CN116665946A - 核电源 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种核电源，包括堆芯，堆芯包括多个热离子燃料元件，每个热离子燃料元件内部形成冷却剂通道，用于供冷却剂流动，核电源还包括：冷却剂回路，用于接收来自冷却剂通道的冷却剂，并使冷却剂循环回所述冷却剂通道；多根传热热管，每根传热热管的蒸发段与冷却剂回路导热连接；多组热电转换模块，每组热电转换模块与一个传热热管的冷凝段导热连接，以将传热热管传输的热量转换成电能。本申请实施例利用冷却剂回路将热离子燃料元件的热量导出堆芯，利用传热热管与冷却剂回路进行换热，再利用热电转换元件将传热热管传导的热量转换成电能，使反应堆同时采用热离子转换和其他热电转换，能够大幅提升反应堆电源的热电转换效率。

Description

核电源

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，特别涉及一种核电源。

背景技术

核电源可以应用于航空航天领域，核电源通过核反应堆的堆芯产生热能，并将热能转化为电能，实现为航天器供能，使航天器摆脱对太阳的能源依赖。在核电源中，通常仅利用一种热电转换元件将反应堆堆芯的热量转化为电能，电源的输出功率低。

发明内容

针对上述技术问题，本申请实施例提供了一种核电源。

本申请实施例的核电源包括堆芯，堆芯包括多个热离子燃料元件，每个热离子燃料元件内部形成冷却剂通道，用于供冷却剂流动，核电源还包括：冷却剂回路，用于接收来自冷却剂通道的冷却剂，并使冷却剂循环回冷却剂通道；多根传热热管，每根传热热管的蒸发段与冷却剂回路导热连接；以及多组热电转换模块，每组热电转换模块与一个传热热管的冷凝段导热连接，以将传热热管传输的热量转换成电能。

本申请实施例利用冷却剂回路将热离子燃料元件的热量导出反应堆，利用传热热管与冷却剂回路进行换热，再利用热电转换元件将传热热管传导的热量转换成电能，使反应堆同时采用热离子转换和其他热电转换，能够大幅提升反应堆电源的热电转换效率。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本申请一个实施例的核电源的结构示意图；

图2是图1所示核电源的正视图；

图3是根据本申请实施例的核电源的堆芯的横截面示意图；

图4是图1所示核电源的局部放大示意图；

图5是图1所示核电源中利用支撑架将传热热管和散热热管连接的结构示意图；

图6是图5所示结构的剖视图，图中省略了支撑架；

图7是图1所示核电源中传热热管和环形管路连接的剖面示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

附图标记说明：

10、堆芯；11、热离子燃料元件；12、第一集流腔；13、第二集流腔；14、屏蔽体；15、控制鼓驱动机构；16、控制鼓；17、径向反射层；18、固体慢化剂；

21、泵；22、体积补偿器；201、冷却剂流入管路；202、冷却剂流出管路；

30、环形管路；

40、传热热管；50、散热热管；51、本体段；52、环形接头段；

60、支撑架；61、第一镂空盘；611、内环；612、外环；613、连接杆；62、第二镂空盘；63、支撑杆；

70、散热片；

80、热电转换元件；

90、绝缘隔热件。

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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本发明实施例的描述中“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

热离子燃料元件的结构非常精密。通常，热离子燃料元件自内向外依次为：燃料、发射极、发电间隙、接收极、电绝缘、氦气腔、不锈钢内管壁、冷却剂、不锈钢外管壁。冷却剂通常为钠钾合金，运行时，发射极温度高达约1800K，远远高于接收极温度，发射极表面释放电子并射向接收极，从而产生电能。

热离子燃料元件中的冷却剂用于废热排放。本申请的发明人发现，冷却剂的出口温度很高，能够达到843-873K，该温度仍适合作为某些热电转换元件(如自由活塞式斯特林发电机、碲化铅(PbTe)温差发电元件)的热端输入温度。如果将热离子反应堆与其他热电转换技术相结合，使反应堆同时采用热离子转换和其他热电转换，可大幅提升反应堆电源的热电转换效率。

