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一种采用六棱柱包壳的热管反应堆 燃料元件的 堆芯结构

阅读：268发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于核燃料元件技术领域，具体涉及一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，包括：燃料元件1、热管2、限位基体3、筒体容器4及堆芯上栅板5；其中所述燃料元件1和热管2呈蜂窝型排布设置于筒体容器4内部，所述燃料元件1和热管2的排列组合与筒体容器4内壁之间设有限位基体3，所述堆芯上栅板5设于筒体容器4上。，下面是一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：包括燃料元件(1)、热管(2)、限位基体(3)、筒体容器(4)及堆芯上栅板(5)；其中所述燃料元件(1)和热管(2)呈蜂窝型排布设置于筒体容器(4)内部，所述燃料元件(1)和热管(2)的排列组合与筒体容器(4)内壁之间设有限位基体(3)，所述堆芯上栅板(5)设于筒体容器(4)上。
2.如权利要求1所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述燃料元件(1)和热管(2)均为外形相同的六棱柱结构，每个热管(2)外侧设有六个燃料元件(1)组成完美契合的蜂窝型结构。
3.如权利要求2所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述燃料元件(1)包括：上端塞(11)、燃料元件六棱柱包壳管(12)、气腔弹簧(13)、燃料芯块(14)和下端塞(15)；所述燃料元件六棱柱包壳管(12)中空且两端开口，所述上端塞(11)设于燃料元件六棱柱包壳管(12)上端开口处，下端塞(15)设于燃料元件六棱柱包壳管(12)下端开口处；位于燃料元件六棱柱包壳管(12)内部设有燃料芯块(14)，所述燃料元件六棱柱包壳管(12)内部位于燃料芯块(14)和燃料元件上端塞(11)之间设有气腔弹簧(13)。
4.如权利要求3所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述下端塞(15)整体呈“T”字形结构，所述下端塞(15)的下端外表面设置有螺纹，用于下端塞(15)的下端插入筒体容器(4)底部的定位孔后通过螺母连接固定；
所述上端塞(11)的上部圆周开有环形凹台，上端塞(11)的中段内部开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，圆柱形空腔充入惰性气体后进行堵孔焊；上端塞(11)与上栅板(5)之间通过压紧弹簧压紧。
5.如权利要求4所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述燃料芯块(14)整体为圆柱体结构，燃料芯块(14)材质包括：UN、UO2或者其它适用的燃料材料，燃料芯块(14)与包壳内表面之间留有间隙。
6.如权利要求5所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述热管(2)包括：热管六棱柱包壳(21)、环形多孔吸液芯(22)及蒸汽区空腔(23)；
所述热管六棱柱包壳(21)中空，内部设有环形多孔吸液芯(22)，所述环形多孔吸液芯(22)内部为蒸汽区空腔(23)。
7.如权利要求6所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述筒体容器(4)上端开口处设有筒体螺纹孔(42)；所述筒体容器(4)的底面上设有筒体定位孔(41)。
8.如权利要求7所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述堆芯上栅板(5)上设有上栅板定位通孔(51)、上栅板定位盲孔(52)及上栅板连接孔(53)；所述上栅板定位通孔(51)、上栅板定位盲孔(52)呈蜂窝排列，排列形态与所述燃料元件(1)和热管(2)之间排布相同，且上栅板定位通孔(51)与热管(2)位置相对应，热管可以穿过堆芯上栅板(5)；上栅板定位盲孔(52)与燃料元件(1)位置相对应，所述上栅板定位盲孔(52)内放置有一个压紧弹簧，用于与上端塞(11)接触并压紧燃料棒；所述上栅板连接孔(53)与筒体容器(4)上的筒体螺纹孔(42)位置对应。
9.如权利要求8所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述燃料元件(1)、热管(2)的端部均设有固定插头，插入对应的上栅板定位通孔(51)和上栅板定位盲孔(52)中。
10.如权利要求9所述的一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，其特征在于：所述筒体容器(4)的热膨胀系数小且强度高，筒体容器(4)用于限制热管包壳和燃料元件包壳以及限位基体的径向膨胀，使各部件紧密接触，增强传热，降低热管与燃料元件之间的温差，提高热管效率。

