CN112102972A - 一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热管冷却反应堆技术领域，具体涉及一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案，包括设有若干垂直的通孔的金属基体(4)，每个通孔内设置一根燃料棒(1)或者一根热管(2)，在通孔与燃料棒(1)或者一根热管(2)之间填充液态导热材料。本发明可有效解决现有技术中一旦燃料棒(1)、热管(2)与金属基体(4)之间出现空隙将导致传热性能显著下降的问题，不存在单根热管(2)失效导致相邻燃料棒(1)温度显著上升甚至危及堆芯安全的问题，并且本发明所提供的方案不受堆芯功率限制，预期可应用于从百千瓦级到数十兆瓦级大功率的热管堆。

Description

一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案
技术领域
本发明属于热管冷却反应堆技术领域，具体涉及一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案。
背景技术
热管冷却反应堆(简称热管堆)是采用多根热管带出反应堆热量的一种新型反应堆。相比于常见的回路堆(如压水堆)，热管堆具有非能动、非单点失效、无需承压回路、系统简单、可靠性高等诸多优势。2018年5月，美国宣布其千瓦级热管堆Kilopower的地面原型堆KRUSTY取得成功，KRUSTY是全球首座热管堆，其研发周期仅为三年。KRUSTY的迅速、成功研发使热管堆成为了新型反应堆的研究热点。
热管堆的基本原理是将多根热管布置于反应堆内，核燃料产生的热量传递给热管的蒸发段，热管通过内部工质的自发相变和循环流动将该热量传递至堆外的冷凝段，然后再由冷凝段传递至换热器及热电转换系统，从而产生电能。能否实现热量的高效传递(即由核燃料传递至热管，以及由热管传递至换热器及热电转换系统)是热管堆能否成功的关键所在。本专利主要致力于实现由核燃料向热管的高效传热。
美国从上世纪90年代开始就对热管堆开展了大量的研究，提出了诸多热管堆方案，对其中部分方案还进行了实验研究。涉及到核燃料向热管的传热方式主要有以下几种：
(1)美国在上世纪90年代提出一种名为HPS的热管堆概念(可参考文献“HeatpipeSpace Power and Propulsion Systems”)。该热管堆堆芯布置多个燃料棒-热管相结合的模块，每个模块包含4根燃料棒和1根热管，具体结构见图5。热管壁和燃料棒包壳之间可选择采用黄铜焊、电子束焊、化学气相渗透、热等静压或电火花加工等方法实现机械结合和热工耦合。在HPS的基础上，美国后续还提出了SAFE系列的热管堆，并开展了SAFE-30实验研究(可参考文献“Non-Nulcear NEP System Testing”和“Transient Approximation ofSAFE-100Heat Pipe Operation”)，SAFE-30的燃料棒-热管模块和HPS类似，也包含4根燃料棒和1根热管。
(2)SAFE系列的热管堆实验，除了SAFE-30，还开展了SAFE-100a的实验(可参考文献“Transient Approximation of SAFE-100Heat Pipe Operation”和“Sodium BasedHeat Pipe Modules for Space Reactor Concepts:Stainless Steel SAFE-100Core”)。该方案中，堆芯也由多个燃料棒-热管模块组成，不同的是，单个模块中包含3根燃料棒和1根热管，并且，燃料棒和热管之间还镶嵌了6个三角瓣形的金属块，具体结构见图6。单个模块由热等静压的方法将燃料棒、热管、金属柱结合成一个整体。除了SAFE-100a，后续美国的Mohamed E.Genk等人提出的SAIRS、HP-STMCs热管堆方案也同样采用该结构的燃料棒-热管模块(可参考文献“SAIRS-Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System”和“Conceptual Design of HP-STMCs Space Reactor Power System for 110kWe”)。
(3)美国于2018年5月宣布其千瓦级热管堆Kilopower的地面原型堆KRUSTY取得成功。Kilopower采用块状燃料，在燃料的径向外边缘处开了8个槽用来布置热管，在轴向上由多个金属带将热管紧紧箍在燃料上，其结构见图7(可参考文献“KiloPower Project-KRUSTY Experiment Nuclear Design”和“Results of the KRUSTY Warm CriticalExperiments”)。
