[發(fā)明專利]一種基于熱管冷卻的熱離子燃料元件

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• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111341466A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏庚磊;張元東;彭敏俊;朱海山;薛若軍;王航;成守宇
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G21C3/40
• 分類號: G21C3/40;G21C3/16
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發(fā)明公開了一種基于熱管冷卻的熱離子燃料元件，應用于核反應堆工程技術(shù)領(lǐng)域，包括核燃料、熱離子能量轉(zhuǎn)換器、堿金屬熱管和燃料包殼；核燃料采用環(huán)形燃料元件設(shè)計，包裹熱離子能量轉(zhuǎn)換器；熱離子能量轉(zhuǎn)換器從外層到內(nèi)層分別由發(fā)射極、銫氣腔、接收極以及絕緣體組成，且均采用圓環(huán)狀設(shè)計；堿金屬熱管位于新型熱離子燃料元件中心，選用鉀作為熱管內(nèi)部傳熱工質(zhì)；熱離子燃料元件在堆芯產(chǎn)生的熱量加熱熱離子能量轉(zhuǎn)換器進行發(fā)電，余熱通過堿金屬熱管傳遞至堆芯外。本發(fā)明既可實現(xiàn)堆芯尺寸的縮減，又能提高反應堆安全性，適用于深空、深海等特種環(huán)境的反應堆堆芯設(shè)計，并滿足該類反應堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、固有安全、布置方向靈活等特殊需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核反應堆工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于熱管冷卻的熱離子燃料元件。

背景技術(shù)

利用金屬高溫下發(fā)射電子的現(xiàn)象將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能稱為熱離子轉(zhuǎn)換。在20世紀，蘇聯(lián)為解決深空探索能源與動力供應問題提出了以反應堆為熱源的TOPAZ型熱離子反應堆系統(tǒng)設(shè)計方案。與早期應用的同位素電源相比，TOPAZ型熱離子反應堆不依賴陽光、環(huán)境適應性強、機動靈活且質(zhì)量功率比顯著降低。但是，熱離子反應堆系統(tǒng)同樣需要復雜的冷卻回路控制熱離子轉(zhuǎn)換器冷端的溫度，造成能量轉(zhuǎn)換效率低，系統(tǒng)可靠性差等問題，難以滿足目前更遠的深空、深海探索任務對動力供應的需求。

熱管依靠內(nèi)部工質(zhì)相變和連續(xù)循環(huán)實現(xiàn)熱量傳遞，傳熱效率高、壓力損失小、安全可靠且能夠增大反應堆堆芯換熱面積，現(xiàn)已廣泛應用于各類小型核反應堆設(shè)計中。同時，利用熱管能夠有效控制溫度，易于與各類能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相匹配，系統(tǒng)設(shè)計靈活。

因此，如何提供一種能夠解決上述問題的元件是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于熱管冷卻的新型熱離子燃料元件。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于熱管冷卻的熱離子燃料元件，包括核燃料、熱離子能量轉(zhuǎn)換器、堿金屬熱管和燃料包殼；

所述核燃料采用圓環(huán)形設(shè)計，外部由所述燃料外殼包裹，所述燃料外殼與所述核燃料之間留有氣腔；所述燃料外殼與蜂窩狀固體慢化劑之間設(shè)有氣體通道；

所述熱離子能量轉(zhuǎn)換器采用圓柱狀設(shè)計，由所述核燃料包裹，從外層到內(nèi)層分別由發(fā)射極、銫氣腔、接收極以及絕緣體組成；所述熱離子能量轉(zhuǎn)換器與所述核燃料之間設(shè)有空隙；

所述堿金屬熱管置于所述熱離子燃料元件中心，其中包括不銹鋼金屬壁面以及內(nèi)部流動換熱堿金屬工質(zhì)鉀；所述堿金屬熱管與所述絕緣體之間留有氦氣腔。

優(yōu)選的，所述燃料包殼作為最外層邊界包裹整個燃料元件，并置于蜂窩狀固體慢化劑內(nèi)。

優(yōu)選的，所述氣體通道內(nèi)充滿二氧化碳和氦氣的混合氣體。

優(yōu)選的，所述氣腔內(nèi)充滿氦氣。

優(yōu)選的，所述絕緣體材料選用氧化鋁，涂于所述接收極外壁。

優(yōu)選的，所述燃料包殼頂端內(nèi)壁設(shè)有燃料定位彈簧，用于固定所述核燃料。

優(yōu)選的，所述熱離子能量轉(zhuǎn)換器設(shè)有電流導線導出所述熱離子能量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電能。

優(yōu)選的，所述熱離子能量轉(zhuǎn)換器包括發(fā)射極和接收極，在所述發(fā)射極與所述接收極兩電極間留有氣腔，并填充銫蒸氣，為銫氣腔。