[發明專利]一種用于大功率熱管堆的堆芯傳熱方案

有效

• 申請號: 202010857568.0
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112102972B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 安偉健;葛攀和;郭鍵;胡古;葛思淼;高劍;李清;李來冬;馮瀟
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: G21C15/14
• 分類號: G21C15/14;G21C15/28;G21C15/257
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;任曉航

本發明屬于熱管冷卻反應堆技術領域，具體涉及一種用于大功率熱管堆的堆芯傳熱方案，包括設有若干垂直的通孔的金屬基體(4)，每個通孔內設置一根燃料棒(1)或者一根熱管(2)，在通孔與燃料棒(1)或者一根熱管(2)之間填充液態導熱材料。本發明可有效解決現有技術中一旦燃料棒(1)、熱管(2)與金屬基體(4)之間出現空隙將導致傳熱性能顯著下降的問題，不存在單根熱管(2)失效導致相鄰燃料棒(1)溫度顯著上升甚至危及堆芯安全的問題，并且本發明所提供的方案不受堆芯功率限制，預期可應用于從百千瓦級到數十兆瓦級大功率的熱管堆。

技術領域

本發明屬于熱管冷卻反應堆技術領域，具體涉及一種用于大功率熱管堆的堆芯傳熱方案。

背景技術

熱管冷卻反應堆(簡稱熱管堆)是采用多根熱管帶出反應堆熱量的一種新型反應堆。相比于常見的回路堆(如壓水堆)，熱管堆具有非能動、非單點失效、無需承壓回路、系統簡單、可靠性高等諸多優勢。2018年5月，美國宣布其千瓦級熱管堆Kilopower的地面原型堆KRUSTY取得成功，KRUSTY是全球首座熱管堆，其研發周期僅為三年。KRUSTY的迅速、成功研發使熱管堆成為了新型反應堆的研究熱點。

熱管堆的基本原理是將多根熱管布置于反應堆內，核燃料產生的熱量傳遞給熱管的蒸發段，熱管通過內部工質的自發相變和循環流動將該熱量傳遞至堆外的冷凝段，然后再由冷凝段傳遞至換熱器及熱電轉換系統，從而產生電能。能否實現熱量的高效傳遞(即由核燃料傳遞至熱管，以及由熱管傳遞至換熱器及熱電轉換系統)是熱管堆能否成功的關鍵所在。本專利主要致力于實現由核燃料向熱管的高效傳熱。

美國從上世紀90年代開始就對熱管堆開展了大量的研究，提出了諸多熱管堆方案，對其中部分方案還進行了實驗研究。涉及到核燃料向熱管的傳熱方式主要有以下幾種：

(1)美國在上世紀90年代提出一種名為HPS的熱管堆概念(可參考文獻“HeatpipeSpace Power and Propulsion Systems”)。該熱管堆堆芯布置多個燃料棒-熱管相結合的模塊，每個模塊包含4根燃料棒和1根熱管，具體結構見圖5。熱管壁和燃料棒包殼之間可選擇采用黃銅焊、電子束焊、化學氣相滲透、熱等靜壓或電火花加工等方法實現機械結合和熱工耦合。在HPS的基礎上，美國后續還提出了SAFE系列的熱管堆，并開展了SAFE-30實驗研究(可參考文獻“Non-Nulcear NEP System Testing”和“Transient Approximation ofSAFE-100Heat Pipe Operation”)，SAFE-30的燃料棒-熱管模塊和HPS類似，也包含4根燃料棒和1根熱管。

(2)SAFE系列的熱管堆實驗，除了SAFE-30，還開展了SAFE-100a的實驗(可參考文獻“Transient Approximation of SAFE-100Heat Pipe Operation”和“Sodium BasedHeat Pipe Modules for Space Reactor Concepts:Stainless Steel SAFE-100Core”)。該方案中，堆芯也由多個燃料棒-熱管模塊組成，不同的是，單個模塊中包含3根燃料棒和1根熱管，并且，燃料棒和熱管之間還鑲嵌了6個三角瓣形的金屬塊，具體結構見圖6。單個模塊由熱等靜壓的方法將燃料棒、熱管、金屬柱結合成一個整體。除了SAFE-100a，后續美國的Mohamed E.Genk等人提出的SAIRS、HP-STMCs熱管堆方案也同樣采用該結構的燃料棒-熱管模塊(可參考文獻“SAIRS-Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System”和“Conceptual Design of HP-STMCs Space Reactor Power System for 110kWe”)。