CN114121315A - 一种脉动热管冷却反应堆热管理系统 - Google Patents

一种脉动热管冷却反应堆热管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，包括板状燃料元件、上轴向反射层、下轴向反射层、径向反射层、堆芯相变材料、脉动热管、相变传热材料、热电器件、斯特林发电机、冷却板。本发明利用脉动热管易于启动、可弯曲、结构简单的特点，可以大大提升反应堆系统的启动性能。

Description

一种脉动热管冷却反应堆热管理系统
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种脉动热管冷却反应堆热管理系统。
背景技术
脉动热管利用工质的相变进行传热，具有结构简单、形状任意弯曲的特性。脉动热管的小管径可以为工质提供足够的毛细力进行输运，同时小管容易形成气泡柱和液体柱相间随机分布的状态。相比于传统毛细热管，脉动热管具有更易启动、结构简单、可以任意弯曲、有效传热系数更高、传热极限更大的优点。热管冷却反应堆系统一般作为小型核电源使用，对反应堆系统的体积和质量提出了苛刻的要求。
发明内容
为实现热管冷却反应堆系统的小型化的要求，提升热管冷却反应堆系统的启动性能，本发明设计了一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，该系统结构简化，利用脉动热管结构简单、易于启动、可以弯曲等特点，本发明可应用于航空航天等领域。
本发明采取以下设计方案：
一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，包括板状燃料元件100、堆芯相变材料110、相变传热材料200、热电器件210、冷却板220、斯特林发电机250、脉动热管300、径向反射层401、上轴向反射层402和下轴向反射层403；所述脉动热管300包括直管301、弯管302和脉动热管工质303；若干所述直管301和弯管302连接形成封闭管路，脉动热管工质303置于封闭管路内；若干所述板状燃料元件100和堆芯相变材料110交替层叠，板状燃料元件100和堆芯相变材料110周向被径向反射层401包围，轴向分别为上轴向反射层402和下轴向反射层403，若干脉动热管300的蒸发段穿过上轴向反射层402置于堆芯相变材料110内，脉动热管300的冷凝段置于相变传热材料200内，若干相变传热材料200、热电器件210、冷却板220逐层叠加，置于相变传热材料200内的脉动热管300的冷凝段缠绕斯特林发电机250的热端。
所述直管301、弯管302内部有槽道，槽道内填充有烧结金属粉末或碳纤维或碳纳米管作为脉动热管工质303，所述直管301、弯管302置于堆芯相变材料110和相变传热材料200的部分设置有若干翅片。
所述脉动热管工质303占脉动热管300管内总体的10～90％。
所述直管301和弯管302的截面形状可为矩形、圆形、三角形或多边形。
所述斯特林发电机250内工质为氢气或氦气；所述斯特林发电机250数量为偶数台，偶数台斯特林发电机250共用同一热端，偶数台斯特林发电机250以热端为中心对称布置，以减缓振动。
所述热电器件210的材料为方钴矿、碲化铋、锑化铅或半赫斯勒合金。
所述板状燃料元件100的材料为二氧化铀、氮化铀或铀氢锆。
所述径向反射层401、上轴向反射层402、下轴向反射层403的材料为石墨、水、铅、氢化锂、碳化硼或钨的单质或混合材料。
所述堆芯相变材料110和相变传热材料200的工质为铷、铯、钾、钠、锂的单质或混合物。
所述脉动热管工质303为水、汞、铷、铯、钾、钠、锂的单质或混合物。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明采用脉动热管300作为堆芯主要的热量导出方式，利用其易于启动、可以弯曲、结构简单的特点，可以实现反应堆系统的小型化；由于脉动热管300的并联通道之间存在压力不平衡，实现了脉动热管300内脉动热管工质303在蒸发段和冷凝段之间的脉动振荡和能量传输，相比于传统毛细驱动热管，脉动热管300的传热效率更高、更容易启动、传热极限更高；采用温差发电器件210可以实现静态能量转换，不产生噪音等，提升了系统的隐蔽性；采用斯特林发电机250相较于温差发电器件210，能量转换效率提升；采用堆芯相变材料110和相变传热材料200解决了脉动热管300中温度波动的问题，使得系统的热稳定性提高；结合板状燃料元件100采用铀氢锆可以系统的脉冲式工作，提升了系统的安全性。
