阅读说明：本技术 温差发电单元、熔盐堆及其运行方法和应用 (Thermoelectric power generation unit, molten salt reactor, and operation method and application thereof ) 是由 陈兴伟 戴叶 崔德阳 于世和 邹杨 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种温差发电单元、熔盐堆及其运行方法和应用。该温差发电单元用于热管冷凝端,其包括热端套筒和冷端套筒；热端套筒用于套设于热管冷凝端外,热端套筒的外侧壁为平面,每一热端套筒的底部与其相邻的热端套筒的底部连接形成一个热端套；每一热端套筒外均套设与之相适的具有内部空腔的冷端套筒,每一冷端套筒的底部与其相邻的冷端套筒的底部连通形成具有一个内部空腔的冷端套,其设有冷却介质入口和出口；热端套的外侧壁与冷端套的内侧壁之间贴有温差发电片；热端套的外侧壁与冷端套的内侧壁在未贴温差发电片处相贴合。本发明的温差发电单元,能够提高换热能力。(The invention discloses a temperature difference power generation unit, a molten salt reactor, an operation method and application thereof. The thermoelectric power generation unit is used for a heat pipe condensation end and comprises a hot end sleeve and a cold end sleeve; the hot end sleeve is sleeved outside the condensation end of the heat pipe, the outer side wall of the hot end sleeve is a plane, and the bottom of each hot end sleeve is connected with the bottom of the adjacent hot end sleeve to form a hot end sleeve; each hot end sleeve is sleeved with a cold end sleeve which is matched with the hot end sleeve and provided with an inner cavity, the bottom of each cold end sleeve is communicated with the bottom of the cold end sleeve adjacent to the cold end sleeve to form a cold end sleeve with an inner cavity, and the cold end sleeve is provided with a cooling medium inlet and a cooling medium outlet; a thermoelectric generation piece is pasted between the outer side wall of the hot end sleeve and the inner side wall of the cold end sleeve; the outer side wall of the hot end sleeve is attached to the inner side wall of the cold end sleeve at the position where the thermoelectric generation sheet is not attached. The thermoelectric power generation unit can improve the heat exchange capacity.)

温差发电单元、熔盐堆及其运行方法和应用

技术领域

本发明涉及一种温差发电单元、熔盐堆及其运行方法和应用。

背景技术

随着科技的发展，人们探索外太空、深海等特殊环境的步伐加快，传统能源系统因尺寸大、续航能力差或在高低温、真空、辐射、冲击和振动等较为恶劣的工作环境适应能力不强等原因，难以满足大型特种装备长期工作的使用需求。不受环境影响、长寿命、安全可靠的核能电源的技术开发日益受到重视。

目前国际上所考虑的适于特殊环境的堆型包括气体冷却堆型和液体冷却堆型，气体冷却堆型需要有工作压力，导致系统的质量和尺寸变大，从而限制了它们在特殊环境的应用。熔盐堆(液体冷却堆型之一)作为***先进反应堆的重要堆型之一，以高沸点熔盐为核燃料，具有功率密度大，输出温度高，热电效率高，结构简单，操作简易、安全可靠等优点。熔盐堆应用于能源系统具有极大的优势，是外太空及深海探测任务的理想能源。

中国专利文献CN109243653A，公开日2019.01.18，公开一种核反应堆，其采用热管、热电偶转换元件和冷却水进行热能和电能的转换。但本发明的发明人希望指出的是，该技术方案中，热电偶转换元件间隔设置，热电偶转换元件之间设置冷却水通道，热管***热电偶转换元件中，这种结构的温差发电单元的换热能力还不够理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的反应堆的用于热管冷凝端的温差发电单元存在换热能力还不够理想的缺陷，而提供一种新型的温差发电单元、熔盐堆及其运行方法和应用。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供一种温差发电单元，所述温差发电单元用于热管冷凝端，所述温差发电单元包括热端套筒和冷端套筒；所述热端套筒与所述热管冷凝端一一对应；所述热端套筒用于套设于所述热管冷凝端外，且所述热端套筒与所述热管冷凝端相适，所述热端套筒的外侧壁为平面，每一所述热端套筒的底部与其相邻的所述热端套筒的底部连接形成一个热端套；每一所述热端套筒外均套设与之相适的具有内部空腔的冷端套筒，每一所述冷端套筒的底部与其相邻的所述冷端套筒的底部连通形成具有一个内部空腔的冷端套，所述冷端套设有冷却介质入口和冷却介质出口；所述热端套的外侧壁与所述冷端套的内侧壁之间均贴有温差发电片；所述热端套的外侧壁与所述冷端套的内侧壁在未贴有温差发电片处相贴合。

