TWI836702B - 用於自核反應器核心移除熱量之裝置、系統及方法 - Google Patents

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理查 Ｆ 萊特
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Abstract

本文中揭示一種經組構以自核反應器核心移除熱量之熱管。該熱管可包括限定經組構以容納熱源之內部容積之一內部殼體及經組構圍繞該內部殼體及該熱源之一外部殼體。一芯可定位於該內部殼體之至少一部分與該外部殼體之至少一部分之間，其中該芯可包括一毛細管材料，且其中該芯可限定該內部殼體與該外部殼體之間之一中間容積。一工作流體可定位於該中間容積內，其中該工作流體可在該熱管之一第一端處蒸發且在該熱管的鄰近於一熱交換器之一第二端處冷凝，且其中該芯可將冷凝的工作流體返回至該熱管之該第一端。

Description

用於自核反應器核心移除熱量之裝置、系統及方法
本揭示大體上係關於核動力產生，且更特定言之，係關於經組構以自核反應器核心移除熱能之改良裝置、系統及方法。
習知核反應器需要機械泵、閥門、環狀管道及相聯結輔助系統以冷卻反應器。然而，隨著反應器之大小減小，自系統移除熱量變得愈來愈困難。
提供以下發明內容來幫助瞭解本文所揭示之態樣之一些獨特創新特徵，且不意圖作為完整描述。從全份說明書、申請專利範圍、及發明摘要的整體可獲得對各種態樣的全面性理解。
在各個態樣中，揭示一種經組構以自核反應器之核心移除熱量之熱管。熱管包括長度及具有外部表面之內部殼體，其中該內部殼體限定經組構以容納熱源之內部容積。熱管進一步包括具有內部表面之外部殼體，該內部表面經組構圍繞內部殼體及熱源。熱管進一步包括定位於內部殼體與外部殼體之間且沿熱管之長度的至少一部分延伸之芯，其中該芯包括毛細管材料，其中該芯經組構以接觸內部殼體之外部表面的至少一部 分，其中該芯經組構以接觸外部殼體之內部表面的至少一部分，且其中該芯限定內部殼體與外部殼體之間的中間容積。熱管進一步包括在中間容積內之工作流體，其中該工作流體經組構以在熱管之第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在熱管的鄰近於熱交換器之第二端處冷凝，其中該芯經組構以將已在熱管之第二端處冷凝之工作流體返回至熱管之第一端，且其中工作流體之蒸發及冷凝經組構以經由熱交換器將熱量自熱管的第一端傳遞至熱管之第二端以供散熱。
在各個態樣中，揭示一種經組構以移除由核反應器產生之熱量的單位晶胞。單位晶胞包括核心塊材料及遍及核心塊材料安置之複數個裝置。複數個裝置中之至少一個裝置包括熱管，該熱管包括：長度；及包括外部表面之內部殼體。內部殼體限定經組構以容納熱源的內部容積。熱管進一步包括包括內部表面之外部殼體，其中該外部殼體經組構圍繞內部殼體及熱源。熱管進一步包括定位於內部殼體與外部殼體之間且沿熱管之長度的至少一部分延伸之芯，其中該芯包括毛細管材料，其中該芯經組構以接觸內部殼體之外部表面的至少一部分，其中該芯經組構以接觸外部殼體之內部表面的至少一部分，且其中該芯限定內部殼體與外部殼體之間的中間容積。熱管進一步包括在中間容積內之工作流體，其中該工作流體經組構以在熱管之第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在熱管的鄰近於熱交換器之第二端處冷凝，其中該芯經組構以將已在熱管之第二端處冷凝之工作流體返回至熱管之第一端，且其中工作流體之蒸發及冷凝經組構以經由熱交換器將熱量自熱管的第一端傳遞至熱管之第二端以供散熱。
在各個態樣中，揭示一種經組構以自核反應器之核心移除 熱量之熱管。熱管可包括限定經組構以容納熱源之內部容積之一內部殼體及經組構圍繞該內部殼體及該熱源之一外部殼體。熱管可進一步包括定位於內部殼體之至少一部分與外部殼體之至少一部分之間的芯，其中該芯包括毛細管材料，且其中該芯限定內部殼體與外部殼體之間的中間容積。熱管可進一步包括在中間容積內之工作流體，其中該工作流體經組構以在熱管之第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在熱管的鄰近於熱交換器之第二端處冷凝，且其中該芯經組構以將已在熱管之第二端處冷凝的工作流體返回至熱管之第一端。
通過考慮以下為全部形成本說明書之一部分的實施方式和所附申請專利範圍且參考附圖，將變得更明白本發明的這些及其他目的、特性和特徵以及結構相關元件的操作方法和功能及部件組合和製造經濟性，其中相同參考數字代表各圖中的對應部件。然而，應明確瞭解，圖式僅為了說明和描述的目的，且無意圖定義本發明的多個限制。
100:裝置/熱管
102:熱源
103:容積
104:內部殼體
106:外部表面
107:內部表面
108:外部殼體
110:內部表面
111:中間容積
112:芯
116:內部表面
118:外部表面
120:肋狀物
200:構件/熱管
202:熱源
203:容積
204:內部殼體
206:外部表面
208:外部殼體
210:內部表面
211:中間容積
212:芯
216:內部表面
217:第二中間容積
218:外部表面
220:肋狀物
222:包覆層
224:外部表面
226:內部表面
228:燃料
300:單位晶胞
302:構件
304:整合式熱源
306:總成
400:系統
401:熱管
402:熱源
404:冷凝器
406:外部端蓋
408:內部端蓋
410:覆蓋氣體
412:第一外部芯
414:第二內部芯
416:工作流體
418:少量過量工作流體
500:系統
501:熱管
502:熱源
504:冷凝器
506:外部端蓋
508:內部端蓋
