热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种热管式燃料元件、堆芯和其运行方法及其应用。

背景技术

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。

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-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1-10kWe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。

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1-3mm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。

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。

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。

发明内容

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。本发明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。本发明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。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明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：

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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，所述第一沟槽与所述第二沟槽的形状相同。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，所述第一基体的长度与所述第二基体的长度相同。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，较佳地，所述第一基体的外围还包覆有一管壳。

其中，较佳地，所述管壳的厚度为1～3mm。

其中，较佳地，所述管壳为金属材质或慢化剂材质。

本发明中，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％。

本发明中，较佳地，所述包覆层的材料为金属、碳化物或碳化物-难熔金属，更佳地为碳化物，进一步更佳地为碳化硅。

本发明中，较佳地，所述燃料颗粒的芯核为氮化铀、氧化铀和碳氧化铀中的一种或多种，更佳地为氮化铀。氮化铀密度大，相比氧化铀或碳氧化铀，氮化铀能将重金属装载提高40％。

本发明中，较佳地，所述燃料颗粒为TRISO颗粒、FCM和MOX中的一种或多种，更佳地为TRISO颗粒。所述TRISO颗粒由燃料颗粒的芯核向外依次包括疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层；该TRISO颗粒在2100℃下仍可保持完整性。

本发明中，较佳地，所述燃料颗粒的直径为0.5～1mm。在该颗粒的范围内，越利于提高在热管式燃料元件中的填充率，从而利于减小热管式燃料元件的体积从而减小堆芯的尺寸。

本发明中，所述热管式燃料元件可采用传统加工方式，也可采用增材制造技术(如3D打印)进行加工制造。

本发明还提供了一种堆芯，其包括堆芯容器、以及填充于所述堆芯容器中、且与所述堆芯容器的轴线平行分布的若干个如上所述的热管式燃料元件。

本发明中，较佳地，所述堆芯还包括反射层和若干个控制鼓，所述控制鼓设于所述反射层中；更佳地，当控制鼓为两个以上时，各所述控制鼓以所述堆芯容器的中轴线对称分布于反射层中。

本发明中，较佳地，所述堆芯还包括停堆控制棒；更佳地，所述停堆控制棒设于所述堆芯的中心。

本发明中，较佳地，所述反射层设于所述堆芯容器的外围。

本发明中，较佳地，当所述第一基体为慢化剂材质时，所述燃料颗粒占所述堆芯容器的体积的10～30％。

本发明中，较佳地，当所述第一基体为金属材质时，所述燃料颗粒占所述堆芯容器的体积的30～50％。

一较佳的实施例中，当所述第一基体为金属材质时，所述堆芯容器的底部设有若干个慢化剂通道；所述热管式燃料元件与所述慢化剂通道沿与所述堆芯容器的轴线平行的方向一一相连。

一较佳的实施例中，当所述第一基体为慢化剂材质时，若干所述热管式燃料元件沿与所述堆芯容器的轴线平行的方向均布于所述堆芯容器中。

本发明还提供了一种如上所述的堆芯的运行方法，其包括如下步骤：将已充装有传热工质的热管式燃料元件放入所述堆芯中，运行所述堆芯。

本发明中，一般按照高温热管充装工艺流程加入所述传热工质；较佳地为，所述已充装有传热工质的热管式燃料元件的管状结构内呈真空状态。

本发明中，所述传热工质的工作温度可在400～1800℃的范围内，传热工质最好在低于500℃和高于1600℃的范围内均可运行。

本发明中，较佳地，所述传热工质包括Li、Na、K、NaK合金或纳米流体中的一种或多种，更佳地为Li或NaK合金。当传热工质为Na时，其汽化潜热4090千焦/千克，是水的2倍(水为2260千焦/千克)，可以带走更多热量；当热管式燃料元件可以在高温运行，其高温输出的热利用效率高，应用方式也多样，比如制氢、储能等。

本发明中，较佳地，所述传热工质在所述热管式燃料元件的管状结构的内侧空腔的填充率为15～35％。

本发明中，较佳地，所述堆芯的运行温度为500℃及以上，更佳地为500～1600℃，以确保系统热量有效排出。

一较佳的实施例中，在堆芯运行温度为650～1100℃，所述传热工质可为NaK合金，所述NaK合金的K与Na的重量比为77.2:22.8时，熔点-12.3℃，常温下为液态，易于启动。

