一种热管堆系统设计和非能动热管堆余热排出系统及方法与流程

1.本发明属于热管反应堆技术领域，特别涉及一种热管堆系统设计和非能动热管堆余热排出系统及方法。


背景技术：

2.微型反应堆是一种独特的小型反应堆系统，通常其电功率小于10mw，具有可工厂预制、装置可运输、运行自调节、可快速部署等特性，设计上大为简化，安全性、灵活性显著提高，高度适配太空、海洋、偏远地区、移动电源等特殊应用场景。作为微堆的主要技术路线之一，热管反应堆具有全静态、非能动、尺寸重量小、传热功率自适应等优势。
3.热管堆通常采用固态堆芯设计，其堆芯内部传热通常以固体或气隙导热为主，堆芯传热过程中有较大的热阻，导致从堆芯到二次侧的温降较大。因此，燃料和堆芯设计中应尽可能减少传热路径，降低堆芯内部的热阻，提高二次侧的温度，从而输出高品质的热能。
4.热管是热管堆的核心传热元件，通常情况下热管堆需要搭载较长的热管以匹配更大的堆芯体积和功率输出。但目前长热管的制造技术成熟度较低，可工程化制造的热管长度是制约堆芯设计尺寸的重要因素之一。
5.热管内部高效的相变传热可以非能动地将堆芯热量传导到堆芯外部，并依靠热动转换系统作为常规热阱排出热量。当反应堆因事故等原因引起正常热阱(即热动转换系统)失效时，反应堆紧急停堆，核燃料不再进行裂变反应，但仍然会衰变放热。通常在反应堆设有安全级的应急热阱系统，作为反应堆在事故下的堆芯衰变余热排出手段。
6.但热管堆通常功率水平较小，若在热管堆上额外设置一套备用热阱系统，一方面导致系统复杂，可靠性降低；另一方面引入额外的系统设备，造成热管堆单位功率造价提高，导致热管堆技术的经济竞争力下降。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种热管堆系统设计，可以减少堆芯传热过程中的传热路径、降低热阻，同时可以降低对高温热管长度的需求；另外提供一种非能动热管堆余热排出系统及方法，可以非能动无限时余热排出。本发明通过如下的技术方案来实现：
8.第一方面，本发明提供了一种热管堆系统设计，包括：
9.堆芯，内部包含多个热管通道，同一个热管通道内，从堆芯两侧分别插有一根热管；燃料设计为六棱柱蜂窝孔状，热管安插孔内部与燃料紧密接触直接传热；
10.第一热管换热器，与所述堆芯一侧的所述热管热交换；
11.第二热管换热器，与所述堆芯另一侧的所述热管热交换；
12.热动转换系统，向所述第一热管换热器和所述第二热管换热器送入冷流体，并吸收热量成为热流体返回。
13.作为进一步的技术方案，所述热动转换系统包括同轴设置的气轮机、压缩机和发电机，所述压缩机向所述第一热管换热器和所述第二热管换热器泵送冷流体并吸收热量成
为热流体返回所述气轮机，以带动所述压缩机和所述发电机转动。
14.作为进一步的技术方案，所述堆芯包括多个燃料组件，各所述燃料组件设有所述燃料。
15.作为进一步的技术方案，所述堆芯还包括多个控制棒组件。
16.作为进一步的技术方案，所述燃料组件设置为六棱柱状，所述控制棒组件设置成相同的六棱柱状与所述燃料组件适配。
17.作为进一步的技术方案，所述控制棒组件中心设有控制棒行进通道。
18.作为进一步的技术方案，全部所述控制棒组件和全部所述燃料组件形成的组合体外围包裹有反射层。
19.作为进一步的技术方案，所述反射层配置有控制转鼓。
20.第二方面，本发明提供了一种非能动热管堆余热排出，采用如第一方面的热管堆系统设计，所述第二热管换热器下侧设有余排进口压差盘，上侧设有余排出口压差盘。
21.第三方面，本发明提供了一种非能动热管堆余热排出方法，采用如第二方面的非能动热管堆余热排出系统，包括以下步骤：
22.正常运转时，通过热动转换系统，向第一热管换热器和第二热管换热器送入冷流体，并吸收热量成为热流体返回，实现热动转换；
