专利摘要

本实用新型提供一种热管反应堆。该热管反应堆包括堆芯、热管、第一换热模块、压缩机、第一透平、第二换热模块、第二透平；热管的中间管段穿设于堆芯中，热管的一端设置于第一换热模块中，热管的另一端设置于第二换热模块中；堆芯与第一换热模块和第二换热模块分别通过热管连接；压缩机、第一换热模块、第一透平、第二换热模块和第二透平依次连接。本实用新型的热管反应堆可使气体经过两次布雷顿循环，有效提高了热管反应堆的热效率；且经济性好，能够适用于陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应。

权利要求

1.一种热管反应堆，其特征在于，所述热管反应堆包括堆芯(1)、热管(2)、第一换热模块(31)、压缩机(4)、第一透平(5)、第二换热模块(32)、第二透平(6)；

所述热管(2)的中间管段穿设于所述堆芯(1)中，所述热管(2)的一端设置于所述第一换热模块(31)中，所述热管(2)的另一端设置于所述第二换热模块(32)中；

所述堆芯(1)与所述第一换热模块(31)和所述第二换热模块(32)分别通过热管(2)连接；

所述压缩机(4)、所述第一换热模块(31)、所述第一透平(5)、所述第二换热模块(32)和所述第二透平(6)依次连接。

2.如权利要求1所述的热管反应堆，其特征在于，所述堆芯(1)用于为所述热管反应堆提供热量；

所述堆芯(1)的设置方式为横置式或立式。

3.如权利要求1所述的热管反应堆，其特征在于，所述热管(2)为用于将所述堆芯(1)产生的热量传递至所述第一换热模块(31)和所述第二换热模块(32)；

所述热管(2)包括热管蒸发段(8)、第一热管冷凝段(91)和第二热管冷凝段(92)。

4.如权利要求3所述的热管反应堆，其特征在于，所述热管蒸发段(8)穿设于所述堆芯(1)中；

所述第一热管冷凝段(91)设置于所述第一换热模块(31)中；

所述第二热管冷凝段(92)设置于所述第二换热模块(32)中。

5.如权利要求3所述的热管反应堆，其特征在于，所述第一热管冷凝段(91)和所述第二热管冷凝段(92)的外壁面分别设置有第一翅片结构(101)和第二翅片结构(102)，用于加强换热。

6.如权利要求5所述的热管反应堆，其特征在于，所述热管(2)的数量为若干根；

若干根所述热管(2)相互独立、在堆芯(1)中并列平行排布。

7.如权利要求1所述的热管反应堆，其特征在于，所述第一换热模块(31)和所述第二换热模块(32)对称设置于所述堆芯(1)的两侧，用于实现气体的换热。

8.如权利要求1所述的热管反应堆，其特征在于，所述热管反应堆还包括散热器(71)或蒸汽轮机(72)。

9.如权利要求8所述的热管反应堆，其特征在于，当所述热管反应堆包括散热器(71)时，所述散热器(71)与所述第二透平(6)连接。

10.如权利要求8所述的热管反应堆，其特征在于，当所述热管反应堆包括蒸汽轮机(72)时，所述蒸汽轮机(72)的一端与所述第二透平(6)连接；所述蒸汽轮机(72)的另一端与所述压缩机(4)连接。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种热管反应堆。

背景技术

热管具有导热性强、等温性好、能够有效隔离一次侧流体或二次侧流体，结构简单等优点。将热管技术应用于反应堆系统，可以有效避免堆芯传热单点失效，固有冗余性好。将热管直接插入堆芯，利用管内工质相变传热，可简化系统泵、阀和管路系统，减少故障，提高了堆可靠性和安全性。同时，热管反应堆还具有很好的可操控性以及最优的热瞬态反馈性能。随着科技的发展，热管反应堆的研究日益受到重视。

目前，热管应用于反应堆其冷凝段通常连接温差发电系统，采用热电转换技术实现反应堆热利用，发挥热管堆结构紧凑可靠这一优势，以便用于特殊环境。中国专利文献CN109243653A公开了一种核反应堆；中国专利文献CN110310751A公开了一种热管双向插入堆芯的核反应堆电源；上述两篇专利中均利用温差产生电势，将热能转换为电能，从而实现热利用。但是，温差发电的热电转换效率一般只有5～8％左右，热利用率较低。

因此，亟需提供一种热效率高的热管反应堆。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题在于克服现有技术中热管反应堆的热效率低的缺陷，并提供一种热管反应堆。本实用新型的热管反应堆能够有效提高热管反应堆的热效率。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种热管反应堆，其包括堆芯(1)、热管(2)、第一换热模块(31)、压缩机(4)、第一透平(5)、第二换热模块(32)、第二透平(6)；

