CN111951986B - 一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，热压转换传热器件为一根构成一条封闭循环回路的管道，包括热压转换传热器件螺旋布置段、热压转换传热器件直线段、第一热压转换传热器件绝热段、第二热压转换传热器件绝热段和热压转换传热器件冷却段。热压转换传热器件为一个封闭循环回路，保证加热端传热工质受热膨胀，形成压力波，压力波对传热工质产生挤压作用，驱动液态工质循环工作，流至冷却端散热后再流动至加热端，如此循环，使热压转换效应持续维持。
Description
技术领域
本发明属于核电能源技术领域，具体涉及一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构。
背景技术
随着世界各国深空探测计划的开展与实施，航天器飞行距离越来越远，而空间动力能源成为空间活动的一个重要制约因素。在空间探测特别是深空探测中，航天器需要高功率、长寿命、高可靠的空间电源。而太阳能、化学能所能提供的功率以及工作寿命有限。相比其他能源，核能具有功率密度大、比功率高、寿命长、工作性能稳定和环境适应性强等优点，成为空间探索的理想能源。
世界各国对空间核反应堆开展了大量研究，并提出了数十种空间核反应堆系统方案，冷却方式包括热管冷却、液态金属冷却、气体冷却等。由于空间基地的环境复杂性，空间核反应堆多采用热管冷却的方式。现有热管冷却空间核反应堆设计中，燃料棒与冷却热管被制作成外径相同的圆柱状(如图3a所示，图中热管8和实心核燃料棒7均为外径相同的圆柱体)，采用燃料棒与冷却热管相邻布置方式。但是，这种布置方式由于受到热管几何形状的约束，燃料棒与热管之间必然存在间隙，造成燃料填充率较低，而燃料棒冷却热管之间的间隙通过结构材料进行填充后，导致反应堆临界质量以及堆芯总质量增大。也有采用正六面体燃料组件，将热管置于核燃料棒中心(如图3b所示，空心六棱柱核燃料棒9和中心冷却热管10)。但是传统热管因相变和回流的内在机制要求，难以做成较复杂的系统，受重力和加速度影响较大在空间无重力条件下无法运行，空间核反应堆中使用无法达到在地面中的同等效果。
发明内容
本发明旨在提供一种布局紧凑、安全性能高、可靠性好的核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，包括，
核燃料棒，所述核燃料棒的中心轴线位置开有贯穿核燃料棒两个轴向端面的芯孔；
热压转换传热器件，所述热压转换传热器件为一根构成一条封闭循环回路的管道，包括热压转换传热器件螺旋布置段、热压转换传热器件直线段、第一热压转换传热器件绝热段、第二热压转换传热器件绝热段和热压转换传热器件冷却段；
所述热压转换传热器件螺旋布置段间隔缠绕在核燃料棒外表面，且一端与热压转换传热器件直线段相连通，另一端与第一热压转换传热器件绝热段连通；
所述热压转换传热器件直线段置于核燃料棒的芯孔中，且一端与热压转换传热器件螺旋布置段连通，另一端与第二热压转换传热器件绝热段连通；
所述第一热压转换传热器件绝热段和第二热压转换传热器件绝热段位于核燃料棒外，且分别与热压转换传热器件冷却段连通，热压转换传热器件冷却段远离核燃料棒。
两个绝热段的布置作为将热量远距离传输的部分，可以进行弯曲，缠绕等操作且长度不限，具体可以根据反应堆的设计进行布置，绝热段可以采用各种绝热处理方式，也可以不做额外处理。
优选的，所述热压转换传热器件的封闭循环回路内部充填有传热工质，且传热工质充填体积占整个封闭循环回路体积的70％～99％。
优选的，所述传热工质为钠、钾或钠钾合金。
优选的，所述核燃料棒采用空心圆柱结构，芯孔内表面与圆柱结构外表面为包壳，二者之间为燃料芯块。
优选的，所述核燃料棒芯孔内表面的包壳与置于核燃料棒芯孔中的热压转换传热器件直线段外表面为一体结构。
