CN111128410A - 一种热管反应堆系统及其能量转换方式 - Google Patents

一种热管反应堆系统及其能量转换方式 Download PDF

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Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种热管反应堆系统及其能量转换方式，包括：反应堆基体111、热管组3、保温层4、电磁泵5、换热器108、回热器110、压缩机111、系统空气入口端113、透平109和系统能量输出端112；所述反应堆基体110内设置有热管组3，所述热管组3上设置有保温层4、电磁泵5和换热器108，所述换热器108上部还设置有换热器出口106和换热器入口107，所述换热器出口106通过透平109与系统能量输出端112连接；所述换热器入口107与回热器110一端连接，所述回热器110另一端通过压缩机111与系统空气入口端113连接。

Description

一种热管反应堆系统及其能量转换方式
技术领域
本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种热管反应堆系统及其能量转换方式。
背景技术
热管是一种具有高导热性能的传热元件。热管反应堆的工作原理是：反应堆产生的裂变能传导给布置在堆芯中的金属热管蒸发段，热管蒸发段吸收热量后，产生蒸汽，蒸汽沿热管经绝热段后在冷凝段冷却凝固，然后冷凝后的液态金属在毛细力或重力的作用下回到热管蒸发段，构成一个完整的热循环。堆芯热管的冷凝段与热电、热力转换系统直接相连，将热管传来的热量直接转换成电能，剩余的废热经热管通过辐射换热或其它热量导出方式排向最终热阱。
在热管堆设计中，温度较高，在600K～1800K的工作区间内，采用的一般为碱金属热管。同时，由于安全性要求，往往运行不依赖重力甚至要求热管在反重力情形依然能够正常运行，因此，热管堆中采用的通常采用吸液芯提供毛细力实现碱金属热管中液体的回流。显然，吸液芯提供的毛细力不可能无限大，因此热管的传热性能往往受到毛细力的制约。在一些特殊情形，例如反应堆需要短时间升功率，需要强化热管冷凝段和蒸发段之间的工质循环，必须有足够的驱动力实现液体的回流。现在的高温热管，强化毛细力的方式主要是提高热管的吸液芯目数，但提高目数来强化回流驱动力的方式往往存在工艺限制。
因此，需要设计一种泵辅助高温热管的新型热管堆系统，在这种热管堆中，在反应堆升功率或者反重力等毛细力驱动不足的情形，采用电磁泵辅助的方式使得反应堆能够克服热管毛细极限，提高传热能力。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种热管反应堆系统及其能量转换方式，用于解决现有技术中反应堆升功率或者反重力等毛细力驱动不足的情况下导致的热管传热性能差的技术问题。
本发明的技术方案：
一种热管反应堆系统，包括：反应堆基体111、热管组3、保温层4、电磁泵5、换热器108、回热器110、压缩机111、系统空气入口端113、透平109和系统能量输出端112；所述反应堆基体110内设置有热管组3，所述热管组3上设置有保温层4、电磁泵5和换热器108，所述换热器108上部还设置有换热器出口106和换热器入口107，所述换热器出口106通过透平109与系统能量输出端112连接；所述换热器入口107与回热器110一端连接，所述回热器110另一端通过压缩机111与系统空气入口端113连接。
所述反应堆基体111内还包括：堆芯1、反射层2、若干根燃料棒102；所述热管组3由若干根热管103组成；所述每根热管103外侧均布六根燃料棒102呈六边形结构，所述六边形结构呈蜂窝状排布形成堆芯1；堆芯1的外侧设置有反射层2和保温层4。
所述每根热管103分为热管绝热段和热管冷凝段；所述电磁泵5设在热管组3的位置包括热管绝热段或热管冷凝段。
所述电磁泵5内包括：电磁泵驱动装置104、泵沟槽和内层铁芯202；所述电磁泵驱动装置104包括初级铁芯201和绕组203；所述电磁泵5整体为中空圆柱体结构；所述内层铁芯202设置在电磁泵5内部圆心处，电磁泵5内表面与内层铁芯202外表面的间隙为泵沟槽；所述初级铁芯201和绕组203设置在电磁泵5的外表面；所述泵沟槽内放置有若干根热管103，所述热管103在泵沟槽内呈环形排布。
所述电磁泵5设在热管绝热段时，所述电磁泵5设在保温层4内侧；所述电磁泵5设在热管冷凝段时，保温层4包覆在热管103外表面。
所述保温层4具有屏蔽作用。
回热器110上还设置有回热器废气排出端115；所述压缩机111还连接有压缩机能量输入114；所述换热器108还用于能量转换。
一种如上所述的热管反应堆系统的能量转换方法，包括如下步骤：
