CN213815567U - 一种采用超导热管的微堆 - Google Patents

Abstract

一种采用超导热管的微堆，包括微堆本体和冷却回路，所述微堆本体包括壳体和设置在壳体内的燃料元件，所述燃料元件产生的热量传递给所述冷却回路，在微堆本体和冷却回路之间设置有超导热管，所述超导热管的热端置于燃料元件中，冷端置于冷却回路的换热器中，超导热管内部充填有工作介质，微堆运行过程中，通过所述工作介质的非能动相变传热将燃料元件产生的热量从热端传递给与冷端相连的冷却回路。本实用新型具有结构紧凑，高效换热，适用广泛，固有安全性高等特点，在军民融合领域都有广阔的应用前景和重要价值。

Description

一种采用超导热管的微堆

技术领域

本实用新型涉及核反应堆设备技术领域，尤其涉及一种采用超导热管的微堆。

背景技术

20世纪60年代，为简化反应堆设计，提高空间核反应堆的固有安全特性，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）提出了采用高效的热管导热元件的新型空间核反应堆设计概念，即热管式反应堆设计概念。热管式反应堆是指反应堆一回路系统不采用传统的冷却剂回路式布置方式，而采用热管代替一回路系统，将堆芯产生的热量传导至二回路系统或热电转换装置的固态核反应堆。热管式反应堆运行时，反应堆产生的裂变能被传导给布置在堆芯中的金属热管蒸发段，通过热管内部工质的蒸发、冷凝过程以及自然循环流动，将热量从堆芯传导至热电转换装置/二回路 系统的热端，热电转换装置/二回路系统将热能转换为电能后，剩余的废热通过冷却器或辐射散热器排出至最终热阱环境（大气或海洋）。热管最早应用于热离子核反应堆的设计中，用来导出堆芯热量，维持反应堆的温度。

微型中子源反应堆，简称微堆。具有如下特点：① 功率低。② 安全可靠，可设在大城市中心，无发生事故之虞。③ 操作简便、维修容易，可实现无人操作。④ 临界质量小。这种小型的反应堆可以担当小型固定或移动式反应堆，为实现军民融合大业提供新途径同时，为我国海陆空不同应用场景下的小型化、无人化核动力平台的研发提供思路；也能为边远山区、海岛、医院等供能提供选择。

在现有技术中，传统反应堆所采用的冷却剂一回路系统是一种能动传热过程，需要外部施加动力才能正常导热，一旦动力系统发生故障，极易导致堆芯大量热量无法外排发生干烧，温度急剧升高造成不可挽回的损失。而且传热阻力大，热敏感性低。而采用常规热管换热器时，由于介质与管材的不相容性，容易产生不凝性气体，从而影响换热效率，严重时甚至出现局部超温引发爆管。

发明内容

本实用新型目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种具有良好导热性能、更高安全性及非能动传热特性的超导式热管微堆。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

一种采用超导热管的微堆，包括微堆本体和冷却回路，所述微堆本体包括壳体和设置在壳体内的燃料元件，所述燃料元件产生的热量传递给所述冷却回路，其特征在于：在微堆本体和冷却回路之间设置有超导热管，所述超导热管的热端置于燃料元件中，冷端置于冷却回路的换热器中，超导热管内部充填有工作介质，微堆运行过程中，通过所述工作介质的非能动相变传热将燃料元件产生的热量从热端传递给与冷端相连的冷却回路。

进一步的，所述工作介质由多种无机活性金属及其化合物混合而成，包括钙、镁、锌、铅、镓、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝，工作介质中还添加有纳米颗粒。

进一步的，所述超导热管由不锈钢、锆、钛或其复合金属，并加入ABO3系列、AM2O7系列、AM2O8系列或A2P2MO12系列负膨胀材料制作而成，超导热管具有零膨胀的特性。

进一步的，所述超导热管的外表面添加有金属颗粒，所述金属颗粒为锌、镁单质或其合金。

进一步的，还设置有硼酸控制系统，包括装有高浓硼酸溶液的含硼容器以及4摄氏度水控制单元，所述4摄氏度水控制单元包括膨胀阀和装有4摄氏度水的水箱，所述水箱的一端与冷却回路相连接，另一端与所述膨胀阀相连接，所述膨胀阀还分别连通所述壳体和含硼容器，当冷却回路中流体温度发生波动时，水箱中的4摄氏度水发生膨胀，使膨胀阀打开，连通含硼容器和微堆本体，高浓硼酸溶液进入微堆本体内。