(4)美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和西屋公司还分别提出了兆瓦级电功率的热管堆方案MegaPower和eVinci(可参考文献“Design of Megawatt Power Level Heat PipeReactors”和“Westinghouse eVinciTM Reactor for Off-Grid Markets”)。采用块状金属基体，在金属基体内设置多个通孔，燃料棒和热管则布置于这些通孔中，其结构见图8。
以上方案均存在一定的不足之处，具体分析如下：
(1)对于HPS、SAFE-30、SAFE-100a、SAIRS、HP-STMCs等燃料棒-热管模块的方案，在长时间的高温运行环境下，由于功率和温度的不均匀性将导致燃料与热管之间存在较大的应力，此外，燃料还存在辐照肿胀问题，这些因素可能导致燃料棒与热管之间的连接被破坏而出现空隙，使得燃料棒与热管之间的传热性能大大下降，并导致燃料运行温度显著上升甚至危及反应堆的安全。
(2)对于HPS、SAFE-30、SAFE-100a、SAIRS、HP-STMCs等燃料棒-热管模块的方案，单个模块中仅含1根热管，一旦该热管失效，并且该模块与相邻模块之间传热条件较差，则将直接导致该模块内的燃料棒运行温度显著上升，危及反应堆的安全。
(3)对于Kilopower的方案，该方案的燃料-热管连接方式仅适用于功率较低、所需热管数目较少的热管堆方案，对于功率稍大的热管堆，该方法无法适用。
(4)对于采用块状金属基体的兆瓦级热管堆方案，如何保证燃料棒与基体之间、以及基体与热管之间的良好的热接触是个难点。即便开始运行时的热接触良好，在长时间的高温运行环境下，由于功率和温度的不均匀性可能导致燃料棒、热管与金属基体之间存在较大的应力，此外，再考虑到燃料辐照肿胀等，可能导致燃料棒与金属基体、或金属基体与热管之间出现空隙，这将使得燃料棒与热管之间的传热性能大大下降，导致燃料运行温度显著上升甚至危及反应堆的安全。
发明内容
针对背景技术中的所述的各个热管堆燃料与热管之间传热方案所存在的不足之处，本发明的目的是提出一种针对大功率热管堆的堆芯传热方案，有效改善燃料和热管之间的传热性能，增强热管堆运行过程中的稳定性和可靠性，并且具备较好的可实现性。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案，包括设有若干垂直的通孔的金属基体，每个所述通孔内设置一根燃料棒或者一根热管，其中，在所述通孔与所述燃料棒或者所述一根热管之间填充液态导热材料。
进一步，所述燃料棒被密封设置在所述通孔内；所述热管下端的蒸发段被密封设置在所述通孔内，所述热管中部的绝热段和所述热管上端的冷凝段从所述金属基体上方伸出。
进一步，所述液态导热材料为液态金属。
进一步，所述液态金属为钠钾合金。
进一步，所述通孔内保留部分空间，用于满足所述钠钾合金的体积变化。
进一步，每根所述热管与若干根所述燃料棒相邻，任意两根所述热管之间互不相邻。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的燃料棒1、热管2和金属基体4之间为液态金属钠钾合金3，钠钾合金3与燃料棒1、热管2及金属基体4之间不存在空隙，具备良好的传热性能。并且在运行过程中，即便燃料棒1、热管2或金属基体4发生变形，各部件之间也不会出现空隙，不会导致传热性能显著下降。因此本发明可有效解决现有技术中一旦燃料棒1、热管2与金属基体4之间出现空隙将使传热性能显著下降的问题。
2.对于HPS、SAFE-30、SAFE-100a、SAIRS、HP-STMCs等燃料棒-热管模块的方案，单个模块中仅含1根热管2，一旦该热管2失效，并且该模块与相邻模块之间传热条件较差，则将直接导致该模块内的燃料棒1运行温度显著上升，危及反应堆的安全。本发明所提供的方案则不存在该问题，金属基体4是整块状结构，所有燃料棒1和热管2都可以通过金属基体4进行热量传递，一旦某根热管2失效，与其相邻的燃料棒1完全可通过钠钾合金3和金属基体4将热量传递至其他热管2，不存在单根热管2失效导致相邻燃料棒1温度显著上升甚至危及堆芯安全的问题。
3.钠钾合金3熔点很低(钾含量占78％时，其熔点仅为-11℃)，常温下即为液态，在反应堆不运行时，也无需担心因钠钾合金3冷凝可能对堆内部件造成伤害的问题。且钠钾合金3与多种结构材料的相容性良好，无需担心其对结构材料的腐蚀问题。
