CN111341466A - 一种基于热管冷却的热离子燃料元件 - Google Patents

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彭敏俊
朱海山
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Abstract

本发明公开了一种基于热管冷却的热离子燃料元件，应用于核反应堆工程技术领域，包括核燃料、热离子能量转换器、碱金属热管和燃料包壳；核燃料采用环形燃料元件设计，包裹热离子能量转换器；热离子能量转换器从外层到内层分别由发射极、铯气腔、接收极以及绝缘体组成，且均采用圆环状设计；碱金属热管位于新型热离子燃料元件中心，选用钾作为热管内部传热工质；热离子燃料元件在堆芯产生的热量加热热离子能量转换器进行发电，余热通过碱金属热管传递至堆芯外。本发明既可实现堆芯尺寸的缩减，又能提高反应堆安全性，适用于深空、深海等特种环境的反应堆堆芯设计，并满足该类反应堆系统结构紧凑、固有安全、布置方向灵活等特殊需求。

Description

一种基于热管冷却的热离子燃料元件
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种基于热管冷却的热离子燃料元件。
背景技术
利用金属高温下发射电子的现象将热能直接转换为电能称为热离子转换。在20世纪，苏联为解决深空探索能源与动力供应问题提出了以反应堆为热源的TOPAZ型热离子反应堆系统设计方案。与早期应用的同位素电源相比，TOPAZ型热离子反应堆不依赖阳光、环境适应性强、机动灵活且质量功率比显著降低。但是，热离子反应堆系统同样需要复杂的冷却回路控制热离子转换器冷端的温度，造成能量转换效率低，系统可靠性差等问题，难以满足目前更远的深空、深海探索任务对动力供应的需求。
热管依靠内部工质相变和连续循环实现热量传递，传热效率高、压力损失小、安全可靠且能够增大反应堆堆芯换热面积，现已广泛应用于各类小型核反应堆设计中。同时，利用热管能够有效控制温度，易于与各类能量转换系统相匹配，系统设计灵活。
因此，如何提供一种能够解决上述问题的元件是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于热管冷却的新型热离子燃料元件。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于热管冷却的热离子燃料元件，包括核燃料、热离子能量转换器、碱金属热管和燃料包壳；
所述核燃料采用圆环形设计，外部由所述燃料外壳包裹，所述燃料外壳与所述核燃料之间留有气腔；所述燃料外壳与蜂窝状固体慢化剂之间设有气体通道；
所述热离子能量转换器采用圆柱状设计，由所述核燃料包裹，从外层到内层分别由发射极、铯气腔、接收极以及绝缘体组成；所述热离子能量转换器与所述核燃料之间设有空隙；
所述碱金属热管置于所述热离子燃料元件中心，其中包括不锈钢金属壁面以及内部流动换热碱金属工质钾；所述碱金属热管与所述绝缘体之间留有氦气腔。
优选的，所述燃料包壳作为最外层边界包裹整个燃料元件，并置于蜂窝状固体慢化剂内。
优选的，所述气体通道内充满二氧化碳和氦气的混合气体。
优选的，所述气腔内充满氦气。
优选的，所述绝缘体材料选用氧化铝，涂于所述接收极外壁。
优选的，所述燃料包壳顶端内壁设有燃料定位弹簧，用于固定所述核燃料。
优选的，所述热离子能量转换器设有电流导线导出所述热离子能量转换器产生的电能。
优选的，所述热离子能量转换器包括发射极和接收极，在所述发射极与所述接收极两电极间留有气腔，并填充铯蒸气，为铯气腔。
该设置方式的有益效果：发射极被核燃料产生的热量加热至一定温度(一般在1500K以上)，发射极(7)金属中的电子获得足够的动能后逸出金属表面，电子飞跃电极间隙后到达并在发射器和收集器之间形成电位差，接通外部负载即成为低压直流电源；铯蒸气的引入可以达到消除负电空间电荷、降低发射极(7)电子逸出功、减小发射极(7)材料蒸发损耗等目的，既提高了热离子能量转换器(16)的输出电功率和热电转换效率，又延长了热离子能量转换器(16)相关部件的寿命。
优选的，所述核燃料的材料选用二氧化铀，所述蜂窝状固体慢化剂材料选用氢化锆，所述燃料包壳材料选用不锈钢，所述发射极材料选用钼-钨金属，所述接收极材料选用钼金属。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于热管冷却的热离子燃料元件，碱金属热管冷却热离子能量转换器，并将余热传递至堆芯外导出到环境中；应用时既可以实现堆芯尺寸的缩减，又能够提高反应堆的固有安全性，适用于深空、深海等特种环境的反应堆堆芯设计，并满足该类反应堆系统结构紧凑、固有安全、布置方向灵活等特殊需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于热管冷却的热离子燃料元件俯视图；
图2为本发明一种基于热管冷却的热离子燃料元件剖视图；
在图1-图2中：
