热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用技术

本发明专利技术公开了提供了热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用。热管式燃料元件自下而上包括同轴固接的第一基体和第二基体，第一基体和第二基体均呈中空的管状结构，且相互连通；第一基体的管状结构、第二基体的管状结构的内侧壁分别开设有呈轴向分布的第一沟槽、第二沟槽，两者的连接处连续、无断层；第一基体为金属材质或慢化剂材质，且第一基体的内部弥散分布有燃料颗粒，燃料颗粒具有包覆层；第二基体为不含燃料颗粒的金属基体。本发明专利技术的热管式燃料元件采用一体化的设计避免缝隙热阻导致的热效率问题和安全问题，确保燃料颗粒和传热工质的紧密接触。本发明专利技术的堆芯结构简单紧凑，传热效率高、性能稳定可靠，可满足多场景多用途的能源供应。途的能源供应。途的能源供应。

【技术实现步骤摘要】
热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用。

技术介绍

[0002]热管是依靠内部工质相变和连续循环实现热量传递的非能动换热元件，具有传热效率高、热流方向可逆、结构紧凑和有效隔离一二次侧流体等优点。自上世纪90年代开始就产生了诸多热管堆方案，近几年，随着美国千瓦级热管堆Kilopower地面原型堆KRUSTY取得成功，热管堆成为新型反应堆研究热点。在热管堆设计中，热管直接插入堆芯导出核热，系统简化体积适中，具有很好的可操控性以及最优的热瞬态反馈性能，同时具有高可靠性与最低保养要求，可灵活适用于深海深空、陆基核电站等应用场景，对我国的科技和能源发展意义深远。
[0003]现有技术中，大多是将热管插入堆芯中。例如，以下三种形式的堆芯燃料和热管的设计：(1)燃料棒和热管组成一个燃料模块，模块内由金属块增强燃料和热管导热，多个模块插入堆芯中，如HOMER火星/月球探测反应堆、HP
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STMCs空间堆；(2)金属基体：燃料棒或者燃料块和热管放入金属基体的通道中，如Magepower，eVinciTM。部分填充液态金属钠减小缝隙热阻，但填充量需考虑热胀冷缩，尤其在堆芯倾角变化时缝隙位置变动，无法确保传热均匀性；(3)燃料基体：热管插入燃料基体通道，如1
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10kWe的Kilopower，1kWe的FSP，仅适于所需热管较少的小功率堆，大功率堆型无法适用。然而，燃料棒或燃料块直接和工质接触，容易造成工质活化，裂变气体进入热管，在单热管破损时可能造成放射性泄漏。
[0004]另外，现有技术中存在一回路热管，其和燃料块所形成的堆芯组装并不方便，而且热管和燃料块之间的1
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3mm的缝隙，也使得他在真空环境(如太空)应用时，会产生较大的缝隙热阻，从而可能出现热点甚至安全问题。
[0005]在以上的方案中，采用了热管插入通道或者热管和燃料棒连接金属块方式，其传热均依赖于固体导热。由于长时间的高温运行，功率和温度的不均匀，这使得燃料与热管之间存在较大应力，加之燃料辐照产生肿胀问题，将导致燃料棒和热管的连接破坏出现缝隙，尤其在真空环境，缝隙热阻使得传热性能急剧下降，并导致燃料运行温度显著上升甚至危及反应堆安全。热管堆中使用液态金属填充缝隙的堆芯发生倾斜或位置变化时，液态金属填充不到上部缝隙可能产生热点。此外，多数使用燃料棒的堆芯方案中，堆芯温度过高，将面临核电站堆芯熔毁的安全事故问题。
