CN212135971U - 热声反应堆系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及热声反应技术领域，提供了一种热声反应堆系统，包括热声反应堆装置，热声反应堆装置包括反应堆、与反应堆连接的回热器、与回热器连接的换热器、连接在反应堆和换热器之间的调相器、以及由反应堆产生的能量驱动的发电机活塞，还包括设置在热声反应堆装置外部且封闭热声反应堆装置的承压壳体，热声反应堆装置的内部与承压壳体的内部空间连通。本实用新型实施例提供的热声反应堆系统，通过将热声反应堆装置放置在封闭的承压壳体内，可使承压壳体内的平均压力与热声反应堆装置内的平均压力相等，使回热器承压壁面不再承受平均压差，可大大减小回热器承压壁面的厚度，充分发挥热声发电机的最大功率。

Description

热声反应堆系统

技术领域

本实用新型涉及热声反应技术领域，尤其涉及一种热声反应堆系统。

背景技术

热声发动机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置。广义的热声发动机不仅包括传统的驻波、行波、双作用热声发动机，还包括斯特林发动机等结构形式。它的核心部件主要由加热器、回热器、水冷器、调相器等组成。在热声发动机中，只要存在高温热源，回热器轴向的温度梯度达到一定值，系统就会自激振荡，即系统自发地将高温热源的热量一部分转化为声波形式的机械能，一部分通过低温部件—水冷器传递给环境。热声发动机如果再接上发电机，就可以将机械能转化为电能输出，从而构成一种热声发电机。热声发电机的高温换热器可以为具有一定的流道结构的反应堆燃料，热声发动机内的氦气在燃料间流动，可以直接吸收燃料释放的热量作为热声发电机的驱动热源，从而构成一种热声反应堆电源。

在热声发动机中，回热器的一端为高温，另一端为室温，而回热器的长度通常小于10厘米的量级，因此回热器轴向方向存在巨大的温度梯度。随着热声发动机功率的增大，回热器的直径也随之增大。由于热声发动机内部是高压工作气体，回热器的壁面需承受高压，因此随着直径增大，回热器承压壁也将增厚。回热器承压壁的高温端因为温度高会出现膨胀的现象，而室温端直径则基本保持不变，因此回热器壁面将会由于温度梯度的存在而产生很大的热应力，并且该热应力随着回热器直径的增大而增大，也随着回热器承压壁面的厚度增大而增大。由于材料无法承受相应的热应力，因此热声发电机的最大功率受到了很大的限制。

在热声反应堆电源系统中，为了保证反应堆的安全，需要考虑在极端情况下系统的安全性，防止出现燃料泄漏。在正常工作条件下，还需要考虑辐射的屏蔽问题，以减少反应堆对周边环境的影响。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型实施例提供了一种热声反应堆系统。

本实用新型实施例提供了一种热声反应堆系统，包括热声反应堆装置，所述热声反应堆装置包括反应堆、与所述反应堆连接的回热器、与所述回热器连接的换热器、连接在所述反应堆和所述换热器之间的调相器、以及由所述反应堆产生的能量驱动的发电机活塞，还包括设置在所述热声反应堆装置外部且封闭所述热声反应堆装置的承压壳体，所述热声反应堆装置的内部与所述承压壳体的内部空间连通。

根据本实用新型的一个实施例，所述承压壳体内的所述换热器热耦合连接至冷却源，其中，所述冷却源通过冷却管道与所述换热器连接形成冷却循环回路并与所述换热器进行热交换。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷却管道中设置有循环泵，所述循环泵驱动所述冷却源的冷却介质在所述冷却循环回路中流动。

根据本实用新型的一个实施例，所述承压壳体位于所述冷却源的外部，其中，所述冷却管道包括位于所述承压壳体中且与所述换热器连接的第一管道部分、以及位于所述承压壳体外且连接所述第一管道部分和所述冷却源的第二管道部分。

根据本实用新型的一个实施例，所述承压壳体位于所述冷却源的内部，其中，所述冷却管道位于所述承压壳体中且连接所述换热器和所述冷却源。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷却源为容纳有所述冷却介质的容纳腔，其中，所述容纳腔的壁面上设置有单向阀和第二换热器，所述容纳腔外部设置有风扇，所述风扇与所述第二换热器热交换，以将所述第二换热器的热量排出至外部环境中。

根据本实用新型的一个实施例，所述热声反应堆装置还包括壳体，所述反应堆、所述回热器、所述换热器、所述调相器和所述发电机活塞容纳在所述壳体中，并且所述壳体上开设有连通所述壳体内部与所述承压壳体的内部空间的开孔。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷却源中的冷却介质的液位高度高于所述换热器的所在位置。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷却管道为柔性管。

根据本实用新型的一个实施例，所述反应堆包括反射层以及由所述反射层包覆的反应堆燃料，其中，所述反射层和所述换热器之间还连接有将所述反应堆产生的热量传导至所述换热器的导热带。

