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一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構

閱讀：839發(fā)布：2020-05-11

專利匯可以提供一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構專利檢索，專利查詢，專利分析的服務。并且本 發(fā)明 屬于核 燃料 元件技術領域，具體涉及一種采用六棱柱包殼的 熱管 反應堆燃料元件的 堆芯 結構，包括：燃料元件1、熱管2、限位基體3、筒體容器4及堆芯上柵板5；其中所述燃料元件1和熱管2呈蜂窩型排布設置于筒體容器4內部，所述燃料元件1和熱管2的排列組合與筒體容器4內壁之間設有限位基體3，所述堆芯上柵板5設于筒體容器4上。，下面是一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構專利的具體信息內容。

1.一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：包括燃料元件(1)、熱管(2)、限位基體(3)、筒體容器(4)及堆芯上柵板(5)；其中所述燃料元件(1)和熱管(2)呈蜂窩型排布設置于筒體容器(4)內部，所述燃料元件(1)和熱管(2)的排列組合與筒體容器(4)內壁之間設有限位基體(3)，所述堆芯上柵板(5)設于筒體容器(4)上。
2.如權利要求1所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述燃料元件(1)和熱管(2)均為外形相同的六棱柱結構，每個熱管(2)外側設有六個燃料元件(1)組成完美契合的蜂窩型結構。
3.如權利要求2所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述燃料元件(1)包括：上端塞(11)、燃料元件六棱柱包殼管(12)、氣腔彈簧(13)、燃料芯塊(14)和下端塞(15)；所述燃料元件六棱柱包殼管(12)中空且兩端開口，所述上端塞(11)設于燃料元件六棱柱包殼管(12)上端開口處，下端塞(15)設于燃料元件六棱柱包殼管(12)下端開口處；位于燃料元件六棱柱包殼管(12)內部設有燃料芯塊(14)，所述燃料元件六棱柱包殼管(12)內部位于燃料芯塊(14)和燃料元件上端塞(11)之間設有氣腔彈簧(13)。
4.如權利要求3所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述下端塞(15)整體呈“T”字形結構，所述下端塞(15)的下端外表面設置有螺紋，用于下端塞(15)的下端插入筒體容器(4)底部的定位孔后通過螺母連接固定；
所述上端塞(11)的上部圓周開有環(huán)形凹臺，上端塞(11)的中段內部開有圓柱形空腔，空腔下部直徑大于空腔上部直徑，圓柱形空腔充入惰性氣體后進行堵孔焊；上端塞(11)與上柵板(5)之間通過壓緊彈簧壓緊。
5.如權利要求4所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述燃料芯塊(14)整體為圓柱體結構，燃料芯塊(14)材質包括：UN、UO2或者其它適用的燃料材料，燃料芯塊(14)與包殼內表面之間留有間隙。
6.如權利要求5所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述熱管(2)包括：熱管六棱柱包殼(21)、環(huán)形多孔吸液芯(22)及蒸汽區(qū)空腔(23)；
所述熱管六棱柱包殼(21)中空，內部設有環(huán)形多孔吸液芯(22)，所述環(huán)形多孔吸液芯(22)內部為蒸汽區(qū)空腔(23)。
7.如權利要求6所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述筒體容器(4)上端開口處設有筒體螺紋孔(42)；所述筒體容器(4)的底面上設有筒體定位孔(41)。
8.如權利要求7所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述堆芯上柵板(5)上設有上柵板定位通孔(51)、上柵板定位盲孔(52)及上柵板連接孔(53)；所述上柵板定位通孔(51)、上柵板定位盲孔(52)呈蜂窩排列，排列形態(tài)與所述燃料元件(1)和熱管(2)之間排布相同，且上柵板定位通孔(51)與熱管(2)位置相對應，熱管可以穿過堆芯上柵板(5)；上柵板定位盲孔(52)與燃料元件(1)位置相對應，所述上柵板定位盲孔(52)內放置有一個壓緊彈簧，用于與上端塞(11)接觸并壓緊燃料棒；所述上柵板連接孔(53)與筒體容器(4)上的筒體螺紋孔(42)位置對應。
9.如權利要求8所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述燃料元件(1)、熱管(2)的端部均設有固定插頭，插入對應的上柵板定位通孔(51)和上柵板定位盲孔(52)中。
10.如權利要求9所述的一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，其特征在于：所述筒體容器(4)的熱膨脹系數小且強度高，筒體容器(4)用于限制熱管包殼和燃料元件包殼以及限位基體的徑向膨脹，使各部件緊密接觸，增強傳熱，降低熱管與燃料元件之間的溫差，提高熱管效率。

