一种热管量子微型反应堆

1.本发明属于包括以热管量子微型反应堆为主的核能能源领域和放射学领域，具体涉及到采用的小型热管堆或量子点应用技术。


背景技术：

2.1942年gaugler首次提出了热管概念，并在1963年由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（los alamos national laboratory, lanl）的grover进行了发明，其主要通过管内工质的相变，利用汽化和冷凝的高潜热和毛细抽吸现象，无需外界动力便可以进行传热。经过几十年的发展，热管概念被应用于各种领域，其中包括将热管技术运用到新型反应堆概念设计中，或者采用热管技术来提升已有安全系统的可靠性；量子点技术源于上世纪70年代中期，通过光电化学研究，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量，在离子检测、生物成像、太阳能电池、led照明等领域都有广阔的应用前景。
3.目前量子点技术在光电、纳米材料、生物质的应用比较成熟，专利cn202310374631.9发明了一种带量子激发单元的直下式背光板，实现对背光的色彩进行调整，结构使用更为灵活，以满足不同的背光需求；专利cn202310086928.5发明了一种以邻苯二胺制备多氮掺杂木材大分子基碳量子点的方法，提高了微生物的电子传递能力，进而实现了促进微生物活性，提高微生物代谢的作用；专利cn202210801891.5发明了一种用于增甘磷农药残留快速可视化检测的纸基传感器制备方法，以氮掺杂生物质碳量子点-fe3+体系为荧光探针，检测食品样品中增甘磷浓度。
4.目前热管小堆正在应用于陆地移动反应堆、边远地区、宇宙探索、资源探索研究开发等，但针对量子点技术的应用并未与核能领域进行关联，先进小型热管反应堆与量子点技术的结合研究尚未发现。
5.因此有必要设计一种热管量子微型反应堆，将量子点技术与热管堆结合运行，提高运行效率，优化热管堆的工作状态，提高热管堆的利用率和安全性。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提出一种热管量子微型反应堆，量子点技术与热管堆结合运行，将热管传热、拓扑绝缘体与压电材料互为补充，提供热管堆的三条一回路传热，提高热管堆的启停及运行效率、安全性和可靠性。
7.本发明解决技术问题的技术方案是：本发明公开了一种热管量子微型反应堆，包括反应堆本体、热管、换热器、压电材料、拓扑绝缘体以及动力系统，还包括量子点和为所述量子点提供射线的射线发生器；所述反应堆本体的堆芯及所述热管内均设有量子点。
8.进一步的，还包括第一输送管道、第二输送管道和第三输送管道；所述第一输送管道连通所述热交换器及动力系统，能够在反应堆本体运行时，将所述热管导入热交换器的热量输入动力系统；所述第二输送管道连通所述热交换器及所述拓扑绝缘体，能够在反应堆本体运行
时，将热管导入热交换器的热量输入所述拓扑绝缘体，并用于在反应堆本体运行时，将导入拓扑绝缘体的热量进行热电转换输入动力系统；所述第三输送管道连通所述压电材料及所述动力系统，能够在反应堆本体运行时，将堆芯内的压电材料产生的电能直接输入动力系统。
9.进一步的，所述量子点涂布在中子源启动棒表面上，或直接利用量子点进行启动。
10.进一步的，所述量子点涂抹在反应堆本体的可燃毒物上；所述可燃毒物包括可燃毒物棒、可燃毒物片。
11.进一步的，所述第二输送管道使用的热电材料为掺杂铬的铅硒体系；所述第三输送管道为结合拓扑半金属，所述拓扑半金属采用拓扑半金属材料与金属材料合理混合策略制备而成。
12.进一步的，布局燃料棒内燃料颗粒呈纳米微粒分布。
13.进一步的，所述反应堆本体内堆芯采用热管传输热量。
14.进一步的，所述热管采用量子液态铅作为冷却剂。
15.进一步的，所述反应堆本体的慢化剂中分布有所述量子点。
有益效果
16.1.相较于现有技术，本发明布置在堆芯以及热管内的量子点均附有射线发生器，形成量子点技术与热管反应堆结合的高效安全的热管量子微型反应堆，该装置可部署于小型核反应堆，实现量子反应堆的新概念设计与安全高效运行原理，产生安全能源供人类社会发展需求，提高社会的核能接受度。
