核电源装置的制作方法

本发明涉及核反应发电技术领域，特别是涉及一种核电源装置。

背景技术：

典型的海上和海底观测装备如海上浮台、观测浮标、海底网络等对能源的长期稳定供给需求强烈，能源供应问题已经成为限制进一步了解深海、探索深海、感知深海的瓶颈。例如，海底观测网络受限于电缆供电难以大范围向深海铺设的瓶颈问题，通常需要配备低功耗设备，从而极大地限制了信号的采集和传输能力；同时，海底电缆铺设复杂，对深海环境影响巨大。

相比化石能源和可再生能源，核能具有能量密度高、稳定性好、燃料补给需求低等特点，是一种理想的深海能源动力形式。然而，常规核能发电通常采用固态反应堆产生热量，在热量传递过程中会面临因温度梯度和燃料肿胀引起的应力问题，从而影响核反应过程的安全性。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够解决因温度产生的应力问题的核电源装置。

一种核电源装置，包括：

石墨基体，设有多个第一贯穿孔道和多个第二贯穿孔道，所述第一贯穿孔道填充有液态冷却剂；

多个燃料棒，分别置于各所述第一贯穿孔道内，用于产生热能并将所述热能通过所述液态冷却剂传递至所述石墨基体；

多个热管，每一所述热管包括第一端和第二端，所述第一端内置在所述第二贯穿孔道内，用于传递所述热能；

热电转换器，与各所述第二端连接，用于接收各所述热管传递的所述热能，并对所述热能进行热电转换。

在其中一个实施例中，所述核电源装置还包括：

第一温差发电芯片，贴覆于所述热电转换器，用于根据所述热电转换器的壁面温度进行热电转换。

在其中一个实施例中，所述热电转换器为碱金属热电转换器。

在其中一个实施例中，所述核电源装置还包括：

中子反射层，裹覆在所述石墨基体外侧。

在其中一个实施例中，所述核电源装置还包括：

密闭容器，所述石墨基体位于所述密闭容器内，且所述中子反射层与所述密闭容器之间填充有液态铅铋流体；

其中，所述密闭容器包括第一通孔，所述热管贯穿所述第一通孔以使得所述第一端内置于所述第二贯穿孔道内。

在其中一个实施例中，所述核电源装置还包括：

第二温差发电芯片，贴覆于所述密闭容器的外壁，用于根据所述密闭容器的外壁温度进行发电。

在其中一个实施例中，所述核电源装置还包括：

控制鼓，设置于所述中子反射层内，包括中子吸收部；

预加压装置，与所述控制鼓连接，用于通过气动加压的方式控制所述控制鼓旋转，以使所述中子吸收部朝向所述石墨基体。

在其中一个实施例中，所述石墨基体包括多个子基体，各所述子基体呈六棱柱形且拼接为一体。

在其中一个实施例中，所述液态冷却剂为液态铅铋溶液。

在其中一个实施例中，所述热管为液态碱金属热管。

上述核电源装置包括石墨基体、多个燃料棒、多个热管和热电转换器，石墨基体设有多个第一贯穿孔道和多个第二贯穿孔道，其中第一贯穿孔道填充有液态冷却剂，各燃料棒分别置于各第一贯穿孔道内，用于产生热能并将热能通过液态冷却剂传递至石墨基体，然后通过内置在第二贯穿孔道内的热管将石墨基体的热能传递至热电转换器以进行热电转换，其中由于液态冷却剂在燃料棒和石墨基体之间起到了缓冲作用，并且对燃料棒传递至石墨基体的热能起到了过渡作用，从而避免了温度梯度及燃料棒肿胀对石墨基体的影响，提高了核反应过程的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为一实施例的核电源装置的纵向剖面结构示意图；

图2为一实施例的核电源装置的横向剖面结构示意图。

元件标号说明：

石墨基体：101；热管：102；热电转换器：103；中子反射层：104；密闭容器：105；液态铅铋流体：106；第一通孔：107；第二温差发电芯片：108；控制鼓：109。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一贯穿孔道称为第二贯穿孔道，且类似地，可将第二贯穿孔道称为第一贯穿孔道。第一贯穿孔道和第二贯穿孔道两者都是贯穿孔道，但其不是同一贯穿孔道。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

图1为一实施例的核电源装置的结构示意图，如图1所示，该核电源装置包括石墨基体101、多个燃料棒、多个热管102和热电转换器103。其中，石墨基体101设有多个第一贯穿孔道和多个第二贯穿孔道，第一贯穿孔道填充有液态冷却剂；多个燃料棒分别置于各第一贯穿孔道内，用于产生热能并将热能通过液态冷却剂传递至石墨基体101；多个热管102中每一热管102包括第一端和第二端，第一端内置在第二贯穿孔道内，用于传递热能；热电转换器103与各第二端连接，用于接收各热管102传递的热能，并对热能进行热电转换。

