CN113436757A - 一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，包括保护钢壳、应急冷却通道、反射层、停堆棒、活性区，活性区由若干层均温层和实体层交错堆叠组成，均温层和实体层内含有燃料芯块和热管通道。本发明固态堆芯采用均温结构和模块化结构，可展平堆芯温度分布，提升固态堆芯的安全性。

Description

一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯

技术领域

本发明涉及核反应堆工程技术领域，具体涉及一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯。

背景技术

热管冷却反应堆堆芯一般为固态，堆芯热量通过热管导出到能量转换系统。固态堆芯没有流动系统，省略辅助系统，具有结构紧凑、便于运输、固有安全性等优势；采用热管作为传热部件，具有结构简单、避免单点失效等特点。当前固态堆芯结构通常采用金属基体以固定热管和燃料棒，进行堆芯和热管之间的传热。由于堆芯功率密度较大和功率分布的不均匀，金属基体的传热能力可能不能满足堆芯传热的需要导致堆芯失效。

发明内容

为实现对固态反应堆堆芯的热量平均和功率展平，本发明设计了一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，本发明结构简单、块化结构，可实现固态反应堆堆芯的热量平均和功率展平。

为达到上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，包括保护钢壳1、应急冷却通道2、反射层3、活性区4和停堆棒5；所述保护钢壳1包围反射层3，保护钢壳1和反射层3之间留有环形的应急冷却通道2，反射层3中心设置有活性区4，反射层3内部边缘分布有若干停堆棒5；所述活性区4包括若干高温热管41、燃料芯块42、均温层43和实体层44，均温层43和实体层44相互交错堆叠组成活性区4的基体，均温层43和实体层44内包含有燃料芯块42，高温热管41穿过均温层43和实体层44的热管通道。

所述应急冷却通道2直接连通冷源，通过冷却工质进行换热，冷却工质为水、钾、钠、铅或锂的单质或混合物。

所述应急冷却通道2填充有相变材料，相变过程为相变材料由固态转变为液态，液态的相变材料与冷源进行换热，相变材料可选用铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋单质工质或混合物。

所述高温热管41穿过均温层43和实体层44导出热量，高温热管的工质为铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋单质工质或混合物。

所述均温层43为中空结构，内壁表面设置有多孔结构，均温层43填充有工质，多孔结构为金属丝网、烧结粉末、烧结纤维、槽道、独立通道的单独结构或组合，工质为铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋的单质或混合物。

所述实体层44为金属实体，金属材料为铜、铁、镍、锰、铬、钴、钼、钨、锑、银、钌、钯、或铂单质或混合物。

所述燃料芯块42独立分散于均温层43和实体层44，燃料芯块42与均温层43和实体层44之间存在间隙。

所述若干燃料芯块42组成燃料棒并封装，燃料棒穿过均温层43和实体层44，燃料棒内燃料芯块42之间存在间隙。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明堆芯设置有应急冷却通道2可通过对流或相变进行应急状态下堆芯的冷却，设置有均温层43可通过内部的相变传热进行堆芯温度的展平，设置均温层43和实体层44交错组合成活性区4的基体，可实现堆芯的模块化，本发明结构紧凑，质量较轻，可实现固态堆芯温度展平和加强堆芯传热。

本发明针对固态堆芯基体传热受限的问题，提出一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，本发明结构紧凑，质量较轻，无运动部件，特殊的结构设计能够极大地提升堆芯的传热性能，提升堆芯的安全性。

附图说明

图1为具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯的示意图。

图2为活性区径向的示意图。

图3为活性区轴向的示意图。

具体实施方式

现结合实例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，包括保护钢壳1、应急冷却通道2、反射层3、活性区4和停堆棒5；如图2和图3所示，所述保护钢壳1包围反射层3，保护钢壳1和反射层3之间留有环形的应急冷却通道2，反射层3中心设置有活性区4，反射层3内部边缘分布有若干停堆棒5，所述活性区4包括若干高温热管41、燃料芯块42、均温层43和实体层44，均温层43和实体层44相互交错堆叠组成活性区4的基体，均温层43和实体层44内包含有燃料芯块42，高温热管41穿过均温层43和实体层44的热管通道。

