CN114005552A - 一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，包括堆芯基体，堆芯基体上开设了若干用于安装燃料组件的燃料安装孔和若干用于安装热管的热管安装孔，热管安装孔与燃料安装孔交错布置，堆芯基体上还开设有一个或多个用于放置测温装置的测温孔，测温孔位于热管安装孔与燃料安装孔之间。安装在测温通孔的测温装置提供了分布式的堆芯温度，温度测量更加准确、可靠，为反应性控制提供了在线温度数据，可以有效避免局部温度过高进而导致基体或热管失效。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构。
背景技术
热管反应堆(HPR)是指采用热管将反应堆堆芯产生的热量导出，传导至二回路系统或热电转换装置的反应堆，具有长寿期甚至全寿期无换料、高固有安全性、系统设备简单、高可靠性、易小型化等技术特点，是水下空间站、陆地移动核电源、海上能源开采、空间探测、小型局部区域供电供热的潜在能源供应选项。
堆芯是热管反应堆的关键部件，是反应堆能量的来源。热管反应堆采用固态堆芯，主要通过导热将裂变产生的热量从燃料棒传递给堆芯本体进而通过热管导出。由于热应力可能导致堆芯结构破损，会对反应堆应用性能和结构安全产生较大的影响，因此，对堆芯温度进行在线监测和控制，对于热管反应堆安全性尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是堆芯温度无法在线实时监测，直接影响到热管反应堆安全的问题，目的在于提供一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，解决了更准确、方便安全的实时在线监测热管反应堆堆芯温度的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，包括堆芯基体，所述堆芯基体上开设了若干用于安装燃料组件的燃料安装孔和若干用于安装热管的热管安装孔，所述热管安装孔与所述燃料安装孔交错布置，所述堆芯基体上还开设有一个或多个用于放置测温装置的测温孔，所述测温孔位于所述热管安装孔与所述燃料安装孔之间。
本发明通过在热管反应堆的固态堆芯结构中设置若干的容纳测温装置的测温孔，而测温孔又布置在于热管安装孔和燃料安装孔之间的位置。燃料安装孔内的燃料组件进行热量的散发，热量通过堆芯基体传递给热管，由热管传输出去进行通量的转化。此过程中，热量在通过堆芯基体，从燃料组件向热管的方向传递。本发明方案在热量的传递路径途中，也就是在燃料安装孔和热管安装孔之间的位置设置测温孔，由测温孔内的测温装置对经过的热量进行测量。由于本发明方案中的测温孔直接设置于堆芯基体上，且位于燃料组件和热管之间，通过实时监测邻近燃料组件的堆芯基体温度，推测出燃料组件的温度，方便又安全的随时监测燃料组件的温度变化。
进一步的，所述燃料安装孔为盲孔。
进一步的，所述盲孔开口的一端设置有端塞，所述端塞将若干燃料芯块密封于所述盲孔内。传统燃料棒的形式，由于燃料棒具有包壳管，能温度传递产生一定阻碍，使得测得的温度与燃料本身的温度有一定的误差。本发明方案摒弃燃料棒的包壳管，在堆芯基体上直接设置盲孔，以盲孔孔壁代替传统燃料棒包壳管的功能，将燃料芯块等燃料组件直接设置于盲孔内，更利于燃料组件热量的传递效率，降低了热阻，使得位于燃料安装孔旁边的测量孔内的测量装置，测量的堆芯基体温度更接近于燃料组件的实际温度，提高了温度测量的准确性。
进一步的，所述燃料芯块为圆柱形或环形，若干燃料芯块摞位于所述盲孔内，所述燃料芯块与盲孔的盲端之间设置有用于对所述燃料芯块进行轴向定位的气腔弹簧，所述燃料芯块与所述盲孔孔壁之间留有填充裂变气体的间隙。
进一步的，所述盲孔开口的一端内侧壁设置有焊接凸台，所述端塞与所述焊接凸台密封焊接。通过焊接凸台与端塞的密封焊接，实现燃料安装孔的气密性要求。
进一步的，所述热管安装孔和所述测温孔均为通孔。
进一步的，所述热管依次包括加热端、绝热段和冷凝端，所述加热端位于所述热管安装孔内，所述加热端的长度与所述热管安装孔的深度相匹配。
进一步的，所述加热端外壁面设置有外螺纹，所述热管安装孔内壁面设置有与所述外螺纹配合使用的内螺纹。所述热管与所述堆芯基体实现螺纹固定连接，螺纹连接方式在固定的同时，也增大了加热管与堆芯基体的接触面积，更利热量的传递。