一较佳的实施例中，在堆芯运行温度为1000℃以上，所述传热工质可为Li。

本发明中，较佳地，所述堆芯的运行功率为1kW～10MW。

本发明中，较佳地，当所述堆芯的运行温度为650～1100℃，所述传热工质为NaK合金，所述NaK合金的K与Na的重量比为77.2:22.8。

本发明中，较佳地，当所述堆芯的运行温度为1000℃以上，所述传热工质为Li。

本发明中，较佳地，在所述堆芯的运行过程中，所述热管式燃料元件包括蒸发段、绝热段和冷凝段；所述蒸发段位于所述堆芯容器中；所述热管式燃料元件的绝热段不发生热量损失或产生；所述冷凝段为散热部分，用于将热量传递给能量转换系统。

本发明中，所述堆芯中的热管式燃料元件在运行时利用工质相变将蒸发段中燃料颗粒产生的核热导至冷凝段，再由冷凝段传递给能量转换系统。

本发明还提供了一种如上所述的堆芯在陆基机动、深海探测或能源供应中的应用。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

(1)本发明中，由于燃料颗粒弥散于导热性良好的金属基体，金属基体构成的沟槽直接和热管内流动的工质接触，这样一体化的设计避免缝隙热阻导致的热工和安全问题，同时也进一步减少了管壳金属体积，提高了燃料的体积份额，利于减小堆芯结构。

(2)本发明热管式燃料元件中的燃料颗粒本身有包覆层，可以容纳运行时产生的裂变气体，其具有耐高温和包容性，减少放射性污染和热应力形变等问题，即使高温运行也可以保证系统安全。

(3)本发明的热管式燃料元件内呈真空，处于负压环境，在堆芯的运行过程中压力也较低，不会引起安全问题；并且，该燃料元件是封闭的热管，可以有效与堆芯和后续回路隔离，避免放射性污染等问题。

(4)本发明的堆芯无能动部件，就能实现高效传热，且安全可靠。由于热管热流密度可逆性和燃料工质一体化传热，本发明堆芯的环境适用性强，在横置，竖置、摇摆等工况均能稳定运行。

(5)本发明的堆芯结构简单紧凑，将元件插入堆芯即可实现组装，易于组装和维护，能够适用于陆基机动、深海探测、深空、星表或偏远地区等多场景多用途的能源供应。

附图说明

图1为实施例1的热管式燃料元件a的结构示意图；

图2为实施例1的热管式燃料元件a的第二基体的截面图；

图3为实施例1的热管式燃料元件a的第一基体的截面图；

图4为实施例1的热管式燃料元件a的第一基体的立体图；

图5为实施例1的含有热管式燃料元件a的堆芯的结构图；

图6为实施例1的热管式燃料元件a在堆芯中分布的示意图；

图7为实施例2的热管式燃料元件b的结构示意图；

图8为实施例2的热管式燃料元件b的第二基体的截面图；

图9为实施例2的热管式燃料元件b的第一基体的截面图；

图10为实施例2的热管式燃料元件b的第一基体的尺寸图；

图11为实施例2的热管式燃料元件b的Ω型沟槽示意图；

图12为实施例2的热管式燃料元件b的第一基体的立体图；

图13为实施例2的热管式燃料元件b的区域划分的示意图；

图14为实施例2的热管式燃料元件b的排列的示意图。

附图标记说明：

热管式燃料元件 1

第一基体 2

蒸发段 21

第二基体 3

绝热段 31

冷凝段 32

第一沟槽 5

第二沟槽 6

管壳 7

堆芯 8

堆芯容器 9

反射层 10

控制鼓 11

丝网 13

第一基体的内切直径d

第一基体的蒸汽腔直径d

第二基体的外径di

Ω型槽圆直径d

细槽宽w

细槽深δ

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

图1为本实施例的热管式燃料元件a的结构示意图；图2为本实施例的热管式燃料元件a的第二基体3的截面图；图3为本实施例的热管式燃料元件a的第一基体2的截面图；图4为本实施例的热管式燃料元件a的第一基体2的立体图。

