一种热管反应堆固态堆芯结构的制作方法

1.本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种热管反应堆固态堆芯结构。


背景技术：

2.热管反应堆(hpr)是指采用热管将反应堆堆芯产生的热量导出，传导至二回路系统或热电转换装置的反应堆，具有长寿期甚至全寿期无换料、高固有安全性、系统设备简单、高可靠性、易小型化等技术特点，是水下空间站、陆地移动核电源、海上能源开采、空间探测、小型局部区域供电供热的潜在能源供应选项。
3.堆芯是热管反应堆的关键部件，是反应堆能量的来源。热管反应堆采用固态堆芯，主要通过导热将裂变产生的热量从燃料棒传递给堆芯本体进而通过热管导出。由于固体的热膨胀产生接触应力可能导致堆芯结构破损，会对反应堆应用性能和结构安全产生较大的影响，因此，合理的燃料元件和堆芯结构设计，对于热管反应堆尤为重要。
4.现有技术中对于燃料棒、热管与堆芯本体连接，主要依靠燃料棒的端头、热管的端头塞与堆芯本体之间焊接，或销接的方式，考虑装配和热膨胀差，在燃料棒、热管与堆芯本体之间留有一定间隙，导致传热热阻增加，提高了燃料棒的运行温度，对于堆芯结构安全是不利的。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是燃料棒、热管与堆芯本体之间存在的间隙影响堆芯传热性能，目的在于提供一种热管反应堆固态堆芯结构，既实现了燃料棒、热管与堆芯本体之间更可靠简约的固定连接，同时又采用螺纹方式，增加了燃料棒、热管与堆芯本体之间的机械接触面积，在温度变化时也能保持良好的接触，从而增强堆芯的传热性能。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种热管反应堆固态堆芯结构，包括设置有安装通孔的堆芯本体，以及插入且贯穿所述安装通孔的柱体，所述柱体外壁面周向设置有外螺纹，所述安装通孔内壁面周向设置有与所述外螺纹配合使用的内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹的配合将所述柱体可拆卸的固定于所述安装通孔内，所述柱体为燃料棒或热管，所述柱体外壁面与所述安装通孔内壁面之间填充有石墨烯粉。
8.本发明通过在燃料棒或热管的外壁面设置外螺纹，与堆芯本体上安装通孔内壁面的外螺纹相配合，形成螺纹匹配连接。既方便了燃料棒、热管与堆芯本体之间的可靠连接，也增加了燃料棒、热管与堆芯本体之间的接触面和传热面，提高了反应堆的热转换效率。与此同时，本发明直接在燃料棒或热管的外壁面设置外螺纹，与安装通孔内壁的内螺纹进行螺纹连接固定，以简约的可靠连接结构，不需要额外其他的固定连接结构，保证了燃料棒、热管和堆芯本体三者之间的定位，又增大了固体接触面积，提高换热效率。同时可拆卸的螺纹连接方式，也方便了燃料棒及热管的更换和维修，提高了操作的便利性。通过石墨烯粉填充燃料棒或热管与堆芯本体之间的间隙，既可以容纳热膨胀导致的间隙变化，又可以提高
间隙导热能力，特别适用于热管反应堆。
9.进一步的，所述外螺纹位于所述柱体外壁面靠近所述堆芯本体底部的一端，所述内螺纹位于所述安装通孔内壁面靠近所述堆芯本体底部的一端。
10.进一步的，所述外螺纹沿所述柱体外壁面轴向的长度不大于所述安装通孔轴向长度的一半，所述内螺纹沿所述安装通孔内壁面轴向的长度不大于所述安装通孔轴向长度的一半。
11.进一步的，所述外螺纹沿所述柱体外壁面轴向的长度、所述内螺纹沿所述安装通孔内壁面轴向的长度，等于所述安装通孔轴向长度的一半。
