一種納米多孔材料填充型固態堆芯結構

2024-04-12 18:58:05 1

1.本發明涉及熱管冷卻式反應堆堆芯設計領域，具體涉及一種納米多孔材料填充型固態堆芯結構。


背景技術：

2.熱管冷卻反應堆(簡稱：熱管堆)與傳統迴路式反應堆有本質區別，該系統一迴路採用高溫熱管對堆芯進行冷卻，功率密度高、運行周期長、環境適應性好；二迴路採用級聯式寬溫域溫差發電裝置，集約度顯著、運行噪音低；整個系統運動部件少，具有較高可靠性和安全性，結合智能化控制的優勢，可全天候自主工作等突出優點，因此，熱管堆被認為是面向深海、深空等領域應用微小型無人化核動力的首選堆型之一。
3.熱管堆內熱量依靠熱管導出，熱管是熱管堆的非能動熱量傳輸裝置，具有很高的導熱性和良好的等溫性，穩態工況下其蒸發段和冷凝段溫度溫差很小。熱管的主要構造為一個部分裝有氣液兩相工質的真空管，管的內壁為由金屬絲網或其他多孔構成的吸液芯。熱管運行時，管內液相工質在蒸發段吸熱氣化，因氣液密度不同，蒸氣流向冷凝段並在該處凝結放熱，冷凝後的液相工質通過毛細作用或重力作用流回蒸發段。熱管是依靠工質相變和蒸氣擴散運動實現長距離靜默式能量輸運的裝置，其優點主要有：1)良好的導熱性：相比一般以顯熱方式傳熱的固體導熱要大2-3個數量級；2)理想的等溫性：熱管正常工作時，蒸發段和冷凝段的工質均處於飽和狀態，二者之間只存在使蒸氣流動的極微小的溫差；3)非能動特性：無需進行人為操作僅依靠重力或毛細壓力實現熱量傳輸。熱管技術已在航空航天、高原凍土等領域得到了廣泛應用，由於熱管具有傳熱效率高，無需運動部件，非能動固有安全性好等特點，熱管技術在先進核能系統中能具有獨特的優勢和廣闊應用前景。
4.反應堆系統物理設計和安全分析是反應堆設計的基礎和核心。與傳統水堆相比，熱管堆堆芯為全固態，由固態熱管、固態燃料以及固態填充基體材料組成，全固態堆芯與傳統反應堆「固態燃料-液態(或氣態)冷卻劑」的固(氣)液構型堆芯有著本質區別。在反應堆從冷態到熱態、熱態到冷態、變功率、長時間燃耗等過程中，由於全固態堆芯中燃料元件功率分布的變化，加之固固接觸的熱膨脹和應力變形，反應堆固態堆芯會出現顯著的複雜非均勻幾何變形，幾何變形會影響熱量從燃料棒向熱管傳遞，進而影響堆芯反應性和功率分布。另外，由於受中子輻照的影響，熱管工質(如li受輻照產生氦氣)會分解產生不凝結氣體，而不凝結氣體的存在一方面改變了熱管工質的工作壓力，另一方面也影響了鹼金屬工質的蒸發與凝結，從而對熱管的換熱性能產生影響。
5.目前關於減小基體非均勻形變影響和熱管堆傳熱優化已有一些相關研究。
6.例如中國專利cn 112102972 a提供了一種熱管堆堆芯傳熱方案，包括金屬基體、燃料棒、熱管和在燃料芯塊與基體之間的液態金屬。該燃料棒通過由液態金屬填充基體與燃料棒的間隙以強化換熱。但該設計中填充的液態金屬在與堆芯材料的兼容性不佳，在反應堆長期運行狀態下，熱管壁面易遭到腐蝕，從而降低其強度，此外，液態金屬佔用了大量氣體空間，對於熱管堆，由於其熱管工質會分解產生大量不凝結氣體，導致間隙內壓顯著升
高，會對熱管性能產生較大影響，無法保證堆芯安全性。
7.又如專利jp 11 183674提供了一種液態鈉填充芯塊-包殼間隙的設計，緩解芯塊-包殼機械相互作用(pellet-cladding mechanical interaction，pcmi)應力，保證包殼應力處於要求範圍內，並增強間隙導熱。但該燃料棒是針對鈉冷快堆進行設計，對於沒有嚴格密封堆芯要求的熱管堆來說，反應堆在高溫下運行，存在發生鈉沸騰的風險(鈉沸騰溫度為880℃)，會嚴重影響堆芯安全性。