基于此，本发明实施例提供一种新型结构的核电源。

参见图1至图3，本发明实施例的核电源包括堆芯10。堆芯10用于提供热量。堆芯10包括多个热离子燃料元件11，每个热离子燃料元件11内部形成冷却剂通道，用于供冷却剂流动。核电源还包括：冷却剂回路，多根传热热管40以及多组热电转换模块。冷却剂回路用于接收来自冷却剂通道的冷却剂，并使冷却剂循环回冷却剂通道。即，冷却剂从冷却剂回路流经多个热离子燃料元件11后返回冷却剂回路。每根传热热管40的蒸发段与冷却剂回路导热连接，用于将冷却剂回路内冷却剂的热量导出至传热热管40的冷凝段。每组热电转换模块与一个传热热管40的冷凝段导热连接，以将传热热管40传输的热量转换成电能。

本申请实施例利用冷却剂回路将热离子燃料元件11的热量导出堆芯10，利用传热热管40与冷却剂回路进行换热，再利用热电转换模块将传热热管40传导的热量转换成电能，使反应堆同时采用热离子转换和其他热电转换，能够大幅提升反应堆电源的热电转换效率。

本申请实施例利用冷却剂回路将热离子燃料元件11的热量导出堆芯10，尽管冷却剂回路引出热量的效率低于热管，但是冷却剂回路一方面能够大大降低降热量从堆芯10引出的难度，另一方面利用冷却剂回路引出热量能够使热电转换模块与热离子燃料元件11之间为非刚性连接，起到减振的作用，从而能够避免由于热电转换模块处发生的振动对结构精密的热离子燃料元件11造成损坏。本申请实施例进一步再利用热管将冷却剂的热量传导至热电转换模块，能够尽量提高热量的传导效率。

此外，由于本申请实施例设有多根传热热管40和多组热电转换模块，每组热电转换模块与一根传热热管40导热连接，每根传热热管40均与冷却剂回路导热连接，从而使得核电源包括多个由一根传热热管40和一组热电转换模块形成的重复部件，这些重复部件相互独立。如此设置，既能够使得核电源具有冗余性，单独的一个或几个重复部件损坏，整个核电源仍可运行，使系统具备很好的鲁棒性。此外，在研发测试过程中，仅需要针对单个重复部件进行设计、测试即可，降低了研发成本、难度及周期，也降低了测试的成本、难度及周期。

在一些实施例中，每组热电转换模块包括多个热电转换元件80，热电转换元件80具有环形结构，其中，每个热电转换元件80套设于一根传热热管40的冷凝段，且热电转换元件80与冷凝段导热连接。

热电转换元件80套设在传热热管40的冷凝段，能够增加热电转换元件80与传热热管40的连接强度和导热面积，有利于热电转换元件80更长时间地稳定、高效地工作。

在一些实施例中，第一热电转换元件80为温差发电元件，温差发电元件的热端和冷端分别位于环形结构的径向内侧和径向外侧。温差发电元件的热端与冷凝段导热连接。

在一些实施例中，参见图4，核电源还包括：多根散热热管50，与多根传热热管40一一对应，每组热电转换模块还与一个散热热管50的蒸发段导热连接。在这样的实施例中，利用传热热管40和散热热管50分别与每组热电转换模块的热端和冷端导热连接。传热热管40可称之为一级热管，散热热管50可称之为二级热管。

在一些实施例中，参见图5和图6，散热热管50包括：本体段51和环形接头段52。环形接头段52的外径大于本体段51的外径。本体段51限定有本体腔。环形接头段52与本体段51的一侧轴向一端相接，环形接头段52限定有与本体腔连通的环形接头腔。在这样的实施例中，散热热管50为异形热管。