12.进一步的，所述燃料棒包括包壳管、位于所述包壳管两端头且用于密封所述包壳管的上端塞和下端塞、位于所述包壳管内的气腔弹簧和燃料芯块；所述外螺纹设置于所述包壳管外壁面。
13.进一步的，所述燃料芯块为圆柱形芯块或环形芯块，所述燃料芯块的成分包括uo2、un等；所述包壳管内填充惰性气体，所述燃料芯块堆叠在所述包壳管靠近下端塞的一端，所述燃料芯块直径小于所述包壳管内径，以保证所述燃料芯块与所述包壳管之间留有间隙，所述燃料芯块与上端塞之间设有容纳裂变气体的贮气腔，所述气腔弹簧位于所述贮气腔中，所述气腔弹簧用于压缩固定所述燃料芯块。
14.进一步的，所述热管依次包括加热段、绝热段和冷凝段，所述外螺纹设置于所述加热段外壁面；
15.进一步的，所述内螺纹位于所述安装通孔内壁面靠近所述堆芯本体底部的一端，或，所述内螺纹位于所述安装通孔内壁面靠近所述堆芯本体顶部的一端。
16.进一步的，所述安装通孔包括多个燃料棒安装孔和多个热管安装孔，所述燃料棒安装孔与所述热管安装孔交错阵列布置，所述燃料棒安装孔中设置有燃料棒，所述热管安装孔中设置有热管；所述内螺纹位于所述燃料棒安装孔内壁面和所述热管安装孔的内壁面，所述外螺纹位于所述燃料棒的外壁面和所述热管的外壁面。
17.进一步的，所述堆芯本体为圆柱结构或多边形棱柱结构。
18.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
19.本发明通过燃料棒、热管外螺纹，堆芯本体上安装通孔内螺纹，实现可靠连接，不需要额外的定位、连接结构；结构简单、连接可靠、传热效率高，可应用于小型热管反应堆，适用于未来小型功率需求、多种应用场合热管反应堆需求；导热传热能力强，螺纹连接和石墨烯粉增大了燃料棒、热管和堆芯本体的接触面积，减小了气隙，增加了导热换热能力；燃料棒、热管与堆芯本体通过局部螺纹连接，安装方便。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
21.图1为堆芯结构横向剖面示意图；
22.图2为堆芯结构轴向剖面示意图；
23.图3为热管、燃料棒与堆芯本体螺纹连接处放大图；
24.图4为燃料棒结构示意图；
25.图5为燃料棒横向剖面示意图；
26.图6为热管结构示意图。
27.附图中标记及对应的零部件名称：
28.1-燃料棒，11-上端塞，12-气腔弹簧，13-包壳管，14-燃料芯块，15-下端塞，2-热管，22-加热段，23-绝热段，24-冷凝段，3-堆芯本体，4-外螺纹，5-石墨烯粉末。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
30.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
31.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
32.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
33.实施例1
34.本实施例1是一种热管反应堆固态堆芯结构，包括设置有安装通孔的堆芯本体，以及插入且贯穿安装通孔的柱体，柱体外壁面周向设置有外螺纹，安装通孔内壁面周向设置有与外螺纹配合使用的内螺纹，通过外螺纹与内螺纹的配合将柱体可拆卸的固定于安装通孔内，柱体为燃料棒或热管，柱体外壁面与安装通孔内壁面之间填充有石墨烯粉。