空气从空气入口113吸入，经过压缩机111的加压后，经过回热器110进入换热器108，通过换热器108升温后进入透平109从系统能量输出端112输出进行发电，之后空气进入回热器110与吸入的未加热空气进行换热后，从回热器废气排出口端115处将废热废气排出，形成开式布雷顿空气循环进行能量转换。
本发明的有益效果：
本发明设计的一种热管反应堆系统及其能量转换方式，采用电磁泵辅助的方式使得反应堆能够克服热管毛细极限，提高传热能力。
本发明所述电磁泵为圆柱型高频电磁泵，在电磁泵泵沟放置热管，对热管内的金属液体回流进行驱动，采用高频是利用电磁场的趋肤效应，使得电磁场有一定趋肤深度，主要作用于热管壁附近的金属液体，减弱对热管中心金属气体流动的影响。本发明所述电磁泵可以设置在屏蔽层内的热管绝热段，也可以设置在热管冷凝段。
此外，为了实现本发明的反应堆系统更广泛的用途，本发明中采用开式布雷顿循环作为能量转换方式。
附图说明
图1为本发明所述的电磁泵加载在屏蔽层内的热管组绝热段结构示意图；
图2为本发明所述电磁泵加载在换热器部分的热管冷凝段结构示意图；
图3为本发明所述的电磁泵设置在屏蔽层内并与换热器连接的结构意图
图4为本发明所述的电磁泵设置在屏蔽层之外并与换热器连接的结构示意图
图5为本发明所述的电磁泵剖面图；
图6为本发明所述的电磁泵俯视图；
图7为本发明所述的热管反应堆系统整体结构示意图
图8为本发明所述的堆芯截面示意图
图9为本发明所述的堆芯内热管及燃料模块局部放大图
图中：1—堆芯，2—反射层，3—热管组，4—保温层，5—电磁泵；101—反应堆基体，102—燃料棒，103—热管，104—电磁泵驱动装置，106—换热器出口，107—换热器入口，108—换热器，109—透平，110—回热器，111—压缩机，112—系统能量输出端，113—系统空气入口，114—压缩机能量输入端，115—回热器废气排出端，201—初级铁芯，202—内层铁芯，203—绕组
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：一种热管反应堆系统，包括：反应堆基体111、热管组3、保温层4、电磁泵5、换热器108、回热器110、压缩机111、系统空气入口端113、透平109和系统能量输出端112；所述反应堆基体110内设置有热管组3，所述热管组3上设置有保温层4、电磁泵5和换热器108，所述换热器108上部还设置有换热器出口106和换热器入口107，所述换热器出口106通过透平109与系统能量输出端112连接；所述换热器入口107与回热器110一端连接，所述回热器110另一端通过压缩机111与系统空气入口端113连接。
所述反应堆基体111内还包括：堆芯1、反射层2、若干根燃料棒102；所述热管组3由若干根热管103组成；所述每根热管103外侧均布六根燃料棒102呈六边形结构，所述六边形结构呈蜂窝状排布形成堆芯1；堆芯1的外侧设置有反射层2和保温层4。
所述每根热管103分为热管绝热段和热管冷凝段；所述电磁泵5设在热管组3的位置包括热管绝热段或热管冷凝段。
所述电磁泵5内包括：电磁泵驱动装置104、泵沟槽和内层铁芯202；所述电磁泵驱动装置104包括初级铁芯201和绕组203；所述电磁泵5整体为中空圆柱体结构；所述内层铁芯202设置在电磁泵5内部圆心处，电磁泵5内表面与内层铁芯202外表面的间隙为泵沟槽；所述初级铁芯201和绕组203设置在电磁泵5的外表面；所述泵沟槽内放置有若干根热管103，所述热管103在泵沟槽内呈环形排布。
所述电磁泵5设在热管绝热段时，所述电磁泵5设在保温层4内侧；所述电磁泵5设在热管冷凝段时，保温层4包覆在热管103外表面。
所述保温层4具有屏蔽作用。
回热器110上还设置有回热器废气排出端115；所述压缩机111还连接有压缩机能量输入114；所述换热器108还用于能量转换。
一种如上所述的热管反应堆系统的能量转换方法，包括如下步骤：
空气从空气入口113吸入，经过压缩机111的加压后，经过回热器110进入换热器108，通过换热器108升温后进入透平109从系统能量输出端112输出进行发电，之后空气进入回热器110与吸入的未加热空气进行换热后，从回热器废气排出口端115处将废热废气排出，形成开式布雷顿空气循环进行能量转换。
所述电磁泵5为高频电磁泵；电磁泵5可以布置在保温层4内的热管绝热段，也可以加载在热管冷凝段，热管绝热段和热管冷凝段都能够提供泵头，使电磁泵5强化热管内金属回流，提高毛细极限。
所述热管反应堆芯内还设置有控制棒，所述控制棒采用旋转控制鼓的设计结构，控制鼓的周向上设置有其他材料的反射层，以实现控制鼓旋转时对反应堆功率的调节。
透平109和和回热器110之间进行空气工质回热。
所述热管是使用吸液芯类型的非重力高效热管，并使用圆柱形高频电磁泵进行辅助驱动。
所述每根热管103分为热管蒸发段、热管绝热段和热管冷凝段；热管蒸发段位于反应堆堆芯1中；热管绝热段和热管冷凝段设置在堆芯1外；热管蒸发段位于反应堆堆芯1中进行热量导出，反应堆可以为快堆，热堆等一切裂变能输出能力的堆芯。
所述热管为碱金属热管，工质可以为钠，钾，锂，钠钾合金等。