散热热管50还包括：工作介质和吸液芯。工作介质在本体腔和环形接头腔之间流动。吸液芯设置于本体腔和环形接头腔内，用于为工作介质的流动提供毛细压力。散热热管50的环形接头段52相当于蒸发段，本体段51相当于冷凝段。本体段51中液态的工作介质在吸液芯的毛细力作用下，在蒸发段能够吸收热量并蒸发，蒸发后的工作介质运动至冷凝段，在冷凝段放出热量并冷凝，从而完成热量的传输，在冷凝段冷凝的工作介质能够重新回到蒸发段，从而完成工作介质的循环。本申请实施例中，热管中的工作介质可以为钾，热管的管壳和吸液芯的材质可以为316L不锈钢。

吸液芯可以由金属丝网制成，吸液芯可以设置于环形接头腔和本体腔内并与腔的内壁贴合。

参见图6，传热热管40的冷凝段伸入环形接头段52的径向内侧，传热热管40和环形接头段52之间存在环形间隔，热电转换模块设置于传热热管40和环形接头段52之间的环形间隔内。在这样的实施例中，由于同时利用传热热管40和散热热管50分别对温差发电元件的热端和冷端进行传热，因此热量的传导效率高，有利于增大温差发电元件的热端和冷端的温差，从而有利于提高温差发电元件的发电效率。由于每组热电转换模块的多个温差发电元件沿轴向依次套设于传热热管40的蒸发段，且散热热管50套设于每组热电转换模块的多个温差发电元件的径向外侧，有利于实现每组热电转换模块中各个温差发电元件的冷热端温度的均匀性。

本申请的发明人还发现，本申请实施例的核电源在使用一段时间后，核电源的整体发电效率会大幅下降。本申请的发明人发现，当散热热管50通过温差发电元件与传热热管40连接时，温差发电元件的冷端和热端分别与散热热管50和传热热管40导热连接，而并无其他机械连接结构将散热热管50和传热热管40之间进行固定连接。由于温差发电材料具有脆性，无法承受较大的切应力。因此核电源在使用一段时间后，会出现温差发电元件受两级热管带来的切应力而发生断裂等情况，导致温差发电模块的整体发电效率大幅下降。

因此，针对上述情况，在一些实施例中，本申请的发明人特别地设置支撑架60，将散热热管50和传热热管40机械连接，以为散热热管50提供支撑，从而保证散热热管50和传热热管40的相对位置稳定，避免温差发电元件受力发生断裂。

在本申请实施例中，支撑架60作为两级热管之间的机械连接，使得两级热管之间无需通过温差发电元件实现机械连接，因此温差发电元件无需承受由连接两级热管带来的切应力，进而保证了温差发电元件的使用寿命。

在一些实施例中，支撑架60包括：两个镂空盘和多根支撑杆63。两个镂空盘分别为第一镂空盘61和第二镂空盘62。第一镂空盘61与散热热管50的本体段51连接，第二镂空盘62与传热热管40连接。每根支撑杆63的两端分别连接两个镂空盘。在这样的实施例中，由于支撑架60整体为镂空结构，其传热截面小、传热距离长，因此由传热热管40通过支撑架60至散热热管50的传热热阻较大，远大于由传热热管40通过温差发电元件至散热热管50的传热热阻，因此这种支撑架60可减小传热热管40至散热热管50的漏热，提升温差发电元件的整体转换效率。

在一些实施例中，镂空盘包括：内环611，外环612以及连接内环611和外环612的多个连接杆613，其中，内环611与传热热管40或散热热管50的本体段51连接，外环612位于内环611的径向外侧，外环612的内径大于环形接头段52的外径，每根连接杆613的两端分别连接两个镂空盘的外环612连接。在这样的实施例中，可以进一步增加由传热热管40通过支撑架60至散热热管50的传热热阻，从而进一步减小传热热管40至散热热管50的漏热。