优选的，所述包壳与燃料芯块之间留有间隙。
优选的，所述热压转换传热器件螺旋布置段以热压转换传热器件直线段为轴线螺旋状缠绕在核燃料棒表面，且螺距大于等于热压转换传热器件螺旋布置段管径的两倍。
进一步，多根所述核燃料棒呈正六边形阵列布置，包括芯孔中心位于正六边形中心的核燃料棒和芯孔中心分别位于正六边形六个顶点的核燃料棒，任意核燃料棒外表面的热压转换传热器件螺旋布置段管道嵌入与其相邻的核燃料棒外表面的热压转换传热器件螺旋布置段管道的螺旋间隔中。多个核燃料棒会有一个框架，其中包含有控制棒导管、搅浑格架和锁紧机构等，因此可以限制核燃料棒之间的相对位移，此处不再赘述。
优选的，多根所述核燃料棒外径相等，且所有核燃料棒对应的热压转换传热器件的热压转换传热器件冷却段位于同一侧。
优选的，所述热压转换传热器件冷却段与斯特林发电机或布雷顿发电循环换热器连接。空间核反应堆的主要目的是发电，然后进行电推进以及供应其它设备电力。空间核反应堆主流的发电方式是直接连接斯特林发电机或者将热量传递给布雷顿循环，循环发电。斯特林机的热端和布雷顿发电循环换热器都可以作为冷源，将热压转换传热器件的热量带走进行发电。
本发明的核燃料棒与热压转换传热器件形成了嵌套一体化结构，从单体来看，一根核燃料棒与一个热压转换传热器件相互嵌套，其中，热压转换传热器件的加热端一部分嵌套在燃料棒芯孔中，另外一部分在燃料棒外蛇形缠绕。从整体来看，多根核燃料棒的热压转换传热器件相互嵌套，形成网格状分布。
本发明提供了核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构，由于热压转换传热器件可实现比普通热管更强更快的热传递，并且结构设计自由，抗重力负载，布局紧凑、安全性高、可靠性好，特别适用于空间核反应堆及其他特殊用途的小型核反应堆。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构可紧凑布置，从而提高燃料填充度，降低核反应堆临界质量，减小堆芯体积；
2)减少了结构材料、屏蔽材料的使用，降低了堆芯质量；
3)热压转换传热器件的传热性能好于传统热管，不受布置结构的影响，可以远距离的传输堆芯的热量。热压转换传热器件不设置毛细芯，降低了装置的制造难度，提高了系统的可靠性。
4)单根热压转换传热器件可以接触多根核燃料棒，多个热压转换器件直接不会互相影响，有效的避免单根传热器件失效引发的问题，可靠性高。
5)热压转换传热器件可以抗重力载荷运行，在航天器加速运行的情况下，可以正常运行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构的径向截面示意图；
图2为本发明实施例提供的核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构的轴向截面示意图；
图3a为现有技术堆芯中核燃料棒与周围布置冷却热管的示意图；
图3b为现有技术堆芯中核燃料棒与中心布置冷却热管的示意图；
图3c为本发明实施例提供的核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套一体化结构应用于堆芯设计的布置示意图；
图中：1-核燃料棒，2-热压转换传热器件螺旋布置段，31-第一热压转换传热器件绝热段，32-第二热压转换传热器件绝热段，4-热压转换传热器件冷却段，5-热压转换传热器件，7-实心核燃料棒，8-热管，9-空心六棱柱核燃料棒，10-中心冷却热管，11-热压转换传热器件直线段。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
如图1和图2所示，为本发明的核燃料棒1与热压转换传热器件5嵌套一体化结构较佳的具体实施方式。