17.2. 量子点尺寸小于其自身的激子波尔半径时，可接受激发并发出光，并且随着半径越小，发射光蓝移，因此涂布在中子源启动棒表面上，做频谱转换以提高启动效率，且实现不同频率光控；加涂抹在反应堆可燃毒物上，应对堆芯最新装料时的高反应性，保证反应堆启动安全；3. 本发明热管量子微型反应堆，包括常规反应堆热能发电回路、拓扑绝缘体热电转换新型回路、利用压电材料的新型发电回路、射线发生器及量子点构成；第一输送管道用于在反应堆运行时，将热管导入热交换器的热量输入动力系统；第二输送管道用于在反应堆运行时，将热管导入热交换器的热量输入所述拓扑绝缘体，并用于在反应堆运行时，将导入拓扑绝缘体的热量进行热电转换输入动力系统；第三输送管道用于在反应堆运行时，将堆芯内的压电材料产生的电能直接输入动力系统。第三输送管道采用拓扑半金属材料与金属材料合适混合策略，避免微扰导致的退相干效应引起的错误。
附图说明
18.图1为本发明中热管量子微型反应堆的原理示意图；图2为本发明中热管的工作原理图；图3为本发明中附有量子点的反应堆可燃毒物示意图；图4为本发明中附有量子点的热管示意图；图5为本发明中附有量子点的反应堆控制棒示意图；图6为本发明中附有量子点的反应堆慢化剂示意图；
图7为本发明中附有量子点的中子源启动棒示意图；图中：1.反应堆；2.压电材料；3.热管；4.换热器；5.蒸发段；6.吸液芯；7.绝热段；8.气体工质；9.液体工质；10.冷凝段；11.射线；12.量子点；13.射线发生器；14.可燃毒物棒；15.可燃毒物片；16.控制棒；17.慢化剂；18.量子点化的慢化剂；19.中子源启动棒；20.启动量子点。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
20.本实施例提供一种热管量子微型反应堆，结构如图1所示，包括反应堆1、热管3及换热器4，反应堆1和换热器4通过热管3连接用于导出反应堆1的热量，包括反应堆1和压电材料2，反应堆1通过压电材料2用于导出反应堆1的热量。
21.热管量子微型反应堆包括反应堆、热管、射线发生器、量子点、换热器、压电材料、拓扑绝缘体以及动力系统。
22.换热器4具有与动力系统连通的第一输送管道，第一输送管道用于在反应堆运行时将反应堆1的热量输送到动力系统。
23.换热器4还具有与拓扑绝缘体连通的第二输送管道，第二输送管道用于在反应堆运行时，将热管导入热交换器的热量输入拓扑绝缘体，并用于在反应堆运行时，将导入拓扑绝缘体的热量进行热电转换输入动力系统；拓扑绝缘体具有与动力系统连通的第二输送管道的后半部分，第二输送管道用于在反应堆运行时将拓扑绝缘体实现热电转换后得到的电能输送到动力系统。
24.第二输送管道采用拓扑绝缘体开展热电转换，效率可以达到20%以上。所用热电材料为：在室温下将铬掺杂的铅硒体系（例如：拓扑晶体绝缘体sn1-xpbxte、bi2te3/fete
0.55
se
0.45
异质结）的热电优值提高到1.7，远高于此前普遍的1.0；也可以采用拓扑半金属（例如：cu2hgsnse4；cd3as2）就其导电或导热能力等特性而言，介于金属和绝缘体之间。具有几乎无耗散的电流以及比任何其他材料都能够将更多的光转化为电能的能力。
25.压电材料2具有与动力系统连通的第三输送管道，第三输送管道用于在反应堆运行时将反应堆内压电材料通过压电转换后的电能直接输送到动力系统。
26.其中，第三输送管道采用拓扑半金属材料与金属材料合适混合策略，避免微扰导致的退相干效应引起的错误。光热电效应普遍存在于拓扑半金属材料中，拓扑半金属材料一般具有皮秒量级的热载流子弛豫时间，在受到飞秒激光激发时，在光致温度梯度的驱动下能够产生超快光热电流，并以之为源向外辐射太赫兹波。
27.第三输送管道可结合拓扑半金属提高压电转换效率，其体态具有动量空间中的磁单极，独特的输运性质、磁性。
28.量子点可优化射线照射控制技术，进行热管量子堆的启动设计，量子点尺寸小于其自身的激子波尔半径时，可接受激发并发出光，并且随着半径越小，发射光蓝移，因此涂布在中子源启动棒表面上，做频谱转换以提高启动效率，且实现不同频率光控。