本发明中，所述热端套筒的外侧壁的形状较佳地同正六棱柱的外侧壁的形状。

本发明中，所述热端套的材质可为本领域常规使用的具有较好热导率的金属材料，较佳地为铜。

本发明中，较佳地，所述热端套的底面为水平面。

本发明中，所述冷端套的材质可为本领域常规使用的具有较好热导率的材料，较佳地为铜。

本发明中，所述冷端套的内部空腔内可根据所述热管冷凝端的换热需求加设折流板或翅片。

本发明中，较佳地，所述冷端套的底面为水平面。

本发明中，较佳地，所述冷却介质入口设于所述冷端套的底部侧壁，所述冷却介质出口设于所述冷端套的顶部侧壁，如此可实现逆流换热。

本发明中，所述温差发电片可为本领域常规使用的耐高温材质，较佳地为钴基氧化物，更佳地为Ca-Co-O基热电材料，其成分为Ca₃Co₄O₉。

本发明中，所述温差发电片与所述热端套之间可涂耐高温的无机胶加强导热，所述无机胶例如可为硅铝酸盐胶粘剂。较佳地，所述硅铝酸盐胶粘剂的型号为JL-767C，生产厂家为东莞市聚力胶粘剂制品有限公司。

本发明中，所述温差发电片与所述冷端套之间可涂耐高温的无机胶加强导热，所述无机胶例如可为硅铝酸盐胶粘剂。较佳地，所述硅铝酸盐胶粘剂的型号为JL-767C，生产厂家为东莞市聚力胶粘剂制品有限公司。

本发明还提供一种熔盐堆，所述熔盐堆包括燃料盐、热管、堆芯容器、反射层和屏蔽层；所述堆芯容器外依次设有所述反射层和所述屏蔽层；所述燃料盐填充于所述堆芯容器内；所述热管的一端***所述燃料盐内，所述热管的另一端作为热管冷凝端从所述屏蔽层伸出；所述热管冷凝端设有前述的温差发电单元。

本发明中，较佳地，所述熔盐堆为用于深海探测领域中的熔盐堆。此时，较佳地，所述冷却介质入口为冷却水入口，所述冷却介质出口为冷却水出口。

本发明中，所述燃料盐可为本领域常规的含有核燃料的熔盐，所述熔盐例如可为高沸点熔盐，较佳地为氟盐或氯盐。所述燃料盐较佳地为LiF-UF₄。

本发明中，所述热管的材质可为本领域常规耐高温耐腐蚀耐辐照材料，较佳地为Mo-Re合金或哈氏合金，更佳地为哈氏合金。

本发明中，所述热管可为本领域常规使用的热管，其一般为一段容纳工作介质的封闭的管道，其可为各种形状，例如弯管或直管，较佳地为圆柱型直管。

本发明中，所述热管内部的工作介质可为本领域常规使用的工作介质，例如碱金属(锂、钠、钾或铯)或银，较佳地为钠或钾，更佳地为钠。

本发明中，所述热管的排布方式参照管壳式换热器中列管的排布方式，较佳地为正三角形排布方式。

本发明中，所述堆芯容器的材质可为本领域常规耐高温耐腐蚀耐辐照材料，较佳地为Mo-Re合金或哈氏合金，更佳地为哈氏合金。

本发明中，所述反射层的材质可为本领域常规使用的具有强中子反射能力的材料，较佳地为氧化铍。

本发明中，所述反射层内可按本领域常规的设置方式设置控制鼓，所述控制鼓的材质可为本领域常规使用的具有强中子反射能力的材料，较佳地为氧化铍。其中，所述控制鼓的一侧按本领域常规设置中子吸收体，所述中子吸收体的材质可为强中子吸收能力材料，较佳地为碳化硼。

本发明中，所述屏蔽层的外侧较佳地设置保温层，所述热管冷凝端、所述热端套及所述冷端套均位于所述保温层内，所述保温层的设置用于减少系统热损失。所述保温层较佳地具有内层和外层，所述内层的材质为硅酸铝纤维，所述外层的材质为纳米保温材料。

在本发明一较佳实施方式中，所述热管为圆柱型直管，所述热管的排布方式为正三角形排布方式；所述热端套筒的外侧壁的形状同正六棱柱的外侧壁的形状；所述热端套的底面与所述热管的纵轴垂直；所述冷端套的底面与所述热管的纵轴垂直；所述冷却介质入口设于所述冷端套的底部侧壁，所述冷却介质出口设于所述冷端套的顶部侧壁。

在本发明一更佳实施方式中，所述热管的材质为哈氏合金，所述热管内部的工作介质为钠；所述热端套的材质为铜；所述冷端套的材质为铜；所述屏蔽层的外侧设置保温层，所述热管冷凝端、所述热端套及所述冷端套均位于所述保温层内；所述温差发电片为Ca-Co-O基热电材料，其成分为Ca₃Co₄O₉。

