核電源的製作方法

2024-04-12 19:57:05

1.本技術的實施例涉及核反應堆技術領域，具體涉及一種核電源。


背景技術：

2.核電源可以應用於航空航天領域，核電源通過核反應堆的堆芯產生熱能，並將熱能轉化為電能，實現為太空飛行器供能，使太空飛行器擺脫對太陽的能源依賴。
3.在核電源中，可以通過熱離子轉換元件將熱能轉化為電能。熱離子轉換元件在工作時，需要較高的溫度。相關技術中，為了滿足熱離子轉換元件的溫度需求，通常將熱離子轉換元件設置於堆芯內的燃料元件之中。


技術實現要素：

4.相關技術中，熱離子轉換元件設置於堆芯內的燃料元件之中時，熱離子轉換元件的發射極通常作為燃料元件的包殼。
5.本技術的發明人在研究中發現，燃料元件在輻照作用下可能會發生輻照腫脹現象，即燃料元件的體積變大。燃料元件的體積變大會導致作為燃料元件的包殼的發射極變形，進而可能導致熱離子轉換元件的發射極與接收極接觸形成短路，使熱離子轉換元件失效。
6.進一步地，燃料元件在反應堆運行過程中還會產生裂變產物，當熱離子轉換元件設置於堆芯內的燃料元件之中時，裂變產物容易進入熱離子轉換元件的發射極與接收極之間的間隙中，影響熱離子轉換元件的發電性能。
7.此外，熱離子轉換元件設置於堆芯內的燃料元件之中，還會導致燃料元件的結構複雜，進而導致用於容納燃料元件的反應堆容器結構複雜，增大了堆芯的研製難度和成本。
8.鑑於上述問題，本技術實施例提供一種核電源。核電源包括：堆芯，用於提供熱量；多根熱管，每根熱管的蒸發段插入堆芯內，每根熱管的冷凝段向外延伸出堆芯；以及多個熱離子轉換元件，設置於堆芯外，每個熱離子轉換元件與一根熱管的冷凝段熱連接，用於將熱管傳輸的熱量轉換成電能。
9.本技術實施例提供的核電源，將熱離子轉換元件設置在堆芯外，並通過熱管將堆芯的熱量傳輸至熱離子轉換元件，使熱離子轉換元件能夠產生電能，從而能夠避免由於燃料元件的輻照腫脹導致的熱離子轉換元件失效，還能避免裂變產物進入熱離子轉換元件的發射極和接收極之間的間隙而產生的不利影響，還能簡化堆芯結構，降低堆芯的研製難度和成本。
附圖說明
10.本技術的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施方式的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
11.圖1為本技術實施例的核電源的結構示意圖；
12.圖2為圖1所示的核電源的剖面示意圖；
13.圖3為圖2中核電源的局部放大示意圖；
14.圖4為圖3中沿a-a面的剖面示意圖；
15.圖5為本技術實施例的熱離子轉換元件安裝在熱管的冷凝段的示意性原理圖；
16.圖6為本技術實施例的熱管與堆芯的燃料元件的裝配示意圖；
17.圖7為本技術實施例的核電源的堆芯以及冷卻容器的剖面示意圖；
18.圖8為本技術實施例的核電源的堆芯的橫截面示意圖；
19.圖9為本技術實施例的核電源的散熱裝置的示意圖。
20.需要說明的是，附圖不一定按比例繪製，其僅以不影響本領域技術人員理解的示意性方式示出。
21.附圖標記說明：
22.10、堆芯；11、燃料元件；12、控制鼓；13、填充體；14、軸向反射層；15、徑向反射層；20、熱管；21、蒸發段；22、冷凝段；30、冷卻容器；301、第一端板；302、第二端板；303、周向側板；31、冷卻劑進口；32、冷卻劑出口；33、電磁泵；34、體積補償器；35、冷卻腔；40、散熱器；41、集流環；42、散熱熱管；43、散熱翅片；50、屏蔽體；51、控制鼓驅動機構；60、熱離子轉換元件；61、環形發射極；62、環形接收極；63、環形絕緣體；64、外殼。