进一步的，所述热管的加热段与所述热管安装孔之间填充有液态金属或氦气。通过液态金属或氦气增加热管与基体之间导热换热能力。
进一步的，所述测温装置为热电偶或测温光纤。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
相比将燃料棒插入基体通孔的设计方案，由于燃料芯块与基体之间取消了包壳而降低了热阻，可以提高堆芯传热效率，并使堆芯结构更简单和可靠；安装在测温通孔的测温光纤(或热电偶)提供了分布式的堆芯温度，温度测量更加准确、可靠，为反应性控制提供了在线温度数据，可以有效避免局部温度过高进而导致基体或热管失效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为堆芯总体结构横向俯视图；
图2为堆芯总体结构纵向剖视图；
图3为燃料盲孔盲端的局部放大图；
图4为焊接凸台位置示意图；
图5为热管与热管通孔之间螺纹连接位置放大图；
图6为热管结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-热管通孔，2-燃料盲孔，3-测温通孔，4-堆芯基体，5-端塞，6-燃料芯块，7-气腔弹簧，8-热管封底，9-上端盲板，10-焊接凸台，11-外螺纹，12-加热端，13-绝热段，14-冷凝端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1是一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，包括堆芯基体，堆芯基体上开设了若干用于安装燃料组件的燃料安装孔和若干用于安装热管的热管安装孔，热管安装孔与燃料安装孔交错布置，堆芯基体上还开设有一个或多个用于放置测温装置的测温孔，测温孔位于热管安装孔与燃料安装孔之间。本实施例1通过在热管反应堆的固态堆芯结构中设置若干的容纳测温装置的测温孔，而测温孔又布置在于热管安装孔和燃料安装孔之间的位置。燃料安装孔内的燃料组件进行热量的散发，热量通过堆芯基体传递给热管，由热管传输出去进行通量的转化。此过程中，热量在通过堆芯基体，从燃料组件向热管的方向传递。本实施例1方案在热量的传递路径途中，也就是在燃料安装孔和热管安装孔之间的位置设置测温孔，由测温孔内的测温装置对经过的热量进行测量。由于本实施例1的方案中的测温孔直接设置于堆芯基体上，且位于燃料组件和热管之间，通过实时监测邻近燃料组件的堆芯基体温度，推测出燃料组件的温度，方便又安全的随时监测燃料组件的温度变化。
燃料安装孔为盲孔。盲孔开口的一端设置有端塞，端塞将若干燃料芯块密封于盲孔内。传统燃料棒的形式，由于燃料棒具有包壳管，能温度传递产生一定阻碍，使得测得的温度与燃料本身的温度有一定的误差。本实施例1方案摒弃燃料棒的包壳管，在堆芯基体上直接设置盲孔，以盲孔孔壁代替传统燃料棒包壳管的功能，将燃料芯块等燃料组件直接设置于盲孔内，更利于燃料组件热量的传递效率，降低了热阻，使得位于燃料安装孔旁边的测量孔内的测量装置，测量的温度更接近于燃料组件的实际温度，提高了温度测量的准确性。燃料芯块为圆柱形或环形，若干燃料芯块摞位于盲孔内，燃料芯块与盲孔的盲端之间设置有用于对燃料芯块进行轴向定位的气腔弹簧，燃料芯块与盲孔孔壁之间留有填充裂变气体的间隙。盲孔开口的一端内侧壁设置有焊接凸台，端塞与焊接凸台密封焊接。通过焊接凸台与端塞的密封焊接，实现燃料安装孔的气密性要求。
热管安装孔和测温孔均为通孔，通孔用于放置热管或测温装置。热管依次包括加热端、绝热段和冷凝端，加热端位于热管安装孔内，加热端的长度与热管安装孔的深度相匹配，绝热段和冷凝端伸出堆芯基体。加热端外壁面设置有外螺纹，热管安装孔内壁面设置有与外螺纹配合使用的内螺纹。热管与堆芯基体实现螺纹固定连接，螺纹连接方式在固定的同时，也增大了加热管与堆芯基体的接触面积，更利热量的传递。热管的加热段与热管安装孔之间填充有液态金属或氦气。通过液态金属或氦气增加热管与基体之间导热换热能力。
