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(cè)計(jì)劃的開展與實(shí)施，未來在月球及其他星球表面進(jìn)行空間基地建設(shè)將具有重大的科學(xué)、軍事和政治價(jià)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(shí)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(shì)明顯。
[0003]美國、俄羅斯、日本等國均對(duì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)施方式】
[0015]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)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(shí)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(jì)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(diǎn)，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(shí)，熱管布置相對(duì)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(shí)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(jì)，采用的非能動(dòng)緊湊設(shè)計(jì)，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(duì)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(shí)施例:
[0031]以應(yīng)用于空間核反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)為例，核燃料棒與中心冷卻熱管的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的效果如圖3b所示，燃料棒與冷卻熱管的布局相對(duì)于如圖3a所示的現(xiàn)有技術(shù)中的堆芯設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(xì)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(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(xiàng)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(jì)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(jì)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(hào)】CN104766636
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510188176
【發(fā)明人】趙輝, 陳紅麗
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月20日