具體實施方式
23.下面將結合本技術實施例中的附圖，對本技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本技術保護的範圍。對於本技術的實施例，還需要說明的是，在不衝突的情況下，本技術的實施例及實施例中的特徵可以相互組合以得到新的實施例。
24.本技術實施例提供一種核電源。本實施例中的核電源可以通過熱離子轉換元件將熱能轉化為電能。
25.如圖1、圖2和圖3所示，本技術實施例的核電源可以包括堆芯10、多根熱管20以及多個熱離子轉換元件60。
26.堆芯10用於提供熱量。結合圖7，堆芯10內可以設置有多個燃料元件11，燃料元件11發生裂變反應產生熱量，從而使堆芯10可以提供熱量。燃料元件11產生的熱量可以通過熱離子轉換元件60轉化為電能。在一些實施例中，燃料元件11可以由鎢基金屬陶瓷(w-uo2)製成，以提供更高的溫度。
27.熱管20用於將堆芯10提供的熱量傳輸至熱離子轉換元件60。熱管20的數量可以為多根。如圖6所示，每根熱管20可以包括蒸發段21和冷凝段22。熱管20中含有工作介質，工作介質在蒸發段21能夠吸收熱量並蒸發，蒸發後的工作介質運動至冷凝段22，在冷凝段22放出熱量並冷凝，從而完成熱量的傳輸，在冷凝段22冷凝的工作介質能夠重新回到蒸發段21，從而完成工作介質的循環。在一些實施例中，熱管20的管殼可以由鎢錸合金(w-26re)製成，熱管20內的工作介質可以為鋰。
28.本實施例中，每根熱管20的蒸發段21插入堆芯10內，用於從堆芯10中吸收熱量。每根熱管20的冷凝段22向外延伸出堆芯10，用於將堆芯10中的熱量傳輸至堆芯10外。
29.熱離子轉換元件60用於將熱管20傳輸的熱量轉換成電能。熱離子轉換元件60的數量可以為多個。如圖4所示，熱離子轉換元件60設置於堆芯10外，並與向外延伸出堆芯10的熱管20的冷凝段22連接，從而使冷凝段22的熱量能夠傳輸至熱離子轉換元件60，並通過熱離子轉換元件60轉換為電能。
30.熱離子轉換元件60需要在溫度超過1600℃的條件下才能正常工作，而相關技術中的核電源，只有在堆芯10內才能提供超過1600℃的溫度，因此，相關技術中，通常將熱離子轉換元件60設置在堆芯10內，才能滿足熱離子轉換元件60的工作溫度需求。
31.而本技術的發明人發現，採用鎢基金屬陶瓷製成的燃料元件11，其運行溫度可以超過2000k，而採用鎢錸合金製成的熱管20，其能夠在1875k的溫度下運行，從而使熱管20的冷凝段22的溫度可以達到1600℃以上，能夠實現熱離子轉換元件60的工作溫度需求，使得熱離子轉換元件60能夠利用熱管20傳熱的方式使用在堆芯10外。
32.本技術實施例提供的核電源，將熱離子轉換元件60設置在堆芯10外，並通過熱管20將堆芯10的熱量傳輸至熱離子轉換元件60，使熱離子轉換元件60能夠產生電能，從而能夠避免由於燃料元件11的輻照腫脹導致的熱離子轉換元件60失效，還能避免裂變產物進入熱離子轉換元件60的發射極和接收極之間的間隙而產生的不利影響，還能簡化堆芯10結構，降低堆芯10的研製難度和成本。
33.如圖5所示，在一些實施例中，熱離子轉換元件60包括環形發射極61、環形接收極62、環形絕緣體63以及外殼64。