本实施例1中的测温装置可以为热电偶或测温光纤。测温孔位于热管安装孔与燃料安装孔之间。在一种可能的实施例中，相比于测温孔与热管安装孔的距离，测温孔离燃料安装孔更近，能让测量的温度数据更接近于燃料的实际温度。在另一种可能的实施例中，测温孔有多个，一部分测温孔设置于堆芯基体中心位置处的热管安装孔和燃料安装孔之间，一部分测温孔设置堆芯基体四周边沿处的热管安装孔和燃料安装孔之间。测温孔在堆芯基体上的全方位设置，有效监测堆芯基体各部位的实时温度，以便使热管反应堆处于有效的监控中，做到安全的生产运行。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上，一种带测温孔的热管反应堆集成固态堆芯结构，本实施例2主要是针对未来小型功率需求、多种应用场合热管反应堆需求，提出一种具有传热效率高、可监测温度变化、高可靠性等特点，可应用于小型热管反应堆的固态堆芯结构。本实施例2通过在固态堆芯结构中设置若干的容纳光纤或热电偶的测温通孔，以及容纳核燃料的燃料盲孔、用于传热的热管通孔，能够提高固态堆芯的导热能力，减少焊接区数量，并监测堆芯温度变化，特别适用于热管反应堆。堆芯基体上按照一定的排列关系、设有多点分布式测温孔，内装入热电偶或测温光纤，以实时采集固态堆芯内部温度分布数据。集成固态堆芯中的燃料孔上端为盲板结构，下端设有焊接凸台，另有端塞与固态堆芯基体通过焊接实现气密性。热管通过与固态堆芯基体的螺纹连接实现固定。
具体来说，本实施例2的一种带测温孔的热管反应堆固态堆芯结构主要由带有若干燃料盲孔、热管通孔、测温通孔的堆芯基体、热管和测温光纤(或热电偶)组成。本实施例2可采用石英、铂老等热电偶，此类热电偶可以测1500度，而堆芯燃料实际温度在1000度以内。燃料盲孔内装入圆柱形燃料芯块摞，其余空间有用于燃料定位的气腔弹簧和容纳裂变气体的气腔，预充高于大气压的惰性气体(如氦气)，开口侧留有焊接凸台。在完成芯块摞、气腔弹簧组装和充入气体后，通过端塞焊接密封。热管安装孔为高温高效棒状碱金属(Na、K、Li等)热管提供安装通道，热完管安装孔下端有内螺纹以便于固定热管。热管加热端设置有与内螺纹配合使用的外螺纹。热管与堆芯基体之间填充液态金属或高纯氦气以增强导热。测温孔位于热管通孔与燃料盲孔之间的三角区域，内装入热电偶或测温光纤，填充液态金属或高纯氦气以增强导热。基体是堆芯结构的重要组成部分，热管、测温光纤(或热电偶)均安装在堆芯基体上。基体上按照一定的排列关系设计有燃料盲孔、热管通孔、测温通孔。
相比将燃料棒插入基体通孔的设计方案，由于燃料芯块与基体之间取消了包壳管而降低了热阻，可以提高堆芯传热效率，并使堆芯结构更简单和可靠；通过液态金属或氦气增加热管与基体之间导热换热能力；安装在测温通孔的测温光纤(或热电偶)提供了分布式的堆芯温度，为反应性控制提供了在线温度数据，可以有效避免局部温度过高进而导致基体或热管失效。
实施例3
本实施例3是在实施例2的基础上，如图1所示，一种热管反应堆固态堆芯结构，主要包括热管通孔1、燃料盲孔2、测温通孔3和堆芯基体4。堆芯基体4可以是圆柱结构，也可以是多边形棱柱结构。堆芯基体4上，按照一定的排列关系设计有很多燃料盲孔2和热管通孔1。如图2所示，燃料盲孔2中的燃料组件与传统核燃料棒不同，燃料芯块6摞位于堆芯基体4的燃料盲2孔内，通过下端塞5与堆芯基体的焊接实现气密性，不再需要燃料棒包壳和上端塞结构。单个燃料芯块为圆柱形或环形，成分包括但不限于UO2、UHY等。燃料芯块6与燃料盲孔2孔壁之间留有一定的间隙，燃料芯块摞之外的空间为容纳裂变气体的气腔，并设置了气腔弹簧7进行轴向定位。如图5所示，热管的加热端12外壁开有外螺纹，与堆芯基体4上的热管通孔通过螺纹连接固定在一起。热管在堆芯基体上的布置，可以从堆芯轴向一侧引出，也可以根据需要设计为两端对称引出，但无论哪种形式，热管的外壁在加热端12开设外螺纹。在热管和堆芯基体之间除螺纹段之外的空隙填充液态金属或高纯氦气以增强导热性能，填充液态金属或高纯氦气以增强测温光纤对热扰动的响应速度。
如图2所示，堆芯燃料元件与传统燃料棒不同，不再需要包壳和上端塞结构，原包壳结构直接用堆芯燃料孔孔壁代替，原上端塞结构用与堆芯呈一体的上端盲板9代替，减少焊接区数量，搞高了热传递效率，如图3所示，与上端盲板9堆芯基体4一体成形，不仅降低了燃料芯块6与堆芯基体4间的热阻，而且取消了焊接工艺环节并能提高结构可靠性。堆芯燃料元件的气密性是通过堆芯基体与下端塞5的焊接实现的，堆芯基体上的燃料盲孔开口端设有焊接凸台10，依次装入气腔弹簧7、芯块摞后，将焊接凸台10与下端塞5边缘焊接固定，如图4所示。如图5和图6所示，在热管靠近堆芯底部处开有外螺纹11，通过螺纹与堆芯基体上的热管安装孔实现紧密配合，靠近堆芯底部的热管上设置有热管封底8。盲孔焊接的开口端与热管出口方向相反。盲孔，没有包壳管，能更好的测温，更好的反应和测出燃料的温度。
