燃料单元、燃料元件和反应堆堆芯

1.本发明涉及核能推进领域，具体地，涉及一种燃料单元、燃料元件和反应堆堆芯。


背景技术：

2.核热推进反应堆采用氢气作为冷却剂，燃料设计常采用直孔石墨六棱柱形式的固态堆和螺旋管形式的金属堆。其中，相关技术中相同长度尺寸直孔石墨六棱柱形式的固态堆相较于螺旋管形式的金属堆，直孔道的长度明显小于螺旋管道的长度，因此直孔石墨六棱柱形式的固态堆存在换热系数小，而螺旋管形式的金属堆存在制造难度大的问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的实施例提出一种燃料单元，该燃料单元方便制造，并且该燃料单元堆叠后形成的燃料元件具有换热系数高的优点。
5.本发明的实施例提出一种燃料元件，该燃料元件具有方便制造、换热系数高的优点。
6.本发明的实施例提出一种反应堆堆芯，该反应堆堆芯的燃料元件具有方便制造、换热系数高的优点。
7.本发明实施例的燃料单元包括：主体；第一面和第二面，所述第一面和所述第二面沿所述主体的厚度方向相对设置，所述第一面上设有多个第一开口，多个所述第一开口的至少部分围绕所述主体的中心轴线设置，所述第二面上设有多个第二开口，多个所述第二开口的至少部分围绕所述主体的中心轴线设置，多个所述第二开口与多个所述第一开口一一对应，所述主体的厚度方向与所述主体的中心轴线的延伸方向一致；多个连接孔道，多个所述连接孔道与多个所述第一开口以及多个所述第二开口一一对应，所述连接孔道连通所述第一开口和所述第二开口，且所述第一开口与所述第二开口在所述主体的中心轴线的周向上间隔开。
8.本发明实施例的燃料单元上开设连通孔道可以方便制造，并且将多个燃料单元堆叠形成燃料元件，连通孔道形成螺旋形孔道，增加了气体流动的距离，可以提高换热效果。
9.此外，还可以通过改变燃料单元的连通孔道的径向尺寸或者改变燃料单元本身的厚度，以改变连接孔道形成的螺旋形孔道，从而能够增加或减少螺旋形孔道的长度。
10.由此，本发明实施例的燃料单元方便制造，并且该燃料单元堆叠后形成的燃料元件具有换热系数高的优点。
11.在一些实施例中，还包括中心孔，所述中心孔沿所述主体的厚度方向贯穿所述第一面和所述第二面，所述中心孔的轴线与所述主体的中心轴线重合。
12.在一些实施例中，多个所述第一开口包括多个第一组，所述第一组围绕所述中心孔设置，且多个所述第一组沿所述中心孔的径向方向间隔开；多个所述第二开口包括多个第二组，所述第二组围绕所述中心孔设置，且多个所述第二组沿所述中心孔的径向方向间
隔开。
13.在一些实施例中，所述连接孔道的中心轴线为弧线。
14.在一些实施例中，所述连接孔道的中心轴线为直线。
15.在一些实施例中，所述主体在所述厚度方向上的尺寸大于等于10毫米且小于等于100毫米。
16.在一些实施例中，连接孔道的径向尺寸大于等于1毫米且小于等于10毫米，且所述第一开口的数量大于等于10且小于等于50。
17.本发明实施例的燃料元件包括根据上述实施例中任一项所述的燃料单元。
18.在一些实施例中，所述燃料单元有多个，多个所述燃料单元沿所述主体的厚度方向依次堆叠形成所述燃料元件，且相邻两个所述燃料单元中一者的第一开口与另一者的第二开口连通。
19.本发明实施例的反应堆堆芯包括根据上述实施例中所述的燃料元件。
附图说明
20.图1是本发明实施例的燃料单元的结构示意图。
21.图2是图1中a-a面的剖视示意图。
22.图3是本发明实施例的燃料元件的结构示意图。
23.图4是图3中b-b面的剖视示意图。
24.附图标记：
25.燃料单元1；主体11；第一面111；第一开口1111；第二面112；第二开口1121；连接孔道113；中心孔114；
26.燃料元件2。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.下面根据附图描述本发明实施例的燃料单元1。
29.如图1和图2所示，本发明实施例的燃料单元1包括：主体11、第一面111、第二面112和多个连接孔道113。
