CN116864174A - 核电源 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种核电源，包括堆芯和多根堆芯热管，每根堆芯热管的蒸发段插入堆芯内，每根堆芯热管的冷凝段向外延伸出堆芯。核电源还包括：多个热电转换模块，沿多根堆芯热管的冷凝段的延伸方向重叠布置，其中，每个热电转换模块包括：换热器，与多根堆芯热管的冷凝段导热连接，每个换热器包括多个换热表面；和多个热电转换元件，每个热电转换元件与换热器的一个换热表面导热连接，以将换热器传输的热量转换成电能。本申请实施例通过设置多个热电转换模块，且将每个热电转换模块的多个热电转换元件通过换热器与所有堆芯热管的冷凝段导热连接，能够提高堆芯热功率及系统发电功率的可预测性。

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。

热管堆是采用多根堆芯热管带出反应堆热量的一种新型反应堆，其基本原理是：将多根堆芯热管布置于反应堆内，核燃料产生的热量传递给堆芯热管的蒸发段，堆芯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热电转换系统，从而产生电能。目前，采用热管堆的核电源存在堆芯热功率及系统发电功率可能发生显著且不可预测的改变的缺陷。

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。

本申请实施例提供的一种核电源，包括堆芯和多根堆芯热管，每根堆芯热管的蒸发段插入堆芯内，每根堆芯热管的冷凝段向外延伸出堆芯。核电源还包括：多个热电转换模块，沿多根堆芯热管的冷凝段的延伸方向重叠布置，其中，每个热电转换模块包括：换热器，与多根堆芯热管的冷凝段导热连接，每个换热器包括多个换热表面；和多个热电转换元件，每个热电转换元件与换热器的一个换热表面导热连接，以将换热器传输的热量转换成电能。

本申请实施例通过设置多个热电转换模块，且将每个热电转换模块设置成包括换热器和多个与换热器导热连接的热电转换元件，使多个热电转换元件能够通过换热器与所有堆芯热管的冷凝段导热连接，当一个或多个热电转换元件损坏时，未损坏的热电转换元件能够继续通过与其导热连接的换热器将所有堆芯热管的热量向外导出。从而，局部热电转换元件损坏不会对堆芯热管及堆芯燃料温度相对分布造成任何影响，能够极大地提高堆芯热功率及系统发电功率的可预测性。

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是根据本发明一个实施例的核电源的结构示意图；

图2是图1所示核电源的示意性正面剖视图；

图3是图1所示核电源的局部结构的示意性剖视图；

图4是图3所示结构省略壳体和散热器的结构示意图；

图5是图4所示结构省略温差发电元件后的结构示意图；

图6是图5所示异形热管的结构示意图；

图7是图6所示异形热管的剖视图；

图8是图1所示核电源的横截面示意图；

图9是图8所示壳体和散热片的横截面示意图；

图10是图9所示结构增加散热热管后的横截面示意图；

图11是图10所示散热热管的结构示意图；

图12是图11所示散热热管的横截面示意图；

图13是根据本申请实施例的核电源的堆芯的横截面示意图。

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、燃料块；12、径向反射层；13、安全棒通道；14、控制鼓；15、控制鼓驱动机构；16、屏蔽体；

20、堆芯热管；21、斜管段；

30、换热器；301、第一端面；302、第二端面；303、周向侧面；304、管壁；310、异形腔；31、热管通道；32、凹槽；

40、热电转换元件；

50、散热片；

60、散热热管；61、蒸发段；611、平面；612、弧面；613、端面；62、冷凝段；

70、壳体；

80、隔热绝缘件。

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。

在相关技术领域中，堆芯热管向外延伸出堆芯后，直接与一个或多个热电转换元件导热连接。这样，当一个或多个热电转换元件出现失效后，与其相连的堆芯热管将失去从堆芯导出热量的作用。该堆芯热管的蒸发段所对应燃料区域的温度将升高，导致堆内温度场将发生不均匀的改变，而燃料局部区域的温度变化导致的燃料尺寸变化难以准确预测，从而使得堆芯热功率及系统发电功率可能发生显著且不可预测的改变。

针对该技术问题，本申请实施例提供了一种新型结构的核电源，以避免在一个或多个热电转换元件出现失效后，导致堆芯热功率及系统发电功率可能发生显著且不可预测的改变。

参见图1至图3，本发明实施例的核电源可以包括堆芯10和多根堆芯热管20。堆芯10用于提供热量。每根堆芯热管20的蒸发段插入堆芯10内，每根堆芯热管20的冷凝段向外延伸出堆芯10，从而利用堆芯热管20将堆芯10的热量传导出来。

