[發明專利]一種采用超導熱管的微堆

在審

• 申請號: 202011358458.6
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112582084A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 周濤;毛賞;張雨飛;王明春;劉文斌;張一童;魏東
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G21C15/257
• 分類號: G21C15/257;F28D15/02;F28F19/00;F28F21/08;F28F23/00
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王雪

一種采用超導熱管的微堆，包括微堆本體和冷卻回路，所述微堆本體包括殼體和設置在殼體內的燃料元件，所述燃料元件產生的熱量傳遞給所述冷卻回路，在微堆本體和冷卻回路之間設置有超導熱管，所述超導熱管的熱端置于燃料元件中，冷端置于冷卻回路的換熱器中，超導熱管內部充填有工作介質，微堆運行過程中，通過所述工作介質的非能動相變傳熱將燃料元件產生的熱量從熱端傳遞給與冷端相連的冷卻回路。本發明具有結構緊湊，高效換熱，適用廣泛，固有安全性高等特點，在軍民融合領域都有廣闊的應用前景和重要價值。

技術領域

發明涉及核反應堆設備技術領域，尤其涉及一種采用超導熱管的微堆。

背景技術

20世紀60年代，為簡化反應堆設計，提高空間核反應堆的固有安全特性，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）提出了采用高效的熱管導熱元件的新型空間核反應堆設計概念，即熱管式反應堆設計概念。熱管式反應堆是指反應堆一回路系統不采用傳統的冷卻劑回路式布置方式，而采用熱管代替一回路系統，將堆芯產生的熱量傳導至二回路系統或熱電轉換裝置的固態核反應堆。熱管式反應堆運行時，反應堆產生的裂變能被傳導給布置在堆芯中的金屬熱管蒸發段，通過熱管內部工質的蒸發、冷凝過程以及自然循環流動，將熱量從堆芯傳導至熱電轉換裝置/二回路 系統的熱端，熱電轉換裝置/二回路系統將熱能轉換為電能后，剩余的廢熱通過冷卻器或輻射散熱器排出至最終熱阱環境（大氣或海洋）。熱管最早應用于熱離子核反應堆的設計中，用來導出堆芯熱量，維持反應堆的溫度。

微型中子源反應堆，簡稱微堆。具有如下特點：① 功率低。② 安全可靠，可設在大城市中心，無發生事故之虞。③ 操作簡便、維修容易，可實現無人操作。④ 臨界質量小。這種小型的反應堆可以擔當小型固定或移動式反應堆，為實現軍民融合大業提供新途徑同時，為我國海陸空不同應用場景下的小型化、無人化核動力平臺的研發提供思路；也能為邊遠山區、海島、醫院等供能提供選擇。

在現有技術中，傳統反應堆所采用的冷卻劑一回路系統是一種能動傳熱過程，需要外部施加動力才能正常導熱，一旦動力系統發生故障，極易導致堆芯大量熱量無法外排發生干燒，溫度急劇升高造成不可挽回的損失。而且傳熱阻力大，熱敏感性低。而采用常規熱管換熱器時，由于介質與管材的不相容性，容易產生不凝性氣體，從而影響換熱效率，嚴重時甚至出現局部超溫引發爆管。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的缺陷，提供一種具有良好導熱性能、更高安全性及非能動傳熱特性的超導式熱管微堆。

為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：

一種采用超導熱管的微堆，包括微堆本體和冷卻回路，所述微堆本體包括殼體和設置在殼體內的燃料元件，所述燃料元件產生的熱量傳遞給所述冷卻回路，其特征在于：在微堆本體和冷卻回路之間設置有超導熱管，所述超導熱管的熱端置于燃料元件中，冷端置于冷卻回路的換熱器中，超導熱管內部充填有工作介質，微堆運行過程中，通過所述工作介質的非能動相變傳熱將燃料元件產生的熱量從熱端傳遞給與冷端相連的冷卻回路。

進一步的，所述工作介質由多種無機活性金屬及其化合物混合而成，包括鈣、鎂、鋅、鉛、鎵、硼酸、過氧化鈉、氫氧化鋁，工作介質中還添加有納米顆粒。

進一步的，所述超導熱管由不銹鋼、鋯、鈦或其復合金屬，并加入ABO3系列、AM2O7系列、AM2O8系列或A2P2MO12系列負膨脹材料制作而成，超導熱管具有零膨脹的特性。

進一步的，所述超導熱管的外表面添加有金屬顆粒，所述金屬顆粒為鋅、鎂單質或其合金。

進一步的，還設置有硼酸控制系統，包括裝有高濃硼酸溶液的含硼容器以及4攝氏度水控制單元，所述4攝氏度水控制單元包括膨脹閥和裝有4攝氏度水的水箱，所述水箱的一端與冷卻回路相連接，另一端與所述膨脹閥相連接，所述膨脹閥還分別連通所述殼體和含硼容器，當冷卻回路中流體溫度發生波動時，水箱中的4攝氏度水發生膨脹，使膨脹閥打開，連通含硼容器和微堆本體，高濃硼酸溶液進入微堆本體內。