所述热管(2)的中间管段穿设于所述堆芯(1)中，所述热管(2)的一端设置于所述第一换热模块(31)中，所述热管(2)的另一端设置于所述第二换热模块(32)中；

所述堆芯(1)与所述第一换热模块(31)和所述第二换热模块(32)分别通过热管(2)连接；

所述压缩机(4)、所述第一换热模块(31)、所述第一透平(5)、所述第二换热模块(32)和所述第二透平(6)依次连接。

本实用新型中，所述堆芯(1)可为高温反应堆堆芯，用于为所述热管反应堆提供热量。例如液态反应堆堆芯或固态反应堆堆芯，再例如高温熔盐堆堆芯或钠冷堆堆芯。

其中，所述高温反应堆堆芯的温度可为500℃以上，例如500～1200℃，再例如600℃、800℃或950℃。

本实用新型中，所述堆芯(1)的设置方式可为横置式或立式，优选为横置式。

本实用新型中，所述热管(2)可为高温热管，用于将所述堆芯(1)产生的热量传递至所述第一换热模块(31)和所述第二换热模块(32)。

所述热管(2)可包括热管蒸发段(8)、第一热管冷凝段(91)和第二热管冷凝段(92)。

其中，优选地，所述热管蒸发段(8)穿设于所述堆芯(1)中；所述第一热管冷凝段(91)设置于所述第一换热模块(31)中；所述第二热管冷凝段(92)设置于所述第二换热模块(32)中。

更优选地，所述第一热管冷凝段(91)和所述第二热管冷凝段(92)的外壁面分别设置有第一翅片结构(101)和第二翅片结构(102)，用于加强换热。

其中，所述第一翅片结构(101)、所述第二翅片结构(102)和所述热管(2)的材料均可为高热导率材料，优选为铬合金、铁碳合金、钛合金和镍合金中的一种或多种。

其中，当所述高热导率材料为铬合金时，所述铬合金可为不锈钢。当所述高热导率材料为铁碳合金时，所述铁碳合金可为钢。

所述高热导率材料的导热系数可为11W/(m·K)以上，例如12～220W/(m·K)。

其中，当所述高热导率材料为不锈钢时，所述不锈钢的导热系数为17.4W/(m·K)。当所述高热导率材料为钢时，所述钢的导热系数为45.4W/(m·K)。当所述高热导率材料为镍合金时，所述镍合金的导热系数为12.3～171W/(m·K)。

所述热管(2)的管内工质可为本领域常规的热管管内工质，优选为碱金属，例如锂、钾和钠中的一种或多种。

所述热管(2)的工作温度可为400～1800℃。

其中，当所述热管(2)的管内工质为锂时，所述热管(2)的工作温度可为1000～1800℃。当所述热管(2)的管内工质为钠时，所述热管(2)的工作温度可为500～1200℃。当所述热管(2)的管内工质为钾时，所述热管(2)的工作温度可为例如400～1000℃。