4.Kilopower的燃料-热管连接方式仅适用于功率较低、所需热管2数目较少的热管堆方案，对于功率稍大的热管堆，该方法无法适用。与Kilopower相比，本发明所提供的方案十分适用于大功率的热管堆，预期可应用于从百千瓦级到数十兆瓦级大功率的热管堆。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案中的燃料棒1和热管2的轴向布置示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案中的燃料棒1和热管2的径向布置示意图；
图3是采用本发明具体实施方式中所述的一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案的热管堆堆芯的横截面的示意图；
图4是采用本发明具体实施方式中所述的一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案的热管堆堆芯的立体示意图；
图5是背景技术中的HPS和SAFE-30热管堆的燃料棒-热管模块结构的示意图；
图6是背景技术中的SAFE-100a、SAIRS、HP-STMCs等热管堆的燃料棒-热管模块结构的示意图；
图7是背景技术中的Kilopower热管堆的燃料和热管布置的示意图(图中未包含径向外围用来紧箍热管的金属带)；
图8是背景技术中的MegaPower和eVinci的燃料棒和热管的布置方案的示意图；
图中：1-燃料棒，2-热管，3-钠钾合金，4-金属基体，5-金属基体上边缘，6-金属基体下边缘，7-反射层，8-控制鼓，9-燃料棒与热管的机械结合和热工耦合位置，10-三角瓣，11-块状燃料，12-安全棒通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1、2、3、4所示，本发明提供的一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案，包括设有若干垂直的通孔的金属基体4，每个通孔内设置一根燃料棒1或者一根热管2，其中，在通孔与燃料棒1或者一根热管2之间填充液态导热材料，即通孔直径大于燃料棒1和热管2的直径，燃料棒1、热管2与通孔的侧壁之间留有一定的空间。
燃料棒1被密封设置在通孔内；热管2下端的蒸发段被密封设置在通孔内，热管2中部的绝热段和热管2上端的冷凝段从金属基体4上方伸出。也就是说，通孔的上下两端均处于密封状态，各个通孔相互独立，并不连通，各个通孔内的钠钾合金3也相互独立。
液态导热材料为液态金属。液态金属为钠钾合金3。
通孔内保留部分空间，用于满足钠钾合金3的体积变化(即充装钠钾合金3时不将通孔完全充满)。
每根热管2与若干根燃料棒1相邻，任意两根热管2之间互不相邻。
金属基体4的径向外围设置反射层7，用于向燃料棒1反射裂变中子，进而提高燃料棒1的反应性。
在反射层7内设有若干个控制鼓8，控制鼓8为圆柱形，在控制鼓8的部分侧表面设有中子吸收体，中子吸收体用于吸收燃料棒1内裂变扩散的中子；当中子吸收体随控制鼓8的转动而面向燃料棒1时，能够减小燃料棒1内的反应性；当所有控制鼓8上的中子吸收体全部面对燃料棒1，反应堆实现停闭，反之则反应堆实现开启。
最后对本发明的具体应用作进一步描述：
反应堆的启动、功率调节、关停等由控制鼓8进行控制。反应堆运行时，燃料棒1产生的热量首先被传递至钠钾合金3，再传递至金属基体4，金属基体4将热量传递至热管2所在通孔的钠钾合金3，再传递至热管2的蒸发段，热管2通过内部工质的自发相变和循环流动将该热量传递至堆外的冷凝段，然后再由冷凝段传递至换热器及热电转换系统，从而产生电能。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种用于大功率热管堆的堆芯传热方案，包括设有若干垂直的通孔的金属基体(4)，每个所述通孔内设置一根燃料棒(1)或者一根热管(2)，其特征是：在所述通孔与所述燃料棒(1)或者所述一根热管(2)之间填充液态导热材料。
2.如权利要求1所述的用于大功率热管堆的堆芯传热方案，其特征是：所述燃料棒(1)被密封设置在所述通孔内；所述热管(2)下端的蒸发段被密封设置在所述通孔内，所述热管(2)中部的绝热段和所述热管(2)上端的冷凝段从所述金属基体(4)上方伸出。
3.如权利要求2所述的用于大功率热管堆的堆芯传热方案，其特征是：所述液态导热材料为液态金属。
4.如权利要求3所述的用于大功率热管堆的堆芯传热方案，其特征是：所述液态金属为钠钾合金(3)。
5.如权利要求4所述的用于大功率热管堆的堆芯传热方案，其特征是：所述通孔内保留部分空间，用于满足所述钠钾合金(3)的体积变化。
6.如权利要求1所述的用于大功率热管堆的堆芯传热方案，其特征是：每根所述热管(2)与若干根所述燃料棒(1)相邻，任意两根所述热管(2)之间互不相邻。
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