一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统的制作方法

本发明涉及核反应堆余热排出，尤其涉及一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统。

背景技术：

1、核动力无人潜航器具有能量密度高、寿期长、不依赖空气等特征，是深海开发装置的理想选择。热管型反应堆具有紧凑性、高安全性、高功率密度、高可靠性的特点，在水下的应用场景极具优势。核反应堆余热的排出是保证反应堆安全的一个重要问题。热阱丧失事故是由于二回路或三回路系统故障造成堆芯核热无法导出造成的事故。极端情况为二回路或三回路冷却能力完全丧失，此时反应堆必须停堆，同时开启余热排出系统除去衰变热，以保护堆芯不损坏。但是，热管反应堆在热阱丧失事故后余热的持续排出存在一定困难。困难主要为：1.外部水源如海水不能直接与反应堆堆芯接触，外部水源直接接触冷却反应堆堆芯会导致堆内放射性物质泄漏扩散到外界，而且外部水源如海水具有一定腐蚀性，会导致堆内结构损坏。2.若仅在反应堆外围进行冷却，则堆内中心部位热量难以导出，可能出现堆内局部过热现象，导致部分堆芯构件融化。3.无人潜航器受制于水下宝贵的舱内空间资源，难以携带柴油机或大型蓄电池组，必须采用非能动余热排出的形式。目前，传统核动力装置能动余热排出系统，是在有外部电源供电的情况下，通过主冷却剂泵、余热排出泵和冷却水泵等设备，分别驱动主冷却剂、蒸汽发生器二次侧给水、冷却水进行强迫循环，将堆芯的余热分级接力式导出，送至最终热阱。而新型三代核电站的非能动余热排出系统，非能动余热排出系统虽采用自然循环，不依靠外部电力，但系统复杂且庞大，余热排出依靠回流冷却剂密度差和位差形成的驱动力，克服一回路、二回路和冷却水回路中的流动压降形成循环，将热量一级一级地传递到最终热阱。

2、一方面，传统核动力装置余热排出系统强烈依靠外部电力，在外部电力丧失的情况下，无法冷却并带走堆芯余热，造成核安全事故。另一方面，三代核动力装置非能动余热排出系统存在回路设备结构复杂、系统体积庞大、运行维护困难的问题，该系统不适用于水下无人潜航器狭小宝贵的空间。因此，受制于水下宝贵的舱内空间资源、复杂水下环境以及无人条件等问题，提出针对性解决上述上述问题的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，包括：依次连接在一起的堆芯、热管管束、热管换热器和液态金属腔室，液态金属腔室由内层腔室和外层腔室构成，所述内层腔室与所述外层腔室之间设置隔板，所述内层腔室与所述外层腔室内均填充液态金属，所述热管管束由蒸发段和冷凝段组成，所述蒸发段插入在所述堆芯内，所述冷凝段贯穿热管换热器，且所述冷凝段端部插入所述内层腔室。

3、本发明一个较佳实施例中，每个所述热管管束外表面均包裹设置热管套管，所述热管套管设置在所述内层腔室。

4、本发明一个较佳实施例中，所述热管套管外壁与所述液态金属直接接触。

5、本发明一个较佳实施例中，所述隔板底部设有腔室下端阀门，腔室下端阀门位于所述液态金属腔室下端。

6、本发明一个较佳实施例中，所述隔板顶部设有腔室上端阀门，所述腔室上端阀门位于液态金属腔室上端。

7、本发明一个较佳实施例中，所述腔室上端阀门的两端和腔室下端阀门的两端均分别连通内层腔室和外层腔室。

8、本发明一个较佳实施例中，所述外层腔室外周侧面包裹设置对流换热冷却壁。

9、本发明一个较佳实施例中，所述液态金属包括：铅铋合金和钠钾合金。

10、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

11、本发明提供的热管堆余热冷却排出系统，在热管堆发生热阱丧失事故时，腔室上端阀门和腔室下端阀门失去电力，此时腔室上端阀门和腔室下端阀门均处于打开状态，内层腔室和外层腔室内的液态金属形成对流，使液态金属腔室内的液态金属形成自然循环，最终将衰变余热导出至对流换热冷却壁，并排入环境热阱，有效保证堆芯安全。另一方面，本申请整体结构紧凑，液态金属腔室兼具屏蔽作用，能够适用在在有限空间内，运行维护简单；而且余热排出系统运行时不需要外部电源供电，安全可靠性更高。

技术特征：

1.一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，包括：依次连接在一起的堆芯(1)、热管管束(2)、热管换热器(3)和液态金属腔室(4)，其特征在于，液态金属腔室(4)由内层腔室(401)和外层腔室(402)构成，所述内层腔室(401)与所述外层腔室(402)之间设置隔板(9)，所述内层腔室(401)与所述外层腔室(402)内均填充液态金属，所述热管管束(2)由蒸发段和冷凝段组成，所述蒸发段插入在所述堆芯(1)内，所述冷凝段贯穿热管换热器(3)，且所述冷凝段端部插入所述内层腔室(401)。

2.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：每个所述热管管束(2)外表面均包裹设置热管套管(8)，所述热管套管(8)设置在所述内层腔室(401)。

3.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：所述热管套管(8)外壁与所述液态金属直接接触。

4.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：所述隔板(9)底部设有腔室下端阀门(5)，腔室下端阀门(5)位于所述液态金属腔室(4)下端。

5.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：所述隔板(9)顶部设有腔室上端阀门(6)，所述腔室上端阀门(6)位于液态金属腔室(4)上端。

6.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：所述腔室上端阀门(6)的两端和腔室下端阀门(5)的两端均分别连通内层腔室(401)和外层腔室(402)。

7.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：所述外层腔室(402)外周侧面包裹设置对流换热冷却壁(7)。

8.根据权利要求1所述的一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，其特征在于：所述液态金属包括：铅铋合金和钠钾合金。

技术总结本发明公开了一种水下热管反应堆液态金属非能动余热排出系统，包括：依次连接在一起的堆芯、热管换热器和液态金属腔室，液态金属腔室由内层腔室和外层腔室构成，热管管束由蒸发段和冷凝段组成，蒸发段插入在堆芯内，冷凝段贯穿热管换热器，且冷凝段端部插入内层腔室。热管堆发生热阱丧失事故时，腔室上端阀门和腔室下端阀门失去电力，此时腔室上端阀门和腔室下端阀门均处打开，液态金属腔室内的液态金属形成自然循环，最终将衰变余热导出至对流换热冷却壁，并排入环境热阱，有效保证堆芯安全。该余热排出系统整体结构紧凑，能够适用在有限空间内，运行维护简单；运行时不需要外部电源供电，安全可靠性更高。技术研发人员：王冠博,郭斯茂,王梓,郭啸宇,杨万奎,郭玉川,刘耀光,唐彬,钱达志受保护的技术使用者：中国工程物理研究院核物理与化学研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29