CN114530267A - 一种热管式空间核反应堆电源 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种热管式空间核反应堆电源，包括：堆芯、屏蔽体、多个一级直热管、多个二级直热管以及温差发电器件。屏蔽体置于堆芯的轴向一侧。一级直热管的第一端置于堆芯中，第二端延伸至屏蔽体中，一级直热管相对堆芯的轴线倾斜设置在堆芯中。二级直热管的第一端在屏蔽体内与一级直热管的第二端热连接，相互连接的一级直热管和二级直热管呈不共线布置。温差发电器件的热端与二级直热管的第二端热连接。本申请实施例的热管式空间核反应堆电源，通过一级直热管与二级直热管之间的热连接，避免了使用弯曲热管制造加工难度大的问题。同时一级直热管倾斜设置在堆芯中的布置方式有利于减小燃料的轴向功率不均匀因子，提高燃料的释热率。
Description
技术领域
本发明属于空间核反应堆技术领域，具体涉及一种采用直热管的热管式空间核反应堆电源。
背景技术
热管式空间核反应堆电源是采用多根热管带出反应堆热量的一种新型反应堆，其基本原理是：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。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。
热管式空间核反应堆电源中，反应堆和热电转换系统分别被布置于屏蔽体的两端，因此，为将热量由反应堆传递至热电转换系统，热管需要穿过或绕过屏蔽体。
屏蔽体相关技术中，热管穿过屏蔽体，为防止反应堆产生的中子、γ射线等直接通过热管中心孔贯穿屏蔽体，多采用将热管进行适当弯曲绕过屏蔽体后与热电转换系统连接，以避免屏蔽体后端各系统所受辐照剂量超出限值。
以上方案的不足之处在于：热管需要进行弯曲，这会带来两方面的问题：(1)堆芯与热电转换系统之间采用高温热管，弯曲型高温热管的制造难度大；(2)弯曲热管会大幅削减热管的传热性能，对于给定的堆芯功率，热管传热性能越差，所需热管数目就越多，这将导致反应堆乃至整个电源系统的尺寸和重量增大。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例期望提供一种通过直热管实现热量由反应堆传递至热电转换系统的一种热管式空间核反应堆电源。
本申请实施例提供一种热管式空间核反应堆电源，包括：
堆芯；
屏蔽体，所述屏蔽体置于所述堆芯的轴向一侧；
多个一级直热管，所述一级直热管的第一端置于所述堆芯中，第二端延伸至所述屏蔽体中，所述一级直热管相对所述堆芯的轴线倾斜设置在所述堆芯中；
多个二级直热管，所述二级直热管的第一端在所述屏蔽体内与所述一级直热管的第二端热连接，相互连接的所述一级直热管和所述二级直热管呈不共线布置；
温差发电器件，所述温差发电器具有热端和冷端，所述温差发电器件的热端与所述二级直热管的第二端热连接。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，所述热管式空间核反应堆电源包括辐射翅片，所述辐射翅片连接所述温差发电器件的冷端，以将所述热管式空间核反应堆电源的废热辐射排放至外部空间。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，在每个所述二级直热管的轴向间隔设置有多个所述辐射翅片，每个所述辐射翅片与至少一个所述温差发电器连接。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，所述二级直热管设置于所述一级直热管远离所述堆芯轴线的外侧，所述辐射翅片设置于所述二级直热管远离所述堆芯轴线的外侧。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，所述二级直热管的轴线方向与所述一级直热管的轴线方向平行。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，所述热管式空间核反应堆电源包括换热器，所述二级直热管的第一端在所述屏蔽体内通过所述换热器与所述一级直热管的第二端连接，位于各所述一级直热管的第二端的各所述换热器相互独立。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，所述热管式空间核反应堆电源包括集热器，所述二级直热管的第二端与所述温差发电器件的热端通过所述集热器连接。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，在所述热管式空间核反应堆电源的俯视投影中，所述一级直热管的轴线与所述堆芯的轴心呈偏心设置。