核电源还包括多个热电转换模块。该多个热电转换模块沿多根堆芯热管20的冷凝段的延伸方向重叠布置。多个热电转换模块可以包括第一热电转换模块，第二热电转换模块，第三热电转换模块等。第一热电转换模块、第二热电转换模块以及第三热电转换模块依次叠加布置。例如，当多根堆芯热管20的冷凝段沿竖向延伸时，第二热电转换模块位于第一热电转换模块的正上方，第三热电转换模块位于第二热电转换模块的正上方。

参见图4和图5，每个热电转换模块包括：换热器30和多个热电转换元件40。换热器30与每根堆芯热管20的冷凝段导热连接，每个换热器30包括多个换热表面。每个热电转换元件40与换热器30的一个换热表面导热连接，以将换热器30传输的热量转换成电能。

本申请实施例通过设置多个热电转换模块，且将每个热电转换模块设置成包括换热器30和多个与换热器30导热连接的热电转换元件40，使多个热电转换元件40能够通过换热器30与所有堆芯热管20的冷凝段导热连接，从而，当一个或多个热电转换元件40损坏时，未损坏的热电转换元件40能够继续通过与其导热连接的换热器30将所有堆芯热管20的热量向外导出。换言之，在本申请实施例中，由于每个热电转换模块中的换热器30均分别与所有堆芯热管20导热连接，即使一个热电转换模块中的各热电转换元件40全部损坏，还能够利用其他热电转换模块的热电转换元件40将各堆芯热管20的能量传导出来；或者，即使每个热电转换模块中都存在损坏的热电转换元件40，仍还可以利用剩余的热电转换元件40通过相应的换热器30将全部堆芯热管20的热量导出，从而，局部热电转换元件40的损坏不会对堆芯热管20及堆芯10燃料温度相对分布造成任何影响，能够极大地提高堆芯10热功率及系统发电功率的可预测性。

此外，本申请实施例设有多个热电转换模块，每个热电转换模块与所有堆芯热管20导热连接，这些热电转换模块结构重复且相互独立。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，仅需要针对单个热电转换模块进行设计、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。

本申请实施例的热电转换采用模块化设计，热电转换模块数目(如换热器30、热电转换元件40等数目)可根据实际电功率需求进行灵活调整，可涵盖电功率范围广，预计为一百瓦至一千瓦。

在一些实施例中，换热器30包括两个相对的端面(第一端面301和第二端面302)，连接两个端面周缘的周向侧面303，以及贯穿两个端面的多个热管通道31。每个热管通道31用于供一根堆芯热管20通过，且与堆芯热管20进行换热，换热表面形成在周向侧面303。

在一些实施例中，换热器30为异形热管30。热管的导热效率高，通过将热管的形状制成能够与各堆芯热管20进行换热的异形结构，能够极大地提高换热器30的换热效率。

参见图6和图7，异形热管30可以包括：两个相对的端面(第一端面301和第二端面302)，连接两个端面周缘的周向侧面303，以及贯穿两个端面的多个热管通道31。两个端面，周向侧面303以及多个热管通道31的管壁304共同限定形成封闭的异形腔310。异形热管30还包括：工作介质和吸液芯。工作介质在异形腔310内流动，用于导热。吸液芯设置于异形腔310内，用于为工作介质的流动提供毛细压力。

每个热管通道31用于供一根堆芯热管20通过，且与堆芯热管20进行换热，周向侧面303形成多个换热表面。在这样的实施例中，堆芯热管20依次插入各热电转换模块的异形热管30，既实现了堆芯热管20与异形热管30的换热，也实现了堆芯热管20与异形热管30的机械连接，从而利用所有堆芯热管20将多个异形热管30组装为一体。

各热电转换元件40与异形热管30的周向侧面303换热，使得各热电转换元件40通过异形热管30与堆芯热管20换热，能够提高热量的传导效果。由于异形热管30的热量向周向侧面303扩散，在本申请实施例中，热管通道31即为异形热管30的蒸发端，周向侧面303即为异形热管30的冷凝端，由于周向侧面303的内壁面积大，且形成在热管通道31的径向外侧，这样使得气态的工作介质在异形腔310内自热管通道31的内壁至周向侧面303的内壁呈辐射状分散流动，减少了工作介质的聚集，有利于进一步提高异形热管30的换热效率。

本申请实施例中，两个端面，周向侧面303以及多个热管通道31的管壁304共同形成了异形热管30的外壳。在一些实施例中，外壳材料可以为316L不锈钢，工质为钾，内部壁面(端面内壁、周向侧面303的内壁以及各热管通道31的内壁)均布置有吸液芯。可以选择毛细丝网式、干道式、槽道式等形式的吸液芯。

