CN113362971A - 一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，堆芯由燃料区、保温层、固定式反射层、滑动反射层、安全棒、内壳体、应急余热排出通道以及外壳体组成；燃料区由基体、上轴向反射层、下轴向反射层及布置在其中的热管和燃料棒组成，热管采用方形栅阵排布，燃料棒绕热管呈四周环绕型布置；内壳体材料为不锈钢，外壳体由内外两层材料组成，内层材料为不锈钢，外层材料为碳化硼；本发明提出的堆芯设计方案用于静态转换系统中，具有无机械噪声、结构紧凑、安全性高、便于运输的特点，可用于深空深海探测、移动式电源、偏远地区的供电供热等领域。

Description

一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构。
背景技术
热管冷却反应堆是指采用热管将堆芯产生的热量传导至二回路系统或热电转换装置的固态反应堆。堆芯没有流动系统也无流体相关辅助系统，具有结构紧凑、便于运输等优势，是小型化反应堆的一种优选堆型。在应用过程中，热管堆常和热电转换技术相结合以供电或供热。热电转换技术包括动态转换和静态转换，其中，热电偶转换技术是一种各方面比较均衡的静态能量转换技术，可以充分发挥热管反应堆噪声小的优势。采用热管冷却反应堆加热电偶转换的技术路线，可在需要安静作业环境的设备中达到良好的使用效果。当前，国际上设计的热管堆以六边形栅阵结构和控制转鼓控制为主，该种设计结构不利于热电转换单元的布置和整个能量转换系统的紧凑型。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，具有静默运行、结构紧凑、安全性高、便于运输的特点，该堆芯用于静态转换系统中，产生的热能可通过静态转换装置转化成电能。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，堆芯径向由燃料区1、保温层2、固定式反射层3、滑动反射层4、安全棒5、内壳体6、应急余热排出通道7和外壳体8组成；所述燃料区1设置在堆芯中央，燃料区1外包覆保温层2，保温层2外部为固定式反射层3，固定式反射层3中设置的滑动反射层4和安全棒5沿燃料区1外周圈间隔布置，固定式反射层3外周圈包覆内壳体6，内壳体6外周圈为应急余热排出通道7，应急余热排出通道7外周圈包覆外壳体8。
所述滑动反射层4为长方体结构，分布在燃料区1四个侧面，燃料区1的四角缩进，安全棒5为圆周状分布在燃料区1四角。
所述燃料区1径向由基体9及布置在其中的热管10和燃料棒11组成；热管10采用方形栅阵排布，燃料棒11绕热管10呈四周环绕型布置；所述基体9上方为上轴向反射层12，下方为下轴向反射层13。
所述基体9材料为钼金属。
所述燃料棒11包括燃料芯块14，分别设置在燃料芯块14上部和下部的燃料上反射层17和燃料下反射层18，包覆在燃料芯块14、燃料上反射层17和燃料下反射层18外周圈的包壳16，燃料芯块14和包壳16间存在气隙15。
所述燃料芯块14材料为二氧化铀，包壳16材料为钼金属。
所述内壳体6材料为不锈钢，外壳体8由内外两层材料组成，内层材料为不锈钢，外层材料为碳化硼。
所述保温层2的材料为多孔绝缘材料，由多层组成，每层包括钼孔和气隙。
堆芯直径为1m，长度为0.9m。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明热管堆堆芯结构无转动部件，其噪音水平低，具有静默运行的优点；堆内的热管采用方形栅阵的布置方式，有利于与热电转换器件的结构匹配，实现紧凑布置。
2、本发明采用了滑动反射层和安全棒进行反应性控制，滑动反射层的长方体结构相比圆柱体更有利于节省径向空间，利于紧凑型堆芯的设计。
3、本发明在堆芯外部设立了应急余热排出通道，在发生事故时，不仅可以通过热管非能动排出热量，还可在应急余热排出通道中通液体或气体来带走热量；此外，由于堆芯的热量是通过多根热管导出的，单根热管失效并不会影响其他热管的正常使用，具有抗单点失效的特点；堆芯在热量排出方面具有高的安全性。
4、本发明外壳体由内外两层材料组成，内层材料为不锈钢，外层材料为碳化硼，碳化硼材料具有大的中子吸收截面，可减少堆芯对外部环境的辐射作用，同时减轻外界环境对堆芯的影响，有利于运输。
5、本发明采用钼金属作为包壳材料和基体材料，它具有熔点高、低线性膨胀系数、抗热冲击性能好、耐辐射、高温强度高、结构稳定性强等特点，使堆芯对高温、高辐射、冲击等环境具有好的抵抗性，堆芯具有好的结构稳定性，安全性高，更有利于运输。
附图说明
图1是本发明用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构的横截面示意图。
图2是燃料区的横截面示意图。
图3是图2沿A-A处轴向示意图。
图4是燃料棒轴向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。
如图1所示，一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，堆芯径向由燃料区1、保温层2、固定式反射层3、滑动反射层4、安全棒5、内壳体6、应急余热排出通道7和外壳体8组成。所述燃料区1设置在堆芯中央，燃料区1外包覆保温层2，保温层2外部为固定式反射层3，固定式反射层3中设置的滑动反射层4和安全棒5沿燃料区1外周圈间隔布置，固定式反射层3外周圈包覆内壳体6，内壳体6外周圈为应急余热排出通道7，应急余热排出通道7外周圈包覆外壳体8。滑动反射层4为长方体结构，分布在燃料区1四个侧面，燃料区1的四角缩进，安全棒5为圆周状分布在燃料区1四角。
如图1所示，保温层2的材料为多孔绝缘材料，厚度为3.3mm，由30层组成，每层包括10μm的钼孔和100μm的气隙；固定式反射层3的材料为铍金属，外径为880mm；滑动反射层4和安全棒5可用来保障堆芯的控制安全；内壳体6的材料为不锈钢，外径为890mm；应急余热排出通道7外径为950mm，正常工况下无流体流通，在发生事故时可通入气体或液体冷却堆芯；外壳体8由内外两层材料组成，内层材料为不锈钢，外径960mm，外层材料为碳化硼，外径为1000mm，这种布置可以减少堆芯与外部环境的相互影响。
如图2所示，所述燃料区1径向由基体9及插入其中的热管10和燃料棒11组成；热管10采用方形栅阵排布，有利于与热电转换器件的结构匹配，实现紧凑布置，其采用钠作为工质，数目为109根，外径为30mm；燃料棒11绕热管10呈四周环绕型布置，其数目为480根；相邻的燃料棒11之间的间距为15mm。
如图3所示，所述基体9上方为上轴向反射层12，下方为下轴向反射层13；优选基体9材料为钼金属，其高度为450mm；上轴向反射层12和下轴向反射层13材料为氧化铍，高度均为225mm。
如图4所示，所述燃料棒11由燃料芯块14、气隙15、包壳16、燃料上反射层17、燃料下反射层18组成；所述燃料芯块14材料为二氧化铀，外径为11.8mm，高度为450mm；气隙15内填充有氦气，厚度为0.1mm；包壳16材料为钼金属，厚度为0.5mm；燃料上反射层17和燃料下反射层18材料为氧化铍，高度均为225mm。