30.第一面111和第二面112沿主体11的厚度方向(如图2中的上下方向)相对设置，第一面111上设有多个第一开口1111，多个第一开口1111的至少部分围绕主体11的中心轴线设置，第二面112上设有多个第二开口1121，多个第二开口1121的至少部分围绕主体11的中心轴线设置，多个第二开口1121与多个第一开口1111一一对应，主体11的厚度方向与主体11的中心轴线的延伸方向一致。多个连接孔道113与多个第一开口1111以及多个第二开口1121一一对应，连接孔道113连通第一开口1111和第二开口1121，且第一开口1111与第二开口1121在主体11的中心轴线的周向上间隔开。
31.具体地，如图所示，第一面111和第二面112在上下方向相对设置，即主体11的上表面为第一面111，主体11的下表面为第二面112。多个第一开口1111、多个第二开口1121和多个连接孔道113的数量均一致。
32.可以理解的是，多个第一开口1111的部分围绕主体11的中心轴线设置，即该部分第一开口1111可以均布在以主体11的中心轴线在第一面111上的投影为圆心、以第一开口1111中心到主体11的中心轴线的距离为半径的圆上，同理，多个第一开口1111的其它部分也均布在第一面111上。
33.一个连接孔道113连通一个第一开口1111与一个第二开口1121，该第一开口1111与该第二开口1121在主体11的中心轴线的周向上具有间隙，即，该第一开口1111在第二面112上的投影与该第二开口1121在第二面112上的投影之间具有间隙，则该连接孔道113的中心轴线与上下方向之间具有大于0度的夹角。
34.也就是说，多个本发明实施例的燃料单元1堆叠可以形成燃料元件，由于连接通道的中心轴线与上下方向之间具有夹角，因此，多个燃料单元1上的连通孔道相连形成螺旋形孔道，增加了气体流动的距离，进而提高换热效果。而且燃料单元1的结构简单，还方便制造。
35.此外，改变燃料单元1的连通孔道的径向尺寸或者改变燃料单元1本身的厚度，以改变连接孔道113形成的螺旋形孔道的路径尺寸，从而能够增加或减少螺旋形孔道的长度。
36.由此，本发明实施例的燃料单元1方便制造，并且该燃料单元1堆叠后形成的燃料元件具有换热系数高的优点。
37.需要说明的是，燃料单元1的主体11可以为正棱柱，优选地，如图1所示，主体11为正六棱柱。
38.在一些实施例中，本发明实施例的燃料单元1还包括中心孔114，中心孔114沿主体11的厚度方向贯穿第一面111和第二面112，中心孔114的轴线与主体11的中心轴线重合。
39.具体地，如图所示，中心孔114为直孔，即中心孔114的轴线延伸方向与上下方向一致，中心孔114沿上下方向贯穿第一面111和第二面112。
40.可以理解的是，中心孔114可以用于安装支撑件或者其它组件，例如，可用于安装结构支撑棒(图中未示出)等。
41.在一些实施例中，多个第一开口1111包括多个第一组，第一组围绕中心孔114设置，且多个第一组沿中心孔114的径向方向间隔开。多个第二开口1121包括多个第二组，第二组围绕中心孔114设置，且多个第二组沿中心孔114的径向方向间隔开。
42.具体地，如图所示，多个第一开口1111分为多个部分，每一个部分包括多个第一开口1111，该多个第一开口1111形成第一组，也就是说，一个第一组均由多个第一开口1111组成，该一个第一组的多个第一开口1111围绕中心孔114设置。其中，该一个第一组的多个第一开口1111可以绕中心孔114的周向均匀地间隔布置，即该一个第一组的多个第一开口1111均布在以中心孔114的中心为圆心、以该一个第一组中的一个第一开口1111的中心到中心孔114的中心的距离为半径的圆上。其它的第一组沿中心孔114的径向方向与该一个第一组间隔布置。同理，与该一个第一组对应的一个第二组中的多个第二开口1121均布在以中心孔114的中心为圆心、以该一个第二组中的一个第二开口1121的中心到中心孔114的中心的距离为半径的圆上，其它的第二组沿中心孔114的径向方向与该一个第二组间隔布置。