本发明针对热管冷却反应堆小型化的问题，提出一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，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系统的紧凑型和安全性。
附图说明
图1为脉动热管冷却反应堆热管理系统的示意图。
图2为脉动热管冷却反应堆热管理系统的剖视图。
图3为图1沿A-A向的剖视图。
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、图2和图3所示，本发明一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，包括板状燃料元件100、堆芯相变材料110、相变传热材料200、热电器件210、冷却板220、斯特林发电机250、脉动热管300、径向反射层401、上轴向反射层402和下轴向反射层403；所述脉动热管300包括直管301、弯管302和脉动热管工质303；若干所述直管301和弯管302连接形成封闭管路，脉动热管工质303置于封闭管路内；若干所述板状燃料元件100和堆芯相变材料110交替层叠，板状燃料元件100和堆芯相变材料110周向被径向反射层401包围，轴向分别为上轴向反射层402和下轴向反射层403，若干脉动热管300的蒸发段穿过上轴向反射层402置于堆芯相变材料110内，脉动热管300的冷凝段置于相变传热材料200内，若干相变传热材料200、热电器件210、冷却板220逐层叠加，置于相变传热材料200内的脉动热管300的冷凝段缠绕斯特林发电机250的热端。
作为本发明优选实施方式，所述直管301、弯管302内部有槽道，槽道内填充有烧结金属粉末或碳纤维或碳纳米管作为脉动热管工质303，所述直管301、弯管302置于堆芯相变材料110和相变传热材料200的部分设置有若干翅片，这样，利用脉动热管300内槽道和填充物产生毛细力，促进脉动热管工质303的流动，增强脉动热管300的传热能力，利用脉动热管300可弯曲、易启动的特点实现在堆芯相变材料110和相变传热材料200之间的传热，翅片的存在促进脉动热管300和芯相变材料110/相变传热材料200之间的传热效率。作为本发明优选实施方式，所述脉动热管工质303占脉动热管300管内总体的10～90％，这样，脉动热管工质303填充于脉动热管300内部并留有部分空腔，空腔可为脉动热管工质303的气化提供空间，利用脉动热管工质303的汽化潜热进行传热作为本发明优选实施方式，所述直管301和弯管302的截面形状可为矩形、圆形、三角形或多边形。
作为本发明优选实施方式，所述斯特林发电机250内工质为氢气或氦气；所述斯特林发电机250数量为偶数台，偶数台斯特林发电机250共用同一热端，偶数台斯特林发电机250以热端为中心对称布置，以减缓振动。
作为本发明优选实施方式，所述热电器件210的材料为方钴矿、碲化铋、锑化铅或半赫斯勒合金，这样，覆盖由低温到高温的全部温域，可在不同的工作温度下提供电能。
作为本发明优选实施方式，所述板状燃料元件100的材料为二氧化铀、氮化铀或铀氢锆，适用于快中子反应堆、热中子反应堆或中等能谱中子反应堆，选用铀氢锆具有高温度反馈系数，提升安全性。
作为本发明优选实施方式，所述径向反射层401、上轴向反射层402、下轴向反射层403的材料为石墨、水、铅、氢化锂、碳化硼或钨的单质或混合材料，多种材料多层屏蔽的组合减轻质量和提高中子经济性。
作为本发明优选实施方式，所述堆芯相变材料110和相变传热材料200的工质为铷、铯、钾、钠、锂的单质或混合物，这样，高温下工质的相变有利于提升堆芯相变材料110和相变传热材料200的热容，有利于安全性提高、温度的展平和换热效率的提升。
作为本发明优选实施方式，所述脉动热管工质303为水、汞、铷、铯、钾、钠、锂的单质或混合物，这样，多种脉动热管工质的选择覆盖由低温到高温的区间，使得脉动热管300的适用场景扩展，提升了传热效率。
本发明的工作原理为：板状燃料元件100通过核裂变反应产生热量，热量通过堆芯相变材料110传导至脉动热管300的蒸发段，脉动热管300蒸发段内脉动热管工质303吸收热量气化，由于脉动热管300的蒸发段和冷凝段之间存在多个并联通道，各并联通道之间的压力不平衡使得脉动热管工质303在蒸发段和冷凝段之间发生脉动振荡，脉动热管工质303在冷凝段冷凝并将热量传导至相变传热材料200，相变传热材料200将热量经热电器件210传递冷却板220，热电器件210由于两侧的温差产生电能，相变传热材料200将热量传递至斯特林发电机250热端，使得斯特林发电机250工作发电，径向反射层401、上轴向反射层402、下轴向反射层403反射和屏蔽板状燃料元件100产生的中子。