512:芯吸特徵
516:工作流體
D1:外徑
D2:內徑
D3:包覆直徑
L:長度
T c :冷凝溫度
T e :蒸發溫度
T sat :絕熱溫度
隨後所附申請專利範圍中特別闡述本說明書所描述態樣的各種特徵。然而，根據以下結合如下附圖的實施方式可瞭解組織和操作方法的各種態樣、以及其優點：圖1繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣，經組構以自核反應器之核心移除熱量之裝置的截面視圖。
圖2繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣，經組構以自核反應器之核心移除熱量之另一裝置的截面視圖。
圖3繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣，包括經組構以自核反應器之核心移除熱量的複數個裝置之單位晶胞的俯視圖。
圖4繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣，經組構以自核反應器之核心移除熱量之系統的側視圖。
圖5繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣，經組構以自核反應器之核心移除熱量之另一系統的側視圖。
對應參考字符表示在所有圖式中的對應部件。本說明書闡述的示例係採用一形式以說明本發明的各種態樣，且這些示例不應被詮釋為以任何方式限制本發明的範疇。
本申請案主張2020年10月29日申請名稱為「用於自核反應器核心移除熱量之裝置、系統及方法(DEVICES,SYSTEMS,AND METHODS FOR REMOVING HEAT FROM A NUCLEAR REACTOR CORE)」的美國非臨時申請案第17/084,440號的權益，其內容特此以全文引用之方式併入本文中。
闡述許多特定細節以提供對本揭示所說明及附圖中所繪示之態樣之整體結構、功能、製造、及使用的徹底理解。未詳細描述熟知的操作、組件、及元件，以不致模糊說明於說明書中的態樣。讀者將理解文中說明及繪示之態樣係非限制性實施例，及因此可明瞭文中揭示的特定結構及功能細節可係代表性及說明性的。可對其作變化及改變而不脫離申請專利範圍之範疇。此外，應瞭解，諸如「向前」、「向後」、「左」、「右」、「向上」、「向下」等用語為方便用語，而不應被詮釋為限制性用語。
在以下描述中，在圖式的若干視圖中，相同參考字符代表類似或對應的部件。同樣在以下描述中，應瞭解，諸如「向前」、「向 後」、「左」、「右」、「向上」、「向下」等用語為方便用語，而不應被詮釋為限制性用語。
在詳細解釋關節式機械手臂的各種態樣之前，應注意，說明性實施例在應用或使用上不限於附圖和實施方式中所說明部件的構造和配置之細節。說明性實施例可經實施或併入在其他態樣、變型和修改中，並可用各種方式實踐或實現。此外，除非特別指出，否則本說明書所使用的術語和表達是為了方便讀者來描述說明性實施例之目的而選擇，而不是為了對其限制的目的。而且，將明白，以下所描述態樣、態樣的表達及/或實施例之一或多者，可與其他以下所描述態樣、態樣的表達及/或實施例之任何一或多者組合。
本揭示係關於用於自核反應器核心移除熱量之裝置、系統及方法。管理核心內之熱能對於核反應器而言為重要的。舉例而言，若核反應器之核心過熱，則反應器可脫離作業線以供後續修復，核心之可用壽命可縮短，且反應器可變得對操作有潛在危害。隨著反應器大小減小且變得更模組化，自核反應器之核心移除熱量變得更具挑戰性且更關鍵。
一些緊湊型反應器充當「核電池」，其使用來自核材料(例如鈾)分裂之能量來產生電。因此，緊湊型反應器可在減小反應器大小的同時使反應器輸出最佳化。然而，隨著反應器之大小減小，自系統移除熱量變得愈來愈困難。緊湊型反應器內之熱管理可經由熱管之組構實現。舉例而言，緊湊型反應器之每一熱管可包括經組構以將熱量自反應器核心移動至熱交換器之少量工作流體(例如鈉液體)，其在該處可用於產生電。不同於需要經由核心泵送之大體積冷卻劑的傳統反應器，基於熱管之反應器需要相對較小量之工作流體，其大部分含於熱管自身之芯內。因此，基於 熱管之反應器不需要機械泵、閥門、環狀管道及冷卻習知反應器所需之相聯結輔助系統，其進一步減小總反應器之大小。
因而，熱管效能及組構仍為緊湊型反應器之關鍵設計考慮因素。由於熱管藉由消除對輔助冷卻組件之需求而簡化熱管理系統，因此熱管組構自身成為對反應器大小之進一步減小的約束條件。習知熱管包括限定填充有工作流體之內管容積的單個管，及定位於習知熱管外部之熱源及散熱器。關於使用具有定位在內部熱管壁處之單個芯的同心環形熱管之理論研究已在新城大學(Newcastle University)進行。另外，環形熱管實施於等溫爐襯(Isothermal Furnace Liner)中，不輸送大量熱量，而是產生用於溫度校準之均勻溫度分佈。前述熱管中無一者已被證實有效地自緊湊型反應器移除熱量，更不必說有效地移除熱量使得反應器之大小可進一步減小。因此，需要可有效地自緊湊型反應器移除熱量同時減小其大小及整體佔據面積的改良熱管。
現參考圖1，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪經組構以自核反應器之核心移除熱量之裝置100的截面視圖。舉例而言，裝置100可為經組構以用於在緊湊型核反應器內實施之熱管。根據圖1之非限制性態樣，熱管100可包括內部殼體104及外部殼體108。圖1之內部殼體104可進一步包括外部表面106，該外部表面106定位於熱管100內以使得其面向外部殼體108之內部表面110。如圖1之非限制性態樣中可見，熱管100可包括環形組構，其中圓形外部殼體108圍繞圓形內部殼體104同心地定位。熱管100之長度可沿內部殼體104及外部殼體108同心地定位所圍繞之中心線延伸，由此形成管狀組構。根據圖1之非限制性態樣，內部殼體104可包括小於外部殼體108之內徑D2的外徑D1以達成前述環形組構。然 而，應瞭解，圖1之非限制性圓形組構態樣出於說明之目的排他性地呈現。應瞭解，如由本揭示使用之術語「直徑」應包括遠離裝置100之中心點延伸之任一尺寸。因而，應瞭解，術語「直徑」不意欲將裝置100限制為圓形組構。
