一种空间堆热管理系统及工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空间堆热管理系统及工作方法，该系统包括反应堆系统和折叠式热管散热器系统，反应堆系统包括空间堆堆芯、堆芯热量导出系统、能量转换系统、余热导出系统、余热热交换器、堆芯屏蔽体等，实现空间堆能量的产生、传输、转换和辐射屏蔽等功能；折叠式热管散热器系统包括角度调节器、热管、散热翅片等，实现空间堆余热的耗散。反应堆系统中的余热热交换系统与折叠式热管散热器系统中的定位架相接；本发明专利技术利用热管非能动特点省略循环泵等管路设备，同时折叠设计大幅节省了占地空间。

【技术实现步骤摘要】
一种空间堆热管理系统及工作方法
本专利技术涉及核反应堆设计
，具体涉及一种空间堆热管理系统及工作方法。
技术介绍
空间堆为我们探索深空奥秘、发掘深海资源、维护国土安全提供一种全新的手段，如何进行高效可靠度的热管理是发展空间堆技术的关键问题。热管是一种非能动传热设备，其利用工质的相变(蒸发和冷凝)来传递热量，并通过吸液芯毛细力等作用维持工质循环。相比于传统的传热设备，热管具有结构简单、传热效率高、等温性好、非能动等特性。特别是热管不需要循环泵的参与并利用汽化潜热进行传热，热管的传热效率相比于传统设备，结构简化，传热效率提高，避免单点失效。同时热管可选用不同工质以适用于不同的温度范围，因而，采用热管进行传热的散热设备，结构简化，安全性提高。然而，传统的热管散热器一般是固定的，结构仍有优化的空间。本设计针对空间堆系统，提出一种空间堆热管理系统，分别针对反应堆系统和散热系统做出设计，为空间堆的热管理提供参考。
技术实现思路
为实现在有限空间下的散热需求，本专利技术设计了一种空间堆热管理系统及工作方法，该空间堆热管理系统结构简化，利用热管非能动特点省略循环泵等管路设备，同时折叠设计大幅节省了占地空间，本专利技术可应用于汽车、航天器等装备的散热。本专利技术采取以下设计方案：一种空间堆热管理系统，其特征在于：包括空间堆堆芯11、堆芯热量导出系统12、能量转换系统13依次连接组成的能量产生转换系统，能量转换系统13、余热导出系统14、余热热交换器15依次连接组成的反应堆余热排出系统，余热导出系统14由冷却水管、循环水泵、冷却水箱组成，热量通过余热导出系统14由能量转换系统13传导至余热热交换器15中，分布于空间堆堆芯11的轴向和径向位置的堆芯屏蔽体16，能量产生转换系统、反应堆余热排出系统、堆芯屏蔽体16组成的反应堆系统1，热管23、散热翅片24嵌套组成的散热单元，热管夹套223固定于角度盘221，两个角度盘221通过传动轴222和连杆连接实现啮合，两个热管夹套端通过传热软管224连接，另一端安装热管，角度盘221、传动轴222、连杆、热管夹套223、传热软管224组成的角度调节器22，若干散热单元两端通过定位架21固定组成的散热器扇片；若干散热扇片之间通过角度调节器22依次连接组成的折叠式热管散热器系统2设置在反应堆系统1两侧，所述余热热交换器15与定位架21连接，实现反应堆系统1和折叠式热管散热器系统2的连接；所述能量产生转换系统、反应堆余热排出系统通过能量转换系统13连接，实现反应堆热量产生、转换、余热导出的功能；所述堆芯热量导出系统12穿过堆芯屏蔽体16，实现空间堆堆芯11产生能量的导出和辐射屏蔽。所述空间堆堆芯11采用快中子反应堆、超热中子反应堆或热中子反应堆，堆芯采用慢化棒或控制棒、可燃毒物和控制转鼓进行空间堆堆芯功率控制，慢化棒或控制棒材料选用银-铟-铬、不锈钢、氧化破或碳化硼，可燃毒物材料选择氧化钆或碳化硼，控制转鼓材料选择碳化硼和铍的组合。所述堆芯热量导出系统12采用回路式冷却方案，采用水、钠、铅铋、氦或氙作为冷却剂；采用回路式冷却方案时，堆芯热量导出系统12由热端、冷端、驱动泵、冷却水箱及之间的连接管路组成，热腿段插入堆芯，由管内工质吸收堆芯热量，经管路流至与能量转换系统13相连的冷腿段，热量通过导热与辐射传递至能量转换系统13，再由驱动泵作用下返回冷却水箱中。所述堆芯热量导出系统12采用热管冷却方案，热管工质选用丙醇、乙醇、奈、水、汞、铷、铯、钾、钠、锂或银材料作为工作介质，实现由低温到高温区间的覆盖；采用热管冷却方案时，堆芯热量导出系统12由多根热管组成，热管蒸发段插入堆芯，吸收堆芯裂变释放出的能量，冷凝段与能量转换系统13相连，依靠导热进行热量传递。所述能量转换系统13选用锑化铋温差发电器或斯特林发动机、热离子发电器。所述堆芯屏蔽体16采用石墨、水、铅、氢化锂、碳化硼材料、钨层逐层交错排列方案，水层既能够慢化高能中子，又能够用来冷却；碳化硼层用来吸收中子，钨层用来屏蔽光子。