23.当反应堆停堆或发生事故时，余排进口压差盘和余排出口压差盘非能动开启，使第二热管换热器的换热器空间与环境大气连通，通过热管导出堆芯热量加热空气以实现非能动无限时余热排出。
24.上述本发明的有益效果如下：
25.(1)本发明核燃料设计为六棱柱蜂窝孔状，热管安插在孔内部与核燃料紧密接触直接传热，从而减少传热路径、降低热阻，提高了输出的热源温度，提升热管堆的效率，增强了热管堆技术的经济性。
26.(2)本发明热管从堆芯两端面分别插入，第一热管和第二热管的堆芯部分为热管蒸发段，两侧位于热管换热器内的部分为热管冷凝段，形成双向热管带热模式，大幅降低了对高温热管长度的需求，使堆芯尺寸的设计不再受到长热管制造技术成熟度的制约，突破可靠性的同时体现了灵活性。
27.(3)本发明利用热管的静态传热特性及空气进出口高低差驱动自然循环的原理设计的带热方式，能够在无需外部能源驱动的情况下实现无限时的长期非能动堆芯余热排出，保证堆芯核燃料完整性，显著提升热管反应堆的安全性能。
28.(4)本发明正常运行工况下双向热管换热、事故工况下单侧余排运行，充分利用已有的热管和换热器空间设计热管堆的余排系统，大幅简化了热管堆安全设施的系统设计，无需配置额外的安全级设备，即提高了安全系统的可靠性，又增强了热管堆技术的经济竞争力。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和
细节来描述和解释本发明，其中：
30.图1示出了本发明实施例中热管堆系统设计和余热排出系统示意图；
31.图2示出了本发明实施例中热管反应堆芯结构剖面示意图，图1中a-a方向。
32.图中：1、堆芯；11、燃料组件；12、控制棒组件；13、反射层；14、控制转鼓；15、堆芯系统外壁；111、燃料；112、热管；2、第一热管换热器；3、第二热管换热器；4、第一热管；5、第二热管；6、余排进口压差盘；7、余排出口压差盘；8、气轮机；9、压缩机；10、发电机。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
34.实施例1
35.如图1和图2所示，本实施例提供了一种高效热管堆系统和非能动热管堆余热排出系统，包括：
36.堆芯1，两侧分别插有热管，内部包含多个热管通道，同一个热管通道内，从堆芯两侧分别插有一根热管；燃料设计为六棱柱蜂窝孔状，热管安插孔内部与燃料紧密接触直接传热；
37.第一热管换热器2，与堆芯1一侧的热管热交换；
38.第二热管换热器3，与堆芯1另一侧的热管热交换，且其下侧设有余排进口压差盘6，上侧设有余排出口压差盘7；
39.热动转换系统，向第一热管换热器2和第二热管换热器3送入冷流体，并吸收热量成为热流体返回。
40.其中，在本实施例中，与第一热管换热器2进行热交换的是第一热管4，与第二热管换热器3进行热交换的是第二热管5，热管从堆芯1两端面分别插入，第一热管4和第二热管5的堆芯部分为热管蒸发段，两侧位于热管换热器内的部分为热管冷凝段，形成双向热管带热模式(如图1所示)。这种设计大幅降低了对高温热管长度的需求，显著提升系统设计中热管的技术成熟度。
41.另外，由于双向热管带热的设计，热管长度及其对应的热管换热器的设计可以根据堆芯热工设计的需要而灵活调整，即堆芯中可装入两种不同形式的热管。
42.反应堆正常运行时，采用双向热管带热模式，第一热管4和第二热管5从堆芯1移出热量到两侧的正常第一热管换热器2和第二热管换热器3中，再通过热动转换系统送入冷流体吸收第一热管换热器2和第二热管换热器3内的热量，并成为热流体在热动转换系统中实现能量转换。