Claims (8)

1.一种热管反应堆系统，其特征在于，包括：反应堆基体(111)、热管组(3)、保温层(4)、电磁泵(5)、换热器(108)、回热器(110)、压缩机(111)、系统空气入口端(113)、透平(109)和系统能量输出端(112)；所述反应堆基体(110)内设置有热管组(3)，所述热管组(3)上设置有保温层(4)、电磁泵(5)和换热器(108)，所述换热器(108)上部还设置有换热器出口(106)和换热器入口(107)，所述换热器出口(106)通过透平(109)与系统能量输出端(112)连接；所述换热器入口(107)与回热器(110)一端连接，所述回热器(110)另一端通过压缩机(111)与系统空气入口端(113)连接。
2.如权利要求1所述的一种热管反应堆系统，其特征在于：所述反应堆基体(111)内还包括：堆芯(1)、反射层(2)、若干根燃料棒(102)；所述热管组(3)由若干根热管(103)组成；所述每根热管(103)外侧均布六根燃料棒(102)呈六边形结构，所述六边形结构呈蜂窝状排布形成堆芯(1)；堆芯(1)的外侧设置有反射层(2)和保温层(4)。
3.如权利要求2所述的一种热管反应堆系统，其特征在于：所述每根热管(103)分为热管蒸发段、热管绝热段和热管冷凝段；热管蒸发段位于反应堆堆芯(1)中；热管绝热段和热管冷凝段设置在堆芯(1)外；所述电磁泵(5)设在热管组(3)的位置包括热管绝热段或热管冷凝段。
4.如权利要求3所述的一种热管反应堆系统，其特征在于：所述电磁泵(5)内包括：电磁泵驱动装置(104)、泵沟槽和内层铁芯(202)；所述电磁泵驱动装置(104)包括初级铁芯(201)和绕组(203)；所述电磁泵(5)整体为中空圆柱体结构；所述内层铁芯(202)设置在电磁泵(5)内部圆心处，电磁泵(5)内表面与内层铁芯(202)外表面的间隙为泵沟槽；所述初级铁芯(201)和绕组(203)设置在电磁泵(5)的外表面；所述泵沟槽内放置有若干根热管(103)，所述热管(103)在泵沟槽内呈环形排布。
5.如权利要求3所述的一种热管反应堆系统，其特征在于：所述电磁泵(5)设在热管绝热段时，所述电磁泵(5)设在保温层(4)内侧；所述电磁泵(5)设在热管冷凝段时，保温层(4)包覆在热管(103)外表面。
6.如权利要求5所述的一种热管反应堆系统，其特征在于：所述保温层(4)具有屏蔽作用。
7.如权利要求6所述的一种热管反应堆系统，其特征在于：回热器(110)上还设置有回热器废气排出端(115)；所述压缩机(111)还连接有压缩机能量输入(114)；所述换热器(108)还用于能量转换。
8.一种如权利要求1至7中任一所述的热管反应堆系统的能量转换方法，其特征在于包括如下步骤：
空气从空气入口(113)吸入，经过压缩机(111)的加压后，经过回热器(110)进入换热器(108)，通过换热器(108)升温后进入透平(109)从系统能量输出端(112)输出进行发电，之后空气进入回热器(110)与吸入的未加热空气进行换热后，从回热器废气排出口端(115)处将废热废气排出，形成开式布雷顿空气循环进行能量转换。
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