《核反应堆热工水力分析近代进展》研究生课程教学课件（PPT讲稿）热管反应堆介绍

CONTENTS01概念和历史A兴02技术特点18961ACAOTONGUNI03国内外发展现状04发展和展望

CONTENTS 重水堆（CANDU） 01 概念和历史 02 技术特点 03 国内外发展现状 04 发展和展望

概念和历史PartM6TONG热管堆发展背景热管堆基本概念CNuTHeL热管堆发展历史3/42

Part1 概念和历史 ◆ 热管堆发展背景 ◆ 热管堆基本概念 ◆ 热管堆发展历史 3/42

NuclearThermal-hydraulicLaboratory福1.1热管堆发展背景ArTHeL核反应堆热工水力研究实验室PART口随着经济的发展，我国国防力量的发展要求日益增长，尤其是空天利益、与海洋权益的竞争日趋激烈，先进XX的发展愈加重要；小型核反应堆电源技术的发展，可有效满足航天探测器，■星表科考，以及高科技的现代战争条件下的先进XX等对电源系统的发展要求；口小型核反应堆电源具有功率水平高、运行噪音低、使用寿命长的优势。4/42

PART 1 1.1 热管堆发展背景 4/42  随着经济的发展，我国国防力量的发展要求日益增长， 尤其是空天利益、与海洋权益的竞争日趋激烈，先进XX 的发展愈加重要；  小型核反应堆电源技术的发展，可有效满足航天探测器、 星表科考，以及高科技的现代战争条件下的先进XX等对 电源系统的发展要求；  小型核反应堆电源具有功率水平高、运行噪音低、使用 寿命长的优势

ENuclear Thermal-hydraulic Laboratory1.1热管堆发展背景ArTHel.传统小型可移动电源系统口容易受到诸如航天、航海等特殊工作环境的制约：口容易受到发射、运输、恶劣天气、海况等条件的影响。自前的能源动力口燃料电池存在氢储问题，导致能源重量和体积增大；口柴油机和AIP系统结构复杂，重量体积大，有噪声：口蓄电池续航能力较弱容易造成污染核反应堆电源干净清洁可以满足重量和体积小的要求、能保证续航需求能量密度高服役寿命长环境适应性强容易受到发射传统动力燃料电池：运输、恶劣天燃料电池：<200h200-300W/kg气、海况、月柴油机：油装载量热气机：夜等条件的影蓄电池：<100h300-500W/kg响特种核动力可应用于复杂热管堆：空天环境、海热管堆：10-30年洋环境和陆上50,000W/kg运输5/42

1 1.1 热管堆发展背景 5/42 传统小型可移动电源系统  容易受到诸如航天、航海等特殊工作环境的制约；  容易受到发射、运输、恶劣天气、海况等条件的影响。 目前的能源动力  燃料电池存在氢储问题，导致能源重量和体积增大；  柴油机和AIP系统结构复杂，重量体积大，有噪声；  蓄电池续航能力较弱，容易造成污染。 核反应堆电源干净清洁、可以满足重量和体积小的要求、能保证续航需求。 能量密度高 服役寿命长 环境适应性强 传 统 动 力 燃料电池： 200-300W/kg 热气机： 300-500W/kg 燃料电池：<200h 柴油机：油装载量 蓄电池：<100h 容易受到发射、 运输、恶劣天 气、海况、月 夜等条件的影 响 特 种 核 动 力 热管堆： 50,000W/kg 热管堆：10-30年 可应用于复杂 空天环境、海 洋环境和陆上 运输