說明書全文

一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構

技術領域

[0001] 本發(fā)明屬于核燃料元件技術領域，具體涉及一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構。

背景技術

[0002] 熱管是一種高效導熱元件，體積小、可靠性高。在反應堆中采用熱管導熱，可以避免原有反應堆中大型的回路式結構，避免使用大功率的機械泵等設備，極大簡化原有反應堆系統(tǒng)。除熱管內部工作介質為氣液兩相介質外，全堆芯材料均為固體結構，減少了化學腐蝕和流致振動的問題。熱管反應堆堆芯體積小、固有安全性高、低噪音、系統(tǒng)設備簡單可靠，結合熱電偶、熱聲、熱光伏等發(fā)電技術進行熱電轉換，可以廣泛用作深海核電源、水下核動力、海上核動力、陸上多用途核電源、邊遠寒冷地區(qū)供電供熱、空間和星表核電源等等。
[0003] 燃料元件和基體是熱管反應堆的核心，燃料元件需要能夠包容燃料芯塊、容納裂變氣體，同時與熱管緊密配合，以保證傳熱效率。對于固體結構的熱管反應堆，需要合理安排堆芯燃料、熱管和系統(tǒng)結構的布置，使堆芯能夠在熱膨脹和輻照腫脹、蠕變等作用下實現緊密配合，同時不因過大的接觸應力、熱應力等造成反應堆形變過大進而導致堆芯功能失效和熱管傳熱失效。現有技術中圓形燃料包殼和熱管包殼的基體與包殼之間的間隙過大。
[0004] 因此，需要設計一種采用六棱柱包殼結構的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，能夠最大化利用堆芯空間，可通過正六邊形結構緊密排列，省略基體與包殼之間的間隙，減小溫度梯度，提高熱管傳熱效率,提高堆芯安全裕量。