本实用新型实施例提供的热声反应堆系统，通过将热声反应堆装置放置在封闭的承压壳体内，可使承压壳体内的平均压力与热声反应堆装置内的平均压力相等，使回热器承压壁面不再承受平均压差，可大大减小回热器承压壁面的厚度，充分发挥热声发电机的最大功率。同时，本实用新型实施例提供的热声反应堆系统形成了自然冷却循环回路，极大地提高了系统的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为热声反应堆装置的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例提供的热声反应堆系统的结构示意图；

图3为本实用新型又一实施例提供的热声反应堆系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-换热器； 2-回热器； 3-反射材料；

4-反应堆燃料； 5-回热器承压壁面； 6-调相器；

7-发电机活塞； 8-反射层； 9-承压壳体；

10-冷却管道； 11-循环泵； 12-冷却源；

13-容纳腔； 14-风扇； 15-单向阀；

16-导热带； 17-壳体。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

现参照图1、图2和图3，对本实用新型提供的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本实用新型的示意性实施方式，并不对本实用新型构成任何特别限定。

本实用新型实施例提供了一种热声反应堆系统，包括热声反应堆装置，热声反应堆装置包括反应堆、与反应堆连接的回热器2、与回热器2连接的换热器1、连接在反应堆和换热器1之间的调相器6、以及由反应堆产生的能量驱动的发电机活塞7，还包括设置在热声反应堆装置外部且封闭热声反应堆装置的承压壳体9，热声反应堆装置的内部与承压壳体9的内部空间连通。

图1为热声反应堆装置的结构示意图。如图1所示，热声反应堆装置包括反应堆，该反应堆由反射层8以及反射层8包覆的反应堆燃料4构成，其中反射层8还包括反射材料3。具体地，反应堆燃料4在反射层8构成的结构中释放热量。反射层8包覆在反应堆燃料4的外面，用于约束反应堆燃料4的中子散失。

回热器2的一端与反应堆的反射层8连接，一端与换热器1连接，流经反应堆后升温的热气流通过回热器2后转化成声波形式的机械能，该机械能可驱动发电机活塞7动作，从而使得机械能转换为电能。在上述过程中，换热器1用于对反应堆产生的未转化的多余热量进行散热。由于反应堆中产生的热量温度较高，换热器1中的热量温度较低，所以回热器2的两端存在温度梯度，会对回热器承压壁面5造成一定的温度应力。另外，调相器6用于连接反应堆和换热器1，用于调节热声反应堆装置的声场相位。

除此之外，热声反应堆装置还包括壳体17，反应堆、回热器2、换热器1、调相器6和发电机活塞7设置在壳体17中，并且壳体17上开设有连通壳体17内部与承压壳体9的内部空间的多个小孔。在本实用新型的一个实施例中，可选地，壳体17上开设的小孔的直径小于10微米。

图2为本实用新型一个实施例提供的热声反应堆系统的结构示意图。如图2所示，承压壳体9设置在热声反应堆装置的外部且将热声反应堆装置封闭在其内部。

具体地，承压壳体9设置在热声反应堆装置的外部且将热声反应堆装置封闭在其内部，承压壳体9内部的气体通过热声反应堆装置的壳体17上的小孔与热声反应堆装置内的气体连通，以保证二者之间的平均压力相等。在本实用新型的一个实施例中，承压壳体9可采用多种材料，如不锈钢、钛合金等。

本实用新型实施例提供的热声反应堆系统，通过将热声反应堆装置放置在密封的承压壳体内，可使承压壳体内的平均压力与热声反应堆装置内的平均压力相等，使回热器承压壁面不再承受平均压差，减小回热器承压壁面的温度应力，可大大减小回热器承压壁面的厚度，充分发挥热声发电机的最大功率。

在本实用新型的一个实施例中，承压壳体9内的换热器1热耦合连接至冷却源12，用于与冷却源12进行热交换。

具体地，如图2所示，热声反应堆装置放置在承压壳体9内，承压壳体9位于冷却源12的外部。冷却源12通过冷却管道10与换热器1连接形成冷却循环回路并与换热器1进行热交换。

进一步地，冷却管道10的第一管道部分位于承压壳体9内，第二管道部分位于承压壳体9的外部。第一管道部分与换热器1连接，第二管道部分一端与第一管道部分连接，另一端与冷却源12连接。冷却管道10中还设置有循环泵11，用于驱动冷却源12中的冷却介质在冷却循环回路中流动。

在本实用新型的一个实施例中，冷却源12可以为容纳有冷却介质的装置，也可以是现有的池塘、湖泊等水域。冷却介质可以为水、也可以为油等。

需要说明的是，当冷却源12中的冷却介质通过冷却管道10进入到换热器1内进行冷却时，冷却介质将在换热器1中吸收的热量释放到冷却源12中。在正常工作条件下，冷却管道10中的冷却介质是通过循环泵11进行驱动的，当循环泵11失效时，由于冷却源12中的冷却介质的液位高度高于换热器1的所在位置，冷却介质在换热器1内受热膨胀而密度减小，因此会形成一个自然循环回路，实现对热声反应堆装置的冷却。由于自然循环的驱动力较小，冷却介质流速较慢，难以满足正常冷却时的流量需求，冷却介质在换热器1内可能出现沸腾现象，此时密度进一步减小，循环驱动力增强。此外还可以通过增加冷却管道10在重力方向的高度进一步增强循环驱动力。本实用新型实施例提供的热声反应堆系统将大大减小反应堆熔堆的可能性，提升了系统的安全性能。