说明书全文

一种采用六棱柱包壳的热管反应堆 燃料元件的 堆芯结构

技术领域

[0001] 本发明属于核燃料元件技术领域，具体涉及一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构。

背景技术

[0002] 热管是一种高效导热元件，体积小、可靠性高。在反应堆中采用热管导热，可以避免原有反应堆中大型的回路式结构，避免使用大功率的机械泵等设备，极大简化原有反应堆系统。除热管内部工作介质为气液两相介质外，全堆芯材料均为固体结构，减少了化学腐蚀和流致振动的问题。热管反应堆堆芯体积小、固有安全性高、低噪音、系统设备简单可靠，结合热电偶、热声、热光伏等发电技术进行热电转换，可以广泛用作深海核电源、水下核动力、海上核动力、陆上多用途核电源、边远寒冷地区供电供热、空间和星表核电源等等。

[0003] 燃料元件和基体是热管反应堆的核心，燃料元件需要能够包容燃料芯块、容纳裂变气体，同时与热管紧密配合，以保证传热效率。对于固体结构的热管反应堆，需要合理安排堆芯燃料、热管和系统结构的布置，使堆芯能够在热膨胀和辐照肿胀、蠕变等作用下实现紧密配合，同时不因过大的接触应力、热应力等造成反应堆形变过大进而导致堆芯功能失效和热管传热失效。现有技术中圆形燃料包壳和热管包壳的基体与包壳之间的间隙过大。

[0004] 因此，需要设计一种采用六棱柱包壳结构的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，能够最大化利用堆芯空间，可通过正六边形结构紧密排列，省略基体与包壳之间的间隙，减小温度梯度，提高热管传热效率,提高堆芯安全裕量。

发明内容

[0005] 本发明目的是针对上述现有技术的不足，提供一种采用六棱柱包壳结构的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，用于解决现有技术中圆形燃料包壳和热管包壳的基体与包壳之间的间隙过大，易造成反应堆形变过大进而导致堆芯功能失效和热管传热失效的技术问题。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，包括：燃料元件1、热管2、限位基体3、筒体容器4及堆芯上栅板5；其中所述燃料元件1和热管2呈蜂窝型排布设置于筒体容器4内部，所述燃料元件1和热管2的排列组合与筒体容器4内壁之间设有限位基体3，所述堆芯上栅板5设于筒体容器4上。

[0008] 所述燃料元件1和热管2均为外形相同的六棱柱结构，每个热管2外侧设有六个燃料元件1组成完美契合的蜂窝型结果。

[0009] 所述燃料元件1包括：上端塞11、燃料元件六棱柱包壳管12、气腔弹簧13、燃料芯块14和下端塞15；所述燃料元件六棱柱包壳管12中空且两端开口，所述上端塞11设于燃料元件六棱柱包壳管12上端开口处，下端塞15设于燃料元件六棱柱包壳管12下端开口处；位于燃料元件六棱柱包壳管12内部设有燃料芯块14，所述燃料元件六棱柱包壳管12内部位于燃料芯块14和燃料元件上端塞11之间设有气腔弹簧13。

[0010] 所述下端塞15整体呈“T”字形结构，所述下端塞15的下端外表面设置有螺纹，用于下端塞15的下端插入筒体容器4底部的定位孔后通过螺母连接固定；

[0011] 所述上端塞11的上部圆周开有环形凹台，上端塞11的中段内部开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，圆柱形空腔充入惰性气体后进行堵孔焊；上端塞11与上栅板5之间通过压紧弹簧压紧。

