CN112133456B - 一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件 - Google Patents

Abstract

本发明属于双模式反应堆技术领域，具体涉及一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，包括柱状的燃料(2)，燃料(2)沿轴向由上至下分为上段燃料元件、中段燃料元件和下段燃料元件，上段燃料元件中设有热管(1)和氢气流道(3)，中段燃料元件设有氢气集流腔(4)，下段燃料元件中设有氢气流道(3)，上段燃料元件中的氢气流道(3)和下段燃料元件中的氢气流道(3)通过氢气集流腔(4)连通。本发明适用于各种电功率需求的双模式反应堆，大大简化反应堆的运行方式，并提高***的可靠性，提升了燃料(2)与氢气之间的传热效率，显著提升了燃料(2)与热管(1)之间的传热性能，使热管(1)运行于适宜的温度，保证热管(1)不会过热。

Description

一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件

技术领域

本发明属于双模式反应堆技术领域，具体涉及一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件。

背景技术

双模式空间核反应堆同时具备推进和发电的功能，结合了核热推进反应堆以及空间反应堆电源相对于常规能源的诸多优势。该反应堆非常适用于载人登月、载人火星、空间运输等任务。美俄等航天大国对双模式反应堆开展了广泛的研究，提出了较多反应堆方案，按照从堆芯导出用于发电的热量的方式可分为两种类型：一是采用冷却剂回路导出用于发电的热量；二是采用热管导出用于发电的热量。热管相比于回路具有简单、非能动、抗单点失效、高可靠性等优势。下文对采用热管的三个方案分别进行介绍。

(1)美国的Michael G.Houts等在文献“Alert-derivative bimodal space powerand propulsion systems”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案ALERT。其堆芯活性区结构见图8(图中并未画出燃料内的氢气流道)，该方案采用圆环板状的碳化铀燃料，堆芯活性区由多块燃料板叠加而成，燃料板之间布置有钨板，用以增强导热能力，燃料和钨板内设置诸多轴向氢气流道。活性区中心孔和***布置有诸多热管，热管工质为钠，包壳材料为铌，燃料与热管之间布置有两层容器，容器间留有一定的空隙。反应堆有两种模式运行：推进模式和发电模式。推进模式下，氢气自上而下流过燃料和钨板内的氢气流道，加热之后喷出，从而产生推力，此时，两层容器之间为真空，用来减弱燃料与热管之间的传热性能，防止热管过热；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电，此时，两层容器之间充入氦气，用来增强燃料与热管之间的传热性能。

(2)美国的Michael G.Houts等在文献“Heatpipe power system and heatpipebimodal system development status”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案HBS。其燃料与热管的布置结构见图9，燃料棒和热管呈三角形栅格排列，燃料棒和热管之间的空腔作为氢气流道，燃料最初选用二氧化铀，后提出可改用更耐高温的(U,Ta)C或W-(U,Zr)CN，热管设置有双层包壳，外包壳为钨，内包壳为钼，工质为钠或锂，两层包壳之间为真空空隙，用以防止热管过热。推进模式下，氢气自上而下流过燃料棒与热管之间的氢气流道，加热之后喷出产生推力；发电模式下，停止排放氢气，堆芯热量由热管导出堆外用于发电。

(3)美国的Gary F.Polansky等在文献“A bimodal spacecraft bus based on acermet fueled heat pipe reactor”中提到一种基于热管式反应堆的双模式反应堆方案。其热管结构见图10，热管与燃料的布置结构见图11。燃料和热管的结构较为特殊，其中，燃料为钨基CERMET燃料，其结构为九棱柱形，内含诸多轴向氢气流道；热管工质为钠，包壳为钼，热管***含有6个翅片以及6个氢气流道。燃料棒与热管之间存在真空空隙，两者之间通过辐射传热。推进模式下，氢气先自上而下流经热管***3个互不相邻的氢气流道，到达底部后自下而上流经另外3个氢气流道，然后再自上而下流经燃料内的氢气流道，最后喷出；发电模式下，停止氢气排放，堆芯热量由热管导出至堆外用于发电。

以上三种类型的双模式反应堆方案均存在不足之处，分析如下：

(1)对于ALERT方案，燃料与热管之间设置两层容器，推进模式下，容器间的空隙需抽真空，减少传热以保护热管；而在发电模式下，该空隙需注入氦气以增强传热。这种切换增加了***的复杂度，并降低了***的可靠性。

(2)对于HBS方案，氢气流道位于燃料棒与热管之间的空隙。一方面，这种结构下燃料与氢气之间的传热效率较差，不利于提升氢气的出口温度；另一方面，在发电模式下，燃料与热管之间接触面积小，传热效率差，且双层包壳(空隙为真空)的结构进一步降低了燃料与热管之间的传热性能。

