一种空间堆热管理系统及工作方法

本发明涉及核反应堆设计技术领域，具体涉及一种空间堆热管理系统及工作方法。

背景技术：

空间堆为我们探索深空奥秘、发掘深海资源、维护国土安全提供一种全新的手段，如何进行高效可靠度的热管理是发展空间堆技术的关键问题。热管是一种非能动传热设备，其利用工质的相变(蒸发和冷凝)来传递热量，并通过吸液芯毛细力等作用维持工质循环。相比于传统的传热设备，热管具有结构简单、传热效率高、等温性好、非能动等特性。特别是热管不需要循环泵的参与并利用汽化潜热进行传热，热管的传热效率相比于传统设备，结构简化，传热效率提高，避免单点失效。同时热管可选用不同工质以适用于不同的温度范围，因而，采用热管进行传热的散热设备，结构简化，安全性提高。然而，传统的热管散热器一般是固定的，结构仍有优化的空间。本设计针对空间堆系统，提出一种空间堆热管理系统，分别针对反应堆系统和散热系统做出设计，为空间堆的热管理提供参考。

技术实现要素：

为实现在有限空间下的散热需求，本发明设计了一种空间堆热管理系统及工作方法，该空间堆热管理系统结构简化，利用热管非能动特点省略循环泵等管路设备，同时折叠设计大幅节省了占地空间，本发明可应用于汽车、航天器等装备的散热。

本发明采取以下设计方案：

一种空间堆热管理系统，其特征在于：包括空间堆堆芯11、堆芯热量导出系统12、能量转换系统13依次连接组成的能量产生转换系统，能量转换系统13、余热导出系统14、余热热交换器15依次连接组成的反应堆余热排出系统，余热导出系统14由冷却水管、循环水泵、冷却水箱组成，热量通过余热导出系统14由能量转换系统13传导至余热热交换器15中，分布于空间堆堆芯11的轴向和径向位置的堆芯屏蔽体16，能量产生转换系统、反应堆余热排出系统、堆芯屏蔽体16组成的反应堆系统1，热管23、散热翅片24嵌套组成的散热单元，热管夹套223固定于角度盘221，两个角度盘221通过传动轴222和连杆连接实现啮合，两个热管夹套端通过传热软管224连接，另一端安装热管，角度盘221、传动轴222、连杆、热管夹套223、传热软管224组成的角度调节器22，若干散热单元两端通过定位架21固定组成的散热器扇片；若干散热扇片之间通过角度调节器22依次连接组成的折叠式热管散热器系统2设置在反应堆系统1两侧，所述余热热交换器15与定位架21连接，实现反应堆系统1和折叠式热管散热器系统2的连接；所述能量产生转换系统、反应堆余热排出系统通过能量转换系统13连接，实现反应堆热量产生、转换、余热导出的功能；所述堆芯热量导出系统12穿过堆芯屏蔽体16，实现空间堆堆芯11产生能量的导出和辐射屏蔽。

所述空间堆堆芯11采用快中子反应堆、超热中子反应堆或热中子反应堆，堆芯采用慢化棒或控制棒、可燃毒物和控制转鼓进行空间堆堆芯功率控制，慢化棒或控制棒材料选用银-铟-铬、不锈钢、氧化破或碳化硼，可燃毒物材料选择氧化钆或碳化硼，控制转鼓材料选择碳化硼和铍的组合。

所述堆芯热量导出系统12采用回路式冷却方案，采用水、钠、铅铋、氦或氙作为冷却剂；采用回路式冷却方案时，堆芯热量导出系统12由热端、冷端、驱动泵、冷却水箱及之间的连接管路组成，热腿段插入堆芯，由管内工质吸收堆芯热量，经管路流至与能量转换系统13相连的冷腿段，热量通过导热与辐射传递至能量转换系统13，再由驱动泵作用下返回冷却水箱中。

所述堆芯热量导出系统12采用热管冷却方案，热管工质选用丙醇、乙醇、奈、水、汞、铷、铯、钾、钠、锂或银材料作为工作介质，实现由低温到高温区间的覆盖；采用热管冷却方案时，堆芯热量导出系统12由多根热管组成，热管蒸发段插入堆芯，吸收堆芯裂变释放出的能量，冷凝段与能量转换系统13相连，依靠导热进行热量传递。

所述能量转换系统13选用锑化铋温差发电器或斯特林发动机、热离子发电器。

所述堆芯屏蔽体16采用石墨、水、铅、氢化锂、碳化硼材料、钨层逐层交错排列方案，水层既能够慢化高能中子，又能够用来冷却；碳化硼层用来吸收中子，钨层用来屏蔽光子。

所述散热翅片24选用导热良好且具有较好延展性的金属，并在表面进行刻蚀以增强散热能力；所述热管23和散热翅片24组成基本的散热单元；所述热管23与散热翅片24采用一体式制造，增强可靠性；或所述热管23与散热翅片24采用焊接、套管等机械固定方式进行组合。