43.当反应堆因事故等原因引起正常热阱(即热动转换系统)失效时，反应堆紧急停堆，核燃料不再进行裂变反应，但仍然会衰变热产生。此时，余排进口压差盘6和余排出口压差盘7非能动方式开启，使第二热管换热器3(停堆时转化为非能动余排换热器)的空间与环境大气连通，反应堆从双向热管带热模式切换到单侧余排运行模式。由于热管非能动的高效相变传热机制，第二热管5会不断将堆芯1的热量导出到第二热管换热器3内加热空气。又由于第二热管换热器3与环境大气的两个连通口具有一定的高度差，热空气会从上部的余排出口压差盘7排出，而从下部的余排进口压差盘6吸入外部环境中的冷空气，形成高效的
非能动无限时自然循环带热。
44.利用热管的静态传热特性及空气进出口高低差驱动自然循环的原理设计的带热方式，既无需任何外部能源驱动，也没有时间上的限制，能够实现无限时的长期非能动堆芯余热排出，保证堆芯核燃料完整性，显著提升热管反应堆的安全性能。
45.另外，正常运行工况下双向热管换热、事故工况下单侧余排运行，充分利用已有的热管和换热器空间设计热管堆的余排系统，大幅简化了热管堆安全设施的系统设计，无需配置额外的安全级设备，即提高了安全系统的可靠性，又增强了热管堆技术的经济竞争力。
46.如图1所示，热动转换系统包括同轴设置的气轮机8、压缩机9和发电机10，压缩机9向第一热管换热器2和第二热管换热器3泵送冷流体并吸收热量成为热流体返回气轮机8，以带动压缩机9和发电机10转动。气轮机8上设有热动转换系统空气出口，压缩机9设有热动转换系统空气进口。
47.如图2所示，堆芯1包括多个燃料组件11，燃料组件11设置为六棱柱状，各燃料组件11设有燃料111并在燃料111中插入多个热管112，热管112指代的是第一热管4或第二热管5中的一个。采用燃料与热管直接接触导热，减少了传热路径，降低了从燃料到热管间的热阻，提升了系统的运行效率。不难理解，燃料111指的是核燃料。
48.堆芯内部的传热途径如图2所示，燃料111中的热量以直接接触导热的方式传递给第一热管4和第二热管5的堆芯1内部(蒸发段)。堆芯1外部的传热途径如图1所示。第一热管4和第二热管5在堆芯1内部吸热后，通过气体流动将热量传递到位于第一热管换热器2和第二热管换热器3内的热管两端(冷凝段)；热动转换系统中的压缩机9将冷流体送入第一热管换热器2和第二热管换热器3内冷却第一热管4和第二热管5，并吸收热量成为热流体返回热动转换系统冲转气轮机8，从而带动同轴的压缩机9和发电机10转动，实现热动转换。
49.如图2所示，燃料111呈蜂窝孔状，在其每个蜂窝孔中插入热管112，排列更为均匀，均匀充分吸收燃料释放的热量。
50.堆芯1还包括多个控制棒组件12，控制棒组件12设置成相同的六棱柱状，采用成熟的棒状吸收体，布局均匀，配合紧密。燃料组件11和控制棒组件12的尺寸、数量、位置及燃料组件中热管112的数目可以根据堆芯设计需要采用不同的方案，不仅限于图2中所示的形式。
51.控制棒组件12中心设有控制棒行进通道，通过调节控制棒在行进通道中的行进距离，可以实现反应堆的启停堆和输出功率调节。
52.全部控制棒组件12和全部燃料组件11形成的组合体外围包裹有反射层13，可以提高中子利用率。反射层13配置有控制转鼓14，通过转到吸收面或反射面的方式进行堆芯的反应性调节，从而满足拓展反应性控制范围、备用紧急停堆系统等不同的需求。
53.实施例2
54.本实施例提供了一种非能动热管堆余热排出方法，采用实施例1中的非能动热管堆余热排出系统，包括以下步骤：
55.正常运转时，通过热动转换系统，向第一热管换热器2和第二热管换热器3送入冷流体，并吸收热量成为热流体返回，实现热动转换；
56.当反应堆停堆或发生事故时，余排进口压差盘6和余排出口压差盘7非能动开启，使第二热管换热器3的换热器空间与环境大气连通，通过热管112导出堆芯1热量加热空气
以实现非能动余热排出。
57.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。