(3)对于第三个方案，一方面，氢气流道设置较为复杂，增加了***的复杂度；另一方面，发电模式下，燃料与热管之间依靠辐射传热，传热效率差。

发明内容

针对背景技术中的现有的技术方案的不足之处，本发明的目的是要提出一种全新的燃料与热管布置方案。一方面，在保证热管安全性的前提下，简化燃料与热管之间的传热方式，增强两者之间的传热性能；另一方面，简化氢气流道设置，并同时增强燃料与氢气之间的传热性能，以有利于提升氢气出口温度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，包括柱状的燃料，其中，所述燃料沿轴向由上至下分为上段燃料元件、中段燃料元件和下段燃料元件，所述上段燃料元件中设有热管和氢气流道，所述中段燃料元件设有氢气集流腔，所述下段燃料元件中设有氢气流道，所述上段燃料元件中的氢气流道和所述下段燃料元件中的氢气流道通过所述氢气集流腔连通。

进一步，所述热管设置在所述上段燃料元件的中心，与所述燃料同轴，所述上段燃料元件的氢气流道为若干个，均匀设置在所述热管周围并平行于所述热管，所述氢气流道贯穿所述上段燃料元件的顶端和低端；所述热管的底端靠近所述上段燃料元件的底端，所述热管的顶端延伸在所述上段燃料元件的顶端之外。

进一步，所述下段燃料元件的氢气流道为若干个，均匀设置在所述下段燃料元件中，并平行与所述燃料的轴向，所述氢气流道贯穿所述下段燃料元件的顶端和低端。

进一步，所述氢气集流腔是一个中心孔，设置在所述中段燃料元件的内部，所述氢气集流腔的上部与所述上段燃料元件的氢气流道的底部开口连通，所述氢气集流腔的下部与所述下段燃料元件的氢气流道的顶部开口连通。

进一步，所述热管内部的工质钠或锂。

进一步，所述热管的包壳材料为钼，或者钼铼合金，或者钨铼合金。

进一步，所述燃料的材料为钨基CERMET燃料。

进一步，所述燃料的外表面设有燃料包壳。

更进一步，所述燃料包壳的材料为钨铼合金。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所提供的热管式燃料元件7在推进模式下，氢气自上而下流经氢气流道3，上段燃料元件的运行温度相对较低，因此，本发明所提供的热管式燃料元件7，通过将热管1布置于燃料元件的上段区域，可使热管1很好运行于适宜的温度，并保证热管1不会过热。

2.本发明所提供的热管式燃料元件7的数目可根据实际电功率需求灵活选择，堆芯内最少可仅布置一根热管式燃料元件7，最多则可将所有燃料元件均选为热管式燃料元件7，因此，本发明所提供的热管式燃料元件7可适用于各种电功率需求的双模式反应堆。

3.背景技术中的ALERT方案，在推进和发电两种模式下分别需要对热管1与燃料2之间的双层容器8空隙进行抽真空和充氦气处理，使得反应堆的运行方式变得复杂，并降低了***的可靠性。与之相比，本发明所提供的热管式燃料元件7则可大大简化反应堆的运行方式，并提高***的可靠性。

4.背景技术中的HBS方案，燃料2与氢气之间的传热效率较差，不利于提升氢气的出口温度；在发电模式下，燃料2与热管1之间接触面积小，传热效率差，且双层包壳(空隙为真空)结构进一步降低了燃料2与热管1之间的传热性能。与之相比，本发明所提供的热管式燃料元件7一方面大大提升了燃料2与氢气之间的传热效率，另一方面也显著提升了燃料2与热管1之间的传热性能。

5.背景技术中的第三个方案，一方面，氢气流道3设置较为复杂，增加了***的复杂度；另一方面，发电模式下，燃料2与热管1之间依靠辐射传热，传热效率差。与之相比，本发明所提供的热管式燃料元件7一方面简化了氢气流道3设置，另一方面提升了燃料2与热管1之间的传热效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件的剖视图；

图3是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件的上段燃料元件的横截面示意图；

图4是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件的中段燃料元件的横截面示意图；

图5是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件的下段燃料元件的横截面示意图；

图6是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件与常规燃料元件布置的示意图；

图7是本发明具体实施方式中所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件与常规燃料元件布置的剖视图；

