一种反应堆热管快速启动系统

1.本发明属于包括核能在内的能源领域以及机械设备领域，特别是涉及一种反应堆热管快速启动系统。


背景技术：

2.热管技术具有传热效率高、运行稳定、压力损耗小等优点，被广泛应用到反应堆中。热管根据温度分类为低温热管 (-270℃~0℃)、常温热管(0℃~200℃)、中温热管 (200℃~1000℃) 和高温热管 (1000℃以上)。自 1963年grower等成功研制出高温热管以来，大批科研工作者开始从事高温热管研究。最近的几十年，众多科研工作者对高温热管进行了大量的实验和理论研究，使其体系逐渐完善，被广泛应用在航天、能源、电子和化工等领域。热管作为一种高效导热的元件，其导热能力也会受到众多因素的影响。热管的运行必须小于热管的传热极限。热管的传热极限通常包括连续流动极限、冷冻启动极限、黏性极限、音速极限、夹带极限、毛细极限、冷凝极限、沸腾极限等。
3.在热管从冷冻状态启动过程中，如果只在蒸发段加热，冷凝段进行散热，那么蒸发端生成的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作，这就是热管的冷冻启动极限；在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动受粘性力支配，即热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力。粘性极限只与工质物性、热管长度和蒸汽通道直径有关。这是热管的黏性极限。很多情况下，蒸发段长度是固定的，是根据堆芯高度来确定的。而对于绝热段及冷凝段长度不能要求过短，否则难以散热，此时对于热管启动来说难度大大增大。
4.由于热管蒸发段位于热管反应堆内，周围由燃料组件包围；冷凝段处于反应堆外，与外部环境相接触，导致热管反应堆启动是一个复杂工程技术。现有技术中，反应堆的热管启动存在以下问题：正常工况下，燃料升温，热量传递给蒸发段，这部分热量一部分用于蒸发段工质自身升温，一部分继续沿着热管向冷凝段传递。冷凝段接收的热量一部分用于自身升温，一部分将热量导出，这不利于冷凝段内固态工质的融化，使得热管启动速度降低。反应堆内热管数量较多，采用电阻丝给单一热管加热并不方便。
5.为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种反应堆热管快速启动系统，促使热管反应堆的启动更加安全快速，以达到提高效率和经济性目的。