儘管圖1之非限制性態樣描繪具有圓形、同心定向之殼體104、108的熱管100，但應瞭解，任何幾何組構可經實施用於內部殼體104及外部殼體108。因此，本揭示之其他非限制性態樣包括具有不同組構(例如正方形、矩形、三角形、八邊形)之內部殼體104及外部殼體108。在又其他非限制性態樣中，內部殼體104可包括第一幾何組構，且外部殼體108可包括不同於第一幾何組構之第二幾何組構。舉例而言，內部殼體104可包括八邊形組構，且外部殼體108可包括圓形組構，使得內部殼體104之外部表面106的至少一部分不平行於外部殼體108的內部表面110的對應部分。
進一步參考圖1，內部殼體104可進一步限定經組構以容納內部熱源102之容積103，使得熱管100在適當地插入容積103內時實質上包圍熱源102。舉例而言，熱源102可包括經組構以產生熱能之任何材料，諸如核反應器之燃料源(例如氮化鈾)或緩和劑(例如基於氫化物之緩和劑)。另外，當適當地插入於容積103內時，熱源102可鄰近於內部殼體104之內部表面107而定位。根據一些非限制性態樣，當恰當地插入時，熱源102可與內部殼體104之內部表面107實體接觸。根據其他非限制性態樣，容積103可填充有經組構以增強熱源102之間的熱傳遞之中間材料。無論如何，熱源102與熱管100之間的界面可經組構以遠離熱源102有效地傳遞熱量。
仍參考圖1，熱管100可進一步包括定位於內部殼體104與外部殼體108之間的中間容積111內之芯112。芯112可經組構以接觸內部殼體104之外部表面106的至少一部分及外部殼體108之內部表面110的至少一部分。舉例而言，根據圖1之非限制性態樣，芯112可包括定位成與內部殼體104之外部表面106熱連通的內部表面116及定位成與外部殼體108之內部表面110熱連通的外部表面118。在一些非限制性態樣中，芯112之表面116、118可經組構以機械地接觸殼體104、108之表面106、110。根據圖1之非限制性態樣，芯112可進一步包括機械地耦接至芯112之內部表面116及外部表面118之至少一部分的複數個肋狀物120。複數個肋狀物120可包括與芯112相同或類似之芯吸材料。然而，根據其他非限制性態樣，肋狀物120可經組構以直接接觸殼體104、108、自身之表面106、110。儘管圖1中描繪之肋狀物120自同心定向之內部殼體104及外部殼體108之中心徑向向外延伸，但應瞭解，本揭示涵蓋其他非限制性態樣，其中肋狀物120以任何數目個不同組構(例如Z形、圓形、十字形)定向。
根據圖1之非限制性態樣，工作流體(例如鈉液體)可定位於熱管100之中間容積111內，且芯112可由包括毛細管特性之一或多種材料(例如任何多孔材料)構成。熱管100可定位於核反應器內，使得其末端中之一者定位於核反應器之冷凝器內。因而，已在熱管100之冷側冷凝之工作流體可返回至熱管100之熱側以用於歸因於芯112之毛細管特性而蒸發，由此更新熱傳遞循環。換言之，圖1之熱管100可經組構以自定位於熱管100內之熱源102移除熱量。應瞭解，當相對於核反應器之蒸發器及冷凝器恰當地定位時，熱源102、內部殼體104、外部殼體108以及芯112 之整合可有助於熱能遠離核反應器之核心的有效傳遞。因此，當與已知單管熱管組構相比較時，圖1之熱管100可更有效地管理由緊湊型核反應器產生之熱能。此可產生改良之效能及可靠性且產生減小大小之緊湊型反應器。
現參考圖2，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪經組構以自核反應器之核心移除熱量之另一裝置200的截面視圖。根據圖2之非限制性態樣，裝置200可與圖1之熱管100類似地組構。舉例而言，裝置200可包括經組構以用於在核反應器內實施之具有內部殼體204及外部殼體208的熱管。類似於圖1之熱管100，圖2之內部殼體204可包括定位於熱管200內之外部表面206以使得其面對外部殼體208之內部表面210。同樣，熱管200可包括環形組構，該環形組構具有圍繞圓形內部殼體204同心地定位之圓形外部殼體208，且熱管200再次以管狀組構延伸。然而，圖2之環形組構僅意欲用於說明性目的。因此，在其他非限制性態樣中，熱管200可包括任何數目個幾何組構(例如正方形、矩形、三角形、八邊形)。無論如何，內部殼體204可限定經組構以容納內部熱源202之容積203。
進一步參考圖2之非限制性態樣，熱管200可進一步包括圍繞熱源202、內部殼體204及外部殼體208同心地定向之包覆層222。包覆層222可包括大於內徑D1及外徑D1之包覆直徑D3，使得包層222實質上包圍參考圖1之熱管100論述的熱管200之組件。儘管圖2的包層222包括圓形組構，但其亦可包括任何數目個不同幾何組構，即使內部殼體204及外部殼體208為圓形。無論如何，包覆層222可限定包覆層222之內部表面226與外部殼體208之外部表面224之間的第二中間容積217。舉例而言，包覆 層222可包括由經組構以含有定位在熱管200內之任何核材料之材料製成的薄壁管。因此，包覆層222可尤其經組構以防止腐蝕，且因此防止不利及潛在有害材料釋放至操作環境中。