1-蜂窝状固体慢化剂，2-气体通道，3-燃料包壳，4-气腔，5-核燃料，6-空隙，7-发射极，8-铯气腔，9-接收极，10-绝缘体，11-氦气腔，12-不锈钢金属壁面，13-内部流动换热碱金属工质钾，14-电流导线，15-燃料定位弹簧，16-热离子能量转换器，17-碱金属热管。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1-2所示，本发明实施例公开了一种基于热管冷却的热离子燃料元件，采用棒束形燃料元件设计，包括：
核燃料5、热离子能量转换器16、碱金属热管17和燃料包壳3；核燃料5采用圆环形设计，外部由燃料外壳3包裹，燃料外壳3与核燃料5之间留有气腔4；燃料外壳3与蜂窝状固体慢化剂1之间设有气体通道2；热离子能量转换器16采用圆柱状设计，由核燃料5包裹，从外层到内层分别由发射极7、铯气腔8、接收极9以及绝缘体10组成；热离子能量转换器16与核燃料5之间设有空隙6；碱金属热管17置于热离子燃料元件中心，其中包括不锈钢金属壁面12以及内部流动换热碱金属工质钾13；碱金属热管17与绝缘体10之间留有氦气腔11。
在一个具体实施例中，燃料包壳3作为最外层边界包裹整个燃料元件，并置于蜂窝状固体慢化剂1内。
在一个具体实施例中，气体通道2内充满二氧化碳和氦气的混合气体。
在一个具体实施例中，气腔4内充满氦气。
在一个具体实施例中，绝缘体10材料选用氧化铝，涂于接收极9外壁。
在一个具体实施例中，燃料包壳3顶端内壁设有燃料定位弹簧15，用于固定核燃料5。
在一个具体实施例中，热离子能量转换器16设有电流导线14导出热离子能量转换器16产生的电能。
在一个具体实施例中，热离子能量转换器16包括发射极7和接收极9，在发射极7与接收极9两电极间留有气腔，并填充铯蒸气，为铯气腔8。
在另一个具体实施例中，核燃料5的材料选用二氧化铀，蜂窝状固体慢化剂1材料选用氢化锆，燃料包壳3材料选用不锈钢，发射极7材料选用钼-钨金属，接收极9材料选用钼金属。碱金属热管冷却热离子能量转换器，并将余热传递至堆芯外导出到环境中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，包括核燃料(5)、热离子能量转换器(16)、碱金属热管(17)和燃料包壳(3)；
所述核燃料(5)采用圆环形设计，外部由所述燃料外壳(3)包裹，所述燃料外壳(3)与所述核燃料(5)之间留有气腔(4)；所述燃料外壳(3)与蜂窝状固体慢化剂(1)之间设有气体通道(2)；
所述热离子能量转换器(16)采用圆柱状设计，由所述核燃料(5)包裹，从外层到内层分别由发射极(7)、铯气腔(8)、接收极(9)以及绝缘体(10)组成；所述热离子能量转换器(16)与所述核燃料(5)之间设有空隙(6)；
所述碱金属热管(17)置于所述热离子燃料元件中心，其中包括不锈钢金属壁面(12)以及内部流动换热碱金属工质钾(13)；所述碱金属热管(17)与所述绝缘体(10)之间留有氦气腔(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述燃料包壳(3)作为最外层边界包裹整个燃料元件，并置于蜂窝状固体慢化剂(1)内。
3.根据权利要求1所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述气体通道(2)内充满二氧化碳和氦气的混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述气腔(4)内充满氦气。
5.根据权利要求1所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述绝缘体(10)材料选用氧化铝，涂于所述接收极(9)外壁。
6.根据权利要求1所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述燃料包壳(3)顶端内壁设有燃料定位弹簧(15)，用于固定所述核燃料(5)。
7.根据权利要求1所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述热离子能量转换器(16)设有电流导线(14)导出所述热离子能量转换器(16)产生的电能。
8.根据权利要求7所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述热离子能量转换器(16)包括发射极(7)和接收极(9)，在所述发射极(7)与所述接收极(9)两电极间留有气腔，并填充铯蒸气，为铯气腔(8)。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于热管冷却的热离子燃料元件，其特征在于，所述核燃料(5)的材料选用二氧化铀，所述蜂窝状固体慢化剂(1)材料选用氢化锆，所述燃料包壳(3)材料选用不锈钢，所述发射极(7)材料选用钼-钨金属，所述接收极(9)材料选用钼金属。
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