在一些实施例中，周向侧面303向内凹陷形成多个凹槽32，每个凹槽32的底壁形成一个换热表面，热电转换元件40设置于凹槽32处。具体地，周向侧面303沿周向形成多个凹槽32，利用凹槽32的底壁与热电转换元件40进行热量传导，同时还能够利用凹槽32为热电转换元件40定位。凹槽32的槽深小于热电转换元件40的厚度。凹槽32的槽深例如可以为几个毫米，从而凹槽32不会将热电转换元件40整体包裹起来，进而减少通过槽壁传导至热电转换元件40的热量。

凹槽32的底壁可以为平面，热电转换元件40为板状结构，板状结构的热电转换元件40设置于凹槽32处与凹槽32的底壁贴合，且导热连接。

在一些实施例中，周向侧面303的外壁向内凹陷形成凹槽32，周向侧面303的内壁可以为光滑的平面，以便于布置吸液芯。

在制备异形热管30时，可以按照以下方法进行：步骤S1、提供周向各侧面、第一端面301、第二端面302以及多个圆筒，其中，侧面的外表面形成有凹槽32，第一端面301、第二端面302上分别形成多个通孔；步骤S2、将各圆筒分别对应地焊接在第一端面301的各通孔处；步骤S3、将各侧面与第一端面301焊接；步骤S4、在各侧面的内表面、第一端面301的内表面、第二端面302的内表面以及多个圆筒的外表面形成吸液芯；步骤S5、将第二端面302与各侧面以及各圆筒焊接。利用本申请实施例的方法制造的异形热管30，能够保证各表面的吸液芯对接充分，以利于工作介质在异形腔310内的流动更加顺畅，从而使得异形热管30的换热效率高且牢固性好。

异形热管30可以为棱柱结构，棱柱的所有侧面共同形成周向侧面303。在图示的实施例中，异形热管30为八棱柱结构，相应地，具有8个侧面。棱柱的各个侧面向内凹陷形成凹槽32。在这样的实施例中，异形热管30的两个端面具有多边形形状。多个热管通道31的开口可以沿周向等间隔地形成在两个端面上，以有利于各换热表面处温度更加均匀。

在另一些实施例中，换热器30可以为由高导热效率的金属制成的金属换热器30。金属换热器30的形状可以与异形热管30的形状相同，但金属换热器30内部为实心，不存在异形腔310、工作介质以及吸液芯。

在一些实施例中，热电转换元件40为温差发电元件40，温差发电元件40的热端与换热表面导热连接。

温差发电元件40的发电材料可以为碲化铅型温差发电材料(PbTe/TAGS)。由于温差发电材料具有脆性，无法承受较大的切应力，因此，参见图8和图9，在本申请实施例中，核电源还包括：壳体70，将多个热电转换模块套设在内，壳体70的周向侧面与每个温差发电元件40的冷端导热连接。在这样的实施例中，温差发电元件40的热端与凹槽32的槽底壁导热连接，温差发电元件40的冷端与壳体70的周向侧面导热连接。壳体70既能够实现将温差发电元件40与换热器30的机械连接，还能够为温差发电元件40进行散热。

壳体70的材料可以为6063铝合金。

各堆芯热管20的冷凝段的端部位于壳体70内。各堆芯热管20的冷凝段的端面与壳体70的端面之间存在间隔。核电源还包括两个隔热绝缘件80，分别设置于所有热电转换模块中位于最外侧的两个换热器30的一个端面与壳体70的两个端面之间。隔热绝缘件80由绝缘隔热材料制成，由于设有隔热绝缘件80，因此可以起到将壳体70的端面与换热器30和温差发电元件40绝缘隔热的作用。绝缘隔热材料可以为Microtherm型绝缘保温材料。

在一些实施例中，核电源还包括：散热器，设置于壳体70上，用于为温差发电元件40进行散热。利用散热器能够加大温差发电元件40热端和冷端之间的温差，有利于提高温差发电元件40的发电效率。

参见图9和图10，散热器包括：多个散热片50和多组散热热管组。多个散热片50自壳体70的侧面呈辐射状向外延伸。每组散热热管组包括相互平行的多个散热热管60。散热热管60包括内部连通的蒸发段61和冷凝段62。多个散热热管60的蒸发段61与壳体70的侧面导热连接，多个散热热管60的冷凝段62与一个散热片50导热连接。散热片50的材料可以为6063铝合金。