43.可选地，如图1所示，主体11为正六棱柱，则一个第一组中的多个第一开口1111的中心依次相连围成的形状为正六边形，一个第一组中的每两个相邻第一开口1111之间的距离相等。同理，第二组中的多个第二开口1121的中心依次相连围成的形状也为正六边形。
44.可选地，连接孔道113的中心轴线为弧线。即连接孔道113为弧形孔道，且多个燃料单元1堆叠形成燃料元件后，燃料单元1上的连接孔道113连通，还可以形成螺旋形孔道，以便增加其用于换热的路径尺寸，提高换热效果。
45.优选地，如图2所示，连接孔道113的中心轴线为直线。可以理解的是，连接孔道113为轴线倾斜设置的直孔道，即连接孔道113的中心轴线与上下方向之间具有大于0度的夹角，从而使连接孔道113倾斜设置。
46.也就是说，多个燃料单元1沿上下方向堆叠时，相邻两个燃料单元1的连接孔道113连通，则多个燃料单元1上的连接孔道113相连形成了螺旋形孔道，该螺旋形孔道用于气体的换热且长度相较于直孔道更长，因此可以提高换热效果。
47.在一些实施例中，主体11在厚度方向上的尺寸大于等于10毫米且小于等于100毫米。
48.可以理解的是，如图1和图2所示，当第一开口1111、第二开口1121和连接孔道113的数量以及径向尺寸不变时，改变主体11的厚度，则可以改变连接孔道113中心轴线延伸方向与上下方向之间夹角的角度，以改变螺旋形孔道的长度。即当第一开口1111、第二开口1121和连接孔道113的数量以及径向尺寸不变时，主体11的厚度越小，连接孔道113中心轴线延伸方向与上下方向之间的夹角越大。
49.在一些实施例中，连接孔道113的径向尺寸大于等于1毫米且小于等于10毫米，且第一开口1111的数量大于等于10且小于等于50。
50.可以理解的是，如图1和图2所示，改变第一开口1111的数量，或者改变第一开口1111、第二开口1121和连接孔道113的径向尺寸，或者改变第一开口1111的数量以及第一开口1111、第二开口1121和连接孔道113的径向尺寸，均能够改变螺旋形孔道的路径尺寸。
51.需要说明的是，连接孔道113的壁面和燃料单元1的周壁面均设有抗腐蚀涂层，例如，采用碳化锆涂层，以满足抗氢蚀条件。
52.下面根据附图描述本发明实施例的燃料元件。
53.如图3和图4所示，本发明实施例的燃料元件2包括根据上述实施例中任一项的燃料单元1。
54.在一些实施例中，燃料单元1有多个，多个燃料单元1沿主体11的厚度方向依次堆叠形成燃料元件2，且相邻两个燃料单元1中一者的第一开口1111与另一者的第二开口1121连通。
55.可以理解的是，如图3和图4所示，本发明实施例的燃料元件2中的一个燃料单元1中的第二开口1121与其相邻且位于该一个燃料单元1下方的燃料单元1中的第一开口1111连通，以使该相邻的两个燃料单元1上的连接通道连通，从而形成螺旋形通道。
56.下面描述本发明实施例的反应堆堆芯。
57.本发明实施例的反应堆堆芯包括根据上述实施例中的燃料元件2。
58.可以理解的是，本发明实施例的反应堆堆芯中的燃料单元1结构简单，便于制造，此外，由多个该燃料单元1堆叠形成的燃料元件2具有螺旋形孔道，增加了气体在该螺旋形孔道内经过的路径，提高了气体的提高换热效果。
59.因此，本发明实施例的反应堆堆芯的燃料元件2具有方便制造、换热系数高的优点。
60.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。
61.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
64.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
65.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。