35.本实施例1通过在燃料棒或热管的外壁面设置外螺纹，与堆芯本体上安装通孔内壁面的外螺纹相配合，形成螺纹匹配连接。既方便了燃料棒、热管与堆芯本体之间的可靠连接，也增加了燃料棒、热管与堆芯本体之间的接触面和传热面，提高了反应堆的热转换效率。与此同时，本实施例1直接在燃料棒或热管的外壁面设置外螺纹，与安装通孔内壁的内螺纹进行螺纹连接固定，以简约的可靠连接结构，不需要额外其他的固定连接结构，保证了燃料棒、热管和堆芯本体三者之间的定位，又增大了固体接触面积，提高换热效率。同时可拆卸的螺纹连接方式，也方便了燃料棒及热管的更换和维修，提高了操作的便利性。通过石墨烯粉填充燃料棒或热管与堆芯本体之间的间隙，既可以容纳热膨胀导致的间隙变化，又
可以提高间隙导热能力，特别适用于热管反应堆。
36.在一种可能的实施例中，外螺纹位于柱体外壁面靠近堆芯本体底部的一端，内螺纹位于安装通孔内壁面靠近堆芯本体底部的一端。也就是柱体外面壁面的外螺纹和安装通孔内壁面的内螺纹均在靠近堆芯本体底部的位置。更一步的，外螺纹沿柱体外壁面轴向的长度不大于安装通孔轴向长度的一半，内螺纹沿安装通孔内壁面轴向的长度不大于安装通孔轴向长度的一半。也就是外螺纹和内螺纹的长度小于或等安装通孔的轴向长度。没有螺纹连接的空隙均由石墨烯粉进行填充。充分保障了柱体与堆芯本体之间的传热效率，此处的柱体是指燃料棒或热管。螺纹连接和石墨烯粉所体现的传热高效率，就是燃料棒与堆芯本体之间、热管与堆芯本体之间的高传热效率。最优选的方式是，外螺纹沿柱体外壁面轴向的长度、内螺纹沿安装通孔内壁面轴向的长度，等于安装通孔轴向长度的一半。对于安装通孔的内壁面来说，下半部分与热管或燃料棒通过螺纹连接进行传热，上半部分的空隙通过填充石墨烯粉与热管或燃料棒进行有效传热。
37.本实施例的燃料棒包括包壳管，包壳管两端头设置有上端塞和下端塞，上端塞用于密封包壳管的上端口，下端塞用于密封包壳管的下端口，包壳管内设置有气腔弹簧和燃料芯块；外螺纹设置于包壳管外壁面。
38.本实施例的燃料芯块为圆柱形芯块或环形芯块，燃料芯块的成分包括uo2、un；包壳管内填充惰性气体，燃料芯块堆叠在包壳管靠近下端塞的一端，燃料芯块直径小于包壳管内径，以保证燃料芯块与包壳管之间留有间隙，燃料芯块与上端塞之间设有容纳裂变气体的贮气腔，气腔弹簧位于贮气腔中，气腔弹簧用于压缩固定燃料芯块。
39.在一种可能的实施例中，热管依次包括加热段、绝热段和冷凝段，外螺纹设置于加热段外壁面；内螺纹既可能位于安装通孔内壁面靠近堆芯本体底部的一端，表示热管可以从堆芯本体的上端穿出；内螺纹也可能位于安装通孔内壁面靠近堆芯本体顶部的一端，表示热管可以从堆芯本体的下端穿出。
40.在一种可能的实施例中，安装通孔包括多个燃料棒安装孔和多个热管安装孔，燃料棒安装孔与热管安装孔交错阵列布置，燃料棒安装孔中设置有燃料棒，热管安装孔中设置有热管；内螺纹位于燃料棒安装孔内壁面和热管安装孔的内壁面，外螺纹位于燃料棒的外壁面和热管的外壁面。热管和燃料棒交错阵列布置，以使燃料棒散发的热量最大限度的被热管吸收。
41.实施例2
42.本实施例2是在实施例1的基础上，本实施例2通过部分螺纹连接结构设计和石墨烯粉填充，实现燃料棒、热管与堆芯本体的定位和传热功能，结构简单，不需其他固定连接结构。通过两端部分螺纹间的匹配和接触，既保证了燃料棒、热管和堆芯本体三者之间的定位，又增大了固体接触面积，提高换热效率。通过石墨烯粉填充燃料棒或热管与基体之间的间隙，既可以容纳热膨胀导致的间隙变化，又可以提高间隙导热能力，特别适用于热管反应堆。