[0012] 所述燃料芯块14整体为圆柱体结构，燃料芯块14材质包括：UN、UO2或者其它适用的燃料材料，燃料芯块14与包壳内表面之间留有间隙。

[0013] 所述热管2包括：热管六棱柱包壳21、环形多孔吸液芯22及蒸汽区空腔23；所述热管六棱柱包壳21中空，内部设有环形多孔吸液芯22，所述环形多孔吸液芯22内部为蒸汽区空腔23。

[0014] 所述筒体容器4上端开口处设有筒体螺纹孔42；所述筒体容器4的底面上设有筒体定位孔41。

[0015] 所述堆芯上栅板5上设有上栅板定位通孔51、上栅板定位盲孔52及上栅板连接孔53；所述上栅板定位通孔51、上栅板定位盲孔52呈蜂窝排列，排列形态与所述燃料元件1和热管2之间排布相同，且上栅板定位通孔51与热管2位置相对应，热管可以穿过堆芯上栅板
5；上栅板定位盲孔52与燃料元件1位置相对应，所述上栅板定位盲孔52内放置有一个压紧弹簧，用于与上端塞11接触并压紧燃料棒；所述上栅板连接孔53与筒体容器4上的筒体螺纹孔42位置对应。

[0016] 所述燃料元件1、热管2的端部均设有固定插头，插入对应的上栅板定位通孔51和上栅板定位盲孔52中。

[0017] 所述筒体容器4的热膨胀系数小且强度高，筒体容器4用于限制热管包壳和燃料元件包壳以及限位基体的径向膨胀，使各部件紧密接触，增强传热，降低热管与燃料元件之间的温差，提高热管效率。

[0018] 本发明的有益效果：

[0019] 本发明堆芯由燃料棒、热管紧密排列而成，各燃料棒、热管为单独的部件，制造、组装、布置方便，堆芯结构强度高、传热能力强，适用于堆芯小型化和可靠性要求较高的应用需求。

[0020] 本发明采用六棱柱外形的包壳管便于固体堆芯紧密排列，减少冗余堆芯结构；本发明采用热膨胀小的筒体容器在外围约束，使热管和燃料元件热膨胀之后刚好紧密贴合，通过接触传热提高传热效率，降低燃料与热管温差；

[0021] 另外本发明减少基体结构的使用，避免包壳与基体之间出现气隙，提高热导率；通过设计包壳充当基体，厚度增加，能够承受更大的载荷，增强包壳结构强度。附图说明

[0022] 图1为本发明设计的一种六棱柱包壳结构的热管反应堆燃料元件示意图[0023] 图2为本发明所述的燃料元件上端塞结构示意图

[0024] 图3为本发明所述的燃料元件俯视示意图

[0025] 图4为本发明所述的热管结构示意图

[0026] 图5为本发明所述的筒体容器结构示意图

[0027] 图6为本发明所述的堆芯上栅板主视图

[0028] 图7为本发明所述的堆芯上栅板侧视图

[0029] 图8为本发明设计一种六棱柱包壳结构的热管反应堆燃料元件的热管反应堆堆芯结构布置局部放大图；

[0030] 图9为本发明设计一种六棱柱包壳结构的热管反应堆燃料元件的热管反应堆堆芯结构布置示意图。

[0031] 图中：1—燃料元件；2—热管；3—限位基体；4—筒体容器；5—堆芯上栅板；11—上端塞；12—燃料元件六棱柱包壳管、13—气腔弹簧、14—燃料芯块、15—下端塞；21—热管六棱柱包壳；22—环形多孔吸液芯；23—蒸汽区空腔；41—筒体定位孔；42—筒体螺纹孔；51—上栅板定位通孔；52—上栅板定位盲孔；53—上栅板连接孔；

具体实施方式

[0032] 下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：

[0033] 一种采用六棱柱包壳的热管反应堆燃料元件的堆芯结构，包括燃料元件1、热管2、限位基体3、筒体容器4及堆芯上栅板5；其中所述燃料元件1和热管2呈蜂窝型排布设置于筒体容器4内部，所述燃料元件1和热管2的排列组合与筒体容器4内壁之间设有限位基体3，所述堆芯上栅板5设于筒体容器4上。