可以理解，石墨基体101设有多个第一贯穿孔道和多个第二贯穿孔道，其中，第一贯穿孔道用于容置燃料棒(图1中未示出)，第二贯穿孔道用于容置热管102，在反应堆正常运行时，燃料棒核裂变产生热量，从而传递至石墨基体101，进而由石墨基体101传递给热管102，最终传递至热电转换器103进行热电转换。其中，各第一贯穿孔道内填充有液态冷却剂，即燃料棒与石墨基体101并不是直接接触，其间填充有液态冷却剂，燃料棒产生的热量会先传递至液态冷却剂，进而传递至石墨基体101。

可以理解，燃料棒通常采用常规固态材料，其发生核裂变反应时会瞬间产生大量热量，同时其体积也会迅速膨胀，相比于在石墨基体101中直接置入燃料棒，在石墨基体101与燃料棒之间填充液态冷却剂能够对温度和体积变化起到缓冲作用，一方面防止温度剧变导致石墨基体101与燃料棒直接接触的壁面温度急剧升高，使得石墨基体101的温度梯度不稳定而造成应力问题；另一方面防止燃料棒因温度剧变产生肿胀，从而挤压石墨基体101，影响核反应过程的安全性。

在一个实施例中，燃料棒可为内部填充有球状triso燃料的核能元件。

在一个实施例中，液态冷却剂可为铅铋冷却剂，铅铋冷却剂具有良好的辐射屏蔽性，可以屏蔽裂变反应产生的中子和伽马射线，防止周围的生物受到放射性辐射的伤害，因此在石墨基体101与燃料棒之间填充铅铋冷却剂，创造性实现了导热和屏蔽一体化功能。

在一个实施例中，热管102为液态碱金属热管102，其内部填充有碱金属流体介质。

本发明实施例的核电源装置包括石墨基体101、多个燃料棒、多个热管102和热电转换器103，石墨基体101具有高导热性，其设有多个第一贯穿孔道和多个第二贯穿孔道，其中第一贯穿孔道填充有液态冷却剂，各燃料棒分别置于各第一贯穿孔道内，用于产生热能并将热能通过液态冷却剂传递至石墨基体101，然后通过内置在第二贯穿孔道内的热管102将石墨基体101的热能传递至热电转换器103以进行热电转换，其中由于液态冷却剂在燃料棒和石墨基体101之间起到了缓冲作用，并且对燃料棒传递至石墨基体101的热能起到了过渡作用，从而避免了温度梯度及燃料棒肿胀对石墨基体101的影响，提高了核反应过程的安全性。

在一个实施例中，核电源装置还包括第一温差发电芯片，该第一温差发电芯片贴覆于热电转换器103，用于根据热电转换器103的壁面温度进行热电转换。

可以理解，热能通过热管102传递至热电转换器103后，一部分会被热电转换器103转换为电能，另一部分会使得热电转换器103整体温度升高，此时可在热电转换器103上贴覆第一温差发电芯片，从而可根据热电转换器103壁面和环境温度，例如低温海水或空气的温度的温差进行热电转换，此外，废热还可通过海水对流(水下应用时)或空气对流(陆上应用时)排放。

在一个实施例中，热电转换器103为碱金属热电转换器103。碱金属热电转换器103无运动部件、无噪声，而且无需维护，可以和一定温度范围内的任何形式的热源相结合，并且热电转换效率高，具有排热温度高的特点。

在一个实施例中，核电源装置还包括中子反射层104，如图1所示，中子反射层104裹覆在石墨基体101外侧。该中子反射层104用于在核反应堆发生核反应时将逸出的中子反射回反应区，从而提高核反应堆的反应效率。

其中，中子反射层104可采用具有高导热性能的氧化铍材料。

在一个实施例中，核电源装置还包括密闭容器105，如图

所示，石墨基体101位于密闭容器105内，且中子反射层104与密闭容器105之间填充有液态铅铋流体106，其中，密闭容器105包括第一通孔107，热管102贯穿第一通孔107以使得第一端内置于第二贯穿孔道内。

可以理解，热管102的直径与第一通孔107的内径可相等，且热管102通过该第一通孔107与密闭容器105固定连接，从而形成一个整体，便于移动和搬运。

中子反射层104与密闭容器105之间填充有液态铅铋流体106，从而可屏蔽裂变反应产生的中子和伽马射线，防止周围的生物受到放射性辐射的伤害，同时缓解堆内构件的热应力。