技術實現要素：

8.本發明的目的是克服上述現有技術存在的問題，提供一種納米多孔材料填充型固態堆芯結構，該結構是一種高安全性的熱管堆堆芯結構，有效改善熱管、燃料和基體間的傳熱性能，同時解決基體輻照後熱導率下降導致燃料溫度偏高，以及發生pcmi後熱管失效風險高的問題。本發明採用發泡液態金屬代替傳統的氦氣(he)填充燃料芯塊與包殼、基體與熱管之間的部分間隙，大大提升間隙換熱能力，明顯降低燃料溫度。由於發泡液態金屬良好的導熱能力，適當增大燃料棒初始間隙尺寸，在保證燃料溫度幾乎不增大的情況下，避免運行過程中pcmi作用的發生，即避免基體及熱管壁面承受大的應力導致失效，顯著降低熱管失效概率，保證堆芯安全性。
9.為了實現上述目的，本發明採取了以下技術方案予以實施：
10.一種納米多孔材料填充型固態堆芯結構，包括燃料棒a、高溫熱管b、固態基體c以及納米多孔材料d，其特徵在於：所述固態基體c包括數個垂直通孔，中心垂直通孔容納高溫熱管b，徑向均勻分布其餘通孔中容納燃料棒a；所述納米多孔材料d徑向可壓縮性強，用於填充燃料棒與固態基體及固態基體和高溫熱管之間的間隙，以保證燃料棒內存在自由空間以容許燃料棒運行期間的熱膨脹、輻照腫脹效應導致的間隙體積減小，並同時容納運行過程中釋放的裂變氣體，保證燃料棒內壓及高溫熱管壁面壓力處於正常水平。
11.所述納米多孔材料d在反應堆正常運行溫度條件下熱導率高於10w
·
m-1
·
k-1
，具有開放孔隙結構，化學性質穩定，熱中子吸收截面比鋯合金低或相同。
12.所述納米多孔材料d填充間隙的固態基體的高溫熱管，布置方法為：在固態基體製造加工完成後，即冷態下，插入表面噴塗納米多孔材料d的高溫熱管b，其中多孔材料噴塗高度高於高溫熱管b蒸發段高度。
13.所述納米多孔材料d填充間隙的核燃料棒a中，納米多孔材料d處於燃料芯塊h與包殼之間間隙的環形空間；燃料芯塊h頂部為空腔，通過壓緊彈簧g與上端塞e連接，空腔內為填充氣體f或為真空狀態。
14.所述燃料包殼i採用與固態基體c相同的材料，可選材料為金屬材料或陶瓷材料，保證熱力性質相似，燃料包殼與固態基體直接接觸，並保證燃料包殼的氣密性。
15.在燃料棒a製造加工完成時，即冷態下，所述納米多孔材料d填充高度高於燃料芯塊h總高度。
16.所述填充氣體f採用氦氣時，氦氣填充燃料棒除納米多孔材料d填充後的剩餘空間，填充氦氣壓力為數mpa。
17.所述納米多孔材料d採用高孔隙率高導熱率納米多孔材料。
18.所述高孔隙率高導熱率納米多孔材料為發泡液態金屬碳酸氫鈉摻雜稼、多孔泡沫
鋁、多孔泡沫鉬或碳納米管。
19.初始加工完成的納米多孔材料填充燃料棒活性區的芯塊-包殼間隙空間及熱管蒸發段外壁面的間隙空間。在反應堆運行工況下，納米多孔材料防止燃料芯塊偏心，大幅提高間隙導熱性能，降低燃料溫度，減小熱管壁面應力，提高堆芯安全性。
20.由於間隙填充材料為多孔，其對基體施加的壓力與燃料棒內部氣體壓力基本一致，不會導致包殼受到額外壓力。在本發明中，初始製造間隙尺寸大於傳統燃料棒，由於多孔材料相比於氦氣極強的導熱性能，在增大的間隙尺寸下芯塊外壁面與包殼內壁面溫差仍保持在極小的水平，即燃料溫度幾乎不會因間隙的略微增大而上升。
21.該增大的間隙尺寸由燃料棒運行功率決定，保證在反應堆運行期間燃料芯塊外徑的增大不會導致間隙完全閉合而與基體發生直接接觸，同時納米多孔材料在徑向上通過壓縮變形，從而限制燃料芯塊膨脹，使得燃料芯塊在輻照下傳遞給基體的應力低於其閾值，避免其發生失效。
22.本發明具有以下優點和有益效果：
23.1.由於本發明中，採用高熱導率的納米多孔材料填充間隙，因此，正常運行工況下，燃料芯塊峰值溫度低於1800k，保證燃料芯塊溫度具有足夠的安全裕量。
24.2.納米多孔材料間隙填充材料不會對基體施加額外的壓力。
25.3.由於本發明中，納米多孔材料填充燃料棒與固態基體及固態基體和高溫熱管之間的間隙，初始製造間隙尺寸大於傳統燃料棒，因此，在反應堆正常運行工況下，不會發生pcmi作用，燃料芯塊在輻照下傳遞給基體的應力低於其閾值，顯著降低其失效概率，保證基體完整性。