在一些实施例中，冷却剂回路包括：环形管路30。环形管路30限定有环形腔。参见图7，每根传热热管40的蒸发段插入环形管路30的环形腔中，从环形管路30内的工质吸收热量。传热热管40的蒸发段的端部进入环形腔中，不与环形管路30的外壳接触，换言之，蒸发段的端部与环形腔的腔壁之间存在间隙，以免环形腔中的冷却剂出现明显的分层，影响冷却剂温度均匀。

在一些实施例中，为了减少热量传输，热管40的蒸发段的端面与散热热管50的环形接头段52相面对的端面之间存在间隔。核电源还包括绝缘隔热件90，设置于散热热管50的环形接头段52的径向内侧，传热热管40的蒸发段的端面与绝缘隔热件90连接。绝缘隔热件90由绝缘隔热材料制成，由于设有绝缘隔热件90，因此一方面起到绝缘隔热的作用，另一方面对每组热电转换模块在轴向起到限位的作用。

在一些实施例中，核电源还包括：多个散热片70，每个散热片70焊接于一个散热热管50，用于对散热热管50进行散热。热量经散热片70可以被排放到宇宙空间，散热片70可以增大散热热管50的散热面积，使工作介质流经散热热管50时能够更多地散失热量，从而实现冷却剂的降温。

散热片70与支撑架60间隔开设置，支撑架60与环形管路30间隔开设置，以减少热传递。

散热片70的材质可以为铝。环形管路30的整体形状为圆环。环形管路30的沿长度方向的轴线(轴线为圆形的中心线)与散热片70所处的平面相切。环形管路30的沿长度方向的轴线可以为环形管路30所有横截面的圆心的连线。通过这种设置方式，可以使整体散热效果更好。

在一些实施例中，环形管路30的沿长度方向的轴线所处的平面与本体段51的轴线具有夹角。多个传热热管40安装在环形管路30之后，多个传热热管40组成的整体呈截锥形，截锥形的轴线与环形管路30的轴线相同。散热片70整体结构呈梯形，散热片70靠近接头段一侧的宽度小于另一侧的宽度，从而可以使本体段51一侧的散热片70具有更大的散热面积，有利于热量的散出。这样的散热结构特别适合用于空间核电源中。

在一些实施例中，冷却剂回路还包括：冷却剂流入管路201和冷却剂流出管路202。冷却剂流入管路201与环形管路30连通，用于接收来自冷却剂通道的冷却剂。冷却剂流出管路202与环形管路30连通，用于使来自环形管路30的冷却剂返回冷却剂通道。

堆芯10还包括第一集流腔12和第二集流腔13。

冷却剂流入管路201的两端分别与环形管路30和第一集流腔12连通，用于供环形管路30中的冷却剂返回第一集流腔12。冷却剂流出管路202的两端分别与环形管路30和与第二集流腔13连通，用于供冷却剂流出第二集流腔13，并流入环形管路30。冷却剂从第一集流腔12流经各热离子燃料元件11后流入第二集流腔13。环形管路30，第一集流腔12，第二集流腔13，冷却剂流入管路201、冷却剂流出管路202以及各热离子燃料元件11内部形成的冷却剂通道共同形成闭合回路。

在一些实施例中，冷却剂流入管路201或冷却剂流出管路202还可以设置有体积补偿器22，用于对回路中流动的冷却剂进行体积补偿。在一些实施例中，冷却剂流入管路201或冷却剂流出管路202还可以设置有泵21，用于驱动回路中的冷却剂流动。例如，泵21可以设置于冷却剂流入管路201，体积补偿器22可以设置于冷却剂流出管路202。在本申请实施例中，冷却剂可以为钠钾合金工质，泵21可以为电磁泵21。第一集流腔12和第二集流腔13可以分别位于堆芯10的顶部和底部。