所述热管(2)的数量可为若干根。

其中，优选地，若干根所述热管(2)相互独立、在堆芯(1)中并列平行排布。

优选地，所述热管(2)的数量可根据热管反应堆的热功率进行选择。例如，当热管反应堆的热功率为600kW时，所述热管(2)的数量可为120根。

每一根所述热管(2)的传热量可为1～10kW。

本实用新型中，所述第一换热模块(31)和所述第二换热模块(32)可为对称设置于所述堆芯(1)的两侧，用于实现气体的换热。

本实用新型中，所述压缩机(4)可为本领域常规的压缩机，用于绝热压缩气体。

本实用新型中，所述第一透平(5)和所述第二透平(6)可为本领域常规的透平，一般可将热能转换为机械能，用于绝热膨胀发电。

本实用新型中，所述热管反应堆还可包括散热器(71)或蒸汽轮机(72)。

当所述热管反应堆包括散热器(71)时，所述散热器(71)可与所述第二透平(6)连接。

当所述热管反应堆包括蒸汽轮机(72)时，所述蒸汽轮机(72)的一端可与所述第二透平(6)连接；所述蒸汽轮机(72)的另一端可与所述压缩机(4)连接。

本实用新型中，所述热管反应堆的运行方法可包括下述步骤：

(S1)气体经所述压缩机(4)绝热压缩后进入所述第一换热模块(31)中换热，换热后的气体进入所述第一透平(5)绝热膨胀发电；

(S2)经所述第一透平(5)绝热膨胀发电后的气体进入所述第二换热模块(32)中换热，换热后的气体进入所述第二透平(6)绝热膨胀发电。

步骤(S1)中，所述气体可为超临界二氧化碳、空气和氩气中的一种或多种；优选为超临界二氧化碳和/或空气。

所述气体可为经过过滤的气体。

优选地，所述气体经所述压缩机(4)绝热压缩后进入所述第一换热模块(31)中与所述第一热管冷凝段(91)进行换热。

步骤(S2)中，优选地，经所述第一透平(5)绝热膨胀发电后的气体进入所述第二换热模块(32)中与所述第二热管冷凝段(92)进行换热。

步骤(S2)结束后，经所述第二透平(6)绝热膨胀发电后的气体可经过所述散热器(71)后排往大气。

优选地，经所述第二透平(6)绝热膨胀发电后的气体可进入所述蒸汽轮机(72)，将所述气体的热量用于发电。更优选地，经所述蒸汽轮机(72)绝热膨胀发电后的气体进入所述压缩机(4)中；用于重复所述步骤(S1)和所述步骤(S2)。

本实用新型中，所述热管反应堆可在陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应中应用。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型所用试剂和原料均市售可得。

本实用新型的积极进步效果在于：

(1)本实用新型中的热管反应堆可使气体经过两次布雷顿循环，有效提高了热管反应堆的热效率；

(2)本实用新型中的热管反应堆在堆芯两侧分别设置换热模块，在实现相同的热效率时，与现有技术中的热管反应堆相比，体积更小；

(3)本实用新型中的热管反应堆经济性好，且能够适用于陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应。

附图说明

图1为实施例1中的热管反应堆的结构示意图；

图2为实施例2中的热管反应堆的结构示意图；

图3为对比例1中的热管反应堆的结构示意图。

附图标记说明：

堆芯 1

热管 2

第一换热模块 31

压缩机 4

第一透平 5

第二换热模块 32

第二透平 6

散热器 71

蒸汽轮机 72

管蒸发段 8

第一热管冷凝段 91

第二热管冷凝段 92

第一翅片结构 101

第二翅片结构 102

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

实施例1

如图1所示，实施例1中的热管反应堆包括堆芯1、热管2、第一换热模块31、压缩机4、第一透平5、第二换热模块32、第二透平6和蒸汽轮机72。

热管2穿设于堆芯1，热管2的一端设置于第一换热模块31中，热管2的另一端设置于第二换热模块32中。

堆芯1与第一换热模块31和第二换热模块32分别通过热管2连接。

压缩机4、第一换热模块31、第一透平5、第二换热模块32和第二透平6依次连接。蒸汽轮机72的一端与第二透平6连接；蒸汽轮机72的另一端与压缩机4连接。

其中，堆芯1为横置式高温熔盐堆堆芯，其热功率为600kW。

热管2包括热管蒸发段8、第一热管冷凝段91和第二热管冷凝段92。

热管蒸发段8穿设于堆芯1中；第一热管冷凝段91设置于第一换热模块31中；第二热管冷凝段92设置于第二换热模块32中。

第一热管冷凝段91和第二热管冷凝段92的外壁面分别设置有第一翅片结构101和第二翅片结构102，用于加强换热。第一翅片结构101和第二翅片结构102的材料为不锈钢。

热管2的数量为120根。为了更清晰地呈现热管反应堆的结构，图1中未将120根热管均加以体现。

热管2为高温钾热管，其工作温度为400～1000℃；用于将堆芯1产生的热量传递至第一换热模块31和所述第二换热模块32。

实施例1中，如图1所示的热管反应堆的运行方法包括下述步骤：

步骤(S1)：空气过滤后，温度为288.15K，压力为1.01Bar；经压缩机4绝热压缩后形成高温高压气体(温度为691.85K，压力为18.76Bar)；高温高压气体进入第一换热模块31中与第一热管冷凝段91进行换热，形成换热后的高温高压气体(温度为943.15K，压力为18.76Bar)；换热后的高温高压气体进入第一透平5绝热膨胀发电，形成高温低压气体(温度为691.85K，压力为4.99Bar)；

步骤(S2)：经第一透平5绝热膨胀发电后的气体进入第二换热模块32中与第二热管冷凝段92进行换热，形成换热后的高温低压气体(温度为943.15K，压力为4.99Bar)；换热后的高温低压气体进入第二透平6绝热膨胀发电；

经第二透平6绝热膨胀发电后的气体(温度为634.5K，压力为1Bar)进入蒸汽轮机72，将气体的热量用于发电；经蒸汽轮机72绝热膨胀发电后的气体进入压缩机4中。

其中，绝热指数γ＝1.31-1.35，蒸汽轮机72的效率为0.27。

采用布雷顿循环通用计算方法，计算可得实施例1中热管反应堆的总热效率为49.7％。该热管反应堆可应用于陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应中。