图8是背景技术中的ALERT堆芯活性区横截面示意图；

图9是背景技术中的HBS燃料与热管布置结构示意图；

图10是背景技术中的第三种方案的热管结构示意图；

图11是背景技术中的第三种方案的燃料与热管布置的示意图；

图中：1-热管，2-燃料，3-氢气流道，4-氢气集流腔，5-燃料包壳，6-常规燃料元件，7-热管式燃料元件，8-双层容器，9-双层包壳热管，10-热管翅片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，热管式燃料元件7包括柱状的燃料2，燃料2沿轴向由上至下分为上段燃料元件、中段燃料元件和下段燃料元件，上段燃料元件中设有热管1和氢气流道3，中段燃料元件设有氢气集流腔4，下段燃料元件中设有氢气流道3，上段燃料元件中的氢气流道3和下段燃料元件中的氢气流道3通过氢气集流腔4连通。

如图3所示，热管1设置在上段燃料元件的中心，与燃料2同轴，上段燃料元件的氢气流道3为若干个，均匀设置在热管1周围并平行于热管1，氢气流道3贯穿上段燃料元件的顶端和低端；热管1的底端靠近上段燃料元件的底端，热管1的顶端延伸在上段燃料元件的顶端之外。

如图5所示，下段燃料元件的氢气流道3为若干个，均匀设置在下段燃料元件中，并平行与燃料2的轴向，氢气流道3贯穿下段燃料元件的顶端和低端。

如图4所示，氢气集流腔4是一个尺寸较大的中心孔，设置在中段燃料元件的内部，氢气集流腔4的上部与上段燃料元件的氢气流道3的底部开口连通，氢气集流腔4的下部与下段燃料元件的氢气流道3的顶部开口连通。

热管1内部的工质钠或锂(可根据实际运行温度需求选择)。热管1的包壳材料为钼，或者钼铼合金，或者钨铼合金。

燃料2的材料为钨基CERMET燃料，燃料2的外表面设有燃料包壳5，燃料包壳5的材料为钨铼合金。

在反应堆中，本发明所提供的热管式燃料元件7可与核热推进的常规燃料元件6配合使用，其示意图如图6和图7所示。需要说明的是，图中给出的仅仅是示意性的布置方案，具体的结构，如两种燃料元件的数目比例、排列方式、以及单个燃料元件里的氢气流道3的数目等，均需要根据具体的***参数需求进行设计。

最后对本发明的具体应用作进一步描述：

推进模式下，氢气工质自上而下流经燃料元件(包括本发明所提供的热管式燃料元件7和常规燃料元件6)内的氢气流道3，加热后由燃料元件下端流出并经喷管排放，从而产生推力。其中，对于热管式燃料元件7，氢气先流经上段燃料2中的氢气流道3，然后进入中段燃料2的氢气集流腔4，再流经下段燃料2中的氢气流道3，并最终排出。同时，热管1导出上段燃料2内的部分热量，传递至堆外热电转换***并产生电能。

发电模式下，堆芯热功率相对较低，氢气工质将停止排放，燃料2产生的热量将通过热传导的方式传递至热管1，由热管1传递至堆外热电转换***并产生电能。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，包括柱状的燃料(2)，其特征是：所述燃料(2)沿轴向由上至下分为上段燃料元件、中段燃料元件和下段燃料元件，所述上段燃料元件中设有热管(1)和氢气流道(3)，所述中段燃料元件设有氢气集流腔(4)，所述下段燃料元件中设有氢气流道(3)，所述上段燃料元件中的氢气流道(3)和所述下段燃料元件中的氢气流道(3)通过所述氢气集流腔(4)连通；

所述热管(1)设置在所述上段燃料元件的中心，与所述燃料(2)同轴，所述上段燃料元件的氢气流道(3)为若干个，均匀设置在所述热管(1)周围并平行于所述热管(1)，所述氢气流道(3)贯穿所述上段燃料元件的顶端和低端；所述热管(1)的底端靠近所述上段燃料元件的底端，所述热管(1)的顶端延伸在所述上段燃料元件的顶端之外；

所述下段燃料元件的氢气流道(3)为若干个，均匀设置在所述下段燃料元件中，并平行与所述燃料(2)的轴向，所述氢气流道(3)贯穿所述下段燃料元件的顶端和低端；

所述氢气集流腔(4)是一个中心孔，设置在所述中段燃料元件的内部，所述氢气集流腔(4)的上部与所述上段燃料元件的氢气流道(3)的底部开口连通，所述氢气集流腔(4)的下部与所述下段燃料元件的氢气流道(3)的顶部开口连通。

2.如权利要求1所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，其特征是：所述热管(1)内部的工质钠或锂。

3.如权利要求1所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，其特征是：所述热管(1)的包壳材料为钼，或者钼铼合金，或者钨铼合金。

4.如权利要求1所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，其特征是：所述燃料(2)的材料为钨基CERMET燃料。

5.如权利要求1所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，其特征是：所述燃料(2)的外表面设有燃料包壳(5)。

6.如权利要求5所述的一种用于双模式反应堆的热管式燃料元件，其特征是：所述燃料包壳(5)的材料为钨铼合金。

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