在本发明一进一步更佳实施方式中，所述燃料盐为LiF-UF₄；所述堆芯容器的材质为哈氏合金；所述反射层的材质为氧化铍；所述反射层内设置控制鼓，所述控制鼓的材质为氧化铍；所述控制鼓的一侧设置中子吸收体，所述中子吸收体的材质为碳化硼。

本发明还提供一种前述的熔盐堆的运行方法，所述运行方法包括如下步骤：所述热管将燃料盐的热量传递至所述热管冷凝端外的所述热端套，所述冷却套中的冷却介质不断冷却所述冷端套，所述温差发电片利用其两端的温差产生电动势，将热能转换为电能。

本发明中，本领域技术人员知晓，所述温差应当达到10℃以上，如此，发电量可以达到可利用水平。本发明的发明人发现，所述温差较佳地为250以上，更佳地为325.9℃以上，例如480.6℃以上。

本发明中，所述冷却介质一侧的换热系数较佳地为1170W/(m²·k)以上，更佳地为1221W/(m²·k)以上，进一步更佳地为2700W/(m²·k)以上。

本发明中，较佳地，所述温差为480.6℃以上，所述温差发电片为Ca-Co-O基热电材料，其成分为Ca₃Co₄O₉，所述冷却介质一侧的换热系数为2700W/(m²·k)以上。上述技术方案，可大大提高热电转换效率。

本发明还提供一种前述的熔盐堆在外太空探测和/或深海探测领域中作为电源的应用。

本发明中，较佳地，所述领域为深海探测领域。

本发明中，“所述热端套筒与所述热管冷凝端相适”中，所述的“相适”指的是所述热管冷凝端的外壁面与所述热端套筒的内壁面相贴合。

本发明中，“每一所述热端套筒外均套设与之相适的具有内部空腔的冷端套筒”中，所述的“相适”指的是所述冷端套筒的内壁面与贴有所述温差发电片的所述热端套筒相贴合。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：与现有结构的温差发电单元相比，本发明的温差发电单元，使得热管冷凝端形成独特的换热结构，换热能力得到进一步的提升。

附图说明

图1为实施例1的熔盐堆的纵截面图；

图2为图1中的A-A向视图；

图3中，图a为实施例1中热管的主视图，图b为实施例1中热管的俯视图；

图4中，图a为实施例1的热端套沿其纵截面的主视图，图b为实施例1的热端套沿与其纵截面垂直的横截面的俯视图；

图5中，图a为实施例1的贴温差发电片后的热端套沿其纵截面的主视图，图b为实施例1的贴温差发电片后的热端套沿与其纵截面垂直的横截面的俯视图；

图6中，图a为将图5所示贴温差发电片的热端套套设于热管后形成的主视图，图b为将图5所示贴温差发电片的热端套套设于热管后形成的俯视图；

图7中，图a为实施例1的冷端套沿其纵截面的主视图，图b为实施例1的冷端套俯视图；

图8为将图7所示的冷端套套设于图6所示的整体后形成的主视图；

图9为将图7所示的冷端套套设于图6所示的整体后形成的俯视图；

附图标记说明：

燃料盐1

热管2

堆芯容器3

反射层4

控制鼓41

中子吸收体411

屏蔽层5

热端套6

热端套筒61

冷端套7

冷端套筒71

冷却介质入口72

冷却介质出口73

温差发电片8

保温层9

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

实施例1

(1)熔盐堆

如图1-9所示，该熔盐堆包括燃料盐1、热管2、堆芯容器3、反射层4和屏蔽层5；堆芯容器3外依次设有反射层4和屏蔽层5；燃料盐1填充于堆芯容器3内；热管2的一端***燃料盐1内，热管2的另一端作为热管冷凝端从熔盐堆的屏蔽层5伸出；每一热管冷凝端外均套设有与之相适的热端套筒61，热端套筒61的外侧壁为平面，每一热端套筒的底部与其相邻的热端套筒的底部连接形成一个热端套6；每一热端套筒外均套设与之相适的具有内部空腔的冷端套筒71，每一冷端套筒的底部与其相邻的冷端套筒的底部连通形成具有一个内部空腔的冷端套7，冷端套7设有冷却介质入口72和冷却介质出口73；热端套6的外侧壁与冷端套7的内侧壁之间均贴有温差发电片8；热端套6的外侧壁与冷端套7的内侧壁在未贴有温差发电片处相贴合。

其中，燃料盐1为LiF-UF₄；热管2的材质为哈氏合金；热管2为一段容纳工作介质的封闭的直管；热管2内部的工作介质为钠；热管2的排布方式为正三角形排布方式，中心距为5cm；堆芯容器3的材质为哈氏合金；反射层4的材质为氧化铍；反射层4内设有控制鼓41，控制鼓41的材质为氧化铍；控制鼓41的一侧设有中子吸收体411，中子吸收体411的材质为碳化硼；屏蔽层5的外侧设有保温层9，热管冷凝端、热端套6及冷端套7均位于保温层9内；