在一些实施方案中，热管式空间核反应堆电源，，在所述热管式空间核反应堆电源的俯视投影中，多个所述一级直热管的投影形成依次衔接的封闭图形。
本申请实施例的热管式空间核反应堆电源，通过一级直热管与二级直热管之间的热连接，实现了堆芯与温差发电器件之间采用直热管的连接方式，避免了弯曲热管制造加工难度大的问题。同时一级直热管倾斜设置在堆芯中的布置方式有利于减小燃料的轴向功率不均匀因子，提高了燃料的释热率。
附图说明
图1为本发明一实施例的热管式空间核反应堆电源的示意图；
图2为图1中省略辐射翅片、屏蔽体的示意图；
图3为图1中省略径向反射层的示意图；
图4为图1中一级直热管、二级直热管、换热器、温差发电器件、集热器、辐射翅片的示意图；
图5为图1中一级直热管、二级直热管、换热器、温差发电器件、集热器、辐射翅片的俯视图；
图6为图3中A-A方向的剖视图；
图7为图3中燃料轴向中间位置处B-B方向的剖视图。
附图标记说明
堆芯1；径向反射层12；燃料13；轴向反射层14；控制鼓15；安全棒通道16；屏蔽体2；一级直热管3；一级直热管的第一端31；一级直热管的第二端32；二级直热管4；二级直热管的第一端41；二级直热管的第二端42；换热器5；温差发电器件6；温差发电器件的热端61；温差发电器件的冷端62；集热器7；辐射翅片8
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。
本申请实施例提供一种热管式空间核反应堆电源，请参阅图1至图7，包括：堆芯1、屏蔽体2、多个一级直热管3、多个二级直热管4以及温差发电器件6。屏蔽体2置于堆芯1的轴向一侧。一级直热管的第一端31置于堆芯1中，第二端32延伸至屏蔽体2中，一级直热管3相对堆芯1的轴线倾斜设置在堆芯1中。二级直热管的第一端41在屏蔽体2内与一级直热管的第二端32热连接。温差发电器件具有热端61和冷端62，温差发电器件的热端61与二级直热管的第二端42热连接。
请参阅图3，堆芯1包括径向反射层12，径向反射层12内设置燃料13，燃料13的轴侧两端设有轴向反射层14。一级直热管的第一端31插在燃料13中。
请参阅图2，堆芯1的轴心部位设有安全棒通道16，安全棒通道16内部容纳有安全棒。安全棒用于在反应堆出现发射掉落事故时能够维持次临界的安全状态。
示例性地，请参阅图2，热管式空间核反应堆电源包括多个控制鼓15，多个控制鼓15环绕堆芯1轴线在径向反射层12内部均匀分布。当空间核反应堆发射成功并启动运行后，控制鼓15调节因燃料13消耗导致反应堆反应性的持续下降，维持空间核反应堆的正常运行。
本申请实施例的热管式空间核反应堆电源，通过一级直热管3与二级直热管4之间的热连接，实现了堆芯1与温差发电器件6之间采用直热管的连接方式，一方面避免了弯曲热管制造加工难度大的问题，提高了热管式空间核反应堆电源的技术成熟度。另一方面可避免由于采用弯曲热管导致的传热性能下降、所需热管数目增多、堆芯1尺寸和重量增大等问题。
需合理布置一级直热管3、二级直热管4的空间位置以避免热管式空间核反应堆电源工作时堆芯1中的射线直接通过热管中心孔贯穿屏蔽体2释放到外界。为此，本申请实施例中，相互连接的所述一级直热管3和所述二级直热管4呈不共线布置。
需要说明的是，所述的不共线布置包括一级直热管3轴线与二级直热管4轴线平行和轴线空间异面两种布置方式。
本申请实施例中，一级直热管3倾斜设置在堆芯1中的布置方式使得一级直热管3靠近燃料13上端区域的部分与堆芯1轴线的距离L1(请参阅图6)大于一级直热管3位于燃料13轴向中间区域与堆芯1轴线的距离L2(请参阅图7)，即L1＞L2。这样布置有利于减小燃料13轴向中心区域的中子通量密度，增大燃料13两端区域的中子通量密度，有利于减小燃料13的轴向功率不均匀因子，提高了燃料13的释热率。