在一个实施例中，石墨基体101可位于密闭容器105的中心。

本发明实施例的核电源装置设置有密闭容器105，石墨基体位于所述密闭容器105内，且中子反射层104与密闭容器105之间填充有液态铅铋流体106，从而屏蔽裂变反应产生的中子和伽马射线，防止周围的生物受到放射性辐射的伤害，同时缓解堆内构件的热应力；密闭容器105设置有第一通孔107，热管102贯穿第一通孔107以使得第一端内置于第二贯穿孔道内，从而将热能传递给热电转换器103进行热电转换；其中，密闭容器105可与热管102通过第一通孔107组装为一体，使得密闭容器105完全密封，当核电源装置置于水下时不会有水流浸入，从而影响核反应。

在一个实施例中，核电源装置还包括第二温差发电芯片108，如图1所示，该第二温差发电芯片108贴覆于密闭容器105的外壁，用于根据密闭容器105的外壁温度进行发电。

可以理解，燃料棒产生的部分热能依次经液态冷却剂、石墨基体101、中子反射层104和液态铅铋流体106，最终传递至密闭容器105，使得密闭容器105整体温度升高，第二温差发电芯片108贴覆在密闭容器105的外壁，能够根据密闭容器105的壁面温度与环境温度，例如低温海水或空气的温度的温差进行热电转换，此外，废热还可通过海水对流(水下应用时)或空气对流(陆上应用时)排放。

其中，第二温差发电芯片108可包括有多个，密闭容器105可成圆柱型，各第二温差发电芯片108均匀贴覆于密闭容器105的外壁，如图2所示。

本发明实施例的核电源装置还包括第二温差发电芯片108。该第二温差发电芯片108贴覆于密闭容器105的外壁，从而可利用密闭容器105的壁面温度和环境温度的温差进行热电转换，充分利用了核反应产生的热能。

在一个实施例中，核电源装置还包括控制鼓109和预加压装置(未示出)。

其中，控制鼓109设置于中子反射层104内，控制鼓109包括中子吸收部；预加压装置与控制鼓109连接，用于通过气动加压的方式控制控制鼓109旋转，以使中子吸收部朝向石墨基体101。

可以理解，控制鼓109可为圆柱体型，其径向方向设置有中子吸收部，当预加压装置旋转控制鼓109并使得中子吸收部朝向石墨基体101时，可使得燃料棒停堆。

在一个实施例中，控制鼓109的径向方向还设置有中子反射部，当旋转控制鼓109使得中子反射部朝向石墨基体101，在燃料棒进行核反应时，中子反射部可将反应过程中逸出的中子反射回反应区，从而提高反应堆功率。

可以理解，当旋转控制鼓109时，通过调整控制鼓109朝向石墨基体101的一侧上中子反射部和中子吸收部分别所占的比例，即可相应调整反应堆功率。

预加压装置基于气动加压原理，在反应堆发生控制鼓109不能停堆的极端工况时，自动触发预加压装置非能动地驱动控制鼓109进行停堆，相比于采用能动设备及转动部件来驱动控制鼓109，本实施例的核电源装置整体结构更简化，质量功率比更小。另外，由于预加压装置的非能动特性，整个核反应无能动部件的参与，处于静态过程，并且，利用热电转换器103、第一温差发电芯片和第二温差发电芯片108通过自然导热的方式获取热能并进行热电转换，所有传热均依靠各部件间的机械连接实现，具有极高的固有安全性，整个过程真正实现了纯静态发电，有效减低装置的运维难度，从而实现核反应堆的安全性、可靠性和鲁棒性的本质提升。

本发明实施例的核电源装置在反应堆正常运行时，利用燃料棒核裂变产生热量，产生的热量分两条途径进行热电转化：一条途径是热量通过液态冷却剂和高导热性石墨基体101将热量传递给热管102，热管102将热量传输到热电转换器103，进而由热电转换器103进行热电转换，其中，热电转换器103属于高温区发电；另一条途径是热量传递至热电转换器103上贴覆的第一温差发电芯片和密闭容器105外壁面的第二温差发电芯片108，第一温差发电芯片和第二温差发电芯片108分别利用壁面和海水的温差进行发电，其中第一温差发电芯片和第二温差发电芯片108属于中低温区发电，整个核电源装置可置于海水中，剩余热量可通过海水冷却。另外，在反应堆发生控制鼓109不能停堆的极端工况时，自动触发预加压装置，通过预加压气体非能动地驱动控制鼓109转动，反应堆立即停运，维持反应堆安全性。

在一个实施例中，石墨基体101可包括多个子基体，各子基体呈六棱柱形且拼接为一体，从而形成稳定结构的石墨基体101。其中，呈六棱柱的子基体具有一定的结构强度。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征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描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。