[0006]现有技术公开了一种沸水堆，其利用水的相变传热，燃料棒插入堆芯，水流经燃料棒成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，用分离出的高温蒸汽来推动汽轮发电。但是反应堆包含很多泵阀和回路，结构复杂，而且压力高，回路循环容易造成放射性泄漏，存在安全隐患。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术中热管堆的缝隙热阻导致的传热效率低且安全性能低的缺陷，
而提供了热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用。本专利技术的热管式燃料元件采用一体化的设计避免缝隙热阻导致的热效率问题和安全问题，确保燃料颗粒和传热工质的紧密接触，避免放射性泄漏。本专利技术的堆芯结构简单紧凑，易于组装和维护，且其传热效率高、性能稳定可靠，可满足多场景多用途的能源供应。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种热管式燃料元件，所述热管式燃料元件自下而上包括同轴固接的第一基体和第二基体，所述第一基体和所述第二基体均呈中空的管状结构，且相互连通；所述第一基体和所述第二基体的结构为方式一或方式二：
[0010]方式一：所述第一基体的管状结构、所述第二基体的管状结构的内侧壁分别开设有呈轴向分布的第一沟槽、第二沟槽，所述第一沟槽和所述第二沟槽的连接处连续、无断层；其中，所述第一基体为金属材质或慢化剂材质，且所述第一基体的内部弥散分布有燃料颗粒，所述燃料颗粒具有包覆层；所述第二基体为不含燃料颗粒的金属基体；
[0011]方式二：所述第一基体的管状结构、所述第二基体的管状结构的内侧壁分别贴设有呈轴向分布的第一丝网、第二丝网，所述第一丝网和第二丝网的连接处连续、无断层；其中，所述第一基体为金属材质或慢化剂材质，且所述第一基体的内部弥散分布有燃料颗粒，所述燃料颗粒具有包覆层；所述第二基体为不含燃料颗粒的金属材质。
[0012]本专利技术中，所述第一沟槽和所述第二沟槽之间、所述第一丝网和所第二丝网连接处的连续、无断层设计，便于工质回流。
[0013]本专利技术中，所述第一基体的管状结构的内径与所述第二基体的管状结构的内径相同。
[0014]本专利技术中，所述第一沟槽与所述第二沟槽的形状相同。
[0015]本专利技术中，较佳地，所述第一沟槽或第二沟槽均匀环设在所述管状结构的内侧壁上。
[0016]本专利技术中，较佳地，所述第一沟槽或所述第二沟槽为方形凹槽、矩形凹槽、圆形凹槽和异型槽中的一种或多种，更佳地为Ω型槽，形成吸液芯结构，可以更好地提高燃料体积份额，同时满足使用需求。
[0017]本专利技术中，较佳地，所述第一沟槽或第二沟槽独立地在与所述热管式燃料元件的轴线最接近的边缘处还贴设有至少一层丝网，所述第一沟槽或所述第二沟槽与所述丝网形成复合吸液芯结构，在所述吸液芯结构中，大孔洞能减小流动阻力帮助液体回流，小孔洞能提供大的毛细力。
[0018]本专利技术中，较佳地，所述第一丝网或所述第二丝网为单层丝网或复合型丝网，更佳地为复合型丝网；进一步更佳地，所述复合型丝网为具有大小不同孔径的双层丝网；所述双层丝网可同时便于回流和增大毛细力。
[0019]本专利技术中，较佳地，所述第一基体为圆柱形或多棱柱形；更佳地，当所述第一基体为金属材质时，所述第一基体为圆柱形；更佳地，当所述第一基体为慢化剂材质时，所述第一基体为正六棱柱形。
[0020]本专利技术中，所述第一基体的长度与所述第二基体的长度相同。
[0021]本专利技术中，较佳地，所述第一基体的外径大于等于所述第二基体的外径。
[0022]本专利技术中，较佳地，所述第二基体为圆柱形或多棱柱形，更佳地为圆柱形。