壳体70可以为棱柱结构，散热片50自壳体70相邻的两个侧面的连接处向外延伸。在图示的实施例中，壳体70为八棱柱结构，相应地具有8个侧面。

散热热管60的蒸发段61沿壳体70的一个侧面从侧面的横向一端延伸至横向另一端，散热热管60的冷凝段62沿散热片50的一侧表面从散热片50的横向一端延伸至横向另一端。容易理解，此处的横向可以理解为与堆芯热管20的冷凝段延伸方向垂直的方向。在这样的实施例中，蒸发段61的长度与壳体70的一个侧面的横向宽度基本相同，冷凝段62的长度与散热片50的横向宽度基本相同。

散热热管60在长度方向上设置有一处弯曲，以使其冷凝段62与蒸发段61能够分别与散热片50和壳体70的侧面贴合。具体地，散热热管60的冷凝段62与蒸发段61之间存在夹角。该夹角的范围可以为100-150°。

每组散热热管组中，相邻散热热管60之间存在间隔。在一些实施例中，该间隔例如可以小于散热热管60的直径。在这样的实施例中，壳体70的侧面至少有50％以上的面积被散热热管60的蒸发段61覆盖，散热片50至少有50％以上的面积被散热热管60的冷凝段62覆盖，从而极大地提高了散热器的散热效率。

壳体70、散热片50以及散热热管60外表面均涂有高发射率涂层，以进一步提高热辐射效率。

参见图11和图12，散热热管60的冷凝段62与散热片50导热连接的一侧表面为平面，散热热管60的冷凝段62背对散热片50的一侧表面为弧面。散热热管60的蒸发段61与壳体70的侧面导热连接的一侧表面为平面611，散热热管60的蒸发段61背对壳体70的一侧表面为弧面612。散热热管60的端面613以及横截面均为半圆形。如此设置，既能够提高散热热管60与壳体70侧面的导热效果，又有利于增大散热热管60的散热面积。散热热管60的管壳材料可以为钛合金，工质可以为水。

如图13所示，在一些实施例中，堆芯10包括燃料块11、径向反射层12、控制鼓14和控制鼓驱动机构15。

燃料块11形成有沿轴向延伸的多个插槽，多个插槽围绕燃料块11的轴线分布，插槽用于安装堆芯热管20的蒸发段。在一些实施例中，燃料块可以由铀钼合金(U-8％Mo)制成。

堆芯热管20用于将堆芯10提供的热量传输至热电转换模块。堆芯热管20的数量可以为多根。堆芯热管20的蒸发段插入堆芯10内，堆芯热管20的冷凝段向外延伸出堆芯10。堆芯热管20中含有工作介质，工作介质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。堆芯热管20中的工作介质可以为钾，堆芯热管20的管壳和吸液芯的材质可以为316L不锈钢。

燃料块11的中部还可以形成有安全棒通道13，安全棒通道13用于安装安全棒。安全棒可以为碳化硼材质，用于保证反应堆在发射掉落事故下仍处于次临界的安全状态。

径向反射层12设置于燃料块11的径向外侧。径向反射层12用于防止燃料块11产生的射线和热量沿堆芯10的径向泄漏。径向反射层12可以为铍材质。

控制鼓14的数量可以为多个。多个控制鼓14设置于径向反射层12中，控制鼓14用于调节燃料块11的核裂变反应速率，以实现反应堆功率的控制。控制鼓14的主体材料可以为氧化铍，控制鼓14的吸收体材料可以为碳化硼，吸收体的张角可以为120°。控制鼓驱动机构15能够驱动控制鼓14转动，从而实现反应堆功率的控制。

在一些实施例中，核电源还可以包括：屏蔽体16，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。屏蔽体16与堆芯10同轴设置。屏蔽体16整体为截锥形，屏蔽体16远离堆芯10的一端的直径大于面对堆芯10的一端的直径。

堆芯热管20从堆芯10顶部穿出后，穿过屏蔽体16，在屏蔽体16后端插入多个热电转换模块。在屏蔽体16内部，堆芯热管20有两处微小幅度的弯曲(参见图2)，以避免堆芯10的射线通过堆芯热管20中心空腔直接贯穿屏蔽体16。具体地，堆芯热管20包括两个直管段和一个斜管段21，两个直管段由斜管段21连接，以使两个直管段不同轴。

下面结合具体实施例详细说明本申请实施例中核电源的工作原理。

核电源发射成功后，安全棒被弹出反应堆，在控制鼓驱动机构15的作用下，控制鼓14吸收体被缓慢转向远离燃料的位置，直至反应堆达到额定功率稳定运行状态。

反应堆运行时，燃料产生热量，该热量由堆芯热管20带出，堆芯热管20通过内部钾工质的自发相变和循环流动将热量高效传输至换热器30，换热器30再将热量高效传递至温差发电元件40的热端，温差发电元件40产生电能，温差发电元件40冷端的废热由壳体70、散热热管60和散热片50辐射排放至外部空间，其中，散热热管60可将壳体70热量高效传递至散热片50，可显著增强散热片50的散热效率。

