CN115662659B - 一种热管堆高比功堆芯结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的堆芯结构主要由压力容器、燃料区、板式热管、反射层组成；燃料区由多个尺寸相同的环形柱状燃料块组成；板式热管是横截面为扇状梯形且内含吸液芯的异形热管；反射层是多个尺寸相同的环形柱状BeO块；堆芯内部的空腔结构用于放置控制棒。燃料块和BeO块在堆芯径向上紧密贴合布置，且BeO块靠近堆芯的外侧；板式热管在堆芯周向上与燃料块、BeO块组成的堆反应块整体结构，呈间隔布置且贴合。本发明减小了堆芯临界尺寸，且堆芯组装简单、精度高，同时本发明完全改变了传统的圆形热管设计，若干横截面为扇状梯形且内含吸液芯的异形热管，实现在径向上匹配载出堆芯热功率，进一步提高堆芯功率‑质量比，热量能够高效导出。

Description

一种热管堆高比功堆芯结构
技术领域
本发明涉及先进核能技术领域，具体是一种热管堆高比功堆芯结构，适用于深海、深空探测用途的微小型热管核反应堆系统。
背景技术
热管冷却核反应堆具有系统结构简单、防单点失效、非能动、自启性能良好、反应性反馈易于预测等优点，成为深海深空探测器、陆基机动核电源等需要快速负荷跟随场景的优选方案。由于深海、深空、陆基可移动等场景的特殊性，对热管堆的小型轻量化要求很高，需要采用高功率-质量比（比功）的反应堆堆芯。
当前Kilopower等[1]为代表的主流热管堆堆芯，采用燃料棒和圆管型高温热管的方案，难以适用于上述深海、深空、陆基等特殊的可移动场景，原因在于：堆芯尺寸较大；圆管型高温热管容易发生间歇沸腾、携带极限等引起非稳定传热的现象，导致稳定高效热量导出困难；燃料棒、热管的数量多，与堆芯的耦合装配困难。
参考文献：
[1] David I. Poston , Marc A. Gibson , Thomas Godfroy & Patrick R.McClure (2020) KRUSTY Reactor Design, Nuclear Technology, 206:sup1, S13-S30,DOI:10.1080/00295450.2020.1725382。
发明内容
为解决上述所述当前核能技术应用中遇到的问题，本发明提供了一种热管堆高比功堆芯结构，通过合理的结构设计和材料选择，提高反应堆的小型轻量化特性。为此，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供的一种热管堆高比功堆芯结构，其包括封闭的压力容器，所述压力容器包括具有同心或同轴结构的内侧壁和外侧壁，压力容器内设有若干尺寸相同的燃料块、若干尺寸相同的板式热管、若干尺寸相同的BeO块；燃料块与BeO块在压力容器的径向方向上依次贴合设置构成堆反应块结构，板式热管贴合设置在压力容器的内侧壁和外侧壁之间；若干个堆反应块结构与若干个板式热管交替设置并相贴合。
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述压力容器为圆环柱状结构。
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述燃料块与BeO块在压力容器的径向方向上依次贴合设置是指燃料块的一侧贴合内侧壁，另一侧贴合BeO块一侧，BeO块的另一侧贴合外侧壁。
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述燃料块、BeO块与板式热管的数量均相同。
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述燃料块、BeO块均为环形柱状块结构。
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述压力容器内，填充压力范围为0.1-0.5MPa的氦气。所述燃料块材料为铀235的富集度不低于90％的UO2或UN或U-8Mo合金，即高浓缩铀含量；
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述压力容器的内侧壁形成了用于放置控制棒的空腔结构。