Claims (9)

1.一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：堆芯径向由燃料区(1)、保温层(2)、固定式反射层(3)、滑动反射层(4)、安全棒(5)、内壳体(6)、应急余热排出通道(7)和外壳体(8)组成；所述燃料区(1)设置在堆芯中央，燃料区(1)外包覆保温层(2)，保温层(2)外部为固定式反射层(3)，固定式反射层(3)中设置的滑动反射层(4)和安全棒(5)沿燃料区(1)外周圈间隔布置，固定式反射层(3)外周圈包覆内壳体(6)，内壳体(6)外周圈为应急余热排出通道(7)，应急余热排出通道(7)外周圈包覆外壳体(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述滑动反射层(4)为长方体结构，分布在燃料区(1)四个侧面，燃料区(1)的四角缩进，安全棒(5)为圆周状分布在燃料区(1)四角。
3.根据权利要求1所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述燃料区(1)径向由基体(9)及布置在其中的热管(10)和燃料棒(11)组成；热管(10)采用方形栅阵排布，燃料棒(11)绕热管(10)呈四周环绕型布置；所述基体(9)上方为上轴向反射层(12)，下方为下轴向反射层(13)。
4.根据权利要求3所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述基体(9)材料为钼金属。
5.根据权利要求3所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述燃料棒(11)包括燃料芯块(14)，分别设置在燃料芯块(14)上部和下部的燃料上反射层(17)和燃料下反射层(18)，包覆在燃料芯块(14)、燃料上反射层(17)和燃料下反射层(18)外周圈的包壳(16)，燃料芯块(14)和包壳(16)间存在气隙(15)。
6.根据权利要求5所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述燃料芯块(14)材料为二氧化铀，包壳(16)材料为钼金属。
7.根据权利要求1所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述内壳体(6)材料为不锈钢，外壳体(8)由内外两层材料组成，内层材料为不锈钢，外层材料为碳化硼。
8.根据权利要求1所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：所述保温层(2)的材料为多孔绝缘材料，由多层组成，每层包括钼孔和气隙。
9.根据权利要求1所述的一种用于静态转换的紧凑型热管堆堆芯结构，其特征在于：堆芯直径为1m，长度为0.9m。
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