所述散热翅片24选用导热良好且具有较好延展性的金属，并在表面进行刻蚀以增强散热能力；所述热管23和散热翅片24组成基本的散热单元；所述热管23与散热翅片24采用一体式制造，增强可靠性；或所述热管23与散热翅片24采用焊接、套管等机械固定方式进行组合。所述导热良好且具有较好延展性的金属采用铜或铝。所述角度调节器22作为传热部件，热量通过热管23-热管夹套223-传热软管224-热管夹套223-热管23进行传递；所述热管夹套223采用导热性强的金属材料进行制造以减少传热热阻；所述热管夹套223与热管23之间采用导热良好且润滑性好的材料进行润滑和传热；所述传热软管224内部填充有导热介质进行热量传递，导热介质根据工作温度选用丙醇、乙醇、奈、导热油、水、汞、铷、铯、钾、钠或锂；所述角度调节器22作为机械部件，传动轴222转动带动角度盘221和热管夹套223运动，通过调节两个角度盘221的啮合角度调节相邻散热器扇片之间的开合角度，实现热管辐射散热器散热面积的改变和折叠的功能；完全伸展达到最佳的换热，或折叠减小占地面积，实现散热可控。所述一种空间堆热管理系统的工作方法，空间堆堆芯11中发生核裂变释放的能量通过堆芯热量导出系统12导出到能量转换系统13，在能量转换系统13中热量转变为电能、机械能可直接利用的能量供空间堆使用，能量转换系统13中剩余热量通过余热导出系统14导入余热热交换器15，余热热交换器15将热量传递给折叠式热管散热器系统2；在折叠式热管散热系统2中，热量由余热热交换器15传递到角度调节器22，角度调节器22吸收热量温度升高，后将热量传递到热管23，热管23和散热翅片24组合形成散热单元；由于热管的传热效率高、等温性好，热量高效的通过热管23传递到散热翅片24，在散热翅片24上通过辐射和对流作用传递到环境中实现散热；散热功率较小时，通过角度调节器22将折叠式热管散热器系统2折叠，减小所需空间。和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：本专利技术中反应堆系统结构简单，采用二回路设计，一回路可选择多种能量传输与转换方式的组合，便于模块化设计，二回路采用折叠式热管散热器可实现散热面积的扩展和折叠，实现散热能力的动态调节，热管非能动、高效传热、等温性好等特性无需额外的循环泵，简化结构，节省空间，有利于实现安全高效散热。本专利技术针提出一种空间堆热管理系统，本专利技术结构紧凑，质量较轻，可采用非能动设计能够极大地提升空间堆热管理性能。附图说明图1为空间堆热管理系统的示意图。图2为热管冷却式反应堆系统的示意图。图3为回路冷却式反应堆系统的示意图。图4为角度调节器的示意图。图5为折叠式热管散热器扇片的示意图。图6为热管与翅片装配的示意图。具体实施方式现结合实例、附图对本专利技术作进一步描述：如图1所示，本专利技术一种空间堆热管理系统，包括包括空间堆堆芯11、堆芯热量导出系统12、能量转换系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间堆热管理系统，其特征在于：包括空间堆堆芯(11)、堆芯热量导出系统(12)、能量转换系统(13)依次连接组成的能量产生转换系统，能量转换系统(13)、余热导出系统(14)、余热热交换器(15)依次连接组成的反应堆余热排出系统，余热导出系统(14)由冷却水管、循环水泵、冷却水箱组成，热量通过余热导出系统(14)由能量转换系统(13)传导至余热热交换器(15)中，分布于空间堆堆芯(11)的轴向和径向位置的堆芯屏蔽体(16)，能量产生转换系统、反应堆余热排出系统、堆芯屏蔽体(16)组成的反应堆系统(1)，热管(23)、散热翅片(24)嵌套组成的散热单元，热管夹套(223)固定于角度盘(221)，两个角度盘(221)通过传动轴(222)和连杆连接实现啮合，两个热管夹套端通过传热软管(224)连接，另一端安装热管，角度盘(221)、传动轴(222)、连杆、热管夹套(223)、传热软管(224)组成的角度调节器(22)，若干散热单元两端通过定位架(21)固定组成的散热器扇片；若干散热扇片之间通过角度调节器(22)依次连接组成的折叠式热管散热器系统(2)设置在反应堆系统(1)两侧，所述余热热交换器(15)与定位架(21)连接，实现反应堆系统(1)和折叠式热管散热器系统(2)的连接；所述能量产生转换系统、反应堆余热排出系统通过能量转换系统(13)连接，实现反应堆热量产生、转换、余热导出的功能；所述堆芯热量导出系统(12)穿过堆芯屏蔽体(16)，实现空间堆堆芯(11)产生能量的导出和辐射屏蔽。/n...