在本申请实施例的核电源的一个具体应用中，燃料最高运行温度仅约600℃，堆芯热管20运行温度约550℃，温差发电材料热端温度约520℃，冷端约200℃。核电源可涵盖的电功率在一百瓦至一千瓦量级。

容易理解，具体的反应堆尺寸、堆芯热管20及换热器30数目、温差发电元件40结构尺寸、散热热管60及散热片50的数目、尺寸等可根据实际的电功率需求进行具体设计。

目前，同位素电池(RTG)已成功应用于大量空间任务。RTG的一大问题在于其燃料—钚-238的获取困难，量少价高。本申请实施例的核电源可替代同位素电池，解决同位素电池钚-238燃料短缺的问题。此外，本申请实施例中，核电源的热电转换采用静态温差发电，相比于Kilopower所采用的动态斯特林转换，静态温差发电具备更高的可靠性，且不存在振动问题。Kilopower反应堆最高运行温度超过800℃，相比于Kilopower，本申请实施例的反应堆最高运行温度仅约600℃，远低于Kilopower，这可大幅降低系统的研制难度，尤其是结构材料的研制难度，本申请实施例采用成熟的材料体系，有助于缩短研发周期，降低研发成本。

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，包括堆芯和多根堆芯热管，每根所述堆芯热管的蒸发段插入所述堆芯内，每根所述堆芯热管的冷凝段向外延伸出所述堆芯，其特征在于，所述核电源还包括：多个热电转换模块，沿所述多根堆芯热管的冷凝段的延伸方向重叠布置，其中，每个所述热电转换模块包括：

换热器，与所述多根堆芯热管的冷凝段导热连接，每个所述换热器包括多个换热表面；和

多个热电转换元件，每个所述热电转换元件与所述换热器的一个换热表面导热连接，以将所述换热器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，所述换热器为异形热管。

3.根据权利要求2所述的核电源，其特征在于，所述异形热管包括：两个相对的端面，连接两个所述端面周缘的周向侧面，以及贯穿两个所述端面的多个热管通道，其中，两个所述端面，所述周向侧面以及所述多个热管通道的管壁共同限定形成封闭的异形腔，所述异形腔内设有用于导热的工作介质；

每个所述热管通道用于供一根所述堆芯热管通过，且与所述堆芯热管进行换热，所述多个换热表面形成在所述周向侧面。

4.根据权利要求3所述的核电源，其特征在于，所述周向侧面向内凹陷形成多个凹槽，所述凹槽的底壁形成所述换热表面，

所述热电转换元件设置于所述凹槽处。

5.根据权利要求4所述的核电源，其特征在于，所述异形热管为棱柱结构，所述棱柱的每个侧面向内凹陷形成所述凹槽。

6.根据权利要求1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与所述换热表面导热连接，

所述核电源还包括：

壳体，将所述多个热电转换模块套设在内，所述壳体的周向侧面与每个所述温差发电元件的冷端导热连接。

7.根据权利要求6所述的核电源，其特征在于，还包括：

散热器，设置于所述壳体上，用于为所述温差发电元件进行散热。

8.根据权利要求7所述的核电源，其特征在于，所述散热器包括：

多个散热片，自所述壳体的侧面呈辐射状向外延伸；和

多组散热热管组，每组所述散热热管组包括相互平行的多个散热热管，所述多个散热热管的蒸发段与所述壳体的侧面导热连接，所述多个散热热管的冷凝段与一个所述散热片导热连接。

9.根据权利要求8所述的核电源，其特征在于，所述壳体为棱柱结构，

所述散热片自所述壳体相邻的两个侧面的连接处向外延伸，

所述散热热管的蒸发段沿所述壳体的一个侧面从所述侧面的横向一端延伸至横向另一端，所述散热热管的冷凝段沿所述散热片的一侧表面从所述散热片的横向一端延伸至横向另一端。

10.根据权利要求9所述的核电源，其特征在于，所述散热热管的冷凝段与所述散热片导热连接的一侧表面为平面，所述散热热管的冷凝段背对所述散热片的一侧表面为弧面；

所述散热热管的蒸发段与所述壳体的侧面导热连接的一侧表面为平面，所述散热热管的蒸发段背对所述壳体的一侧表面为弧面。