ENuclearThermal-hydraulicLaboratory1.1热管堆发展背景MrTHeL核反应堆热工水力研究实验室PART传统压水堆核动力系统不同类型能源适用范围100MW回路结构复杂/可靠性低小型化困难/隐蔽性差IOMW-核能是大功率稳压器蒸汽发生器IMW-核发座增电话推进汽轮机二国路4长续航能源的功主变流机组汽轮发电机100kW-最优选择！水1okw-化学能Ikw-位电话蓄电池太阳前100W冷摄器14核反应增HourDayMonthYeair-Decade可使用时间服2热饮排版水通递温整发电摄冷理求销入通递热管堆电源的优势口微型化，结构简化，能量密度高；td净水编通道m口长续航，反应堆不换料寿期长达数年口超静音，非能动静默发电，隐蔽性强RONP6mM电HRRHA武净甲XRanRAS热管反应堆技术能够有效满足新型装备动力需求6/42

PART 1 1.1 热管堆发展背景 6/42 不同类型能源适用范围 回路结构复杂/可靠性低 小型化困难/隐蔽性差 传统压水堆核动力系统 核能是大功率、 长续航能源的 最优选择！ 热管堆电源的优势  微型化，结构简化，能量密度高；  长续航，反应堆不换料寿期长达数年；  超静音，非能动静默发电，隐蔽性强。 热管反应堆技术能够有效满足新型装备动力需求

ENuclear Thermal-hydraulic Laboratory1.2热管堆基本概念ATHeL:核反应堆热工水力研究实验室PART热管反应堆概念口热管反应堆：反应堆堆芯依靠热管冷却堆芯，无需冷却剂回路，热管将热量从堆芯导出到能量转换系统：堆芯中燃料和热管通过高导热率的堆芯基体材料相连TT电能屏蔽和控制系统堆芯本体废热06热量能量转热量废排除60000换系统热206系统热管11系统组成能量转换系统反应堆堆芯堆芯热管废热排放系统屏蔽系统控制系统及其他系统1/42

PART 1 1.2 热管堆基本概念 热管反应堆概念 7/42  热管反应堆：反应堆堆芯依靠热管冷却堆芯，无需冷却剂回路，热管将热量从堆 芯导出到能量转换系统；堆芯中燃料和热管通过高导热率的堆芯基体材料相连。 系统组成 堆芯热管 反应堆堆芯 能量转换系统 废热排放系统 屏蔽系统 控制系统及其他系统

EWNuclear Thermal-hydraulic Laboratory1.3热管堆发展历史ATHeL:核反应堆热工水力研究实验室PART围绕热管反2012年，美中国的西安交通大学应堆关键技国完成带核术研究，如NuThel提出实验装置碱金属高温DUFF，实NUSTER-热管、耐高100概念设计现热管反应温材料、耐井完成堆的首次带核演示，热高温燃料、NUSTER原热点转换等型堆非核实管堆取得重验演示关键技术。大突破196020121980200020192018美国洛斯阿21世纪初2018年，美拉莫斯国家美国太空探国完成热管实验室堆原型堆索计划重新首(LANL)提出，空间KRUSTY物次提出采用热管反应堆理启动、停热管导热元堆带核实验得到快速发件的新型空展，不同热研究。间核反应堆管堆设计方电源。案提出，如HOMERSAIRs等8/42

PART 1 1.3 热管堆发展历史 8/42 1960 1980 2000 2012 2018 2019 美 国 洛 斯 阿 拉 莫 斯 国 家 实 验 室 （LANL）首 次 提 出 采 用 热 管 导 热 元 件 的 新 型 空 间 核 反 应 堆 电源。 围 绕热管 反 应 堆 关键 技 术研究，如 碱 金 属高 温 热 管、耐 高 温材料、耐 高 温 燃料、 热 点 转换 等 关键技术。 21 世纪初， 美 国 太 空 探 索 计 划 重 新 提 出 ， 空 间 热管反应堆 得 到 快 速 发 展 ， 不 同 热 管 堆 设 计 方 案提出 ，如 HOMER 、 SAIRs等。 2012年，美 国完 成带 核 实验装置 DUFF ， 实 现 热 管反 应 堆 的 首次带 核演示，热 管 堆 取得 重 大突破。 2018 年 ， 美 国 完 成 热 管 堆 原 型 堆 KRUSTY 物 理启动 、停 堆 带 核 实 验 研究。 中 国 的西 安 交通大学 NuThel提 出 NUSTER- 100概念设计， 并完成 NUSTER 原 型 堆非核 实 验演示

