯基体结构1所有孔系与上部固定板4、下部固定板5对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内。堆芯基体结构1上下端面与外缘交汇处设置的定位键槽13，与上部固定板4的定位键槽43、下部固定板5的定位键槽53对应，保证结构的组装精度。定位键槽13底部的螺纹孔15通过螺栓9连接固定堆芯基体结构1和T型定位键6，使其组装成为一个整体。
如图15所示，燃料棒3为圆柱形棒状结构，由燃料棒上部固定段31、燃料棒活性段32、燃料棒下部固定段33构成。燃料棒上部固定段31、燃料棒下部固定段33结构形式一致，均为缩径圆柱结构，端头为子弹头状，用于导向安装。
如图16所示，热管2主要由热管螺纹段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，外径不大于蒸发段23外径。蒸发段23用于带走堆芯燃料棒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，与热管限位块7配合后对热管2实现限位防松。热管2在堆芯基体结构1内的布置可以在堆芯轴向上一侧引出，也可根据需要设计为两侧对称引出。
如图17所示，T型定位键6为T型板状结构，主要是作为定位连接结构，通过设置的定位面61、定位销孔62、固定板用螺孔63、堆芯基体结构用螺孔64等结构采用销子8、螺栓9来定位、连接固定堆芯基体结构1、上部固定板4、下部固定板5。
为保证安装和应用效果，保障运行可靠性和安全性，设计选用同一种材料作为结构材料，根据工程经验，一般选用核反应堆常用的不锈钢或镍基合金材料。

Claims (3)

1.一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，其特征在于：包括堆芯基体结构(1)，热管(2)，燃料棒(3)，上部固定板(4)，下部固定板(5)，T型定位键(6)，热管限位块(7)；在堆芯基体结构(1)内部设有燃料棒安装孔(11)和热管安装孔(12)，每一个热管安装孔(12)外均匀的布置燃料棒安装孔(11)；燃料棒(3)和热管(2)分别安装在燃料棒安装孔(11)和热管安装孔(12)内；上部固定板(4)安装在堆芯基体结构(1)顶部，下部固定板(5)安装在堆芯基体结构(1)底部，热管限位块(7)安装在上部固定板(4)与热管(2)之间；T型定位键(6)为T型板状结构，通过销子(8)、螺栓(9)来定位、连接固定堆芯基体结构(1)、上部固定板(4)、下部固定板(5)；
燃料棒安装孔(11)为光孔盲孔结构，热管安装孔(12)为光孔通孔结构；
所述堆芯基体结构(1)是圆柱结构，或者多边形棱柱结构；
所述上部固定板(4)外形与堆芯基体结构(1)一致，内部设置有第一燃料棒压紧固定孔(41)、第一热管安装固定孔(42)、第一定位键槽(43)、第一定位销孔(44)、第一螺纹孔(45)；第一燃料棒压紧固定孔(41)为锥形台阶孔盲孔结构，为燃料棒(3)的安装提供导向、定位和固定；第一热管安装固定孔(42)为台阶孔通孔结构，为热管(2)的安装提供导向、定位和固定；当热管(2)穿过第一热管安装第一热管安装固定孔(42)后，由热管限位块(7)实现限位固定；上部固定板(4)的上端面设置有若干个第一定位销孔(44)，与堆芯基体结构(1)的销孔(14)对应，通过销子(8)定位，用于保证上部固定板(4)所有孔系与堆芯基体结构(1)对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内；上部固定板(4)外缘处设置的第一定位键槽(43)，与堆芯基体结构(1)的定位键槽(13)对应，保证结构的组装精度；第一定位键槽(43)底部的第一螺纹孔(45)通过螺栓(9)连接上部固定板(4)和T型定位键(6)；
所述下部固定板(5)外形与堆芯基体结构(1)一致，内部设置有第二燃料棒压紧固定孔(51)、第二热管安装固定孔(52)、第二定位键槽(53)、第二定位销孔(54)、第二螺纹孔(55),第二燃料棒压紧固定孔(51)为锥形台阶孔盲孔结构，为燃料棒(3)的安装提供导向、定位和固定；第二热管安装固定孔(52)为台阶螺纹孔盲孔结构，为热管(2)的安装提供定位和固定；下部固定板(5)的下端面设置有若干个第二定位销孔(54)，与堆芯基体结构(1)的销孔(14)对应，通过销子(8)定位，用于保证下部固定板(5)所有孔系与堆芯基体结构(1)对应孔系的同轴度、位置度在设计允许的范围内；下部固定板(5)外缘处设置的第二定位键槽(53)，与堆芯基体结构(1)的定位键槽(13)对应，保证结构的组装精度；第二定位键槽(53)底部的第二螺纹孔(55)通过螺栓(9)连接下部固定板(5)和T型定位键(6)。
2.根据权利要求1所述的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，其特征在于：所述燃料棒(3)为圆柱形棒状结构，包括燃料棒上部固定段(31)、燃料棒活性段(32)、燃料棒下部固定段(33)；燃料棒上部固定段(31)、燃料棒下部固定段(33)结构形式一致，均为缩径圆柱结构，端头为子弹头状，用于导向安装。
3.根据权利要求1所述的一种采用热管和燃料棒的一体化固体堆芯结构，其特征在于：所述热管(2)包括热管螺纹段(21)、热管限位结构(22)、蒸发段(23)、绝热段(24)、冷凝段(25)；热管螺纹段(21)位于热管端部，外径不大于蒸发段(23)外径；蒸发段(23)用于带走堆芯燃料棒(3)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)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，与热管限位块(7)配合后对热管(2)实现限位防松；热管(2)在堆芯基体结构(1)内的布置可以在堆芯轴向上一侧引出，也可根据需要设计为两侧对称引出。
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兆瓦级空间热管反应堆动力系统概念设计;张文文 等;《原子能科学技术》;20171231;第51卷(第12期);第2160-2164页 *
热管冷却反应堆的兴起和发展;余红星 等;《核动力工程》;20190831;第40卷(第4期);第1-8页 *

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