仍參考圖2，熱管200可進一步包括定位於中間容積211內之芯212，該中間容積211限定於內部殼體204與外部殼體208之間。芯212可經組構以接觸內部殼體204之外部表面206的至少一部分及外部殼體208之內部表面210的至少一部分。舉例而言，根據圖2之非限制性態樣，芯212可包括定位成與內部殼體204之外部表面206熱連通的內部表面216及定位成與外部殼體208之內部表面210熱連通的外部表面218。在一些非限制性態樣中，芯212之表面216、218可經組構以機械地接觸殼體204、208之表面206、210。根據圖2之非限制性態樣，芯212可進一步包括機械地耦接至芯212之內部表面216及外部表面218之至少一部分的複數個肋狀物220。複數個肋狀物220可包括與芯212相同或類似之芯吸材料。然而，根據其他非限制性態樣，肋狀物220可經組構以直接接觸殼體204、208、自身之表面206、210。
儘管圖2中描繪之肋狀物220自同心定向之內部殼體204及外部殼體208之中心徑向向外延伸，但應瞭解，本揭示涵蓋其他非限制性態樣，其中肋狀物220以任何數目個不同組構(例如Z形、圓形、十字形)定向。
根據圖2之非限制性態樣，工作流體(例如鈉液體及/或類似物)可定位於熱管200之中間容積211內，且芯212可由包括毛細管特性之一或多種材料(例如任何多孔材料)構成。熱管200可定位於核反應器內，使得其末端中之一者定位於核反應器之冷凝器內。因而，已在熱管200之 冷側冷凝之工作流體可返回至熱管200之熱側以用於歸因於芯212之毛細管特性而蒸發，由此更新熱傳遞循環。換言之，圖2之熱管200可經組構以自定位於熱管200內之熱源202移除熱量。應瞭解，當相對於核反應器之蒸發器及冷凝器恰當地定位時，熱源202、內部殼體204、外部殼體208以及芯212之整合可有助於熱能遠離核反應器之核心的有效傳遞。因此，當與已知單管熱管組構相比較時，圖2之熱管200可更有效地管理由緊湊型核反應器產生之熱能。此可產生改良之效能及可靠性且產生減小大小之緊湊型反應器。
根據圖2之非限制性態樣，圖2之熱管200可包括定位於容積203內之緩和劑型202熱源(例如基於氫化物之緩和劑及/或其類似物)，及定位於第二中間容積217內之燃料228(例如氮化鈾及/或其類似物)，如藉由包覆層222所限定。因此，緩和劑202可由環形熱管200之芯212包圍，且環形熱管200之芯212可由環形燃料228包圍。因而，圖2之熱管200可包括整合於核反應器之熱傳遞媒介或核心塊(例如石墨及/或其類似物)內之多個熱源202、228。因此，在熱管200失效之情況下，相鄰熱管200可藉由遠離核心轉移餘熱來補償失效。
儘管圖1及圖2之非限制性態樣包括具有整合式熱源102、202之熱管100、200，但本揭示涵蓋特徵為熱管100、200及熱源102、202之廣泛多種配置的其他非限制性態樣。舉例而言，根據一些非限制性態樣，視預期應用及/或使用者偏好是否可適應空間之較不高效使用而定，圖2之熱管200之芯212可由熱源202包圍。在又其他非限制性態樣中，燃料228可由圖2之熱管200之芯212包圍，且緩和劑202可經組構以包圍熱管200之芯212。換言之，圖2之燃料228及緩和劑202之位置可反轉， 此取決於預期應用及/或使用者偏好是否可在熱管失效之情況下適應較低效冷卻。在兩個態樣中，使用者可經促動而以核反應器大小及/或熱傳遞效率為代價最佳化其他變數，其向圖2之熱管200設計提供特定程度之自訂。最後，熱管200設計之最佳化取決於對核反應器設計之預期應用及/或使用者偏好，其兩者由於微型反應器之出現而在重要性上日益增加。
現參考圖3，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪包括經組構以自核反應器之核心移除熱量的複數個裝置302之單位晶胞300的俯視圖。應瞭解，儘管圖3之單位晶胞300包括19個裝置302，但本揭示涵蓋其他非限制性態樣，其中單位晶胞300包括任何數目個裝置302。另外及/或替代地，圖3之單位晶胞300的六邊形組構出於說明之目的排他性地呈現。因而，應瞭解，取決於核心之所需輸出及熱特性，圖3之單位晶胞300可包括任何數目個幾何組構。
根據圖3之非限制性態樣，複數個裝置302之每一裝置302可經組構以實質上包圍核心之整合式熱源304。熱源304可包括燃料棒、緩和劑或其組合。如參考圖1及圖2所論述，複數個裝置302中之每一裝置302可進一步包括經組構以包圍整合式熱源304之總成306。總成306可包括參考圖1及圖2所論述之特徵中之任一者，包括經組構以遠離整合式熱源304傳遞熱量之熱管100、200之芯112、212及/或複數個肋狀物120、220。根據一些非限制性態樣，總成306可進一步包括限定經組構以容納燃料228之第二中間容積217的包層222，如參考圖2所論述。在又其他非限制性態樣中，複數個裝置302中之每一裝置302可包括不同組構。舉例而言，第一裝置302可包括圖1之裝置100組構，且第二裝置302可包括圖2之裝置200組構。
仍參考圖3，單位晶胞300之每一裝置302可經特定配置以鄰近於多個其他裝置302。相鄰裝置302可經定位成彼此相距預定距離，使得由任何給定裝置302之整合式熱源304產生的熱能可在熱管失效之情況下有效地傳遞遠離核心。因為習知熱管通常由其意欲冷卻之熱源包圍，所以相鄰熱管受限於在第一熱管失效之情況下輔助緩解溫度增加之能力。因此，圖3之單位晶胞300組構提供優於已知裝置之顯著改良及益處。另外及/或替代地，單位晶胞300可包括核心塊，該核心塊包括具有較佳熱特性之材料(例如石墨)，且經組構以監測單位晶胞300之操作溫度之一或多個溫度感測器可定位於整個核反應器之核心中。因此，若熱管失效，則來自整合式熱源304之熱量可經由材料傳遞。溫度感測器可偵測溫度增加且判定溫度是否滿足或超過預定臨限值，其後可開始核反應器關機協定。