作为本发明的优选实施方式，所述应急冷却通道2直接连通冷源，通过冷却工质进行换热，冷却工质为水、钾、钠、铅或锂的单质或混合物。

作为本发明的优选实施方式，所述应急冷却通道2填充有相变材料，相变过程为相变材料由固态转变为液态，液态的相变材料与冷源进行换热，相变材料可选用铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋单质工质或混合物。

作为本发明的优选实施方式，所述均温层43和实体层44堆叠组成活性区4，高温热管41穿过均温层43和实体层44导出热量，高温热管的工质为铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋单质工质或混合物。

作为本发明的优选实施方式，所述均温层43为中空结构，内壁表面设置有多孔结构，均温层43填充有工质，多孔结构为金属丝网、烧结粉末、烧结纤维、槽道、独立通道的单独结构或组合，工质为铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋的单质或混合物。

作为本发明的优选实施方式，所述实体层44为金属实体，金属材料为铜、铁、镍、锰、铬、钴、钼、钨、锑、银、钌、钯、或铂单质或混合物。

作为本发明的优选实施方式，所述燃料芯块42独立分散于均温层43和实体层44，燃料芯块42与均温层43和实体层44之间存在间隙。

作为本发明的优选实施方式，所述若干燃料芯块42组成燃料棒并封装，燃料棒穿过均温层43和实体层44，燃料棒内燃料芯块42之间存在间隙。

本发明的工作原理为：固态反应堆堆芯正常工况：均温层43和实体层44交错堆叠组成的活性区4内燃料芯块42发生核裂变反应释放热量，实体层44通过金属导热将热量传输到高温热管41，均温层43吸收热量使得均温层43内部工质相变产生蒸气，蒸气流动到靠近高温热管41处温度较低的区域冷凝释放热量，由于相变潜热和蒸气流动传热的效率远大于金属导热，均温层43的传热效率大于实体层44，有利于展平堆芯温度和功率分布。固态反应堆堆芯事故工况：停堆棒5插入堆芯，反应堆停堆，均温层43将事故发生处的热量快速传导到反射层3，反射层3将热量传输到应急冷却通道2，应急冷却通道2通过冷却剂将热量传导至冷源，保障堆芯安全。

Claims (7)

1.一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：包括保护钢壳(1)、应急冷却通道(2)、反射层(3)、活性区(4)和停堆棒(5)；所述保护钢壳(1)包围反射层(3)，保护钢壳(1)和反射层(3)之间留有环形的应急冷却通道(2)，反射层(3)中心设置有活性区(4)，反射层(3)内部边缘分布有若干停堆棒(5)；所述活性区(4)包括若干高温热管(41)、燃料芯块(42)、均温层(43)和实体层(44)，均温层(43)和实体层(44)相互交错堆叠组成活性区(4)的基体，均温层(43)和实体层(44)内包含有燃料芯块(42)，高温热管(41)穿过均温层(43)和实体层(44)的热管通道。

2.根据权利要求1所述一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：所述应急冷却通道(2)直接连通冷源，通过冷却工质进行换热，冷却工质为水、钾、钠、铅或锂的单质或混合物；

所述应急冷却通道(2)填充有相变材料，相变过程为相变材料由固态转变为液态，液态的相变材料与冷源进行换热，相变材料选用铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋单质工质或混合物。

3.根据权利要求1所述一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：所述高温热管(41)穿过均温层(43)和实体层(44)导出热量，高温热管的工质为铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋单质工质或混合物。

4.根据权利要求1所述一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：所述均温层(43)为中空结构，内壁表面设置有多孔结构，均温层(43)填充有工质，多孔结构为金属丝网、烧结粉末、烧结纤维、槽道、独立通道的单独结构或组合，工质为铯、钾、钠、锂、银、铅、或铋的单质或混合物。

5.根据权利要求1所述一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：所述实体层(44)为金属实体，金属材料为铜、铁、镍、锰、铬、钴、钼、钨、锑、银、钌、钯、或铂单质或混合物。

6.根据权利要求1所述一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：所述燃料芯块(42)独立分散于均温层(43)和实体层(44)，燃料芯块(42)与均温层(43)和实体层(44)之间存在间隙。

7.根据权利要求1所述一种具有均温结构的模块化固态反应堆堆芯，其特征在于：所述若干燃料芯块(42)组成燃料棒并封装，燃料棒穿过均温层(43)和实体层(44)，燃料棒内燃料芯块(42)之间存在间隙。

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