传热热管40的壳体材料为不锈钢，工质为钾。温差发电元件的发电材料为碲化铅型温差发电材料(PbTe/TAGS)。散热热管50的壳体材料为钛合金，工质为水。

参见图3，在一些实施例中，堆芯10包括固体慢化剂18、燃料元件、控制鼓16以及径向反射层17。

固体慢化剂18形成多个孔道，多个热离子燃料元件11分别布置于固体慢化剂18相应的孔道中。径向反射层17形成在固体慢化剂18的径向外侧。径向反射层17用于防止燃料元件产生的射线和热量沿堆芯10的径向泄漏。控制鼓16设置于径向反射层17中，用于调节燃料元件的核裂变反应速率，以实现反应堆功率的控制。

在一些实施例中，核电源还包括多个控制鼓驱动机构15，控制鼓驱动机构15设置在屏蔽体14上，与控制鼓16驱动连接，用于驱动控制鼓16的转动。

在图3所示的实施例中，热离子反应堆堆芯10以Topaz-Ⅱ为例。慢化剂材料可以为氢化锆。径向反射层17的材质可以为铍。控制鼓16主体材料可以为铍，控制鼓16中子吸收材料可以为碳化硼。堆芯10布置37根热离子燃料元件11和12个控制鼓16。

本申请实施例中的核电源可以设置于太空，为卫星等其他设备供应电能，这样的核电源可以称为空间核电源。核电源中，关于具体的堆芯10结构、热离子燃料元件11数目、温差发电系统数目等可根据实际的参数需求进行设计。

在一些实施例中，核电源还可以包括：屏蔽体14，设置于堆芯10的正上方，用于屏蔽来自堆芯10的放射性辐射。

环形管路30位于屏蔽体14正上方，传热热管40自环形管路30朝远离屏蔽体的方向向上倾斜延伸。第一集流腔12、屏蔽体14均与堆芯10同轴。屏蔽体14的半径大于堆芯10的半径，以避免堆芯10射线沿屏蔽体14直接贯穿至上方部件。

屏蔽体14与堆芯10同轴设置。屏蔽体14整体为截锥形，屏蔽体14远离堆芯10的一端的直径大于面对堆芯10的一端的直径。屏蔽体远离堆芯10的一端面包括圆形端面和形成在圆形端面周围的环形斜面，圆形端面相比环形斜面更远离堆芯10，以减少屏蔽体14整体的重量。

第一集流腔12位于屏蔽体14的下方，冷却剂流入管路201自第一集流腔12沿着屏蔽体14的周壁向上延伸再向上竖直延伸预设距离后与环形管路30连接。冷却剂流出管路202自第二集流腔13沿堆芯10竖直向上延伸至屏蔽体14，继续沿着屏蔽体14的周壁向上延伸，再向上竖直延伸预设距离后与环形管路30连接。冷却剂流入管路201和冷却剂流出管路202沿堆芯10的径向相对。这样设置，能够尽量减少冷却剂管路受到的辐射。冷却剂流入管路201和冷却剂流出管路202分别与环形管路30的径向两端连接，以便于环形管路30中的冷却剂温度均匀

下面以采用Topaz-Ⅱ热离子反应堆堆芯10为例，说明核电源的工作原理。

核电源发射成功后，在控制鼓驱动机构15的作用下，控制鼓16吸收体被缓慢转向远离堆芯10活性区的位置，直至全系统达到额定功率稳定运行状态。

堆芯10运行时，燃料产生115kWt热功率，发射极温度约1800K，37根热离子燃料元件11共产生约5kWe电功率，对应转换效率约4.3％。钠钾回路将剩余的约110kWt的热功率带至堆外，在环形管路30中将热功率传输至诸多传热热管40，通过传热热管40内部工质的自发相变和循环流动将热量传输至位于传热热管40冷凝段的碲化铅型温差发电元件，温差发电元件的热端温度约866K，冷端温度约547K，其热电转换效率约5％，可产生约5.5kWe的电功率，结合热离子燃料元件11产生的5kWe电功率，该核电源全系统电功率达到约10.5kWe，对应的全系统热电转换效率可达约9.1％。温差发电元件的废热由散热热管50带出，并经散热片70排放至宇宙空间。