現參考圖4，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪經組構以自核反應器之核心移除熱量之系統400的側視圖。根據圖4之非限制性態樣，系統400包括與核反應器之冷凝器404整合之水平定向裝置，諸如熱管401。熱管401經組構圍繞諸如燃料或緩和劑之熱源402，其長度限定熱管401之蒸發段，該熱管401在蒸發溫度T e 下操作。熱管401可進一步包括一或多個內部端蓋408，其中之一者限定在絕熱溫度T sat 下操作之熱管401的絕熱段。根據一些非限制性態樣，熱管401可進一步包括定位於絕熱段內之覆蓋氣體410。熱管401可端接於核反應器之冷凝器404中，其在冷凝溫度T c 下操作。根據圖4之非限制性態樣，蒸發溫度T e 大於絕熱溫度T sat ，且絕熱溫度T sat 大於冷凝溫度T c 。總體而言，熱管401之蒸發段、絕熱段及冷凝段可構成熱管401之長度L。因此，熱管401內之工作流體416可自由整合式熱源402產生之熱量蒸發，使熱管401之長度穿過絕熱段 行進至冷凝器404，在冷凝器404中其冷卻且冷凝。系統400，且更特定而言，熱管401，可經組構以容納接近冷凝器之少量過量工作流體418以防止熱管401及其組件乾燥。
值得注意地，圖4之熱管401可包括外部端蓋406，以及第一外部芯412及第二內部芯414。外部端蓋406、內部端蓋408或兩者可連接外部芯412與內部芯414。替代地及/或另外，一或多個肋狀物(例如，圖1及圖2中所描繪之裝置100、200之肋狀物120、220)亦可經組構以連接熱管401之外部芯412及內部芯414。無論如何，外部芯412及內部芯414可協作以連接熱管401之多個表面，其產生用於傳導及對流之較大表面區域。另外，外部芯412與內部芯414之連接可建立熱管401之共同體積，同時保持其離散區段及操作溫度。此連接可定位於用於圖5之水平組構系統500的熱管401之冷凝器側上。然而，應瞭解，具有整體熱源及/或緩和劑之熱管401可提供具有及不具有芯412、414之前述益處，且可以任何定向置放，包括使用重力來移動熱管內之工作流體的定向(例如，熱虹吸管)，如參考圖5將進一步詳細論述。
現參考圖5，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪經組構以自核反應器之核心移除熱量之另一系統500的側視圖。根據圖5之非限制性態樣，系統500包括與核反應器之冷凝器504整合之豎直定向裝置，諸如熱管501。系統500與圖4之系統400類似地組構。然而，圖5之系統500經豎直組構，且因此，可類似於熱虹吸管操作以用於移動工作流體516。熱管501經組構圍繞諸如燃料或緩和劑之熱源502，其長度限定熱管501之蒸發段，該熱管501在蒸發溫度T e 下操作。熱管501可進一步包括一或多個內部端蓋508，其中之一者限定在絕熱溫度T sat 下操作之熱管501的 絕熱段。根據一些非限制性態樣，熱管501可進一步包括定位於絕熱段內之覆蓋氣體。熱管501可端接於核反應器之冷凝器504中，其在冷凝溫度T c 下操作。總體而言，熱管501之蒸發段、絕熱段及冷凝段可構成熱管501之長度L。根據圖5之非限制性態樣，蒸發溫度T e 大於絕熱溫度T sat ，且絕熱溫度T sat 大於冷凝溫度T c 。因此，熱管501內之工作流體516可自由整合式熱源502產生之熱量蒸發，使熱管501之長度穿過絕熱段行進至冷凝器504，在冷凝器504中其冷卻且冷凝。
進一步參考圖5，熱管501可包括外部端蓋506。然而，根據圖5之非限制性態樣，熱管可包括排他性地定位於蒸發段內之芯吸特徵512。舉例而言，芯吸特徵512可包括凹槽、部分芯及/或其類似物。對於圖5之垂直組構，熱管不需要與圖4之水平組構系統400一樣多的芯吸特徵412、414。此係因為重力可輔助將經冷凝工作流體516返回至蒸發器，但圖5之豎直組構系統500對於高功率反應器可能並不理想。
同樣，外部端蓋506、內部端蓋508或兩者可連接圖5之熱管501之芯吸特徵512。替代地及/或另外，一或多個肋狀物(例如，圖1及圖2中所描繪之裝置100、200之肋狀物120、220)可經組構以連接熱管501之芯吸特徵512。無論如何，芯吸特徵512可協作以連接熱管501之多個表面，其產生用於傳導及對流之較大表面區域。另外，芯吸特徵512之連接可建立熱管501之共同體積，同時保持其離散區段及操作溫度。因此，熱管501可提供具有減少之芯吸特徵512的前述益處，且即使在經豎直定向時亦可起作用以移動熱管501內之工作流體516(例如，熱虹吸管)。
在以下經編號條項中闡述本文所描述之主題的各種態樣：
條項1：一種經組構以自核反應器之核心移除熱量的熱 管，其中該熱管包括長度，該熱管進一步包括：內部殼體，其包括外部表面，其中該內部殼體限定經組構以容納熱源之內部容積；外部殼體，其包括內部表面，其中該外部殼體經組構圍繞內部殼體及熱源；芯，其定位於內部殼體與外部殼體之間且沿熱管之長度的至少一部分延伸，其中該芯包括毛細管材料，其中該芯經組構以接觸內部殼體之外部表面的至少一部分，其中該芯經組構以接觸外部殼體之內部表面的至少一部分，且其中該芯限定內部殼體與外部殼體之間的中間容積；及中間容積內之工作流體，其中該工作流體經組構以在熱管之鄰近於熱源的第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在熱管之鄰近於熱交換器的第二端處冷凝，其中該芯經組構以將已在熱管之第二端處冷凝的工作流體返回至熱管之第一端，且其中工作流體之蒸發及冷凝經組構以經由熱交換器將熱量自熱管之第一端傳遞至熱管之第二端以用於散熱。