2技术特点PartM6TONG热管堆基本原理热管堆优缺点CNuTHeL热管堆关键技术

Part2 技术特点 ◆热管堆基本原理 ◆热管堆优缺点 ◆热管堆关键技术

2Nuclear Thermal-hydraulic Laborator2.1热管堆基本原理ArTHel.核反应堆热工水力研究实验室PART堆芯冷却方式-热管冷却蒸发段绝热段冷凝段口吸液芯热管工作原理管壁蒸汽区一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽吸液芯化，在压差作用下流向另一端放出热量凝结成液体，液体靠毛细力的++++++It+t++tt1热阱热源作用流回蒸发段。口热管冷却方式的优点轻质量，小尺寸：气冷体积最大，液态金属冷却高温碱金属热管：体积最小，热管冷却体积适中工质：碱金属钠、钾、锂可操控性强，热管冷却方式具有最优的热瞬态反馈性能轴向：蒸发段、绝热段、冷凝段高可靠性：热管冷却方式中，每根热管各自独立径向：管壁、吸液芯、蒸汽区具有很大的热传输裕量，单根热管或数热管损坏后，热量可通过临近热管传出堆外，不会造成反应堆系统失效。I10/42

PART 2 堆芯冷却方式-热管冷却 2.1 热管堆基本原理 10/42  吸液芯热管工作原理 一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽 化，在压差作用下流向另一端放出 热量凝结成液体，液体靠毛细力的 作用流回蒸发段。  热管冷却方式的优点 ◆轻质量，小尺寸：气冷体积最大，液态金属冷却 体积最小，热管冷却体积适中 ◆可操控性强，热管冷却方式具有最优的热瞬态反 馈性能 ◆高可靠性：热管冷却方式中，每根热管各自独立， 具有很大的热传输裕量，单根热管或数热管损坏 后，热量可通过临近热管传出堆外，不会造成反 应堆系统失效。 高温碱金属热管： 工质：碱金属钠、钾、锂 轴向：蒸发段、绝热段、冷凝段 径向：管壁、吸液芯、蒸汽区 蒸发段 绝热段 冷凝段 热源 热阱 管壁 蒸汽区 吸液芯

NuclearThermal-hydraulic Laboratory2.1热管堆基本原理ArTHeL核反应堆热工水力研究实验室PART反应性控制方式传统反应堆控制系统，需要堆芯移动部件来控制且控控制棒制棒会额外增加堆芯的尺寸通过调节中子泄漏量进行反应性控制，需要移动较重的移动反射层材料，控制过程复杂，并且需要额外的质量很大反射层的支撑材料毒物在堆芯内没有移动部件，不会转鼓明显增加反应堆系统的质量和尺寸，有较高的可靠性反射层堆芯转鼓转鼓转鼓的材料主要与反射层一样，只是在部分工作表面涂了部分中子吸收毒物，通过将毒物面方式转向堆芯或转离堆芯，从而控制反应性。11/42

PART 2 反应性控制方式 2.1 热管堆基本原理 11/42 控制棒 传统反应堆控制系统，需要堆芯移动部件来控制，且控 制棒会额外增加堆芯的尺寸 移动 反射层 通过调节中子泄漏量进行反应性控制，需要移动较重的 反射层材料，控制过程复杂，并且需要额外的质量很大 的支撑材料 转鼓 在堆芯内没有移动部件，不会 明显增加反应堆系统的质量和 尺寸，有较高的可靠性 转鼓的材料主要与反射层一样，只是在部分 表面涂了部分中子吸收毒物，通过将毒物面 转向堆芯或转离堆芯，从而控制反应性。 转鼓 工作 方式