进一步的，还设置有手动阀和电控阀，所述手动阀、电控阀和4摄氏度水控制单元相互并联。

进一步的，所述燃料元件为中空结构，其俯视形状为圆形、矩形、菱形或六边形，燃料元件的中心为导热槽，所述超导热管的热端置于所述导热槽中。

进一步的，所述燃料元件为装填有若干燃料小球的圆柱管，燃料元件中心为导热槽，所述燃料小球的外层使用碳化硅、锆合金或钨包覆，所述超导热管的热端置于所述导热槽中。

进一步的，所述超导热管的俯视形状为圆形、矩形或梅花形。

进一步的，所述冷却回路上并联有旁通泵，开启所述旁通泵时，冷却回路由非能动循环转换为强制循环。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、使用超导热管代替传统的一回路循环冷却装置，利用了超导热管内工作介质分子的震荡来实现热量传递。遇热而吸，遇冷而放，是一种非能动传热，具有固有安全性。内部介质的高频振动传热，随着温差增加而增加。具有超常的热敏感性、高效的导热性、良好的等温性、广泛的温适性和高温运行特性，在-70℃至1700℃之间均能正常工作，特有的高温运行特性，使得超导介质热管特别能够用于反应堆严重事故下堆芯热量的排出，不怕干烧，也能防止放射性物质的泄漏。2、采用的工作介质传热阻力小，并且加入纳米颗粒增强换热，具有良好的导热性，能够保证小型反应堆在较高的循环效率下运行，更有利于严重事故时堆芯余热的及时、高效排出。3、超导热管的材料中加入了负热膨胀材料，保持热管零膨胀特性，不存在管内超压问题，避免局部超温引发爆管，从而超导热管形状具有更大的灵活性，适用性更强。4、超导热管外表面添加的金属镁颗粒可以增加换热，金属颗粒可以减少管道腐蚀。5、4摄氏度水控制单元利用了4摄氏度水遇冷热均膨胀的特性，冷却回路维持这个水温保证冷却剂正常运行，一旦温度波动超过范围，4摄氏度水膨胀打开膨胀阀，高硼水进入堆芯进入停堆进程，同时也设立了电控和手控阀，实现3个并联回路，可靠性更强。6、冷却回路上并联有旁通泵，冷却回路可以在非能动循环和强制循环之间切换，保证了冷却回路运行的安全稳定性。7、燃料元件和超导热管采用不同的形状结构，可以运用于不同的场景，适用性更强。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为超导热管结构示意图；

图3为硼酸控制系统示意图；

图4燃料元件俯视图，其中a为矩形燃料元件，b为圆形燃料元件，c为菱形燃料元件，d为六边形燃料元件，e为装填燃料小球的圆柱管燃料元件；

图5为超导热管俯视图，其中a为圆形超导热管，b为矩形超导热管，c为梅花形超导热管。

其中：1-壳体；2-燃料元件；3-超导热管；4-纳米颗粒；5-工作介质；6-热端；7-冷端；8-金属颗粒；9-换热器；10-冷却回路；11-冷却器；12-旁通泵；13-手动阀；14-电控阀；15-膨胀阀；16-水箱；17-含硼容器；18-导热槽；19-燃料小球。

具体实施方式

为了加深本实用新型的理解，下面我们将结合附图对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。

一种采用超导热管的微堆，包括微堆本体和冷却回路10，微堆本体包括壳体1和设置在壳体1内的燃料元件2，燃料元件2产生的热量传递给所述冷却回路10，在微堆本体和冷却回路10之间设置有超导热管3，超导热管3的热端6置于燃料元件2中，冷端7置于冷却回路10的换热器9中，超导热管3内部充填有工作介质5，微堆运行过程中，通过工作介质5的非能动相变传热将燃料元件2产生的热量从热端6传递给与冷端7相连的冷却回路10，冷却回路携带的热量传递给冷却器11，进行释放。

作为本实用新型的具体实施方式，优选的，工作介质5由多种无机活性金属及其化合物混合而成，包括钙、镁、锌、铅、镓、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝，工作介质5中还添加有纳米颗粒4；超导热管3由不锈钢、锆、钛复合金属，并加入ABO3系列负膨胀材料制作而成，超导热管3具有零膨胀的特性；超导热管3的外表面添加有锌镁合金金属颗粒8；还设置有硼酸控制系统，包括装有高浓硼酸溶液的含硼容器17以及4摄氏度水控制单元，4摄氏度水控制单元包括膨胀阀15和装有4摄氏度水的水箱16，水箱16的一端与冷却回路10相连接，另一端与膨胀阀15相连接，膨胀阀15还分别连通壳体1和含硼容器17，当冷却回路10中流体温度发生波动时，水箱16中的4摄氏度水发生膨胀，使膨胀阀15打开，连通含硼容器17和微堆本体，高浓硼酸溶液进入微堆本体内；手动阀13、电控阀14和4摄氏度水控制单元相互并联；燃料元件2为中空结构，其俯视形状为圆形，燃料元件2的中心为导热槽18，超导热管3的热端6置于导热槽18中；超导热管3的俯视形状为圆形；冷却回路10上并联有旁通泵12，开启旁通泵12时，冷却回路10由非能动循环转换为强制循环。