條項2：如條項1之熱管，其中該芯包括複數個肋狀物，其中該複數個肋狀物中之至少第一肋狀物接觸該內部殼體之該外部表面的至少一部分，且其中該複數個肋狀物中之至少第二肋狀物接觸該外部殼體之該內部表面的至少一部分。
條項3：如條項1或2之熱管，其中該熱管包括管組構，其中該外部殼體及該內部殼體各自包括圓形組構，其中該外部殼體圍繞該內部殼體同心地定向，且其中該複數個肋狀物經組構以自該內部殼體之中心點徑向延伸。
條項4：如條項1至3中任一項之熱管，其進一步包括耦接至該熱管之該第二端的端蓋，其中該第二端蓋經組構以機械地接觸該外部殼體、該內部殼體及該芯，由此建立穿過該內部容積及中間容積之熱電 路。
條項5：如條項1到4中任一項之熱管，其中該熱源為包括氫化物之緩和劑。
條項6：如條項1至5中任一項之熱管，其中該熱源為核放射性燃料。
條項7：如條項1至6中任一項之熱管，其中該熱源為緩和劑，且其中該熱管進一步包括經組構圍繞該外部殼體之包層，其中該包層限定圍繞該外部殼體之第二中間容積，且其中核燃料定位於該第二中間容積內。
條項8：如條項1至7中任一項之熱管，其進一步包括定位於該熱管之該第二端處的儲集器，其中該儲集器經組構以含有過量的工作流體，且其中該過量工作流體經組構以防止該熱管及其組件變乾。
條項9：如條項1至8中任一項之熱管，其中該熱管進一步包括豎直定向之熱虹吸管，其經組構以使得重力至少部分地幫助該芯將已在該熱管之該第二端處冷凝之工作流體返回至該熱管之該第一端。
條項10：一種單位晶胞，其經組構以移除由核反應器產生之熱量，該單位晶胞包括：核心塊材料；及複數個裝置，其遍及核心塊材料安置，其中該複數個裝置中之至少一個裝置包括熱管，該熱管包括：長度；內部殼體，其包括外部表面，其中該內部殼體限定經組構以容納熱源之內部容積；外部殼體，其包括內部表面，其中該外部殼體經組構圍繞該內部殼體及該熱源；芯，其定位於該內部殼體與該外部殼體之間且沿該熱管之該長度的至少一部分延伸，其中該芯包括毛細管材料，其中該芯經組構以接觸該內部殼體之該外部表面的至少一部分，其中該芯經組構以接 觸該外部殼體之該內部表面的至少一部分，且其中該芯限定該內部殼體與該外部殼體之間的中間容積；及在該中間容積內之工作流體，其中該工作流體經組構以在該熱管之第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在該熱管的鄰近於熱交換器之第二端處冷凝，其中該芯經組構以將已在該熱管之該第二端處冷凝之工作流體返回至該熱管之該第一端，且其中該工作流體之該蒸發及冷凝經組構以經由該熱交換器將熱量自該熱管之該第一端傳遞至該熱管之該第二端以用於散熱。
條項11：如條項10之單位晶胞，其中該核心塊材料包括石墨。
條項12：如條項10或11之單位晶胞，其中該芯包括複數個肋狀物，其中該複數個肋狀物中之至少第一肋狀物接觸該內部殼體之該外部表面的至少一部分，且其中該複數個肋狀物中之至少第二肋狀物接觸該外部殼體之該內部表面的至少一部分。
條項13：如條項10至12中任一項之單位晶胞，其中該熱管包括管組構，其中該外部殼體及該內部殼體各自包括圓形組構，其中該外部殼體圍繞該內部殼體同心地定向，且其中該複數個肋狀物經組構以自該內部殼體之中心點徑向延伸。
條項14：如條項10至13中任一項之單位晶胞，其中該熱管進一步包括耦接至該熱管之該第二端的端蓋，其中該第二端蓋經組構以機械地接觸該外部殼體、該內部殼體及該芯，由此建立穿過該內部容積及中間容積之熱電路。
條項15：如條項11至14中任一項之單位晶胞，其中該熱源為緩和劑，且其中該熱管進一步包括經組構圍繞該外部殼體之包層，其 中該包層限定圍繞該外部殼體之第二中間容積，且其中核燃料定位於該第二中間容積內。
條項16：如條項11至15中任一項之單位晶胞，其進一步包括定位於該熱管之該第二端處的儲集器，其中該儲集器經組構以含有過量的工作流體，且其中該過量工作流體經組構以防止該熱管及其組件變乾。
條項17：如條項11至16中任一項之單位晶胞，其中該熱管進一步包括豎直定向之熱虹吸管，其經組構以使得重力至少部分地幫助該芯將已在該熱管之該第二端處冷凝之工作流體返回至該熱管之該第一端。
條項18：一種熱管，其經組構以自核反應器之核心移除熱量，該熱管包括：內部殼體，其限定經組構以容納熱源之內部容積；外部殼體，其經組構圍繞該內部殼體及該熱源；芯，其定位於該內部殼體的至少一部分與該外部殼體的至少一部分之間，其中該芯包括毛細管材料，且其中該芯限定該內部殼體與該外部殼體之間的中間容積；及在該中間容積內之工作流體，其中該工作流體經組構以在該熱管之第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在該熱管的鄰近於熱交換器之第二端處冷凝，且其中該芯經組構以將已在該熱管之該第二端處冷凝的工作流體返回至該熱管之該第一端。
條項19：如條項18之熱管，其中該芯包括複數個肋狀物，其中該複數個肋狀物中之至少第一肋狀物接觸該內部殼體的至少一部分，且其中該複數個肋狀物中之至少第二肋狀物接觸該外部殼體的至少一部分。
條項20：如條項18或19之方法，其中該熱管包括管組構，其中該外部殼體及該內部殼體各自包括圓形組構，其中該外部殼體圍繞該內部殼體同心地定向，且其中該複數個肋狀物經組構以自該內部殼體之中心點徑向延伸。
本文中所提及的所有專利、專利申請案、公開案或其他揭示材料皆特此以全文引用之方式併入，如同每一個別參考文獻分別以引用方式明確地併入一般。據稱以引用之方式併入本文中的所有參考文獻及其任何材料或其部分僅在併入之材料不會與本揭示中所闡述之現有定義、陳述或其他揭示材料矛盾之程度上併入本文中。因而且在必要程度上，如本文中所闡述之揭示內容取代以引用方式併入本文中之任何矛盾的材料及在本申請案對照中明確闡述之揭示內容。