34.環形發射極61套設於每根熱管20的冷凝段22的徑向外側。環形發射極61作為熱離子轉換元件60的發射極，與熱管20的冷凝段22之間絕緣、緊貼且導熱接觸。在本實施例中，環形發射極61在受到熱管20的冷凝段22加熱後，能夠發射電子。
35.環形接收極62位於環形發射極61徑向外側。環形發射極61發射的電子穿過環形發射極61和環形接收極62之間的間隙，到達環形接收極62並被環形接收極62接收，從而形成電流，產生電能。
36.環形絕緣體63位於環形接收極62的徑向外側，用於實現環形接收極62與其他部件之間的絕緣。
37.外殼64位於環形絕緣體63的徑向外側，外殼64與環形絕緣體63之間形成氣腔，氣腔中可以填充有氦氣。外殼64可以作為熱離子轉換元件60的外部邊界。
38.如圖1、圖2、圖3和圖7所示，在一些實施例中，核電源還包括冷卻容器30、冷卻劑進口31以及冷卻劑出口32。
39.冷卻容器30設置於堆芯10外，且與堆芯10間隔設置，即冷卻容器30與堆芯10相隔一定距離。冷卻容器30限定形成冷卻腔35，多個熱離子轉換元件60和多根熱管20的冷凝段22位於冷卻腔35內。
40.可以理解，熱管20的冷凝段22傳輸至熱離子轉換元件60的熱量並不能被熱離子轉換元件60完全利用，會有部分熱量殘留並積累，導致熱離子轉換元件60和熱管20的冷凝段22的溫度持續升高。為防止熱量的積累，本實施例中，在多個熱離子轉換元件60和多根熱管20的外部設置有冷卻容器30，通過使冷卻劑流經冷卻容器30，可以帶走熱離子轉換元件60和熱管20的冷凝段22周圍積累的熱量，使得熱離子轉換元件60和熱管20的冷凝段22能夠持續工作。
41.同時，相關技術中，每個熱離子轉換元件60在其最外側設有各自的冷卻劑通道，由於空間限制，冷卻劑通道通常較小，導致冷卻劑的流量分配十分困難，並對冷卻劑通道的製造精度要求非常高，一旦某個冷卻劑通道較其他通道更小，則該通道可能無法得到足夠的冷卻劑流量。而在本實施例中，所有熱離子轉換元件60可以共用一個冷卻腔35，不存在流量分配困難的問題。
42.冷卻劑進口31設置於冷卻容器30上，與冷卻腔35連通，用於向冷卻腔35中引入冷卻劑；冷卻劑出口32設置於冷卻容器30上，與冷卻腔35連通，用於將冷卻腔35中的冷卻劑引出。通過設置冷卻劑進口31和冷卻劑出口32，實現了冷卻劑在冷卻容器30中的流動。本實施例中，冷卻劑可以為鈉鉀合金。
43.如圖3所示，在一些實施例中，冷卻容器30包括相對的第一端板301和第二端板302，以及連接在第一端板301和第二端板302之間的周向側板303，熱管20的冷凝段22穿過第一端板301進入冷卻腔35後與第二端板302連接。
44.本實施例中，熱管20的冷凝段22穿過第一端板301進入冷卻腔35後與第二端板302連接，可以增加熱管20與冷卻容器30之間的連接強度，從而增加熱管20的穩定性；此外，不同熱管20的冷凝段22可以通過第一端板301和第二端板302交換熱量，從而有利於各個熱管20之間的溫度均勻。
45.在一些實施例中，熱離子轉換元件60的軸向兩端分別與第一端板301和第二端板302連接。可以理解，由於所有熱離子轉換元件60共用一個冷卻腔35，冷卻劑具有較大的流動空間，這可能導致冷卻劑在冷卻腔35內流動時，擾動較大，因此，本實施例中，熱離子轉換元件60的軸向兩端分別與第一端板301和第二端板302連接，可以增加熱離子轉換元件60的強度和穩定性，從而使核電源能夠更可靠地工作。在這樣的實施例中，熱管20和熱離子轉換元件60在冷卻腔35內均勻分布，有利於各熱離子轉換元件60的溫度保持基本一致且基本穩定，從而有利於保證電源輸出的持續穩定。