43.具体来说，本实施例2的堆芯结构包括带螺纹的燃料棒、堆芯本体和热管。燃料棒采用下端开有外螺纹的圆柱形包壳管，包壳管外壁面下端与堆芯本体接触部分开有外螺纹，包壳管上下端通过端塞密封，内充高于大气压的惰性气体(如氦气)。圆柱形燃料芯块堆叠在包壳管内部，燃料芯块直径略小于包壳内径，使芯块与包壳间留有一定的气隙。燃料棒
上端留有贮气腔，包容裂变气体，贮气腔内用螺旋弹簧压缩固定燃料芯块。
44.热管为高温高效棒状碱金属(na、k、li等)热管，热管蒸发段的包壳管外壁下端开有外螺纹，用于将热管固定在堆芯本体结构内。燃料棒、热管和基体通过下端螺纹连接固定在一起。
45.热管与堆芯本体的间隙、燃料棒与堆芯本体的间隙，除螺纹连接段以外的其余空间填充石墨烯粉以增强导热。
46.堆芯本体是本实施例2堆芯结构的重要组成部分，燃料棒、热管均安装在堆芯本体上。堆芯本体上按照一定的排列关系设计有燃料棒、热管的安装孔，安装孔下端的内壁面均开有内螺纹。
47.本实施例2的具体结构如图1、图2和图3所示，包括燃料棒1、热管2和堆芯本体3组成。堆芯本体结构3可以是圆柱结构，也可以是多边形棱柱结构。堆芯本体结构上，按照一定的排列关系设计有很多燃料棒安装孔和热管安装孔，且每个孔下端内壁面都开有内螺纹。燃料棒包壳管外表面下端(除去上下端塞焊接部分)开有外螺纹4，与堆芯本体结构上的燃料棒安装孔通过螺纹连接固定在一起。热管的加热段外壁面开有外螺纹4，与堆芯本体结构上的热管安装孔通过螺纹连接固定在一起。热管在堆芯本体结构上的布置，可以从堆芯轴向一侧引出，也可以根据需要设计为两端对称引出，但无论哪种形式，热管在加热段的外壁面开设外螺纹4。在燃料棒1、热管2和堆芯本体3之间除螺纹段之外的空隙填充石墨烯粉末5以增强导热性能。
48.如图4和图5所示，燃料棒结构形式与传统压水堆燃料棒近似，主要由上端塞11、气腔弹簧12、包壳管13、燃料芯块14和下端塞15组成。在整个燃料棒包壳管外表面，开有外螺纹，外螺纹在轴向上的长度一般小于堆芯本体高度的一半；外螺纹与堆芯本体上的燃料棒安装孔内壁面的内螺纹紧密配合。燃料芯块采用圆柱形芯块或环形芯块，成分包括但不限于uo2、un等。包壳管内填充氦气，燃料芯块与包壳管之间留有一定的间隙，燃料芯块堆叠在包壳管下部，上方留有容纳裂变气体的气腔，用于包容裂变气体。燃料芯块可以采用圆柱或者环形燃料，
235
u的富集度在1～99％。
49.如图6所示，热管主要由加热段21、绝热段22、冷凝段23组成。加热段长度与堆芯本体的高度相当，靠近堆芯本体底部处的加热段外表面开有外螺纹，通过螺纹连接实现与堆芯本体的固定连接。绝热段是为了防止热管不必要的散热损失，冷凝段则连接热电转换装置等，将热量导出。除燃料芯块外，其他结构采用同种或异种材料，以保证安装的效果和相近的热膨胀系数，保障运行的可靠性和安全性。结构材料包括但不限于不锈钢、锆合金、镍基合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金、碳化硅陶瓷等。
50.本实施例2通过燃料棒外壳管下端外壁面的外螺纹与堆芯本体上燃料棒安装孔下端内壁面的内螺纹、热管加热段下端外壁面的外螺纹与堆芯本体上热管安装孔下端内壁面的内螺纹，通过螺纹连接的方式，将燃料棒和热管固定在堆芯本体的安装孔中，实现了可靠的固定连接，不需要额外的固定组件。
51.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。