26.4.由於在反應堆正常運行工況下，不會發生pcmi作用，因此，避免了熱管壁面因機械損傷發生熱管傳熱效率下降從而導致燃料溫度進一步升高的現象。
附圖說明
27.圖1為本發明納米多孔材料填充型固態堆芯縱剖示意圖。
28.圖2為本發明納米多孔材料填充型固態堆芯橫截面示意圖。
29.圖3為本發明堆芯優化方案中的核燃料棒結構示意圖。
30.圖4為本發明堆芯優化方案中的核燃料棒橫截面示意圖。
具體實施方式
31.下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。
32.如圖1和圖2所示為本發明的用於提高熱管堆安全性的納米多孔材料填充型固態堆芯的一個實例，包括燃料棒a、高溫熱管b、固態基體c以及用於填充燃料芯塊-燃料包殼及高溫熱管-固態基體間隙的納米多孔材料d；所述固態基體c包括數個垂直通孔，中心垂直通孔容納高溫熱管b，徑向均勻分布其餘每個通孔各容納一根燃料棒a；所述燃料棒a包括處於燃料芯塊h與燃料包殼i之間環形空間的納米多孔材料d；燃料芯塊h頂部為空腔，通過壓緊彈簧g與上端塞e連接，空腔內為填充氣體f。
33.納米多孔材料d完全插入燃料包殼和燃料芯塊及固態基體和高溫熱管之間，高度至少超過堆疊的燃料芯塊，徑向可壓縮性強，以保證燃料棒內存在自由空間以容許燃料棒
運行期間的熱膨脹、輻照腫脹效應導致的間隙體積減小，並容納運行過程中釋放的裂變氣體(僅針對燃料採用密封設計方案)，保證燃料棒內壓及高溫熱管壁面壓力處於正常水平。
34.燃料包殼i採用與固態基體c相同的材料，可選材料為金屬材料及陶瓷材料，保證熱力性質相似，燃料包殼與固態基體直接接觸，並保證燃料包殼的氣密性。多孔材料d可壓縮性強，主要承受壓應力，保證包殼不會發生破碎。
35.納米多孔材料d應選用孔隙率高、熱導率高、中子經濟性好、化學性質穩定的材料，在本實例中採用發泡液態金屬碳酸氫鈉摻雜稼(lmf)、多孔泡沫鋁、多孔泡沫鉬、碳納米管等高孔隙率高導熱率納米多孔材料。也可選用其他發泡液態金屬。
36.納米多孔材料d在高溫熱管制造加工時進行填充，填充高度覆蓋高溫熱管蒸發區高度，即高溫熱管插入堆芯內總高度。一方面提供較高熱導率，以保證由冷態向熱態轉變時，熱管能順利啟動；另一方面，納米多孔材料較大的可壓縮性保證高溫熱管有充足的裕量插入堆芯。若高溫熱管與固態基體配合間隙過小，會導致運行期間高溫熱管承受較大應力，導致傳熱性能下降，對高溫熱管堆安全性不利。
37.燃料芯塊h為反應堆常用燃料芯塊，本實例中採用傳統二氧化鈾芯塊，本發明也可採用摻雜燃料芯塊、高密度芯塊等新型燃料芯塊。
38.填充氣體f採用氦氣或真空。在傳統核燃料棒中，一般初始填充氦氣具有較大的壓力，目的是提高間隙換熱能力，並與外界冷卻劑壓力相平衡以降低包殼蠕變速率。對於本發明採用的核燃料棒，高功率區域的間隙導熱依靠納米多孔材料，其導熱性能遠高於氦氣；另外燃料包殼材料與固態基體相同，並且能夠承受大的壓應力，故填充的氦氣可以具有較低的壓力，以容納更多反應堆運行期間產生的裂變氣體。本實例中填充壓力可靈活選取，量級為mpa。
39.由於納米多孔材料佔據了燃料棒內部大部分自由空間，剩餘容納裂變氣體的空間相比傳統燃料棒較小，在相同燃耗下可能導致較大的燃料棒內壓。故本發明的核燃料棒採用了更大的上空腔設計(及壓緊彈簧b所處區域)或採用無密封設計，以保證燃耗後期燃料棒內壓處於正常水平。
40.本發明通過在芯塊-基體間隙與基體-熱管壁間隙中引入納米多孔材料，代替了原有氦氣等高導熱率氣體填充或真空設計方案，避免了填充氣體帶來的密封性難題，並可顯著增強間隙換熱能力，明顯降低燃料、基體峰值溫度及徑向溫度梯度，從而降低燃料、基體變形及應力水平；同時由於多孔材料具有良好的壓縮特性，受到壓力作用後發生收縮、孔隙率降低，從而可緩解或避免反應堆運行期間燃料芯塊與基體、熱管與基體發生強機械相互作用，減少固態基體非均勻形變，可顯著降低高溫熱管失效概率，提高熱管堆運行的安全性。
41.以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。