实施例2

如图2所示，实施例2中的热管反应堆包括堆芯1、热管2、第一换热模块31、压缩机4、第一透平5、第二换热模块32、第二透平6和散热器71。

热管2穿设于堆芯1，热管2的一端设置于第一换热模块31中，热管2的另一端设置于第二换热模块32中。

堆芯1与第一换热模块31和第二换热模块32分别通过热管2连接。

压缩机4、第一换热模块31、第一透平5、第二换热模块32、第二透平6和散热器71依次连接。

其中，堆芯1为横置式高温熔盐堆堆芯，其热功率为600kW。

热管2包括热管蒸发段8、第一热管冷凝段91和第二热管冷凝段92。

热管蒸发段8穿设于堆芯1中；第一热管冷凝段91设置于第一换热模块31中；第二热管冷凝段92设置于第二换热模块32中。

第一热管冷凝段91和第二热管冷凝段92的外壁面分别设置有第一翅片结构101和第二翅片结构102，用于加强换热。第一翅片结构101和第二翅片结构102的材料为不锈钢。

热管2的数量为120根。为了更清晰地呈现热管反应堆的结构，图2中未将120根热管均加以体现。

热管2为高温钾热管，其工作温度为400～1000℃；用于将堆芯1产生的热量传递至第一换热模块31和所述第二换热模块32。

实施例2中，如图2所示的热管反应堆的运行方法包括下述步骤：

步骤(S1)：空气过滤后，温度为288.15K，压力为1.01Bar；经压缩机4绝热压缩后形成高温高压气体(温度为691.85K，压力为18.76Bar)；高温高压气体进入第一换热模块31中与第一热管冷凝段91进行换热，形成换热后的高温高压气体(温度为943.15K，压力为18.76Bar)；换热后的高温高压气体进入第一透平5绝热膨胀发电，形成高温低压气体(温度为691.85K，压力为4.99Bar)；

步骤(S2)：经第一透平5绝热膨胀发电后的气体进入第二换热模块32中与第二热管冷凝段92进行换热，形成换热后的高温低压气体(温度为943.15K，压力为4.99Bar)；换热后的高温低压气体进入第二透平6绝热膨胀发电；

经第二透平6绝热膨胀发电后的气体(温度为634.5K，压力为1.01Bar)经过散热器71后排往大气。

其中，绝热指数γ＝1.31-1.35。

采用布雷顿循环通用计算方法，计算可得实施例1中热管反应堆的总热效率为31.1％。该热管反应堆可应用于陆基机动、深海探测或偏远地区的能源供应中。

对比例1

如图3所示，对比例1中的热管反应堆包括堆芯1、热管2、第一换热模块31、压缩机4、第一透平5和散热器71。

热管2穿设于堆芯1，热管2的一端设置于第一换热模块31中。

堆芯1与第一换热模块31通过热管2连接。

压缩机4、第一换热模块31、第一透平5和散热器71依次连接。

其中，堆芯1为横置式高温熔盐堆堆芯，其热功率为600kW。

热管2包括热管蒸发段8和第一热管冷凝段91。

热管蒸发段8穿设于堆芯1中；第一热管冷凝段91设置于第一换热模块31中。

第一热管冷凝段91的外壁面设置有第一翅片结构101，用于加强换热。第一翅片结构101的材料为不锈钢。

热管2的数量为120根。为了更清晰地呈现热管反应堆的结构，图3中未将120根热管均加以体现。

热管2为高温钾热管，其工作温度为400～1000℃；用于将堆芯1产生的热量传递至第一换热模块31。

对比例1中，如图3所示的热管反应堆的运行方法包括下述步骤：

空气过滤后，温度为288.15K，压力为1.01Bar；经压缩机4绝热压缩后形成高温高压气体(温度为691.85K，压力为18.78Bar)；高温高压气体进入第一换热模块31中与第一热管冷凝段91进行换热，形成换热后的高温高压气体(温度为943.15K，压力为18.78Bar)；换热后的高温高压气体进入第一透平5绝热膨胀发电，形成高温低压气体(温度为471.3K，压力为1Bar)；然后经散热器71散热后排入大气。

其中，绝热指数γ＝1.31-1.35。

采用布雷顿循环通用计算方法，计算可得对比例1中热管反应堆的总热效率为27.1％。

由上述内容可知，与对比例1相比，实施例1和2中的热管反应堆能够有效提高热管反应堆的热效率。

一种热管反应堆专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。