[0023]本专利技术中，所述第一基体和所述第二基体可起封闭作用，使所述传热工质处于热管式燃料元件中，更大限度地提高堆芯燃料体积的份额，缩小堆芯尺寸。
[0024]本专利技术中，较佳地，所述金属材质为无中子吸收能力、耐高温耐辐照的材料，更佳地为316ss不锈钢。
[0025]本专利技术中，较佳地，所述慢化剂材质为碳化硅、石墨和氢化钇中的一种或多种，更佳地为氢化钇或碳化硅。
[0026]本专利技术中，较佳地，所述第一基体的外围还包覆有一管壳。
[0027]其中，较佳地，所述管壳的厚度为1～3mm。
[0028]其中，较佳地，所述管壳为金属材质或慢化剂材质。
[0029]本专利技术中，较佳地，所述燃料颗粒在所述第一基体的内部填充率为10～64％，更佳地为40％～60％。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.热管式燃料元件，其特征在于，所述热管式燃料元件自下而上包括同轴固接的第一基体和第二基体，所述第一基体和所述第二基体均呈中空的管状结构，且相互连通；所述第一基体和所述第二基体的结构为方式一或方式二：方式一：所述第一基体的管状结构、所述第二基体的管状结构的内侧壁分别开设有呈轴向分布的第一沟槽、第二沟槽，所述第一沟槽和所述第二沟槽的连接处连续、无断层；其中，所述第一基体为金属材质或慢化剂材质，且所述第一基体的内部弥散分布有燃料颗粒，所述燃料颗粒具有包覆层；所述第二基体为不含燃料颗粒的金属基体；方式二：所述第一基体的管状结构、所述第二基体的管状结构的内侧壁分别贴设有呈轴向分布的第一丝网、第二丝网，所述第一丝网和第二丝网的连接处连续、无断层；其中，所述第一基体为金属材质或慢化剂材质，且所述第一基体的内部弥散分布有燃料颗粒，所述燃料颗粒具有包覆层；所述第二基体为不含燃料颗粒的金属材质。2.如权利要求1所述的热管式燃料元件，其特征在于，所述第一基体的管状结构的内径与所述第二基体的管状结构的内径相同；和/或，所述第一沟槽与所述第二沟槽的形状相同；和/或，所述第一沟槽或所述第二沟槽均匀环设在所述管状结构的内侧壁上；和/或，所述第一沟槽或所述第二沟槽为方形凹槽、矩形凹槽、圆形凹槽和异型槽中的一种或多种，较佳地为Ω型槽；和/或，所述第一沟槽或所述第二沟槽独立地在与所述热管式燃料元件的轴线最接近的边缘处还贴设有至少一层丝网，所述第一沟槽或所述第二沟槽与所述丝网形成复合吸液芯结构；和/或，所述第一丝网或所述第二丝网为单层丝网或复合型丝网，较佳地为复合型丝网；更佳地，所述复合型丝网为具有大小不同孔径的双层丝网。3.如权利要求1所述的热管式燃料元件，其特征在于，所述第一基体为圆柱形或多棱柱形；较佳地，当所述第一基体为金属材质时，所述第一基体为圆柱形；较佳地，当所述第一基体为慢化剂材质时，所述第一基体为正六棱柱形；和/或，所述第一基体的长度与所述第二基体的长度相同；和/或，所述第一基体的外径大于等于所述第二基体的外径。4.如权利要求1所述的热管式燃料元件，其特征在于，所述第二基体为圆柱形或多棱柱形，较佳地为圆柱形；和/或，所述金属材质为无中子吸收能力、耐高温耐辐照的材料，较佳地为316ss不锈钢；和/或，所述慢化剂材质为碳化硅、石墨和氢化钇中的一种或多种，较佳地为氢化钇或碳化硅。5.如权利要求1所述的热管式燃料元件，其特征在于，所述第一基体的外围还包覆有一管壳；较佳地，所述管壳的厚度为1～3mm；较佳地，所述管壳为金属材质或慢化剂材质。6.如权利要求1所述的热管式燃料元件，其特征在于，所述燃料颗粒在所述第一基体的内部填充率为10～64％，较佳...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兴伟，邹杨，戴叶，崔德阳，蔡翔舟，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：