發(fā)明內容

[0005] 本發(fā)明目的是針對上述現有技術的不足，提供一種采用六棱柱包殼結構的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，用于解決現有技術中圓形燃料包殼和熱管包殼的基體與包殼之間的間隙過大，易造成反應堆形變過大進而導致堆芯功能失效和熱管傳熱失效的技術問題。
[0006] 本發(fā)明的技術方案：
[0007] 一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，包括：燃料元件1、熱管2、限位基體3、筒體容器4及堆芯上柵板5；其中所述燃料元件1和熱管2呈蜂窩型排布設置于筒體容器4內部，所述燃料元件1和熱管2的排列組合與筒體容器4內壁之間設有限位基體3，所述堆芯上柵板5設于筒體容器4上。
[0008] 所述燃料元件1和熱管2均為外形相同的六棱柱結構，每個熱管2外側設有六個燃料元件1組成完美契合的蜂窩型結果。
[0009] 所述燃料元件1包括：上端塞11、燃料元件六棱柱包殼管12、氣腔彈簧13、燃料芯塊14和下端塞15；所述燃料元件六棱柱包殼管12中空且兩端開口，所述上端塞11設于燃料元件六棱柱包殼管12上端開口處，下端塞15設于燃料元件六棱柱包殼管12下端開口處；位于燃料元件六棱柱包殼管12內部設有燃料芯塊14，所述燃料元件六棱柱包殼管12內部位于燃料芯塊14和燃料元件上端塞11之間設有氣腔彈簧13。
[0010] 所述下端塞15整體呈“T”字形結構，所述下端塞15的下端外表面設置有螺紋，用于下端塞15的下端插入筒體容器4底部的定位孔后通過螺母連接固定；
[0011] 所述上端塞11的上部圓周開有環(huán)形凹臺，上端塞11的中段內部開有圓柱形空腔，空腔下部直徑大于空腔上部直徑，圓柱形空腔充入惰性氣體后進行堵孔焊；上端塞11與上柵板5之間通過壓緊彈簧壓緊。
[0012] 所述燃料芯塊14整體為圓柱體結構，燃料芯塊14材質包括：UN、UO2或者其它適用的燃料材料，燃料芯塊14與包殼內表面之間留有間隙。
[0013] 所述熱管2包括：熱管六棱柱包殼21、環(huán)形多孔吸液芯22及蒸汽區(qū)空腔23；所述熱管六棱柱包殼21中空，內部設有環(huán)形多孔吸液芯22，所述環(huán)形多孔吸液芯22內部為蒸汽區(qū)空腔23。
[0014] 所述筒體容器4上端開口處設有筒體螺紋孔42；所述筒體容器4的底面上設有筒體定位孔41。
[0015] 所述堆芯上柵板5上設有上柵板定位通孔51、上柵板定位盲孔52及上柵板連接孔53；所述上柵板定位通孔51、上柵板定位盲孔52呈蜂窩排列，排列形態(tài)與所述燃料元件1和熱管2之間排布相同，且上柵板定位通孔51與熱管2位置相對應，熱管可以穿過堆芯上柵板
5；上柵板定位盲孔52與燃料元件1位置相對應，所述上柵板定位盲孔52內放置有一個壓緊彈簧，用于與上端塞11接觸并壓緊燃料棒；所述上柵板連接孔53與筒體容器4上的筒體螺紋孔42位置對應。
[0016] 所述燃料元件1、熱管2的端部均設有固定插頭，插入對應的上柵板定位通孔51和上柵板定位盲孔52中。
[0017] 所述筒體容器4的熱膨脹系數小且強度高，筒體容器4用于限制熱管包殼和燃料元件包殼以及限位基體的徑向膨脹，使各部件緊密接觸，增強傳熱，降低熱管與燃料元件之間的溫差，提高熱管效率。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] 本發(fā)明堆芯由燃料棒、熱管緊密排列而成，各燃料棒、熱管為單獨的部件，制造、組裝、布置方便，堆芯結構強度高、傳熱能力強，適用于堆芯小型化和可靠性要求較高的應用需求。
[0020] 本發(fā)明采用六棱柱外形的包殼管便于固體堆芯緊密排列，減少冗余堆芯結構；本發(fā)明采用熱膨脹小的筒體容器在外圍約束，使熱管和燃料元件熱膨脹之后剛好緊密貼合，通過接觸傳熱提高傳熱效率，降低燃料與熱管溫差；
[0021] 另外本發(fā)明減少基體結構的使用，避免包殼與基體之間出現氣隙，提高熱導率；通過設計包殼充當基體，厚度增加，能夠承受更大的載荷，增強包殼結構強度。附圖說明
[0022] 圖1為本發(fā)明設計的一種六棱柱包殼結構的熱管反應堆燃料元件示意圖[0023] 圖2為本發(fā)明所述的燃料元件上端塞結構示意圖
[0024] 圖3為本發(fā)明所述的燃料元件俯視示意圖
[0025] 圖4為本發(fā)明所述的熱管結構示意圖
[0026] 圖5為本發(fā)明所述的筒體容器結構示意圖
[0027] 圖6為本發(fā)明所述的堆芯上柵板主視圖
[0028] 圖7為本發(fā)明所述的堆芯上柵板側視圖
[0029] 圖8為本發(fā)明設計一種六棱柱包殼結構的熱管反應堆燃料元件的熱管反應堆堆芯結構布置局部放大圖；
[0030] 圖9為本發(fā)明設計一種六棱柱包殼結構的熱管反應堆燃料元件的熱管反應堆堆芯結構布置示意圖。
[0031] 圖中：1—燃料元件；2—熱管；3—限位基體；4—筒體容器；5—堆芯上柵板；11—上端塞；12—燃料元件六棱柱包殼管、13—氣腔彈簧、14—燃料芯塊、15—下端塞；21—熱管六棱柱包殼；22—環(huán)形多孔吸液芯；23—蒸汽區(qū)空腔；41—筒體定位孔；42—筒體螺紋孔；51—上柵板定位通孔；52—上柵板定位盲孔；53—上柵板連接孔；