热管式空间核反应堆是将核裂变反应产生的能量作为发电能源。核裂变链式反应产生大量热能，为保证反应堆正常工作状态，需通过散热方式释放废热。
示例性地，请参阅图4，热管式空间核反应堆电源包括辐射翅片8，辐射翅片8连接温差发电器件的冷端62，以将热管式空间核反应堆电源的废热辐射排放至外部空间。
该实施例中，热管式空间核反应堆电源的废热由温差发电器件的冷端62导出到辐射翅片8上，辐射翅片8增大了散热面积，强化了散热效果。
在一些实施例中，辐射翅片8采用C/C(碳/碳)复合材料制造。C/C复合材料是以碳纤维或石墨纤维为增强体的碳基复合材料，其全质碳结构不仅保留了纤维增强材料优异的力学性能，还兼具碳素材料诸多优点，如低密度、低的热膨胀系数、高导热导电性、优异的耐热冲击、耐烧蚀及耐摩擦性等优点。
为了增大热管式空间核反应堆电源的发电量以及废热的排放，示例性地，请参阅图4，在每个二级直热管4的轴向间隔设置有多个辐射翅片8，在每个二级直热管4的轴向间隔布置多个温差发电器件6，每个辐射翅片8与至少一个温差发电器件6连接。
该实施例中，温差发电器作为媒介连接二级直热管4和辐射翅片8，利于二级直热管4将热能直接传递给温差发电器后转化为电能，温差发电器件6直接将废热传递给辐射翅片8，提高了热管式空间核反应堆电源的整体工作效率。
由于每个二级直热管4的轴向间隔设置有多个辐射翅片8，也就是说，二级直热管4沿长度方向的多个位置的废热均可以传递至辐射翅片8，能够提升二级热管的热传递效率。
例如，每个辐射翅片8可连接一个或两个温差发电器件6。每个辐射翅片8连接温差发电器件6的数量可根据热管式空间核反应堆电源的实际废热排放速率需求进行布置。
示例性地，请参阅图4，二级直热管4设置于一级直热管3远离堆芯1轴线的外侧，辐射翅片8设置于二级直热管4远离堆芯1轴线的外侧。
该实施例中所采用的二级直热管4外置于一级直热管3远离堆芯1轴线外侧的布置方式，增大了辐射翅片8的安装空间，便于实现辐射翅片8的装配。
该实施例中所采用的辐射翅片8设置于二级直热管4远离堆芯1轴线外侧的布置方式，增大了辐射翅片8之间的间距，加快了热管式空间核反应堆电源温差发电器件6的废热排放。
示例性地，请参阅图4，二级直热管4的轴线方向与一级直热管3的轴线方向平行。
该实施例中，一级直热管的第二端32和二级直热管的第一端41能够较好的贴合在一起，使得两者之间的热传递效果更好，也便于两者之间的连接。
由于一级直热管3与二级直热管4之间的结构为外表面相切的两个圆柱体，仅依靠线接触。为了增大两者之间的接触面积，提高热传递效率，可在一级直热管3与二级直热管4之间增加过渡连接的零部件。
示例性地，请参阅图4，热管式空间核反应堆电源包括换热器5，二级直热管的第一端41在屏蔽体2内通过换热器5与一级直热管的第二端32连接，位于各一级直热管的第二端32的各换热器5相互独立。
每个换热器5单独连接与之对应的一级直热管3和二级直热管4，实现了每个两级热管之间的充分接触，利于传递热量。
多个换热器5之间相互独立，实现了热量的并行传导，保证热量传递有多条通路，每个经换热器5连接的传递通路之间互不影响。当一条传递通路上的元器件出现故障时，其余传递通路还可以正常工作。
为了实现二级直热管4与温差发电器件的热端61之间热量的迅速传递，可在两者之间增加导热元件。
示例性地，请参阅图4，热管式空间核反应堆电源包括集热器7，二级直热管的第二端42与温差发电器件的热端61通过集热器7连接。
在一些实施例中，集热器7采用ODS铜(高性能氧化铝弥散强化铜)制造。ODS铜兼具高强高导性能和优异的抗高温软化能力。
热管式空间核反应堆电源中，一级直热管3在堆芯1中的布置形式会影响到燃料13的释热率。
示例性地，请参阅图5，在热管式空间核反应堆电源的俯视投影中，一级直热管3的轴线与堆芯1的轴心呈偏心设置。保证在堆芯1长度相同的情况下，一级直热管3在堆芯1中接触的长度更长，提升了热传导效率。
示例性地，请参阅图5，在热管式空间核反应堆电源的俯视投影中，多个一级直热管3投射的投影形成依次衔接的封闭图形。其中，封闭图形指的是线条首尾衔接在一起而形成的闭合形状。封闭图形的形状不限，可以为六边形、八边形等。
该实施例中，各一级直热管3沿周向连续的排布，没有死角，能够保证在燃料圆周方向的任何部位处均具有大致相同的热传导效果，提升导热的均匀性。