已參考各種例示性及說明性態樣描述本發明。本文中所描述之態樣應理解為提供本發明之各種態樣之不同細節的說明性特徵；且因此，除非另外指定，否則應理解，在可能之情況下，所揭示態樣之一或多個特徵、元件、組件、組份、成份、結構、模組及/或態樣可與或相對於所揭示態樣之一或多個其他特徵、元件、組件、組份、成份、結構、模組及/或態樣組合、分開、互換及/或重新配置，而不脫離本發明之範圍。因此，一般熟悉本技藝者將認識到，可在不脫離本發明範圍之情況下作例示性態樣中之任一者的各種替代、修改或組合。此外，熟悉本技藝者將認識到或能夠在審閱本說明書後僅使用常規實驗確定本文中所描述之本發明之各種態樣的許多等效物。因此，本發明不受各種態樣之描述限制，而是受申請專利範圍限制。
熟習該項技藝者應明白，通常，本文中且特別是在所附申 請專利範圍(例如，所附申請專利範圍的主體)中使用的術語通常係指「開放性(open)」術語(例如，術語「包括(including)」應解釋為「包括但不限於」，術語「具有(having)」應解釋為「至少具有」，術語「包括(includes)」應解釋為「包括但不限於」等)。熟習該項技藝者將更瞭解，如果意欲特定數量的所引用請求項陳述(claim recitation)，則在申請專利範圍中明確陳述此意圖，而在沒有此陳述的情況下，則此意欲就不存在。例如，為了幫助瞭解，隨後所附申請專利範圍可包含引用片語「至少一個(at least one)」和「一或多個(one or more)」的使用以引用請求項陳述。然而，此類片語的使用不應詮釋以暗示請求項陳述中引用不定冠詞「一(a)」或「一個(an)」對包含此所引用請求項陳述的任何特定請求項限制為僅含一此種陳述的請求項，即使當相同請求項包括引用片語「一或多個」或「至少一個」及諸如「一」或「一個」的不定冠詞(例如，「一」及/或「一個」通常應解釋為意指「至少一個」或「一或多個」)；對用於引入請求項陳述的定冠詞使用亦是如此。
此外，即使明確陳述一特定數量的所引用請求項陳述，熟習該項技藝者將明白，此類陳述通常應解釋成至少意指所陳述的數目(例如，沒有其他修飾語之「兩陳述」的真實陳述通常意指至少兩陳述，或兩或多於兩個陳述)。此外，在使用類似於「A、B及C等中之至少一者」的習用語的此類情況下，通常此語法結構為熟習該項技藝者所能夠理解習用語的意義(例如，「一種具有A、B及C中之至少一者的系統」將包括但不限於僅具A、僅具B、僅具C、結合A及B、結合A及C、結合B及C、及/或結合A、B及C等的系統)。在使用類似於「A、B或C等中之至少一者」的習用語的此類情況下，通常此語法結構為熟習該項技藝者所能夠理解習用 語的意義(例如，「一種具有A、B或C中之至少一者的系統」將包括但不限於僅具A、僅具B、僅具C、結合A及B、結合A及C、結合B及C、及/或結合A、B及C等的系統)。熟習該項技藝者將更瞭解到，無論是在實施方式、申請專利範圍或圖式中，通常代表兩或多個替代性用語的選擇性字及/或用語都應理解成，除非另有特別說明，否則考慮包括多個用語之一者、多個用語之任一者、或兩用語的可能性。例如，用語「A或B」將通常瞭解為包括「A」或「B」或「A和B」的可能性。
關於所附申請專利範圍，熟習該項技藝者應明白，其中所列舉的操作通常可採用任何順序執行。而且，雖然請求項陳述係順序示出，但是應瞭解，可採用所說明者以外的其他順序來執行各種操作；或者，可同時執行各種操作。除非另有特別說明，否則這些替代排序的實施例可包括重疊、交錯、中斷、重新排序、遞增、準備、補充、同時、反向或其他變異排序。此外，除非另有特別說明，否則諸如「隨著」、「關於」或其他過去式形容詞之類的用語通常未受到排除這類變異形式。
值得注意，「一種態樣」、「一態樣」、「一示例」、「一種示例」等的任何參考意味著一結合態樣描述的特定特徵、結構或特性包括在至少一態樣中。因此，在整個說明書中各處出現的用語「在一種態樣」、「在一態樣」、「在一示例」和「在一種示例」不必然都意指相同態樣。此外，在一或多個態樣中可採用任何適當方式組合多個特定特徵、結構或特性。
除非上下文另外清楚地規定，否則如本文中所使用之單數形式「一(a)」、「一個(an)」及「該(the)」包括複數個參考物。
除非另外明確地陳述，否則本文中所使用之方向性片語， 諸如但不限於頂部、底部、左、右、下部、上部、前部、背部及其變化形式，應關於附圖中所展示之元件之定向且不對申請專利範圍造成限制。
除非另有特別說明，否則本揭示中使用的用語「約」或「概略」意指一特定值憑藉熟悉技藝人士所確定的可接受誤差，該誤差部分取決於數值的測量或確定方式。在某些態樣中，用語「約」或「概略」意指在1、2、3或4個標準偏差內。在某些態樣中，用語「約」或「概略」意指在一給定值或範圍的50%、200%、105%、100%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%或0.05%內。
在本說明書中，除非特別說明，否則所有數值參數應理解為在所有情況下均通過用語「約」作為開頭和修飾，其中數值參數具有用於確定參數數值的基礎測量技術的固有可變性特徵。最起碼而言，且不試圖將均等論的應用限制於申請專利範圍的範疇，本說明書描述的每個數值參數應至少根據所列舉有效數字的數目並通過應用普通四捨五入技術來詮釋。
本說明書列舉的任何數值範圍包括在列舉範圍內所涵蓋的全部子範圍。例如，範圍「1到100」包括介於(且包括)所列舉最小值1和所列舉最大值100之間(即是，具有等於或大於1的最小值和等於或小於100的最大值)的所有子範圍。而且，本說明書所列舉的全部範圍包含所列舉範圍的端點。例如，範圍「1到100」包括端點1和100。本說明書中列舉的任何最大數值限制旨在包括其中所涵蓋的全部較低數值限制，且本說明書中列舉的任何最小數值限制旨在包括其中所涵蓋的全部較高數值限制。因此，申請人保留修改本說明書(包括申請專利範圍)的權利，以明確列舉涵蓋在明確列舉範圍內的任何子範圍。本說明書本質上描述所有這些範 圍。