上述所述的热管堆高比功堆芯结构中，优选的，所述板式热管的横截面为扇状梯形，其包括热管管壁、吸液芯、金属工质和蒸汽腔。优选所述热管管壁材料为耐高温1000摄氏度以上的镍基合金或钼铼合金，所述吸液芯为提供毛细力的多孔结构，所述金属工质为钠或锂，所述蒸汽腔用于金属工质蒸汽的输运。在具体设计时，扇状梯形的上下两个圆弧边侧布置的吸液芯厚度可大于扇状梯形的两个侧边布置的吸液芯厚度，这样，较厚吸液芯可更好的提高毛细力，较薄的地方则可实现蒸发产生蒸汽，不影响蒸发冷凝。
可见，本发明的堆芯结构主要由压力容器、燃料区、板式热管、反射层组成；燃料区由多个尺寸相同的环形柱状燃料块组成；板式热管是横截面为扇状梯形且内含吸液芯的异形热管；反射层是多个尺寸相同的环形柱状BeO块；堆芯内部的空腔结构用于放置控制棒。燃料块和BeO块在堆芯径向上紧密贴合布置，且BeO块靠近堆芯的外侧；所述板式热管在堆芯周向上与燃料块、BeO块组成的堆反应块整体结构，呈间隔布置且贴合。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.与传统热管堆的燃料布置相比，本发明取消了燃料棒设计和固定燃料的导热基体，若干尺寸相同的燃料块堆积成堆芯，进一步减小了堆芯临界尺寸，且堆芯组装简单、精度高。
2.与传统热管堆的热管布置相比，本发明完全改变了传统的圆管形热管设计，若干横截面为扇状梯形且内含吸液芯的异形热管，实现在径向上匹配载出堆芯热功率，从而进一步提高堆芯功率-质量比，热量能够高效导出，且热管组装简单、精度高。
3.与传统热管堆的圆形热管相比，本发明的板式热管横截面为扇状梯形且内含吸液芯的异形热管，从而可在两圆弧边侧布置较厚吸液芯，而在梯形侧边布置较薄吸液芯，不影响蒸发冷凝的情况下有效提高毛细力、消除携带极限，热管堆的负倾角运行性能更佳；且蒸汽腔空间大，不易发生间歇沸腾振荡，提高热管传热稳定性。
4.与传统热管堆的反射层布置相比，本发明将BeO块布置在堆芯内部最外侧（传统的BeO块一般布置在堆芯外面，或者呈圆棒布置在堆芯内部最外侧），有效提高了中子经济性，进一步减小了堆芯临界尺寸，且可通过设计其元素成份和厚度，实现空间应用环境下，通过宇宙射线实现热管堆的无源启动。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种热管堆高比功堆芯结构的横截面示意图。
图2是本发明具体实施方式中所述的一种板式热管的横截面示意图。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
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，一种热管堆高比功堆芯结构，其包括封闭的压力容器1，压力容器1为圆环柱状结构，其具有同轴的圆形内侧壁1a和外侧壁1b，压力容器1内设有若干形状和尺寸均相同的燃料块4、若干形状和尺寸均相同的板式热管3、若干形状和尺寸均相同的BeO块2；燃料块4与BeO块2在压力容器1横截面的径向方向上贴合设置构成堆反应块结构，具体的，燃料块4的一侧贴合内侧壁1a，另一侧贴合BeO块2一侧，BeO块2的另一侧贴合外侧壁1b，BeO块布置在堆芯最外侧，有效提高了中子经济性，进一步减小了堆芯临界尺寸；在空间应用环境下，BeO块的9Be元素与宇宙射线中质子和α粒子发生（p, n）反应或（α, n）反应产生中子，实现热管堆的无源启动。板式热管3整体为环形柱状结构，其横截面为扇状梯形，板式热管3贴合设置在压力容器1的内侧壁1a和外侧壁1b之间，也即扇状梯形的两个圆弧边，其中内侧圆弧边与压力容器1的内侧壁1a相贴合，而外侧圆弧边与压力容器1的外侧壁1b相贴合，扇状梯形的两个侧边则分别与两个燃料块4相贴合；若干个堆反应块结构与若干个板式热管3交替设置并相贴合。环形柱状燃料块4、环形柱状BeO块2与板式热管3的数量均相同，形成均匀的交替设置。压力容器1内，填充压力范围为0.1-0.5MPa的氦气，可用于强化堆内间隙间的传热；燃料块4材料为铀235的富集度不低于90％的UO2或UN或U-8Mo合金；压力容器1的内侧壁1a形成用于放置控制棒的空腔结构5。
本发明中，燃料块和BeO块在堆芯径向上紧密贴合布置，且BeO块靠近堆芯的外侧；板式热管在堆芯周向上与燃料块、BeO块组成的整体，呈间隔布置且紧密贴合。在实际组装中，燃料块、板式热管、BeO块之间可留有一定间隙，可用于包容堆芯温度变化以及燃料辐照肿胀导致的形变。