该实施例的工作原理如下：燃料元件2发生核裂变反应产生大量的热通过导热槽18传递给超导热管3的热端6，超导热管3内的工作介质5发生气化，瞬间将大量热导向冷端7，在冷端7与冷却回路10经过换热器9热交换，热量传递给了冷却回路10，在冷却器11，用于发电等用途，超导热管3内的工作介质5液化回到热端6，如此反复。4摄氏度水控制单元利用了4摄氏度水遇冷热均会膨胀的特性，一旦检测到冷却回路10中的温度波动超过一定范围时，膨胀阀15会被涨开，高浓度硼酸溶液进入堆芯中，燃料元件2的链式反应会停止，防止核泄漏。与4摄氏度水控制单元并联有手动阀13和电控阀14，作为4摄氏度水控制单元的备用控制阀。

上述具体实施方式，仅为说明本实用新型的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本实用新型的保护范围，凡是依据本实用新型的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用超导热管的微堆，包括微堆本体和冷却回路（10），所述微堆本体包括壳体（1）和设置在壳体（1）内的燃料元件（2），所述燃料元件（2）产生的热量传递给所述冷却回路（10），其特征在于：在微堆本体和冷却回路（10）之间设置有超导热管（3），所述超导热管（3）的热端（6）置于燃料元件（2）中，冷端（7）置于冷却回路（10）的换热器（9）中，超导热管（3）内部充填有工作介质（5），微堆运行过程中，通过所述工作介质（5）的非能动相变传热将燃料元件（2）产生的热量从热端（6）传递给与冷端（7）相连的冷却回路（10）。

2.根据权利要求1所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述工作介质（5）由多种无机活性金属及其化合物混合而成，包括钙、镁、锌、铅、镓、硼酸、过氧化钠、氢氧化铝，工作介质（5）中还添加有纳米颗粒（4）。

3.根据权利要求2所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述超导热管（3）由不锈钢、锆、钛或其复合金属，并加入ABO3系列、AM2O7系列、AM2O8系列或A2P2MO12系列负膨胀材料制作而成，超导热管（3）具有零膨胀的特性。

4.根据权利要求3所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述超导热管（3）的外表面添加有金属颗粒（8），所述金属颗粒（8）为锌、镁单质或其合金。

5.根据权利要求4所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：还设置有硼酸控制系统，包括装有高浓硼酸溶液的含硼容器（17）以及4摄氏度水控制单元，所述4摄氏度水控制单元包括膨胀阀（15）和装有4摄氏度水的水箱（16），所述水箱（16）的一端与冷却回路（10）相连接，另一端与所述膨胀阀（15）相连接，膨胀阀（15）还分别连通所述壳体（1）和含硼容器（17），当冷却回路（10）中流体温度发生波动时，水箱（16）中的4摄氏度水发生膨胀，使膨胀阀（15）打开，连通含硼容器（17）和壳体（1），高浓硼酸溶液进入微堆本体内。

6.根据权利要求5所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：还设置有手动阀（13）和电控阀（14），所述手动阀（13）、电控阀（14）和4摄氏度水控制单元相互并联。

7.根据权利要求1所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述燃料元件（2）为中空结构，其俯视形状为圆形、矩形、菱形或六边形，燃料元件（2）的中心为导热槽（18），所述超导热管（3）的热端（6）置于所述导热槽（18）中。

8.根据权利要求1所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述燃料元件（2）为装填有若干燃料小球（19）的圆柱管，燃料元件（2）中心为导热槽（18），所述燃料小球（19）的外层使用碳化硅、锆合金或钨包覆，所述超导热管（3）的热端（6）置于所述导热槽（18）中。

9.根据权利要求1所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述超导热管（3）的俯视形状为圆形、矩形或梅花形。

10.根据权利要求1所述一种采用超导热管的微堆，其特征在于：所述冷却回路（10）上并联有旁通泵（12），开启所述旁通泵（12）时，冷却回路（10）由非能动循环转换为强制循环。

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