在本說明書中所參考及/或在任何申請資料表(Application Data Sheet)中所列出的任何專利申請案、專利案、非專利公開案或其他揭露文獻併入本說明書供參考，在某種程度上，併入的文獻與本說明書不相矛盾。因此，在必要的程度上，本說明書明確闡述的揭露內容係取代併入本說明書供參考的任何矛盾文獻。併入本說明書供參考但與本說明書闡述的現有定義、聲明或其他揭露文獻相矛盾的任何文獻或其部分，將僅以所併入文獻與現有揭露文獻之間不發生矛盾的程度併入。
多個用語「包含(comprise)」(及任何形式的包含，諸如「包含(comprises)」和「包含(comprising)」)、「具有(have)」(及任何形式的具有，諸如「具有(has)」和「具有(having)」)、「包括(include)」(及任何形式的包括，諸如「包括(includes)」和「包括(including)」)和「含有(contain)」(及任何形式的含有，諸如「含有(contains)」和「含有(containing)」)都是非限定開放式連綴動詞。因此，一種「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個元件的系統擁有這類一或多個元件，但不限於僅擁有這類一或多個元件。同樣地，一種「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個特徵的系統、裝置或設備的元件擁有這類一或多個特徵，但不限於僅擁有這類一或多個特徵。
100:裝置/熱管
102:熱源
103:容積
104:內部殼體
106:外部表面
107:內部表面
108:外部殼體
110:內部表面
111:中間容積
112:芯
116:內部表面
118:外部表面
120:肋狀物
D1:外徑
D2:內徑

Claims (11)

  1. 一種經組構以自核反應器之核心移除熱量的熱管，其中該熱管包含一長度，該熱管進一步包含： 一內部殼體，其包含一外部表面，其中該內部殼體限定經組構以容納熱源之內部容積； 一外部殼體，其包含一內部表面，其中該外部殼體經組構圍繞該內部殼體及該熱源； 一芯，其定位於該內部殼體與該外部殼體之間且沿該熱管之該長度的至少一部分延伸，其中該芯包含一毛細管材料，其中該芯經組構以接觸該內部殼體之該外部表面的至少一部分，其中該芯經組構以接觸該外部殼體之該內部表面的至少一部分，且其中該芯限定該內部殼體與該外部殼體之間之一中間容積；及 在該中間容積內之一工作流體，其中該工作流體經組構以在該熱管之一第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在該熱管的鄰近於一熱交換器之一第二端處冷凝，其中該芯經組構以將已在該熱管之該第二端處冷凝之工作流體返回至該熱管之該第一端，且其中該工作流體之該蒸發及冷凝經組構以經由該熱交換器將熱量自該熱管的該第一端傳遞至該熱管之該第二端以供散熱。
  2. 如請求項1之熱管，其中，該芯包含複數個肋狀物，其中該複數個肋狀物中之至少一第一肋狀物接觸該內部殼體之該外部表面的至少一部分，且其中該複數個肋狀物中之至少一第二肋狀物接觸該外部殼體之該內部表面的至少一部分。
  3. 如請求項2之熱管，其中，該熱管包含一管組構，其中該外部殼體及該內部殼體各自包含一圓形組構，其中該外部殼體圍繞該內部殼體同心地定向，且其中該複數個肋狀物經組構以自該內部殼體之一中心點徑向延伸。
  4. 如請求項1之熱管，其進一步包含耦接至該熱管之該第二端之一端蓋，其中該第二端蓋經組構以機械地接觸該外部殼體、該內部殼體及該芯，由此建立穿過該內部容積及中間容積之一熱電路。
  5. 如請求項1之熱管，其中，該熱源為包含一氫化物之一緩和劑。
  6. 如請求項1之熱管，其中，該熱源為一核燃料。
  7. 如請求項1之熱管，其進一步包含定位於該熱管之該第二端處之一儲集器，其中該儲集器經組構以含有一過量的工作流體，且其中該過量工作流體經組構以防止該熱管及其組件變乾。
  8. 如請求項1之熱管，其中，該熱管進一步包含一豎直定向之熱虹吸管，其經組構以使得重力至少部分地幫助該芯將已在該熱管之該第二端處冷凝之工作流體返回至該熱管之該第一端。
  9. 一種經組構以自核反應器之核心移除熱量的熱管，該熱管包含： 一內部殼體，其限定經組構以容納熱源之內部容積； 一外部殼體，其經組構圍繞該內部殼體及該熱源； 一芯，其定位於該內部殼體之至少一部分與該外部殼體之至少一部分之間，其中該芯包含一毛細管材料，且其中該芯限定該內部殼體與該外部殼體之間之一中間容積；及 在該中間容積內之一工作流體，其中該工作流體經組構以在該熱管之一第一端處蒸發，其中該工作流體進一步經組構以在該熱管的鄰近於一熱交換器之一第二端處冷凝，且其中該芯經組構以將已在該熱管之該第二端處冷凝的工作流體返回至該熱管之該第一端。
  10. 如請求項9之熱管，其中，該芯包含複數個肋狀物，其中該複數個肋狀物中之至少一第一肋狀物接觸該內部殼體的至少一部分，且其中該複數個肋狀物中之至少一第二肋狀物接觸該外部殼體的至少一部分。
  11. 如請求項10之熱管，其中，該熱管包含一管組構，其中該外部殼體及該內部殼體各自包含一圓形組構，其中該外部殼體圍繞該內部殼體同心地定向，且其中該複數個肋狀物經組構以自該內部殼體之一中心點徑向延伸。
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