Claims (10)

1.一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：包括板状燃料元件(100)、堆芯相变材料(110)、相变传热材料(200)、热电器件(210)、冷却板(220)、斯特林发电机(250)、脉动热管(300)、径向反射层(401)、上轴向反射层(402)和下轴向反射层(403)；所述脉动热管(300)包括直管(301)、弯管(302)和脉动热管工质(303)；若干所述直管(301)和弯管(302)连接形成封闭管路，脉动热管工质(303)置于封闭管路内；若干所述板状燃料元件(100)和堆芯相变材料(110)交替层叠，板状燃料元件(100)和堆芯相变材料(110)周向被径向反射层(401)包围，轴向分别为上轴向反射层(402)和下轴向反射层(403)，若干脉动热管(300)的蒸发段穿过上轴向反射层(402)置于堆芯相变材料(110)内，脉动热管(300)的冷凝段置于相变传热材料(200)内，若干相变传热材料(200)、热电器件(210)、冷却板(220)逐层叠加，置于相变传热材料(200)内的脉动热管(300)的冷凝段缠绕斯特林发电机(250)的热端。
2.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述直管(301)、弯管(302)内部有槽道，槽道内填充有烧结金属粉末或碳纤维或碳纳米管作为脉动热管工质(303)，所述直管(301)、弯管(302)置于堆芯相变材料(110)和相变传热材料(200)的部分设置有若干翅片。
3.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述脉动热管工质(303)占脉动热管(300)管内总体的10～90％。
4.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述直管(301)和弯管(302)的截面形状为矩形、圆形、三角形或多边形。
5.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述斯特林发电机(250)内工质为氢气或氦气；所述斯特林发电机(250)数量为偶数台，偶数台斯特林发电机(250)共用同一热端，偶数台斯特林发电机(250)以热端为中心对称布置，以减缓振动。
6.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述热电器件(210)的材料为方钴矿、碲化铋、锑化铅或半赫斯勒合金。
7.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述板状燃料元件(100)的材料为二氧化铀、氮化铀或铀氢锆。
8.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述径向反射层(401)、上轴向反射层(402)、下轴向反射层(403)的材料为石墨、水、铅、氢化锂、碳化硼或钨的单质或混合材料。
9.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述堆芯相变材料(110)和相变传热材料(200)的工质为铷、铯、钾、钠、锂的单质或混合物；
所述脉动热管工质(303)为水、汞、铷、铯、钾、钠、锂的单质或混合物。
10.根据权利要求1所述一种脉动热管冷却反应堆热管理系统，其特征在于：所述板状燃料元件(100)通过核裂变反应产生热量，热量通过堆芯相变材料(110)传导至脉动热管(300)的蒸发段，脉动热管(300)蒸发段内脉动热管工质(303)吸收热量气化，由于脉动热管(300)的蒸发段和冷凝段之间存在多个并联通道，各并联通道之间的压力不平衡使得脉动热管工质(303)在蒸发段和冷凝段之间发生脉动振荡，脉动热管工质(303)在冷凝段冷凝并将热量传导至相变传热材料(200)，相变传热材料(200)将热量经热电器件(210)传递冷却板(220)，热电器件(210)由于两侧的温差产生电能，相变传热材料(200)将热量传递至斯特林发电机(250)热端，使得斯特林发电机(250)工作发电，径向反射层(401)、上轴向反射层(402)、下轴向反射层(403)反射和屏蔽板状燃料元件(100)产生的中子。
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