一种核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构.pdf

本发明公开了一种核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，包括中心冷却热管、正六面柱体结构的核燃料棒，中心冷却管的蒸发段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。中心冷却管自内向外依次为中心蒸汽区、孔隙率为0.69的多孔吸液芯、液态环腔、管壁。中心蒸汽区在轴向上自底部到顶部依次包括蒸发段、绝热段、冷凝段，蒸发段的长度与核燃料棒的长度一致。核燃料棒的内部为燃料芯块、外部为包壳，中心冷却热管的蒸发段的管壁与核燃料棒芯孔内侧的包壳设计为一体。燃料芯块与包壳之间留有0.1mm的间隙。布局紧凑、安全性高、可靠性好，特别适用于空间核反应堆以及其他特殊用途的小型核反应堆。

1.  一种核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，包括中心冷却热管、核燃料棒，所述中心冷却管的蒸发段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。

2.  根据权利要求1所述的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，所述中心冷却管自内向外依次为中心蒸汽区、多孔吸液芯、液态环腔、管壁。

3.  根据权利要求2所述的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，所述中心蒸汽区在轴向上自底部到顶部依次包括蒸发段、绝热段、冷凝段，所述蒸发段的长度与核燃料棒的长度一致。

4.  根据权利要求3所述的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，所述多孔吸液芯的孔隙率为0.69。

5.  根据权利要求1至4任一项所述的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，所述核燃料棒的内部为燃料芯块、外部为包壳，所述中心冷却热管的蒸发段的管壁与所述核燃料棒芯孔内侧的包壳设计为一体。

6.  根据权利要求5所述的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，所述燃料芯块与所述包壳之间留有0.1mm的间隙。

7.  根据权利要求6所述的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其特征在于，所述核燃料棒为正六面柱体结构。

一种核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构
技术领域
本发明涉及一种核电能源技术，尤其涉及一种核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构。
背景技术
随着世界各国深空探测计划的开展与实施，未来在月球及其他星球表面进行空间基地建设将具有重大的科学、军事和政治价值。要在月球及其他星球表面建立空间基地，首先需要解决的是能源问题。而太阳能电池和同位素电池等方式难以空间基地满足大功率的实际需求，因此空间核反应堆在未来空间基地能源供应方面的优势明显。
美国、俄罗斯、日本等国均对空间核反应堆产生了浓厚的兴趣，研究并提出了数十种空间核反应堆系统方案，冷却方式包括热管冷却、液态金属冷却、气体冷却等。由于空间基地环境的复杂性，空间核反应堆堆芯应采取非能动冷却技术，热管冷却具有最优的热瞬态反馈性能、最优的可靠性、最低的保养需求，因此目前空间核反应堆设计大都采用热管冷却，燃料棒所产生的热量由冷却热管带出堆芯，再通过能量转换系统提供能源供应。
如图3a所示，在现有的空间核反应堆设计中，燃料棒与冷却热管被制作成外径相同的圆柱状，采用燃料棒与冷却热管的相邻布置方式。但是，这种布置方式由于受到热管几何形状的约束，燃料棒与热管之间必然存在间隙，造成燃料填充率较低，而燃料棒与冷却热管之间的间隙通过结构材料进行填充后，导致核反应堆临界质量以及堆芯总质量的增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种布局紧凑、安全性高、可靠性好的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，包括中心冷却热管、核燃料棒，所述中心冷却管的蒸发段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，由于中心冷却管的蒸发段置于所述核燃料棒中部的芯孔中，布局紧凑、安全性高、可靠性好，特别适用于空间核反应堆以及其他特殊用途的小型核反应堆。
附图说明
图1为本发明实施例提供的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构的径向截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构的轴向截面结构示意图；
图3a为现有技术中堆芯所采用的核燃料棒与冷却热管布置示意图；
图3b为本发明实施例提供的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构应用于堆芯设计的布置示意图。
图中：
1、燃料芯块，2、包壳，3、液态环腔，4、多孔吸液芯，5、中心蒸汽区，6、蒸发段，7、绝热段，8、冷凝段，9、核燃料棒，10、中心冷却热管(或冷却热管)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，其较佳的具体实施方式是：
包括中心冷却热管、核燃料棒，所述中心冷却管的蒸发段置于所述核燃料棒中部的芯孔中。
所述中心冷却管自内向外依次为中心蒸汽区、多孔吸液芯、液态环腔、管壁。
所述中心蒸汽区在轴向上自底部到顶部依次包括蒸发段、绝热段、冷凝段，所述蒸发段的长度与核燃料棒的长度一致。
所述多孔吸液芯的孔隙率为0.69。
所述核燃料棒的内部为燃料芯块、外部为包壳，所述中心冷却热管的蒸发段的管壁与所述核燃料棒芯孔内侧的包壳设计为一体。
所述燃料芯块与所述包壳之间留有0.1mm的间隙。
所述核燃料棒为正六面柱体结构。
本发明的核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构，克服了现有技术中的缺点，布局紧凑、安全性高、可靠性好，特别适用于空间核反应堆以及其他特殊用途的小型核反应堆。这种核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构可以在反应堆堆芯紧密布置，有效地提高堆芯的燃料填充度，减小堆芯的临界质量，从而可以减少结构材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯的总质量；同时，热管布置相对密度增加，可以有效避免单根热管失效所引发的问题，可靠性高。本发明实现了核燃料棒与中心冷却热管的嵌套一体化结构设计，采用的非能动紧凑设计，可有效提高反应堆的安全性和可靠性。
中心冷却热管蒸发段吸收燃料芯块产生的热量，并经过中心冷却热管绝热段和冷凝段将热量带出堆芯。燃料芯块与包壳之间留有0.1mm的间隙可以收纳裂变气体。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)核燃料棒为正六面柱体可紧凑布置，从而提高燃料填充度，降低核反应堆临界质量，减小堆芯体积。
(2)减少了结构材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯质量。
(3)热管布置相对密度增加，能够有效避免单根热管失效所引发的问题，可靠性高。
具体实施例：
以应用于空间核反应堆堆芯设计为例，核燃料棒与中心冷却热管的设计寿命均以堆芯寿期为参考，在堆芯寿期内无需更换。
如附图1、2所示，中心冷却热管10置于核燃料棒9中心，中心冷却热管蒸发段6与核燃料棒长度一致，中心冷却热管蒸发段6吸收燃料芯块1产生的热量，并经过中心冷却热管绝热段7和冷凝段8将热量带出堆芯。核燃料棒9内为燃料芯块1，核燃料棒9外为燃料棒包壳2。燃料芯块与包壳之间留有0.1mm的间隙以收纳裂变气体。中心冷却热管外壳与核燃料棒内包壳设计为一体，管内为孔隙率为0.69的多孔吸液芯4，吸液芯与管壁之间为液态环腔3，热管中心部位为中心蒸汽区5。
本发明应用于空间核反应堆堆芯设计的效果如图3b所示，燃料棒与冷却热管的布局相对于如图3a所示的现有技术中的堆芯设计更加紧凑，提高了燃料填充率，降低核反应堆临界质量，减小堆芯体积，同时也减少了结构材料、屏蔽材料的使用，降低堆芯质量。而且，热管布置相对密度增加，能够有效避免单根热管失效所引发的问题，可靠性高。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。