一種核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種核電能源技術(shù)，尤其涉及一種核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界各國深空探測計劃的開展與實施，未來在月球及其他星球表面進行空間基地建設(shè)將具有重大的科學、軍事和政治價值。要在月球及其他星球表面建立空間基地，首先需要解決的是能源問題。而太陽能電池和同位素電池等方式難以空間基地滿足大功率的實際需求，因此空間核反應(yīng)堆在未來空間基地能源供應(yīng)方面的優(yōu)勢明顯。
[0003]美國、俄羅斯、日本等國均對空間核反應(yīng)堆產(chǎn)生了濃厚的興趣，研宄并提出了數(shù)十種空間核反應(yīng)堆系統(tǒng)方案，冷卻方式包括熱管冷卻、液態(tài)金屬冷卻、氣體冷卻等。由于空間基地環(huán)境的復(fù)雜性，空間核反應(yīng)堆堆芯應(yīng)采取非能動冷卻技術(shù)，熱管冷卻具有最優(yōu)的熱瞬態(tài)反饋性能、最優(yōu)的可靠性、最低的保養(yǎng)需求，因此目前空間核反應(yīng)堆設(shè)計大都采用熱管冷卻，燃料棒所產(chǎn)生的熱量由冷卻熱管帶出堆芯，再通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供能源供應(yīng)。
[0004]如圖3a所示，在現(xiàn)有的空間核反應(yīng)堆設(shè)計中，燃料棒與冷卻熱管被制作成外徑相同的圓柱狀，采用燃料棒與冷卻熱管的相鄰布置方式。但是，這種布置方式由于受到熱管幾何形狀的約束，燃料棒與熱管之間必然存在間隙，造成燃料填充率較低，而燃料棒與冷卻熱管之間的間隙通過結(jié)構(gòu)材料進行填充后，導(dǎo)致核反應(yīng)堆臨界質(zhì)量以及堆芯總質(zhì)量的增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種布局緊湊、安全性高、可靠性好的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，包括中心冷卻熱管、核燃料棒，所述中心冷卻管的蒸發(fā)段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。
[0008]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，由于中心冷卻管的蒸發(fā)段置于所述核燃料棒中部的芯孔中，布局緊湊、安全性高、可靠性好，特別適用于空間核反應(yīng)堆以及其他特殊用途的小型核反應(yīng)堆。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明實施例提供的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)的徑向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2為本發(fā)明實施例提供的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)的軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3a為現(xiàn)有技術(shù)中堆芯所采用的核燃料棒與冷卻熱管布置示意圖；
[0012]圖3b為本發(fā)明實施例提供的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)應(yīng)用于堆芯設(shè)計的布置示意圖。
[0013]圖中:
[0014]1、燃料芯塊，2、包殼，3、液態(tài)環(huán)腔，4、多孔吸液芯，5、中心蒸汽區(qū)，6、蒸發(fā)段，7、絕熱段，8、冷凝段，9、核燃料棒，10、中心冷卻熱管(或冷卻熱管)。
【具體實施方式】
[0015]下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。
[0016]本發(fā)明的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其較佳的【具體實施方式】是:
[0017]包括中心冷卻熱管、核燃料棒，所述中心冷卻管的蒸發(fā)段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。
[0018]所述中心冷卻管自內(nèi)向外依次為中心蒸汽區(qū)、多孔吸液芯、液態(tài)環(huán)腔、管壁。
[0019]所述中心蒸汽區(qū)在軸向上自底部到頂部依次包括蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段，所述蒸發(fā)段的長度與核燃料棒的長度一致。
[0020]所述多孔吸液芯的孔隙率為0.69。
[0021]所述核燃料棒的內(nèi)部為燃料芯塊、外部為包殼，所述中心冷卻熱管的蒸發(fā)段的管壁與所述核燃料棒芯孔內(nèi)側(cè)的包殼設(shè)計為一體。
[0022]所述燃料芯塊與所述包殼之間留有0.1mm的間隙。
[0023]所述核燃料棒為正六面柱體結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，布局緊湊、安全性高、可靠性好，特別適用于空間核反應(yīng)堆以及其他特殊用途的小型核反應(yīng)堆。這種核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)可以在反應(yīng)堆堆芯緊密布置，有效地提高堆芯的燃料填充度，減小堆芯的臨界質(zhì)量，從而可以減少結(jié)構(gòu)材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯的總質(zhì)量；同時，熱管布置相對密度增加，可以有效避免單根熱管失效所引發(fā)的問題，可靠性高。本發(fā)明實現(xiàn)了核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用的非能動緊湊設(shè)計，可有效提高反應(yīng)堆的安全性和可靠性。