具體實施方式

[0032] 下面結合附圖與實施例對本發(fā)明進行進一步的介紹：
[0033] 一種采用六棱柱包殼的熱管反應堆燃料元件的堆芯結構，包括燃料元件1、熱管2、限位基體3、筒體容器4及堆芯上柵板5；其中所述燃料元件1和熱管2呈蜂窩型排布設置于筒體容器4內部，所述燃料元件1和熱管2的排列組合與筒體容器4內壁之間設有限位基體3，所述堆芯上柵板5設于筒體容器4上。
[0034] 所述燃料元件1和熱管2均為外形相同的六棱柱結構，每個熱管2外側設有六個燃料元件1組成完美契合的蜂窩型結果。
[0035] 所述燃料元件1包括：上端塞11、燃料元件六棱柱包殼管12、氣腔彈簧13、燃料芯塊14和下端塞15；所述燃料元件六棱柱包殼管12中空且兩端開口，所述上端塞11設于燃料元件六棱柱包殼管12上端開口處，下端塞15設于燃料元件六棱柱包殼管12下端開口處；位于燃料元件六棱柱包殼管12內部設有燃料芯塊14，所述燃料元件六棱柱包殼管12內部位于燃料芯塊14和燃料元件上端塞11之間設有氣腔彈簧13。
[0036] 所述下端塞15整體呈“T”字形結構，所述下端塞15的下端外表面設置有螺紋，用于下端塞15的下端插入筒體容器4底部的定位孔后通過螺母連接固定；
[0037] 所述上端塞11的上部圓周開有環(huán)形凹臺，上端塞11的中段內部開有圓柱形空腔，空腔下部直徑大于空腔上部直徑，圓柱形空腔充入惰性氣體后進行堵孔焊；上端塞11與上柵板5之間通過壓緊彈簧壓緊。
[0038] 所述燃料芯塊14整體為圓柱體結構，燃料芯塊14材質包括：UN、UO2或者其它適用的燃料材料，燃料芯塊14與包殼內表面之間留有間隙。
[0039] 所述熱管2包括：熱管六棱柱包殼21、環(huán)形多孔吸液芯22及蒸汽區(qū)空腔23；所述熱管六棱柱包殼21中空，內部設有環(huán)形多孔吸液芯22，所述環(huán)形多孔吸液芯22內部為蒸汽區(qū)空腔23。
[0040] 所述筒體容器4上端開口處設有筒體螺紋孔42；所述筒體容器4的底面上設有筒體定位孔41。
[0041] 所述堆芯上柵板5上設有上柵板定位通孔51、上柵板定位盲孔52及上柵板連接孔53；所述上柵板定位通孔51、上柵板定位盲孔52呈蜂窩排列，排列形態(tài)與所述燃料元件1和熱管2之間排布相同，且上柵板定位通孔51與熱管2位置相對應，熱管可以穿過堆芯上柵板
5；上柵板定位盲孔52與燃料元件1位置相對應，所述上柵板定位盲孔52內放置有一個壓緊彈簧，用于與上端塞11接觸并壓緊燃料棒；所述上柵板連接孔53與筒體容器4上的筒體螺紋孔42位置對應。
[0042] 所述燃料元件1、熱管2的端部均設有固定插頭，插入對應的上柵板定位通孔51和上柵板定位盲孔52中。
[0043] 所述筒體容器4的熱膨脹系數小且強度高，筒體容器4用于限制熱管包殼和燃料元件包殼以及限位基體的徑向膨脹，使各部件緊密接觸，增強傳熱，降低熱管與燃料元件之間的溫差，提高熱管效率。
[0044] 所述包殼管外形為六棱柱，內腔為圓形。
[0045] 所述熱管2為高溫高效堿金屬熱管，蒸發(fā)段的包殼采用與燃料包殼截面尺寸相同的六棱柱包殼，下端留有同樣細長帶螺紋的連接棒，用于與筒體容器4的連接。
[0046] 所述限位基體通過施加軸線約束以便使堆芯在熱膨脹作用下保證固體結構完全接觸，確保堆芯具有較強的導熱能力。
[0047] 筒體容器4主要用于約束整個堆芯的徑向膨脹以及容納燃料元件和熱管蒸發(fā)段，因此需要采用熱膨脹系數較小的材料。
[0048] 熱管絕熱段和冷凝段可以根據實際需求過渡到圓管形狀或者保持六棱柱外形。
[0049] 筒體螺紋孔42用于與堆芯上柵板5進行連接，可以根據情況設置更多的筒體螺紋孔42。
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