所述导热良好且具有较好延展性的金属采用铜或铝。

所述角度调节器22作为传热部件，热量通过热管23-热管夹套223-传热软管224-热管夹套223-热管23进行传递；所述热管夹套223采用导热性强的金属材料进行制造以减少传热热阻；所述热管夹套223与热管23之间采用导热良好且润滑性好的材料进行润滑和传热；所述传热软管224内部填充有导热介质进行热量传递，导热介质根据工作温度选用丙醇、乙醇、奈、导热油、水、汞、铷、铯、钾、钠或锂；所述角度调节器22作为机械部件，传动轴222转动带动角度盘221和热管夹套223运动，通过调节两个角度盘221的啮合角度调节相邻散热器扇片之间的开合角度，实现热管辐射散热器散热面积的改变和折叠的功能；完全伸展达到最佳的换热，或折叠减小占地面积，实现散热可控。

所述一种空间堆热管理系统的工作方法，空间堆堆芯11中发生核裂变释放的能量通过堆芯热量导出系统12导出到能量转换系统13，在能量转换系统13中热量转变为电能、机械能可直接利用的能量供空间堆使用，能量转换系统13中剩余热量通过余热导出系统14导入余热热交换器15，余热热交换器15将热量传递给折叠式热管散热器系统2；在折叠式热管散热系统2中，热量由余热热交换器15传递到角度调节器22，角度调节器22吸收热量温度升高，后将热量传递到热管23，热管23和散热翅片24组合形成散热单元；由于热管的传热效率高、等温性好，热量高效的通过热管23传递到散热翅片24，在散热翅片24上通过辐射和对流作用传递到环境中实现散热；散热功率较小时，通过角度调节器22将折叠式热管散热器系统2折叠，减小所需空间。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明中反应堆系统结构简单，采用二回路设计，一回路可选择多种能量传输与转换方式的组合，便于模块化设计，二回路采用折叠式热管散热器可实现散热面积的扩展和折叠，实现散热能力的动态调节，热管非能动、高效传热、等温性好等特性无需额外的循环泵，简化结构，节省空间，有利于实现安全高效散热。

本发明针提出一种空间堆热管理系统，本发明结构紧凑，质量较轻，可采用非能动设计能够极大地提升空间堆热管理性能。

附图说明

图1为空间堆热管理系统的示意图。

图2为热管冷却式反应堆系统的示意图。

图3为回路冷却式反应堆系统的示意图。

图4为角度调节器的示意图。

图5为折叠式热管散热器扇片的示意图。

图6为热管与翅片装配的示意图。

具体实施方式

现结合实例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明一种空间堆热管理系统，包括包括空间堆堆芯11、堆芯热量导出系统12、能量转换系统13依次连接组成的能量产生转换系统，能量转换系统13、余热导出系统14、余热热交换器15依次连接组成的反应堆余热排出系统，余热导出系统14由冷却水管、循环水泵、冷却水箱组成，热量通过余热导出系统14由能量转换系统13传导至余热热交换器15中，分布于空间堆堆芯11的轴向和径向位置的堆芯屏蔽体16，能量产生转换系统、反应堆余热排出系统、堆芯屏蔽体16组成的反应堆系统1，热管23、散热翅片24嵌套组成的散热单元，热管夹套223固定于角度盘221，两个角度盘221通过传动轴222和连杆连接实现啮合，两个热管夹套端通过传热软管224连接，另一端安装热管，角度盘221、传动轴222、连杆、热管夹套223、传热软管224组成的角度调节器22，若干散热单元两端通过定位架21固定组成的散热器扇片；若干散热扇片之间通过角度调节器22依次连接组成的折叠式热管散热器系统2；所述能量产生转换系统、反应堆余热排出系统通过能量转换系统13连接，实现反应堆热量产生、转换、余热导出的功能；所述堆芯热量导出系统12穿过堆芯屏蔽体16，实现空间堆堆芯11产生能量的导出和辐射屏蔽；所述能量产生转换系统、反应堆余热排出系统、堆芯屏蔽体16组成的反应堆系统1；所述余热热交换器15与定位架21连接，实现反应堆系统1和折叠式热管散热器系统2的连接。

如图2所示为热管冷却式反应堆系统的示意图，空间堆堆芯11中发生核裂变释放的能量通过热管和堆芯热量导出系统12导出到能量转换系统13，在能量转换系统13中热量转变为电能、机械能等可直接利用的能量供空间堆使用，能量转换系统13中剩余热量通过余热导出系统14导入余热热交换器15，余热热交换器15将热量传递给折叠式热管散热器系统2。

如图3所示为回路冷却式反应堆系统的示意图，空间堆堆芯11中发生核裂变释放的能量通过回路式的堆芯热量导出系统12导出到能量转换系统13，在能量转换系统13中热量转变为电能、机械能等可直接利用的能量供空间堆使用，能量转换系统13中剩余热量通过余热导出系统14导入余热热交换器15，余热热交换器15将热量传递给折叠式热管散热器系统2。