46.在一些實施例中，冷卻劑進口31和冷卻劑出口32分別設置於周向側板303相對的兩側，冷卻劑進口31設置於靠近第二端板302的周向側板303上，冷卻劑出口32設置於靠近第一端板301的周向側板303上。
47.本實施例中，冷卻劑進口31和冷卻劑出口32遠離堆芯10設置，可以減少冷卻劑進口31和冷卻劑出口32受堆芯10輻射的影響。同時，冷卻劑進口31在周向側板303上靠近第二端板302，冷卻劑出口32在周向側板303上靠近第一端板301，可以使冷卻劑流經整個冷卻腔35。此外，採用這種設置方式，當核電源在空間中工作時，不受重力影響，冷卻劑可以在冷卻腔35中均勻流動。
48.在一些實施例中，熱管20位於堆芯10內的管段的長度大於熱管20總長度的一半，熱管20位於冷卻腔35內的管段的長度為熱管20位於堆芯10和冷卻腔35之間的管段的長度的2倍以上。
49.本實施例中，通過使熱管20位於堆芯10內的管段的長度大於熱管20總長度的一半，可以使熱管20充分與堆芯10換熱，從而使熱管20從堆芯10中吸收更多的熱量；通過使熱管20位於冷卻腔35內的管段的長度為熱管20位於堆芯10和冷卻腔35之間的管段的長度的2倍以上，可以有利於熱管20的熱量傳遞至熱離子轉換元件60，減少熱量在堆芯10和冷卻腔35之間的管段的散失。
50.在一些實施例中，熱管20為具有唯一軸線的直管。本實施例中，通過將熱管20設置成具有唯一軸線的直管，可以使熱管20具有更好的導熱效率。同時，由於熱管20的管腔不具有屏蔽輻射的功能，通過這種設置方式，可以使熱離子轉換元件60套設於每根熱管20的冷凝段22的徑向外側，從而使堆芯10射線輻射不到熱離子轉換元件60，增加了熱離子轉換元件60的使用壽命。
51.在一些實施例中，堆芯10包括燃料元件11、徑向反射層15、控制鼓12以及兩個軸向反射層14。
52.燃料元件11的數量可以為多個，每個熱管20的蒸發段21插入一個燃料元件11的中部。燃料元件11的橫截面的形狀可以為正六邊形，每個熱管20可以與對應的燃料元件11同軸設置。徑向反射層15設置於多個燃料元件11的徑向外側。徑向反射層15用於防止燃料元件11產生的射線和熱量沿堆芯10的徑向洩漏。徑向反射層15可以為氧化鈹材質。
53.如圖8所示，控制鼓12的數量可以為多個，多個控制鼓12設置於徑向反射層15中。控制鼓12用於調節燃料元件11的核裂變反應速率，以實現反應堆功率的控制。控制鼓12的主體材料可以為氧化鈹，控制鼓12的吸收體材料為碳化硼。
54.如圖6所示，軸向反射層14的數量可以為兩個，兩個軸向反射層14分別設置於多個燃料元件11的軸向兩端。軸向反射層14用於防止燃料元件11產生的射線和熱量沿堆芯10的軸向洩漏。軸向反射層14可以為氧化鈹材質。
55.熱管20的蒸發段21可以穿過一個軸向反射層14插入燃料元件11，被熱管20的蒸發段21穿過的軸向反射層14可以設置在燃料元件11與熱離子轉換元件60之間，以防止熱離子轉換元件60受到輻照損壞。熱管20的蒸發段21可以與另一個軸向反射層14熱接觸但不插接，以使不同熱管20之間的溫度更加均勻。
56.如圖8所示，在一些實施例中，為填充燃料元件11與徑向反射層15之間的間隙，以更好地固定燃料元件11，核電源還包括填充體13，填充體13填充於燃料元件11與徑向反射層15之間的間隙中。填充體13的材質可以為氧化鈹。