如图6所示，热管主要由加热段12、绝热段13、冷凝段14组成。加热段12与堆芯基体4的高度相当，靠近堆芯底部处开有外螺纹11。绝热段是为了防止热管不必要的散热损失，冷凝端则连接热电转换装置等，将热量导出。
本实施例3的堆芯基体上，可以设置不同燃料通孔和热管通孔的比例，也就是燃料与热管在不同比例及不同的排列位置，测温孔在堆芯基体中的数量和排布方式，以及集成固体堆芯中热管、燃料元件与堆芯基体的连接方式下，测量不同的热度，监测不同设置条件下的温度及热量情况。堆芯基体上按照一定的排列关系、非均匀分布有测温通孔，内装入热电偶或测温光纤，以实时采集固态堆芯内部温度分布数据。
除燃料芯块外，其他结构采用同种或异种材料，以保证安装的效果和相近的热膨胀系数，保障运行的可靠性和安全性。结构材料包括但不限于不锈钢、锆合金、镍基合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金、碳化硅陶瓷等。
另外，本发明的重点在于将测温孔直接设置于堆芯基体上，测温装置距离发热源(燃料芯块)较近，能准确的获得堆芯基体各位置的实时温度，方便对堆芯基体进行监测，测得的温度更接近于燃料芯块的实际温度。因此，在本发明中燃料芯块直接放置在盲孔中。本发明方案的燃料安装孔，也可以为通孔，可以将现在的燃料棒直接固定于燃料安装通孔中，测温孔测得的温度相对于盲孔的方式，精度和准确度有所减少，实时监控效果相对减弱。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，包括堆芯基体，所述堆芯基体上开设了若干用于安装燃料组件的燃料安装孔和若干用于安装热管的热管安装孔，所述热管安装孔与所述燃料安装孔交错布置，其特征在于，所述堆芯基体上还开设有一个或多个用于放置测温装置的测温孔，所述测温孔位于所述热管安装孔与所述燃料安装孔之间。
2.根据权利要求1所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述燃料安装孔为盲孔。
3.根据权利要求2所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述盲孔开口的一端设置有端塞，所述端塞将若干燃料芯块密封于所述盲孔内。
4.根据权利要求3所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述燃料芯块为圆柱形或环形，若干燃料芯块摞位于所述盲孔内，所述燃料芯块与盲孔的盲端之间设置有用于对所述燃料芯块进行轴向定位的气腔弹簧，所述燃料芯块与所述盲孔孔壁之间留有填充裂变气体的间隙。
5.根据权利要求3所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述盲孔开口的一端内侧壁设置有焊接凸台，所述端塞与所述焊接凸台密封焊接。
6.根据权利要求3所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述热管安装孔和所述测温孔均为通孔。
7.根据权利要求6所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述热管依次包括加热端、绝热段和冷凝端，所述加热端位于所述热管安装孔内，所述加热端的长度与所述热管安装孔的深度相匹配。
8.根据权利要求7所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述加热端外壁面设置有外螺纹，所述热管安装孔内壁面设置有与所述外螺纹配合使用的内螺纹。
9.根据权利要求7所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述热管的加热段与所述热管安装孔之间填充有液态金属或氦气。
10.根据权利要求1所述易于测量堆芯温度的热管反应堆集成固态堆芯结构，其特征在于，所述测温装置为热电偶或测温光纤。
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