如图2所示，板式热管3的横截面为扇状梯形，其包括热管管壁6、吸液芯7、金属工质9和蒸汽腔8。热管管壁6材料为耐高温的镍基合金或钼铼合金，吸液芯7为提供毛细力的多孔结构，金属工质9为钠或锂，蒸汽腔8用于金属工质9蒸汽的输运。需要说明的是，诸如吸液芯、金属工质、蒸汽腔等的功用原理虽与在传统热管中的相同，但本发明的结构则与传统的热管结构完全不同，从而使得其两者整体的堆芯性能不同。板式热管的工作温度大于800℃，管壁材料为耐高温的镍基合金或钼铼合金，吸液芯是提供毛细力的多孔结构，可选用丝网吸液芯或泡沫镍基合金吸液芯，热管的金属工质可采用钠或锂。基于此板式热管3的扇状梯形设计，则可在两圆弧边侧布置较厚吸液芯，而在梯形侧边布置较薄吸液芯，较厚吸液芯可更好的提高毛细力，较薄的地方则可实现蒸发产生蒸汽，不影响蒸发冷凝。
本发明在深海、陆基等场景下应用时，初次启堆采用外部中子源，在深空探测场景下，初次启堆采用宇宙射线与BeO块的9Be元素产生中子反应。反应堆的正常启动、功率调节、关停等由控制棒进行控制。反应堆运行时，中子在燃料块中形成自持链式反应，产生的裂变热量传递到板式热管的蒸发段，内部钠或锂工质在热管内部通过蒸发、蒸汽流动、冷凝、毛细回流的过程，回到蒸发段继续带走热量。被热管带走的热量通过连接在热管冷凝段的发电系统转化为电能。
应当说明的是，本发明的上述所述之技术内容仅为使本领域技术人员能够获知本发明技术实质而进行的解释与阐明，故所述之技术内容并非用以限制本发明的实质保护范围。本发明的实质保护范围应以权利要求书所述之为准。本领域技术人员应当知晓，凡基于本发明的实质精神所作出的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的实质保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热管堆高比功堆芯结构，包括封闭的压力容器（1），所述压力容器（1）包括具有同心或同轴结构的内侧壁（1a）和外侧壁（1b），压力容器（1）内设有若干尺寸相同的燃料块（4）、若干尺寸相同的板式热管（3）、若干尺寸相同的BeO块（2）；燃料块（4）与BeO块（2）在压力容器（1）的径向方向上依次贴合设置构成堆反应块结构，板式热管（3）贴合设置在压力容器（1）的内侧壁（1a）和外侧壁（1b）之间；若干个堆反应块结构与若干个板式热管（3）交替设置并相贴合。
2.如权利要求1所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述压力容器（1）为圆环柱状结构。
3.如权利要求1所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述燃料块（4）与BeO块（2）在压力容器（1）的径向方向上依次贴合设置是燃料块（4）的一侧贴合内侧壁（1a），另一侧贴合BeO块（2）一侧，BeO块（2）的另一侧贴合外侧壁（1b）。
4.如权利要求1所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述燃料块（4）、BeO块（2）与板式热管（3）的数量均相同。
5.如权利要求1所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述燃料块（4）、BeO块（2）均为环形柱状块结构。
6.如权利要求1所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述压力容器（1）内，填充压力范围为0.1-0.5MPa的氦气；所述燃料块（4）材料为铀235的富集度不低于90％的UO2或UN或U-8Mo合金。
7.如权利要求1所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述压力容器（1）的内侧壁（1a）形成用于放置控制棒的空腔结构（5）。
8.如权利要求1-7任一项所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述板式热管（3）的横截面为扇状梯形，其包括热管管壁（6）、吸液芯（7）、金属工质（9）和蒸汽腔（8）。
9.如权利要求8所述的热管堆高比功堆芯结构，其特征在于，所述热管管壁（6）材料为耐高温的镍基合金或钼铼合金，所述吸液芯（7）为提供毛细力的多孔结构，所述金属工质（9）为钠或锂，所述蒸汽腔（8）用于金属工质（9）蒸汽的输运。
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