57.如圖1和圖2所示，在一些實施例中，核電源還包括散熱器40，堆芯10可以設置在散熱器40和冷卻容器30之間，散熱器40用於將冷卻劑中的熱量散出到核電源所處的空間中。
58.如圖9所示，散熱器40可以包括集流環41、散熱熱管42以及散熱翅片43。集流環41與冷卻劑進口31和冷卻劑出口32通過管路連接，流經冷卻容器30的冷卻劑被加熱後，能夠流至集流環41，並將熱量傳輸至設置在集流環41上的散熱熱管42，散熱裝置熱管20最終將熱量傳輸至與其連接的散熱翅片43，並由散熱翅片43將熱量散出到核電源所處的空間中。散熱熱管42內的工作介質可以為鉀。
59.在一些實施例中，核電源還包括電磁泵33，電磁泵33設置在集流環41與冷卻劑進口31或冷卻劑出口32之間的管路上，用於為冷卻劑的循環提供動力。在一些實施例中，核電源還包括體積補償器34，用於補充冷卻劑的體積變化。
60.在一些實施例中，核電源還包括屏蔽體50，屏蔽體50設置在堆芯10和散熱器40之間。相對於其他種類的發電元件(如溫差發電器件、斯特林發電機等)而言，熱管20內部空腔不具備阻擋輻照射線的功能，這導致了貫穿屏蔽體50的輻照劑量增大，因此需要額外布置更多的屏蔽材料。本技術的實施例中，熱離子轉換部件耐輻照性能很好，可以與堆芯10一同布置於屏蔽體50的前端，因此熱管20無需貫穿屏蔽體50，這簡化了屏蔽體50的結構並減小
了屏蔽體50的重量，降低了研製難度和發射成本。此外，由於熱管20無需貫穿屏蔽體50而直接與熱離子轉換元件導熱連接，因此，熱管20的長度更短，且熱管20能夠為具有單一軸線的直管形狀，有利於增加熱管20的導熱效率。
61.在一些實施例中，核電源還包括控制鼓驅動機構51，控制鼓驅動機構51設置在屏蔽體50上，用於驅動控制鼓12的轉動。
62.核電源發射成功後，堆芯在控制鼓驅動機構51的作用下，控制鼓吸收體被緩慢轉向遠離燃料的位置，直至堆芯達到額定功率穩定運行狀態。
63.堆芯運行時，燃料產生熱量，該熱量由熱管20帶出，熱管20運行溫度約1800k，熱管20將熱量傳遞至熱離子轉換元件60，由熱離子轉換元件60產生電能，熱離子轉換元件60外側由鈉鉀合金冷卻，鈉鉀合金在電磁泵的驅動下，將廢熱傳輸至散熱器40，由散熱器40進行輻射排放。
64.同等功率下，本技術實施例與相關技術中的採用溫差發電或斯特林發電的空間核電源相比，由於熱離子轉換的廢熱排放溫度較溫差發電或斯特林發電高得多，因此採用熱離子轉換所需要的輻射器面積遠小於後兩者，這有利於減小系統的重量，並降低發射成本。
65.以斯特林發電為例進行計算說明：假設電功率均為10kwe，熱離子轉換系統效率5％，那麼其所需堆芯熱功率為200kwt，需排放廢熱為190kwt，熱離子轉換的廢熱排放溫度高達約800k，空間冷阱溫度約20k，假設輻射器表面發射率為0.9，則可由輻射散熱公式算得需有效輻射面積約為9.1m2；對於斯特林轉換，其系統效率20％，那麼其所需堆芯熱功率為50kwt，需排放廢熱僅為40kwt，斯特林轉換的廢熱排放溫度約453k，冷阱溫度及輻射器表面發射率參數與熱離子方案相同，則可由輻射散熱公式算得需有效輻射面積約為18.6m2，遠大於熱離子轉換所需的輻射面積。
66.以上僅為本技術的實施例，並非因此限制本技術的專利範圍，凡是利用本技術說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本技術的專利保護範圍內。