【技术特征摘要】
1.一种空间堆热管理系统，其特征在于：包括空间堆堆芯(11)、堆芯热量导出系统(12)、能量转换系统(13)依次连接组成的能量产生转换系统，能量转换系统(13)、余热导出系统(14)、余热热交换器(15)依次连接组成的反应堆余热排出系统，余热导出系统(14)由冷却水管、循环水泵、冷却水箱组成，热量通过余热导出系统(14)由能量转换系统(13)传导至余热热交换器(15)中，分布于空间堆堆芯(11)的轴向和径向位置的堆芯屏蔽体(16)，能量产生转换系统、反应堆余热排出系统、堆芯屏蔽体(16)组成的反应堆系统(1)，热管(23)、散热翅片(24)嵌套组成的散热单元，热管夹套(223)固定于角度盘(221)，两个角度盘(221)通过传动轴(222)和连杆连接实现啮合，两个热管夹套端通过传热软管(224)连接，另一端安装热管，角度盘(221)、传动轴(222)、连杆、热管夹套(223)、传热软管(224)组成的角度调节器(22)，若干散热单元两端通过定位架(21)固定组成的散热器扇片；若干散热扇片之间通过角度调节器(22)依次连接组成的折叠式热管散热器系统(2)设置在反应堆系统(1)两侧，所述余热热交换器(15)与定位架(21)连接，实现反应堆系统(1)和折叠式热管散热器系统(2)的连接；所述能量产生转换系统、反应堆余热排出系统通过能量转换系统(13)连接，实现反应堆热量产生、转换、余热导出的功能；所述堆芯热量导出系统(12)穿过堆芯屏蔽体(16)，实现空间堆堆芯(11)产生能量的导出和辐射屏蔽。


2.根据权利要求1所述一种空间堆热管理系统，其特征在于：所述空间堆堆芯(11)采用快中子反应堆、超热中子反应堆或热中子反应堆，堆芯采用慢化棒或控制棒、可燃毒物和控制转鼓进行空间堆堆芯功率控制，慢化棒或控制棒材料选用银-铟-铬、不锈钢、氧化破或碳化硼，可燃毒物材料选择氧化钆或碳化硼，控制转鼓材料选择碳化硼和铍的组合。


3.根据权利要求1所述一种空间堆热管理系统，其特征在于：所述堆芯热量导出系统(12)采用回路式冷却方案，采用水、钠、铅铋、氦或氙作为冷却剂；采用回路式冷却方案时，堆芯热量导出系统(12)由热端、冷端、驱动泵、冷却水箱及之间的连接管路组成，热腿段插入堆芯，由管内工质吸收堆芯热量，经管路流至与能量转换系统(13)相连的冷腿段，热量通过导热与辐射传递至能量转换系统(13)，再由驱动泵作用下返回冷却水箱中。


4.根据权利要求1所述一种空间堆热管理系统，其特征在于：所述堆芯热量导出系统(12)采用热管冷却方案，热管工质选用丙醇、乙醇、奈、水、汞、铷、铯、钾、钠、锂或银材料作为工作介质，实现由低温到高温区间的覆盖；采用热管冷却方案时，堆芯热量导出系统(12)由多根热管组成，热管蒸发段插入堆芯，吸收堆芯裂变释放出的能量，冷凝段与能量转换系统(13)相连，依靠导热进行热量传递。

【专利技术属性】
技术研发人员：王成龙，田智星，张嘉睿，郭凯伦，苏光辉，张大林，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61