从图1和图2中可以看到，核燃料棒1与热压转换传热器件5嵌套一体化结构包括一根核燃料棒1和一个热压转换传热器件5。热压转换传热器件5为一根管子弯折而成，热压转换传热器件5加热端一部分嵌套在核燃料棒1的芯孔中，另外一部分在核燃料棒1外表面蛇形缠绕。
热压转换传热器件5为一个封闭循环回路，其内部充液占整个封闭回路体积的70％～99％，传热工质选用钠、钾或者钠钾合金。保证加热端传热工质受热膨胀，形成压力波，压力波对传热工质产生挤压作用，驱动液态工质循环工作，流至冷却端散热后再流动至加热端，如此循环，使热压转换效应持续维持。
核燃料棒1采用空心圆柱设计，空心处内表面和圆柱体外表面为包壳，其余部分为燃料芯块，热压转换传热器件5内部管壁与核燃料棒1的芯孔内侧的包壳设计为一体。
燃料芯块与包壳之间留有间隙用于气体收纳。
本发明的核燃料棒1与热压转换传热器件5的嵌套一体化结构，克服了现有技术中的缺点，布局紧凑，安全性高，可靠性好，特别适用于空间核反应堆以及其它特殊用途的小型核反应堆。热压转换传热器件5的使用，弥补了传统热管的不足。不设置吸液芯，其可靠性、耐用性有大幅提高。热压转换传热器件5不受结构影响，可以弯曲任何结构，加大传热器件与核燃料棒1的接触面积。普通热管受声速极限、毛细极限等原因传热距离受限，热压转换传热器件5可以提供比普通热管更强更远的热量传输。这种核燃料棒1与热压转换传热器件5的嵌套一体化结构可以在反应堆堆芯紧密布置，有效的提高堆芯的燃料填充度，减小堆芯的临界质量，而且减小结构材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯的总质量；同时，一根热压转换传热器件5可以接触多根核燃料棒1，多个热压转换器件5之间不会互相影响，有效的避免单根传热器件失效引发的问题，可靠性高。
热压转换传热器件螺旋布置段2与堆芯(燃料芯块)包裹的热压转换传热器件直线段吸收燃料芯块产生的热量，并经过第一热压转换传热器件绝热段31和第二热压转换传热器件绝热段32两个绝热传输段和热压转换传热器件冷却段4将热量带出堆芯。燃料芯块与包壳之间留有0.1mm的间隙可收纳裂变气体。
实施例：
以应用于空间核反应堆堆芯设计为例，核燃料棒1与热压转换器件5的设计寿命均以堆芯寿期为参考，在堆芯寿期内无需更换。
热压转换传热器件5加热段一部分嵌套在核燃料棒1的芯孔中作为热压转换传热器件直线段11，另外一部分在核燃料棒1的外表面蛇形缠绕作为热压转换传热器件螺旋布置段2。加热段吸收核燃料棒1中燃料芯块产生的热量，并经过第一热压转换传热器件绝热段31、第二热压转换传热器件绝热段32和热压转换传热器件冷却段4将热量带出堆芯。
优选的，热压转换传热器件螺旋布置段2呈螺旋布置，相连螺旋管的间距大于热压转换传热器件5管径的2倍，实现如图3c中的布置方式。图3c中，多根外径相等的核燃料棒1呈正六边形阵列布置，包括芯孔中心位于正六边形中心的核燃料棒1和芯孔中心分别位于正六边形六个顶点的核燃料棒1，任意核燃料棒1外表面的热压转换传热器件螺旋布置段2管道嵌入与其相邻的核燃料棒1外表面的热压转换传热器件螺旋布置段2管道的螺旋间隔中。热压转换传热器件螺旋布置段2与热压转换传热器件直线段11之间通过弯管连接，且热压转换传热器件螺旋布置段2以热压转换传热器件直线段11为轴线螺旋缠绕。
优选的，热压转换传热器件冷却段4，可以针对冷却部件进行特殊设计。若采用斯特林发电机，可将热压转换传热器件冷却段4与斯特林发电机热端组合布置。若采用布雷顿循环发电设置，可将热压转换传热器件冷却段4布置于换热器中。无论哪种布置，冷却段需与加热段、绝热段组成封闭回路。