[0025]中心冷卻熱管蒸發(fā)段吸收燃料芯塊產(chǎn)生的熱量，并經(jīng)過中心冷卻熱管絕熱段和冷凝段將熱量帶出堆芯。燃料芯塊與包殼之間留有0.1mm的間隙可以收納裂變氣體。
[0026]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0027](I)核燃料棒為正六面柱體可緊湊布置，從而提高燃料填充度，降低核反應(yīng)堆臨界質(zhì)量，減小堆芯體積。
[0028](2)減少了結(jié)構(gòu)材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯質(zhì)量。
[0029](3)熱管布置相對密度增加，能夠有效避免單根熱管失效所引發(fā)的問題，可靠性尚O
[0030]具體實施例:
[0031]以應(yīng)用于空間核反應(yīng)堆堆芯設(shè)計為例，核燃料棒與中心冷卻熱管的設(shè)計壽命均以堆芯壽期為參考，在堆芯壽期內(nèi)無需更換。
[0032]如附圖1、2所示，中心冷卻熱管10置于核燃料棒9中心，中心冷卻熱管蒸發(fā)段6與核燃料棒長度一致，中心冷卻熱管蒸發(fā)段6吸收燃料芯塊I產(chǎn)生的熱量，并經(jīng)過中心冷卻熱管絕熱段7和冷凝段8將熱量帶出堆芯。核燃料棒9內(nèi)為燃料芯塊I，核燃料棒9外為燃料棒包殼2。燃料芯塊與包殼之間留有0.1mm的間隙以收納裂變氣體。中心冷卻熱管外殼與核燃料棒內(nèi)包殼設(shè)計為一體，管內(nèi)為孔隙率為0.69的多孔吸液芯4，吸液芯與管壁之間為液態(tài)環(huán)腔3，熱管中心部位為中心蒸汽區(qū)5。
[0033]本發(fā)明應(yīng)用于空間核反應(yīng)堆堆芯設(shè)計的效果如圖3b所示，燃料棒與冷卻熱管的布局相對于如圖3a所示的現(xiàn)有技術(shù)中的堆芯設(shè)計更加緊湊，提高了燃料填充率，降低核反應(yīng)堆臨界質(zhì)量，減小堆芯體積，同時也減少了結(jié)構(gòu)材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯質(zhì)量。而且，熱管布置相對密度增加，能夠有效避免單根熱管失效所引發(fā)的問題，可靠性高。
[0034]本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0035]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
【主權(quán)項】
1.一種核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括中心冷卻熱管、核燃料棒，所述中心冷卻管的蒸發(fā)段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中心冷卻管自內(nèi)向外依次為中心蒸汽區(qū)、多孔吸液芯、液態(tài)環(huán)腔、管壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中心蒸汽區(qū)在軸向上自底部到頂部依次包括蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段，所述蒸發(fā)段的長度與核燃料棒的長度一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多孔吸液芯的孔隙率為0.69。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述核燃料棒的內(nèi)部為燃料芯塊、外部為包殼，所述中心冷卻熱管的蒸發(fā)段的管壁與所述核燃料棒芯孔內(nèi)側(cè)的包殼設(shè)計為一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述燃料芯塊與所述包殼之間留有0.1mm的間隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述核燃料棒為正六面柱體結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核燃料棒與中心冷卻熱管的嵌套一體化結(jié)構(gòu)，包括中心冷卻熱管、正六面柱體結(jié)構(gòu)的核燃料棒，中心冷卻管的蒸發(fā)段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。中心冷卻管自內(nèi)向外依次為中心蒸汽區(qū)、孔隙率為0.69的多孔吸液芯、液態(tài)環(huán)腔、管壁。中心蒸汽區(qū)在軸向上自底部到頂部依次包括蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段，蒸發(fā)段的長度與核燃料棒的長度一致。核燃料棒的內(nèi)部為燃料芯塊、外部為包殼，中心冷卻熱管的蒸發(fā)段的管壁與核燃料棒芯孔內(nèi)側(cè)的包殼設(shè)計為一體。燃料芯塊與包殼之間留有0.1mm的間隙。布局緊湊、安全性高、可靠性好，特別適用于空間核反應(yīng)堆以及其他特殊用途的小型核反應(yīng)堆。
【IPC分類】G21C3-12, G21C3-334
【公開號】CN104766636
【申請?zhí)枴緾N201510188176
【發(fā)明人】趙輝, 陳紅麗
【申請人】中國科學技術(shù)大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月20日