[發(fā)明專利]一種堿金屬反應(yīng)堆電源

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011422901.1
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112865606B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳其昌;葉成;湯春桃;林千;趙金坤;卑華;張維忠;袁春田;錢雅蘭;李錦明;王偉
• 申請（專利權(quán)）人: 上海核工程研究設(shè)計院有限公司
• 主分類號: G21C15/02
• 分類號: G21C15/02;H02N3/00;G21C1/32
• 代理公司: 上海政濟知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31479
• 代理人: 輦甲武

本發(fā)明公開了一種堿金屬反應(yīng)堆電源，反應(yīng)堆容器底部設(shè)置有液態(tài)堿金屬，反應(yīng)堆堆芯有一定數(shù)量的燃料棒，在堆芯中心安裝有控制棒，堆芯外圍有徑向反射層，徑向反射層內(nèi)有一定數(shù)量的控制鼓，所述液態(tài)堿金屬在燃料棒表面吸液芯表面吸收反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量后汽化，進入燃料棒之間的空隙，并向上流動到高壓蒸汽腔，隨后進入堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器；所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器位于堆芯徑向反射層外側(cè)，所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器沿所述堆芯徑向反射層周向布置，高壓的堿金屬蒸汽直接通過所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器進行發(fā)電。本發(fā)明利用堿金屬相變傳熱，采用吸液芯提供液態(tài)堿金屬循環(huán)動力，結(jié)構(gòu)簡單，布置靈活、發(fā)電效率高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型反應(yīng)堆及堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微型反應(yīng)堆是一種獨特的小型反應(yīng)堆系統(tǒng)，通常其熱功率小于20MW，電功率小于10MW。其主要用于滿足宇宙空間、海洋、軍事基地等特殊應(yīng)用場景的電力或動力需求。與傳統(tǒng)反應(yīng)堆相比，微型反應(yīng)堆在功率、尺寸、重量等方面都顯著減小，其主要特點包括可進行工廠預(yù)制、裝置可運輸、運行自調(diào)節(jié)等，微型反應(yīng)堆在系統(tǒng)設(shè)計上大為簡化，可實現(xiàn)不同應(yīng)用環(huán)境下快速安裝部署，從而可廣泛應(yīng)用于各類偏遠地區(qū)的能源保障。目前，微型反應(yīng)堆具體應(yīng)用包括空間反應(yīng)堆電源、深海核動力電源、車載式反應(yīng)堆電源等。

熱管是一種高效的傳熱元件，具備可靠性高、傳熱溫差小、無需外力驅(qū)動等特點，因此在航天航空、核工程等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。其傳熱的基本原理是通過管內(nèi)工質(zhì)(如堿金屬)在熱端(蒸發(fā)段)和冷端(冷凝段)的相變傳熱，以及汽、液兩相工質(zhì)分別在汽腔和吸液芯內(nèi)的流動實現(xiàn)的。熱管內(nèi)的吸液芯通過毛細力作用，為熱管內(nèi)的堿金屬提供循環(huán)驅(qū)動力。熱管反應(yīng)堆是將熱管技術(shù)與微型反應(yīng)堆相結(jié)合的能量傳輸系統(tǒng)，其一般采用整體式固態(tài)堆芯，核燃料元件與熱管同時安裝在固體基體上。通過將熱管插入反應(yīng)堆堆芯，可實現(xiàn)從堆芯到熱阱的“靜態(tài)”能量傳輸，取消了傳統(tǒng)反應(yīng)堆系統(tǒng)中(如泵相關(guān))活動部件，從而大大提高其可靠性。

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換(AMTEC)是一種高效的靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，其利用氣態(tài)或液態(tài)堿金屬(鋰、鈉、鉀等)作為工質(zhì)，以β”-Al2O3固體電解質(zhì)(BASE)為選擇性離子滲透膜，利用堿金屬離子在BASE中的遷移過程實現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換，理論上熱電轉(zhuǎn)換效率可達30％以上。AMTEC是一個充有堿金屬的密閉回路系統(tǒng)，BASE將其分隔為壓力不同的兩個部分，高壓側(cè)的堿金屬通過熱源吸收熱量，低壓側(cè)的堿金屬蒸汽則通過冷凝器冷凝為液態(tài)，然后通過電磁泵或吸液芯回到高壓側(cè)。由于兼具了靜態(tài)和高熱電轉(zhuǎn)換效率特點，使堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)可應(yīng)用于核能領(lǐng)域，并在外層空間、偏遠地區(qū)等具有應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種堿金屬反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，能夠?qū)⒎磻?yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過堿金屬熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)換為電力，為偏遠地區(qū)軍事基地、深海潛航裝置、空間飛行器等提供電力保障。

具體技術(shù)方案為：反應(yīng)堆容器底部設(shè)置有液態(tài)堿金屬，反應(yīng)堆堆芯有一定數(shù)量的燃料棒，在堆芯中心安裝有控制棒，堆芯外圍有徑向反射層，徑向反射層內(nèi)有一定數(shù)量的控制鼓，所述液態(tài)堿金屬在燃料棒表面吸液芯表面吸收反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量后汽化，進入燃料棒之間的空隙，并向上流動到高壓蒸汽腔，隨后進入堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器；所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器位于堆芯徑向反射層外側(cè)，所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器沿所述堆芯徑向反射層周向布置，高壓的堿金屬蒸汽直接通過所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器進行發(fā)電；隨后進入低壓蒸汽腔，所述低壓蒸汽腔內(nèi)安裝有冷凝器，并將高壓堿金屬蒸汽冷凝為液態(tài)，所述液態(tài)堿金屬匯集到反應(yīng)堆容器底部，所述液態(tài)堿金屬通過堆芯底部吸液芯泵送至所述燃料棒表面，形成堿金屬循環(huán)，堆芯底部吸液芯4覆蓋堆芯底部燃料棒3之間的所有孔隙。

優(yōu)選的，所述反應(yīng)堆容器內(nèi)為抽真空狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器包括陽極和陰極，在所述陽極和所述陰極之間設(shè)置有BASE管；高壓堿金屬蒸汽依次穿過所述陽極、所述BASE管和所述陰極，在所述陰極和所述陽極之間產(chǎn)生電勢差。

優(yōu)選的，所述液態(tài)堿金屬液面高度能夠使所述液態(tài)堿金屬觸及堆芯底部吸液芯。