由此可见，本申请实施例在现有热离子反应堆的基础上，通过设置回路和热管引入温差发电系统，使系统热电转换效率得到大幅提升，由4.3％提升至约9.1％。

在堆芯10方面，本申请实施例并不增高热离子反应堆的运行温度，因此，该堆芯10可完全延用原有热离子反应堆的相关技术，并不提升研制难度。本申请实施例同时采用两种热电转换方式，使核电源在不显著提升研制难度的情况下大幅提升热电转换效率。

本申请实施例中，热离子燃料元件11和温差发电元件均属于静态转换方式，即全系统仍为静态热电转换，没有引入动态部件(如斯特林发电机)，使系统保持了很好的可靠性，同时有利于航天器的姿态控制。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种核电源，包括堆芯，其特征在于，所述堆芯包括多个热离子燃料元件，每个所述热离子燃料元件内部形成冷却剂通道，用于供冷却剂流动，所述核电源还包括：

冷却剂回路，用于接收来自所述冷却剂通道的冷却剂，并使所述冷却剂循环回所述冷却剂通道；

多根传热热管，每根所述传热热管的蒸发段与所述冷却剂回路导热连接；以及

多组热电转换模块，每组所述热电转换模块与一个所述传热热管的冷凝段导热连接，以将所述传热热管传输的热量转换成电能。

2.根据权利要求1所述的核电源，其特征在于，每组所述热电转换模块包括多个热电转换元件，所述热电转换元件具有环形结构，其中，每个所述热电转换元件套设于一根所述传热热管的冷凝段，且所述热电转换元件与所述冷凝段导热连接。

3.根据权利要求2所述的核电源，其特征在于，所述热电转换元件为温差发电元件，所述温差发电元件的热端和冷端分别位于所述环形结构的径向内侧和径向外侧；

其中，所述温差发电元件的热端与所述冷凝段热连接。

4.根据权利要求2所述的核电源，其特征在于，还包括：

多根散热热管，与所述多根传热热管一一对应，每组所述热电转换模块还与一个所述散热热管的蒸发段导热连接。

5.根据权利要求4所述的核电源，其特征在于，所述散热热管包括：

本体段，所述本体段限定有本体腔；和

环形接头段，所述环形接头段与所述本体段的一侧轴向一端相接，所述环形接头段限定有与所述本体腔连通的环形接头腔；

所述传热热管的冷凝段伸入所述环形接头段的径向内侧，所述传热热管和所述环形接头段之间存在环形间隔，所述热电转换模块设置于所述传热热管和所述环形接头段之间的环形间隔内。

6.根据权利要求5所述的核电源，其特征在于，还包括：

支撑架，用于将所述散热热管和所述传热热管机械连接，以为所述散热热管提供支撑。

7.根据权利要求6所述的核电源，其特征在于，所述支撑架包括：

两个镂空盘，分别与所述散热热管的本体段和所述传热热管连接；

多根支撑杆，每根所述支撑杆的两端分别连接所述两个镂空盘。

8.根据权利要求7所述的核电源，其特征在于，所述镂空盘包括：内环，外环以及连接内环和外环的多个连接杆，其中，所述内环与所述传热热管或所述散热热管的本体段连接，所述外环位于所述内环的径向外侧，所述外环的内径大于所述环形接头段的外径，

每根所述连接杆的两端分别连接所述两个镂空盘的外环连接。

9.根据权利要求1所述的核电源，其特征在于，所述冷却剂回路包括：

环形管路，限定有环形腔；

冷却剂流入管路，与所述环形管路连通，用于接收来自所述冷却剂通道的冷却剂；以及

冷却剂流出管路，与所述环形管路连通，用于使来自所述环形管路的冷却剂返回所述冷却剂通道；

其中，每根所述传热热管的蒸发段插入所述环形管路的环形腔中。

10.根据权利要求1所述的核电源，其特征在于，还包括：

多个散热片，每个所述散热片焊接于一个散热热管，用于对所述散热热管进行散热。