图4为角度调节器的示意图，传动轴222传递来自控制机构的转动力矩带动角度盘221旋转，角度盘221的旋转使得固定有热管23的热管夹套223移动，导致两个热管23的夹角变化。热量传递的方向为热管23-热管夹套223-传热软管224-热管夹套223-热管23。

如图5所示为折叠式热管散热器扇片的示意图，热量由余热热交换器15传递到定位架21，热量按照集流管21—角度调节器22—热管23—翅片24的次序依次在散热器扇片之间传递，热量在散热翅片24上通过辐射及对流最终传递到环境中，实现散热。

如图6所示为热管与翅片装配的示意图，所述热管23和散热翅片24组成基本的散热单元；热管23和散热翅片24通过套管进行连接，为改善传热，热管23与散热翅片24的间隙可选用石墨等高导热材料粉末。

作为本发明的优选实施方式，所述空间堆堆芯11可采用快中子反应堆、超热中子反应堆、热中子反应堆，堆芯采用慢化棒或控制棒、可燃毒物、控制转鼓等方案进行空间堆堆芯功率控制，慢化棒或控制棒材料选用银-铟-铬、不锈钢、氧化破或碳化硼等材料，可燃毒物材料选择氧化钆或碳化硼等，控制转鼓材料选择碳化硼和铍的组合。

作为本发明的优选实施方式，所述堆芯热量导出系统12可采用回路式冷却方案，采用水、钠、铅铋、氦或氙等作为冷却剂。。

作为本发明的优选实施方式，所述堆芯热量导出系统12可采用热管冷却方案，热管工质可选用丙醇、乙醇、奈、水、汞、铷、铯、钾、钠、锂或银等材料作为工作介质，实现由低温到高温区间的覆盖。

作为本发明的优选实施方式，所述能量转换系统13可选用锑化铋温差发电器、斯特林发动机或热离子发电器等方式。

作为本发明的优选实施方式，所述堆芯屏蔽体16采用石墨、水、铅、氢化锂、碳化硼材料逐层交错排列方案。

作为本发明的优选实施方式，所述热管23可根据热管辐射散热器散热量的需要和工作温度，选用丙醇、乙醇、奈、水、汞、铷、铯、钾、钠、锂或银等材料作为工作介质，实现由低温到高温区间的覆盖；所述散热翅片24可选用铜、铝等导热良好且具有较好延展性的金属，并在表面进行刻蚀以增强散热能力；所述热管23和散热翅片24组成基本的散热单元；所述热管23可与散热翅片24可采用一体式制造，增强可靠性；或所述热管23与散热翅片24可采用焊接、套管等机械固定方式进行组合。

作为本发明的优选实施方式，所述角度调节器22由角度盘221、传动轴222、连杆、热管夹套223、传热软管224组成，两个角度盘221通过传动轴222和连杆连接实现啮合，角度盘221上分别固定热管夹套223，两个热管夹套224一端通过传热软管224连接，另一端分别插入热管23；所述若干散热单元通过定位架21组合形成散热器扇片；所述散热器扇片之间通过角度调节器22相互连接；所述角度调节器(22)作为传热部件，热量通过热管23-热管夹套223-传热软管224-热管夹套223-热管23进行传递；所述热管夹套223可采用铜、铝等导热性较强的金属材料进行制造以减少传热热阻；所述热管夹套223与热管23之间可采用石墨等导热良好且润滑性好的材料进行润滑和传热；所述传热软管224内部填充有导热介质进行热量传递，导热介质根据工作温度可选用丙醇、乙醇、奈、导热油、水、汞、铷、铯、钾、钠或锂；所述角度调节器22作为机械部件，传动轴222转动带动角度盘221和热管夹套223运动，通过调节两个角度盘221的啮合角度调节相邻散热器扇片之间的开合角度，实现热管辐射散热器散热面积的改变和折叠的功能；可完全伸展达到最佳的换热，也可折叠减小占地面积，实现散热可控。

本发明的工作原理为：空间堆堆芯11中发生核裂变释放的能量通过堆芯热量导出系统12导出到能量转换系统13，在能量转换系统13中热量转变为电能、机械能等可直接利用的能量供空间堆使用，能量转换系统13中剩余热量通过余热导出系统14导入余热热交换器15，余热热交换器15将热量传递给折叠式热管散热器系统2。在折叠式热管散热系统2中，热量由余热热交换器15传递到角度调节器22，角度调节器22吸收热量温度升高，后将热量传递到热管23，热管23和散热翅片24组合形成散热单元。由于热管的传热效率高、等温性好，热量可以高效的通过热管23传递到散热翅片24，在散热翅片24上通过辐射和对流等作用传递到环境中实现散热。由于散热扇片2是偏平的，且通过角度调节器22相互连接，可以设置多个折叠式热管散热器系统2来获得较大的传热面积。散热功率较小时，可以通过角度调节器22将折叠式热管散热器系统2折叠，减小所需空间。通过上述设计，热管辐射散热器可以获得大范围的散热功率，同时热管辐射散热器储存所需的占地空间也大大缩小，省略了循环泵及管线，提升了热管辐射散热器的性能。