图3为本实用新型又一实施例提供的热声反应堆系统的结构示意图。如图3所示，承压壳体9位于冷却源的内部，冷却管道10位于承压壳体9内且与换热器1和冷却源连接。

具体地，在本实用新型的一个实施例中，冷却源为容纳有冷却介质的容纳腔13，可选地，可为水池，也可为水箱等容器。

在本实用新型的一个实施例中，容纳腔13的外壁上设置有单向阀15，内壁上设置有第二换热器，容纳腔13的外部设置有风扇14，用于与第二换热器进行热交换，以将第二换热器的热量排出至外部环境中。

具体地，承压壳体9放置在密闭的容纳腔13中，容纳腔13中的冷却介质通过冷却管道10对换热器1进行冷却。容纳腔13的内壁上设置有第二换热器，第二换热器通过风扇14将热量散发至环境中。进一步地，热声反应堆装置可以通过减振装置固定在承压壳体9的内壁上，由于承压壳体9浸没在水池或水箱中，容纳腔13中的冷却介质的液位高度也高于换热器1的所在位置，冷却管道10内也可以形成自然循环回路对换热器1进行冷却。如果冷却水发生沸腾蒸发，水蒸气可通过单向阀15排出。

在本实用新型的一个实施例中，由于承压壳体9浸没在水池或水箱中，而水又是良好的辐射屏蔽材料，可以替代铅，能够减少辐射对环境的影响，同时减轻热声反应堆系统的重量。

继续参照图2和图3，在本实用新型的一个实施例中，可选地，冷却管道10为柔性管，以避免将热声反应堆装置产生的振动传递到承压壳体9上。

继续参照图2和图3，在本实用新型的一个实施例中，反射层8与换热器1之间还连接有导热带16，用于将反应堆内产生的热量传导至换热器1中。

具体地，热声反应堆系统中的燃料可以设计成具有负反馈特性的结构，也就是说当反应堆燃料温度升高到一定值时(例如600℃)，反应堆将会自动停堆。热声反应堆系统出现事故后，换热器1的温度升高，这时换热器1上的热开关开启，反应堆的热量可以通过导热带16传递给换热器1，从而增大燃料的热量导出速度。结合自然循环的特性，这种设计可以使反应堆的温度始终控制在一定值以下(例如800℃)，从而保证即使在反应堆控制器(控制棒或者旋转鼓)失效、发电机停止工作的极端恶劣情况下反应堆也不会发生融化泄漏的事故，从而使整个热声反应堆系统具备固有的安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种热声反应堆系统，包括热声反应堆装置，所述热声反应堆装置包括反应堆、与所述反应堆连接的回热器、与所述回热器连接的换热器、连接在所述反应堆和所述换热器之间的调相器、以及由所述反应堆产生的能量驱动的发电机活塞，其特征在于，

还包括设置在所述热声反应堆装置外部且封闭所述热声反应堆装置的承压壳体，所述热声反应堆装置的内部与所述承压壳体的内部空间连通。

2.根据权利要求1所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述承压壳体内的所述换热器热耦合连接至冷却源，其中，所述冷却源通过冷却管道与所述换热器连接形成冷却循环回路并与所述换热器进行热交换。

3.根据权利要求2所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述冷却管道中设置有循环泵，所述循环泵驱动所述冷却源的冷却介质在所述冷却循环回路中流动。

4.根据权利要求3所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述承压壳体位于所述冷却源的外部，

其中，所述冷却管道包括位于所述承压壳体中且与所述换热器连接的第一管道部分、以及位于所述承压壳体外且连接所述第一管道部分和所述冷却源的第二管道部分。

5.根据权利要求3所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述承压壳体位于所述冷却源的内部，

其中，所述冷却管道位于所述承压壳体中且连接所述换热器和所述冷却源。

6.根据权利要求5所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述冷却源为容纳有所述冷却介质的容纳腔，

其中，所述容纳腔的壁面上设置有单向阀和第二换热器，所述容纳腔外部设置有风扇，所述风扇与所述第二换热器热交换，以将所述第二换热器的热量排出至外部环境中。

7.根据权利要求1所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述热声反应堆装置还包括壳体，所述反应堆、所述回热器、所述换热器、所述调相器和所述发电机活塞容纳在所述壳体中，并且所述壳体上开设有连通所述壳体内部与所述承压壳体的内部空间的开孔。

8.根据权利要求2所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述冷却源中的冷却介质的液位高度高于所述换热器的所在位置。

9.根据权利要求2所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述冷却管道为柔性管。

10.根据权利要求1所述的热声反应堆系统，其特征在于，所述反应堆包括反射层以及由所述反射层包覆的反应堆燃料，其中，所述反射层和所述换热器之间还连接有将所述反应堆产生的热量传导至所述换热器的导热带。

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