热管式燃料元件1自下而上包括同轴固接的第一基体2和第二基体3，第一基体2和第二基体3均呈中空的管状结构，且相互连通；第一基体2的管状结构、第二基体3的管状结构的内侧壁分别开设有呈轴向分布的第一沟槽5、第二沟槽6，第一沟槽5和第二沟槽6的连接处连续、无断层；第一基体2为316ss不锈钢的金属材质，且第一基体2的内部弥散分布有直径为0.5mm的燃料颗粒，其为TRISO颗粒，由燃料颗粒的芯核向外依次包括疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层；燃料颗粒在第一基体2的内部填充率为40％；燃料颗粒具有碳化硅包覆层；第二基体3为316ss不锈钢的不含燃料颗粒的金属基体；第一基体2的管状结构的内径的直径为2.2cm，与第二基体3的管状结构的内径相同，且第一沟槽5与第二沟槽6的形状相同。第一沟槽5和第二沟槽6均匀环设在管状结构的内侧壁上，且独立地为60个宽0.8mm、深1mm的矩形沟槽沿第一基体2内壁呈圆周形成对称分布，且独立地在与热管式燃料元件a的轴线最接近的边缘处还设有4层不锈钢丝网，丝网的孔径为0.254mm。第一基体2为圆柱形；第一基体2的长度为50cm，第二基体3的长度为50cm。第一基体2的外径为4cm，第二基体3的外径为3.2cm。第二基体3为圆柱形。第一基体2的外围还包覆有厚度为2mm的316ss不锈钢的管壳。

本实施例的热管式燃料元件a采用增材制造技术(如3D打印)进行加工制造。由该制造方式打印完成，抽真空，充液后端盖封口。

图5为本实施例的含有热管式燃料元件a的堆芯8的结构图；图6为本实施例的热管式燃料元件a在堆芯8中分布的示意图。该堆芯8包括堆芯容器9、与堆芯容器9的轴线平行分布的37个热管式燃料元件1、反射层10和两个控制鼓11，两个控制鼓11以堆芯容器9的中轴线对称分布于反射层10中。燃料颗粒的填充量占堆芯容器9的体积的30％。堆芯容器9内还包括慢化剂通道，将热管式燃料元件1插入慢化剂通道中，实现堆芯组装。燃料颗粒占堆芯容器9的体积的18％。热管式燃料元件a的管状结构呈真空状态，向内侧空腔内填充100g传热工质钠。

反应堆的运行功率为50kW，堆芯的运行温度为700℃。堆芯活性区直径36cm，高度50cm。单根热管所需传热量为1.35kW，热管式燃料元件1在无重力环境传热极限3.6kW，满足多场景传热需求。

在堆芯的运行过程中，热管式燃料元件1分为蒸发段21、绝热段31和冷凝段32；蒸发段21对应第一基体2，蒸发段21的沟槽占堆芯总体积46％，绝热段31和冷凝段32对应第二基体3；蒸发段21位于堆芯容器9中；热管式燃料元件1的绝热段31为与外界无能量交换的部分，其位于反射层10；冷凝段32位于堆芯以外，用于将热量传递给能量转换系统。

与现有的600℃单根热管的传热极限为3.7kW，在工作温度为700℃、堆芯竖直放置时，本实施例中单根热管式燃料元件1的传热极限为11.5kW，横置或无重力环境时传热极限为3.6kW。

本实施例中的堆芯结构简单可靠，能够有效提高熔盐堆的热效率、降低热点及产生的安全问题，在应对真空、摇摆等环境时展现较高的传热能力。该热管堆可应用于陆基机动、深空、深海探测或能源供应中。

实施例2

图7为本实施例的热管式燃料元件b的结构示意图；图8为本实施例的热管式燃料元件b的第二基体3的截面图；图9为本实施例的热管式燃料元件b的第一基体2的截面图；图10为本实施例的热管式燃料元件b的第一基体2的尺寸图；图11为本实施例的热管式燃料元件b的Ω型沟槽示意图；图12为本实施例的热管式燃料元件b的第一基体2的立体图。