其中，热端套筒61的外侧壁的形状同正六棱柱的外侧壁的形状；热端套6的材质为铜；热端套6的底面与热管2的纵轴垂直；冷端套7的材质为铜；冷端套7的底面与热管2的纵轴垂直；冷却介质入口72设于冷端套7的底部侧壁，冷却介质出口73设于冷端套7的顶部侧壁，如此可实现逆流换热；冷却介质入口为冷却水入口，冷却介质出口为冷却水出口；温差发电片8为Ca-Co-O基热电材料，成分为Ca₃Co₄O₉。

其中，温差发电片8与热端套6之间涂有硅铝酸盐胶粘剂，其型号为JL-767C，生产厂家为东莞市聚力胶粘剂制品有限公司。

其中，温差发电片8与冷端套7之间涂有硅铝酸盐胶粘剂，其型号为JL-767C，生产厂家为东莞市聚力胶粘剂制品有限公司。

其中，热管2的个数为37根，热管2的外径为32mm，热管间距为50mm，热管冷凝端的长度为4cm，热端套筒61的顶面边长为20.8mm，冷端套筒71的外顶面的边长为26.5mm，冷端套筒71的内顶面的边长为25.4mm，温差发电片厚度为4mm，冷端套筒厚度为1mm；堆芯容器内直径为35cm，堆芯容器的内部高度为62cm，堆芯容器3的壁厚为2cm；反射层4的厚度为12cm，屏蔽层5的厚度为10cm，保温层9的厚度为10cm；热端套筒61的六个外侧面的每个面分别粘接2个温差发电片8，每个温差发电片的长*宽为20mm*20mm。

(2)运行方法

在上述熔盐堆中进行，转动控制鼓，使中子吸收体远离燃料盐，使熔盐堆达到临界，并保持一定的热功率运行；加热燃料盐，并使其熔化；燃料盐熔化后，转动控制鼓，慢慢升热功率至50kW；最后，调节热管冷凝端散热功率，使热管带出的热量与堆芯产热相匹配，反应堆稳定运行。

其中，热管将燃料盐的热量传递至热管冷凝端外的热端套，而冷却介质不断冷却冷端套，温差发电片利用其两端的温差产生电动势，将热能转换为电能。

其中，冷却水流量为1kg/s，冷却水入口的进水温度为300K，冷却水出口的出水温度为315.5K；堆芯温度973K，温差发电片热端温度为946.6K，温差发电片冷端温度为466K，温差发电片热端与冷端的温差为480.6K。

技术效果：经FLUENT传热分析，冷却水一侧的换热系数为2700W/(m²·k)，温差发电效率可达12％以上。经MCNP模拟分析，该熔盐堆在满功率50kW下，运行10年后，堆芯剩余反应性为1.003，剩余反应性大于1，表明反应堆还能运行，故该熔盐堆可以运行10年以上。

实施例2

(1)熔盐堆

熔盐堆的功率10kw，堆芯容器内直径为30cm，热管间距调60mm，热管个数为19根，其余同实施例1的熔盐堆。

(2)运行方法

在上述熔盐堆中进行，其中，冷却水流量为0.2kg/s，冷却水入口的进水温度为300K，冷却水出口的出水温度为330.2K；堆芯温度873K，温差发电片热端温度为833.2K，温差发电片冷端温度为517.3K，温差发电片热端与冷端的温差为325.9K，其余同实施例1的运行方法。

技术效果：经FLUENT传热分析，冷却水一侧的换热系数为1221W/(m²·k)，温差发电效率可达10％以上。经MCNP模拟分析，该熔盐堆在满功率10kW下，可运行8.5年以上。

对比例1

(1)熔盐堆

温差发电单元的结构同背景技术部分提及的中国专利文献CN109243653A的结构，19根热管插于热电偶转换元件中(包括铜板及贴设于铜板与冷却水通道之间的温差发电片)中，冷却水通道通冷却水，冷却水通道由两块铜板构成，构成冷却水通道的铜板的厚度为1mm，冷却水通道的宽度为7.1mm；温差发电片热端与冷端的温差为338K，其余参数同实施例2的熔盐堆。

(2)运行方法

在上述熔盐堆中进行，其余同实施例2的运行方法。

技术效果：经FLUENT传热分析，冷却水一侧的换热系数为1026W/(m²·k)。

由此可见，实施例2的熔盐堆中所用的温差发电单元，与对比例1相比，冷却水一侧的换热系数提升19％。这是因为，本发明的温差发电单元在热管冷凝端形成独特的换热结构，且该结构优于对比例1的结构，故能够进一步提升换热能力，进而更加适用外太空及深海等特殊环境，具有极大应用潜力。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。