技术实现要素：

6.为实现反应堆热管快速启动目标，利用加热元件对热管冷凝段管壁外部进行加热，加快融化多热管内填充的工质，提高热管启动速度。
7.本发明的反应堆热管快速启动系统，包括，多个热管、燃料组件基体、电热元件，以及电源，其中，每一个所述热管的一端位于所述燃料组件基体内部，另一端位于所述燃料组件基体外部；所述电热元件，设置在所述燃料组件基体外部的所述热管外侧；所述电源与所述电热元件相连接，为所述电热元件供电。
8.进一步地，所述热管，包括，蒸发段、绝热段、冷凝段，所述蒸发段位于所述燃料组件基体内部；所述冷凝段位于所述燃料组件基体外部。
9.进一步地，还包括金属孔板，所述电热元件贯穿所述金属孔板中。
10.进一步地，所述金属孔板的孔数与热管数量相同，管径与所述热管相同，孔排列方式与所述热管束相同，金属孔附近上下延伸，增加金属孔板与所述热管冷凝段壁面的换热面积。
11.进一步地，所述电热元件，为电阻丝或电热套管。
12.进一步地，在所述热管内壁设置有吸液芯，在所述热管内形成填充有工质的蒸汽腔。
13.进一步地，所述吸液芯为：丝网状、微槽吸液芯或烧结网-凹槽复合芯。
14.进一步地，所述电源为采用蓄电池，利用反应堆工作时所发出的电进行充电，反应堆重新启堆时，实现系统内部自循环，用于加热所述热管，加快所述热管启动。
15.更进一步地，所述热管冷凝段，设置有多个温度测点，使用热电偶进行测温，并进行温度监控，当管内最低温度达到所述工质沸点时，停止所述热管冷凝段或绝热段的加热，所述热管冷凝段开始正常工作。
16.本发明的一种反应堆热管快速启动系统，与现有技术相比较，具有如下的有益效果：采用热管蒸发段、冷凝段同时加热的方法，可避免冷凝段太长导致蒸发段加热产生的蒸汽提前冷冻导致启动失败。同时使得热量完全用于工质升温而不必在冷凝段散失，从而起到加快热管启动的作用。可应用于高温、中温、低温热管的启动，促使热管尽快达到正常运行状态。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明热管堆热管群采用蒸发段、冷凝段同时加热，可避免冷凝段太长导致单蒸发段加热产生的蒸汽提前冷冻导致启动失败。同时使得热量完全用于工质升温而不必在冷凝段散失，从而起到加快热管堆中热管启动的作用。
18.本发明的其它特征和优点部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明进一步了解。
附图说明
19.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为根据本发明的反应堆热管快速启动系统立体结构示意图；图2为根据本发明的反应堆热管加热元件及电源装置示意图；图3为根据本发明的反应堆热管快速启动系统单热管外加加热元件示意图；图4为根据本发明的热管结构示意图；图5为根据本发明的金属孔板结构示意图；图6为根据本发明的金属孔板及内部加热元件及电源装置俯视图；图7为根据本发明的金属孔板及内部加热元件侧视图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
21.图1为根据本发明的反应堆热管快速启动系统立体结构示意图（未加加热元件），图2为根据本发明的反应堆热管的外接加热元件及电源装置示意图，图3为根据本发明的反应堆热管快速启动系统单热管外加加热元件示意图，如图1-3所示，本发明的反应堆热管快速启动系统，包括，多个热管1、燃料组件基体2、加热元件3以及电源4，其中，每一个所述热管1的一端嵌入所述燃料组件基体2内部；所述加热元件3，设置在热管1外侧；所述电源4与所述加热元件3相连接，为加热元件3提供供电。
22.在本发明实施例中，在热管1的内壁上设置有吸液芯，在热管1内部形成蒸汽腔，蒸汽腔内填充有工质。在热管1启动时通过加热元件3进行加热，加快融化热管内填充的工质。
23.本发明实施例中，工质采用钾、钠、锂等碱金属。工质在未启动前为固态，以钾为例熔点336k，沸点1037k。从冷态300k启动，蒸发段输入热量，冷凝段同时进行加热。
24.本发明实施例中，加热元件3可以采用电阻丝缠绕在热管1外侧，或采用电热套管套在热管1外侧。
25.图4为根据本发明的热管结构示意图，如图4所示，在本发明实施例中，热管，包括，蒸发段1-1、绝热段1-2、冷凝段1-3。蒸发段1-1位于反应堆内，周围由燃料组件包围；绝热段1-2位于蒸发段1-1和冷凝段1-3之间；冷凝段1-3位于反应堆外，与外部环境相接触。
26.热管启动时，热管冷凝段1-3周围设有螺旋电阻丝，采用所选电阻丝加热可使冷凝段均匀受热，但是热管堆中热管数量巨大，可生产配套冷凝段的组合式外部缠绕式电阻丝组，电阻丝材料是具有良好导热性能的材料，可以为铂、铜、镍镉合金等。
27.热管冷凝段根据长度平均布置3-10个温度测点，使用热电偶进行测温。并进行温度监控，待管内最低温度达到工质沸点即可停止冷凝段或绝热段的加热，冷凝段开始正常工作。
28.此时关闭冷凝段的加热，蒸发段输入热量，蒸发段温度不断上升，冷凝段将蒸发段输入的热量导出，直到热管内部轴向温度趋于稳定，蒸汽腔形成稳定蒸汽流，热管达到稳态工况。
29.电源可选择蓄电池，反应堆正常运行后，将一部分的发电用于给蓄电池充电。在停堆后重新启堆时，蓄电池可再次加热冷凝段，以实现自循环，并加快热管启动过程。
30.图5为根据本发明提出的另一种加热方式-金属孔板，图6为根据本发明的金属孔板及内部电阻丝及电源装置俯视图，图7为根据本发明的金属孔板及内部电阻丝侧视图，如图5-7所示，在本发明实施例中，由于热管数量大，外部缠绕式电阻丝若是不方便添加。可以做与热管数量相同、管径相同、排列相同的金属孔板，金属孔附近上下延伸，以便增加金属孔板与热管冷凝段壁面的换热面积。可根据实际情况套入1-5组金属孔板进行加热，进而将热量传递给冷凝段，以加快换热。
31.本发明实施例中，将金属孔板套在热管冷凝段。电源开始供电，加热电阻丝。如图7所示，电阻丝贯穿与导热性能良好的金属孔板之中，使得热量传递给冷凝段，工质持续升温。当冷凝段热电偶检测到冷凝段内温度达到1037k，即达到沸点，至此冷凝段热管启动完
成。
32.此时关闭冷凝段的加热，蒸发段输入热量，蒸发段温度不断上升，冷凝段将蒸发段输入的热量导出，直到热管内部轴向温度趋于稳定，蒸汽腔形成稳定蒸汽流，热管达到稳态工况。
33.反应堆正常运行后，将一部分的发电用于给电源充电。在停堆后重新启堆时，电源可再次加热冷凝段，以实现自循环，并加快热管启动过程。
34.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。