本发明应用于空间核反应堆芯设计的效果图如图3c所示，燃料棒与热压转换传热器件的布局相对于如图3a所示的堆芯设计布局更加紧凑，提高了燃料填充率，降低核反应堆的临界质量，减小堆芯体积，同事也减小了结构材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯质量。燃料棒与热压转换传热器件的布局相对于如图3b所示的堆芯设计布局，增大了加热段的面积，以更大的传热面积吸收核燃料棒产生的热量，并且一个热压转换传热器件与多跟核燃料棒接触，可以避免单个传热器件失效引发的问题，可靠性高。
Claims (8)
1.一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：包括，
核燃料棒（1），所述核燃料棒（1）的中心轴线位置开有贯穿核燃料棒（1）两个轴向端面的芯孔；所述核燃料棒（1）采用空心圆柱结构，芯孔内表面与圆柱结构外表面为包壳，二者之间为燃料芯块，所述包壳与燃料芯块之间留有间隙；
热压转换传热器件（5），所述热压转换传热器件（5）为一根构成一条封闭循环回路的管道，包括热压转换传热器件螺旋布置段（2）、热压转换传热器件直线段（11）、第一热压转换传热器件绝热段（31）、第二热压转换传热器件绝热段（32）和热压转换传热器件冷却段（4）；
所述热压转换传热器件螺旋布置段（2）间隔缠绕在核燃料棒（1）外表面，且一端与热压转换传热器件直线段（11）相连通，另一端与第一热压转换传热器件绝热段（31）连通；
所述热压转换传热器件直线段（11）置于核燃料棒（1）的芯孔中，且一端与热压转换传热器件螺旋布置段（2）连通，另一端与第二热压转换传热器件绝热段（32）连通；
所述第一热压转换传热器件绝热段（31）和第二热压转换传热器件绝热段（32）位于核燃料棒（1）外，且分别与热压转换传热器件冷却段（4）连通，热压转换传热器件冷却段（4）远离核燃料棒（1）。
2.根据权利要求1所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：所述热压转换传热器件（5）的封闭循环回路内部充填有传热工质，且传热工质充填体积占整个封闭循环回路体积的70%～99%。
3.根据权利要求2所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：所述传热工质为钠、钾或钠钾合金。
4.根据权利要求1所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：所述核燃料棒（1）芯孔内表面的包壳与置于核燃料棒（1）芯孔中的热压转换传热器件直线段（11）外表面为一体结构。
5.根据权利要求1所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：所述热压转换传热器件螺旋布置段（2）以热压转换传热器件直线段（11）为轴线螺旋状缠绕在核燃料棒（1）表面，且螺距大于等于热压转换传热器件螺旋布置段（2）管径的两倍。
6.根据权利要求1所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：多根所述核燃料棒（1）呈正六边形阵列布置，包括芯孔中心位于正六边形中心的核燃料棒（1）和芯孔中心分别位于正六边形六个顶点的核燃料棒（1），任意核燃料棒（1）外表面的热压转换传热器件螺旋布置段（2）管道嵌入与其相邻的核燃料棒（1）外表面的热压转换传热器件螺旋布置段（2）管道的螺旋间隔中。
7.根据权利要求6所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：多根所述核燃料棒（1）外径相等，且所有核燃料棒（1）对应的热压转换传热器件（5）的热压转换传热器件冷却段（4）位于同一侧。
8.根据权利要求1所述的一种核燃料棒与热压转换传热器件的嵌套结构，其特征在于：所述热压转换传热器件冷却段（4）与斯特林发电机或布雷顿发电循环换热器连接。
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