热管式燃料元件1自下而上包括同轴固接的第一基体2和第二基体3，第一基体2和第二基体3均呈中空的管状结构，且相互连通；第一基体2的管状结构、第二基体3的管状结构的内侧壁分别开设有呈轴向分布的第一沟槽5、第二沟槽6，第一沟槽5和第二沟槽6的连接处连续、无断层；第一基体2为致密碳化硅的慢化剂材质，且第一基体2的内部弥散分布有直径为0.5mm的燃料颗粒，其为TRISO颗粒，由燃料颗粒的芯核向外依次包括疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层；燃料颗粒在第一基体2的内部填充率为40％；燃料颗粒具有碳化硅包覆层；第二基体3为316ss不锈钢的不含燃料颗粒的金属基体；第一基体2的管状结构的内径的直径为2.4cm，与第二基体3的管状结构的内径相同，且第一沟槽5与第二沟槽6的形状相同。第一基体2为正六棱柱形；第一基体2的长度为50cm，第二基体3的长度为50cm。第二基体3为圆柱形。其中，第一沟槽5和第二沟槽6均匀环设在管状结构的内侧壁上，且独立地为Ω型槽，其圆直径d为1.4mm，细槽宽w为0.3mm，细槽深δ为0.72mm，50个槽道沿第一基体2内壁呈圆周形成对称分布。

本实施例的热管式燃料元件b采用增材制造技术(如3D打印)进行加工制造。由该制造方式打印完成，抽真空，充液后端盖封口。

第一基体2的外径为4cm，第一基体2的内切直径d

该热管式燃料元件b的加工可采用增材制造(Additive Manufacturin)方式，即在设计模型的基础上，运用碳化硅粉末、TRISO颗粒、粘结剂等材料，通过逐层打印的方式来构造燃料元件。打印后的燃料元件b通过抽真空、充液、封口等工序后完成整个热管式燃料元件的制造加工。

图13为本实施例的热管式燃料元件b的区域划分的示意图。在堆芯的运行过程中，热管式燃料元件b分为蒸发段21、绝热段31和冷凝段32；蒸发段21对应第一基体2，蒸发段21的沟槽占堆芯总体积46％，绝热段31和冷凝段32对应第二基体3；蒸发段21位于堆芯容器9中；热管式燃料元件b的绝热段31为与外界无能量交换的部分，其位于反射层10；冷凝段32位于堆芯以外，用于将热量传递给能量转换系统。

图14为本实施例的热管式燃料元件b的排列的示意图。在50kW微型堆堆芯容器中，设置37个热管式燃料元件b，其以横截面为六边形的方式排列。热管式燃料元件b竖置时主要受携带极限限值，传热极限为6.7kW，横置放置或深空无重力环境下运行时受毛细极限影响，传热极限为2.2kW。

堆芯活性区直径28cm，高度50cm。堆芯空隙填充慢化剂，增强相邻元件间的传热，避免单根热管失效引起局部热点。根据0.4的颗粒碳化硅基体填充率，燃料颗粒在堆芯中体积占比为18％，满足中子物理需求。热管式燃料元件b的管状结构呈真空状态，向内侧空腔内填充100g传热工质钠。满功率运行时，单根热管传热量需求1.35kW，远低于热管式燃料元件传热极限。相比于热管式燃料元件a，热管式燃料元件b因为包覆燃料颗粒直接弥散于慢化剂基体，从而可以更有效地简化堆芯结构，减小堆芯尺寸。

反应堆的运行功率为50kW，堆芯的运行温度为700℃。堆芯活性区直径28cm，高度50cm。单根热管所需传热量为1.35kW，热管式燃料元件b在无重力环境传热极限3.6kW，满足多场景传热需求。

效果实施例1

表1为不同条件下堆芯的热点温度。由于内部具有缝隙，现有的陆地堆和太空堆均具有较高的热点温度。相比之下，本申请的实施例1和2所形成的陆地堆和太空堆，由于一体化的设计避免缝隙热阻，使得其热点温度较为稳定，均为740℃。

表1

对于单根传热为5kW，蒸发段的温度为700℃的热管-燃料组件来说，本发明中的设计不存在缝隙热阻导致的局部热点问题，相比于热管插入燃料通道的设计，整体堆芯温度分布更均匀，不同应用环境热点相差180℃以上，对于传热稳定性、材料使用寿命和堆芯安全极为重要。