本申请提供的热管式空间核反应堆电源在运行状态时，燃料13产生的热量由一级直热管3导出，经过换热器5传递给二级直热管4，然后再由二级直热管4导出，并传递至温差发电器件的热端61，由温差发电器件6释放电能。热管式空间核反应堆电源的废热由温差发电器件的冷端62导出到辐射翅片8上，并由辐射翅片8排放至外部空间。
本申请提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合。以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种热管式空间核反应堆电源，其特征在于，包括：
堆芯(1)；
屏蔽体(2)，所述屏蔽体(2)置于所述堆芯(1)的轴向一侧，；
多个一级直热管(3)，所述一级直热管的第一端(31)置于所述堆芯(1)中，第二端(32)延伸至所述屏蔽体(2)中，所述一级直热管(3)相对所述堆芯(1)的轴线倾斜设置在所述堆芯(1)中；
多个二级直热管(4)，所述二级直热管的第一端(41)在所述屏蔽体(2)内与所述一级直热管的第二端(32)热连接，相互连接的所述一级直热管(3)和所述二级直热管(4)呈不共线布置；
温差发电器件(6)，所述温差发电器具有热端(61)和冷端(62)，所述温差发电器件的热端(61)与所述二级直热管的第二端(42)热连接。
2.根据权利要求1所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，所述热管式空间核反应堆电源包括辐射翅片(8)，所述辐射翅片(8)连接所述温差发电器件的冷端(62)，以将所述热管式空间核反应堆电源的废热辐射排放至外部空间。
3.根据权利要求2所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，在每个所述二级直热管(4)的轴向间隔设置有多个所述辐射翅片(8)，每个所述辐射翅片(8)与至少一个所述温差发电器件(6)连接。
4.根据权利要求2所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，所述二级直热管(4)设置于所述一级直热管(3)远离所述堆芯(1)轴线的外侧，所述辐射翅片(8)设置于所述二级直热管(4)远离所述堆芯(1)轴线的外侧。
5.根据权利要求1所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，所述二级直热管(4)的轴线方向与所述一级直热管(3)的轴线方向平行。
6.根据权利要求1所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，所述热管式空间核反应堆电源包括换热器(5)，所述二级直热管的第一端(41)在所述屏蔽体(2)内通过所述换热器(5)与所述一级直热管的第二端(32)连接，位于各所述一级直热管的第二端(32)的各所述换热器(5)相互独立。
7.根据权利要求1所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，所述热管式空间核反应堆电源包括集热器(7)，所述二级直热管的第二端(42)与所述温差发电器件的热端(61)通过所述集热器(7)连接。
8.根据权利要求1所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，在所述热管式空间核反应堆电源的俯视投影中，所述一级直热管(3)的轴线与所述堆芯(1)的轴心呈偏心设置。
9.根据权利要求1所述的热管式空间核反应堆电源，其特征在于，在所述热管式空间核反应堆电源的俯视投影中，多个所述一级直热管(3)的投影形成依次衔接的封闭图形。
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-
2022
- 2022-01-04 CN CN202210002555.4A patent/CN114530267B/zh active Active
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