[0034] 所述燃料元件1和热管2均为外形相同的六棱柱结构，每个热管2外侧设有六个燃料元件1组成完美契合的蜂窝型结果。

[0035] 所述燃料元件1包括：上端塞11、燃料元件六棱柱包壳管12、气腔弹簧13、燃料芯块14和下端塞15；所述燃料元件六棱柱包壳管12中空且两端开口，所述上端塞11设于燃料元件六棱柱包壳管12上端开口处，下端塞15设于燃料元件六棱柱包壳管12下端开口处；位于燃料元件六棱柱包壳管12内部设有燃料芯块14，所述燃料元件六棱柱包壳管12内部位于燃料芯块14和燃料元件上端塞11之间设有气腔弹簧13。

[0036] 所述下端塞15整体呈“T”字形结构，所述下端塞15的下端外表面设置有螺纹，用于下端塞15的下端插入筒体容器4底部的定位孔后通过螺母连接固定；

[0037] 所述上端塞11的上部圆周开有环形凹台，上端塞11的中段内部开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，圆柱形空腔充入惰性气体后进行堵孔焊；上端塞11与上栅板5之间通过压紧弹簧压紧。

[0038] 所述燃料芯块14整体为圆柱体结构，燃料芯块14材质包括：UN、UO2或者其它适用的燃料材料，燃料芯块14与包壳内表面之间留有间隙。

[0039] 所述热管2包括：热管六棱柱包壳21、环形多孔吸液芯22及蒸汽区空腔23；所述热管六棱柱包壳21中空，内部设有环形多孔吸液芯22，所述环形多孔吸液芯22内部为蒸汽区空腔23。

[0040] 所述筒体容器4上端开口处设有筒体螺纹孔42；所述筒体容器4的底面上设有筒体定位孔41。

[0041] 所述堆芯上栅板5上设有上栅板定位通孔51、上栅板定位盲孔52及上栅板连接孔53；所述上栅板定位通孔51、上栅板定位盲孔52呈蜂窝排列，排列形态与所述燃料元件1和热管2之间排布相同，且上栅板定位通孔51与热管2位置相对应，热管可以穿过堆芯上栅板
5；上栅板定位盲孔52与燃料元件1位置相对应，所述上栅板定位盲孔52内放置有一个压紧弹簧，用于与上端塞11接触并压紧燃料棒；所述上栅板连接孔53与筒体容器4上的筒体螺纹孔42位置对应。

[0042] 所述燃料元件1、热管2的端部均设有固定插头，插入对应的上栅板定位通孔51和上栅板定位盲孔52中。

[0043] 所述筒体容器4的热膨胀系数小且强度高，筒体容器4用于限制热管包壳和燃料元件包壳以及限位基体的径向膨胀，使各部件紧密接触，增强传热，降低热管与燃料元件之间的温差，提高热管效率。

[0044] 所述包壳管外形为六棱柱，内腔为圆形。

[0045] 所述热管2为高温高效碱金属热管，蒸发段的包壳采用与燃料包壳截面尺寸相同的六棱柱包壳，下端留有同样细长带螺纹的连接棒，用于与筒体容器4的连接。

[0046] 所述限位基体通过施加轴线约束以便使堆芯在热膨胀作用下保证固体结构完全接触，确保堆芯具有较强的导热能力。

[0047] 筒体容器4主要用于约束整个堆芯的径向膨胀以及容纳燃料元件和热管蒸发段，因此需要采用热膨胀系数较小的材料。

[0048] 热管绝热段和冷凝段可以根据实际需求过渡到圆管形状或者保持六棱柱外形。

[0049] 筒体螺纹孔42用于与堆芯上栅板5进行连接，可以根据情况设置更多的筒体螺纹孔42。

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