29.量子点的吸收能力非常大，加涂抹在反应堆可燃毒物上，应对堆芯最新装料时的高反应性，保证反应堆启动安全。
30.热管量子微型反应堆基于量子点观念，进行中子物理设计，布局燃料棒内不同燃
料颗粒呈纳米微粒分布，最大化地进行反应堆功率展平。
31.热管量子微型反应堆基于量子点观念，进行热工设计，布置热管分布并在其表面布置量子点，得到热量传输合理分布。
32.热管量子微型反应堆进行核热耦合，考虑量子点概念，布置热管与燃料位置结构，进而得到产生的温度场，堆芯采用热管传输热量，根据传热过程的温度场和力学性能设计材料分布。
33.热管量子微型反应堆采用量子液态铅作为冷却剂，其熔点只有25℃，冷却后凝固，固有安全性好，具有非能动安全特性。
34.热管量子微型反应堆，采用射线照射技术，进行热管量子堆的停堆控制设计。
35.量子点吸收能力非常大，可以加入反应堆慢化剂或设计慢化剂的量子点化，以及加涂抹在反应堆控制棒上，大大提高灵敏度，以提升应对堆芯反应升高得控制效率。
36.拓扑绝缘体技术具有边缘导电特性，可采用铋材料（例如：bi2se3、sr
x
bi2se3）构成光流开关，代替电流开关，安全性高，也可以双重保险反应敏感可靠，进行启动停堆控制。
37.本发明热管量子微型反应堆的总体运行流程为：反应堆1运行时，产生的热量分为三条回路进行热量传输，第一条回路为，堆芯热量通过热管3带走到换热器4，之后将热量直接输入动力系统；第二条回路为，堆芯热量通过热管3带走到换热器4，之后通过拓扑绝缘体进行热电转换后输入动力系统；第三条回路为，直接在反应堆内通过压电材料2进行压电转换将电能输入动力系统。
38.基于上述的总体运行流程：热管工作原理如图2所示，表示启堆时热管的工作状态，通过蒸发段5将热量传递到换热器内的冷凝段10，管芯内的液体受热蒸发带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，气体工质8从绝热段7流向热管在换热器内的冷凝段10，凝结成液体9，同时放出潜热到换热器进行正常堆芯运行，在吸液芯6毛细力的作用下，液体回流到蒸发段。相较于现有热管冷却剂主要使用钾、锂等金属，本发明所述热管的冷却剂使用量子液态铅。
39.反应堆运行时，如图3所示。射线发生器13产生射线11打入反应堆可燃毒物棒14及可燃毒物片15上布置的量子点12上，由于量子点的吸收能力非常大，可应对堆芯最新装料时的高反应性。保证反应堆启动安全。
40.反应堆运行时，如图4所示。射线发生器13产生射线11打入热管2布置的量子点12上，由于量子点可以调节波长，使得热量传输合理分布。
41.反应堆运行时，如图5所示。射线发生器13产生射线11打入反应堆控制棒16布置的量子点12上，由于量子点可以调节波长，将控制棒各个部位快速调节成所需波长，提高灵敏度，以提升应对堆芯反应性升高的控制速率。
42.反应堆停堆时，如图6所示。射线发生器13产生射线11打入反应堆慢化剂17布置的量子点12或量子点化的慢化剂18上，由于量子点的吸收能力非常大，可以吸收大量的快中子能量，进行热管量子堆的停堆控制，提高灵敏度。
43.反应堆启动时，如图7所示。射线发生器13产生射线11打入中子源启动棒19布置的量子点12或者启动量子点20上，由于量子点可以调节波长，做频谱转换以提高启动效率，且实现不同频率光控。
44.相对于现有技术，该装置具有的优点为：该装置使用量子点技术优化热管反应堆
的启停效率、反应性以及灵敏度，同时使用热管的相变传热、拓扑绝缘体热电转换及新型压电转换三条一回路导出堆芯热量，与传统轻水堆的工作回路相比，排布结构紧凑，体积小，利用率高。
45.同时热管的固有安全性高、便于模块化，方便进行车载运输。采用了热管相变传热，压电材料以及拓扑绝缘体的能量转换，热效率较高，贯彻了安全理念，提高了可靠性。
46.基于上述优点，该装置可部署于小型核反应堆，实现量子反应堆的新概念与安全高效运行原理，从而产生安全能源供人类社会发展需求，提高社会的核能接受度。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种热管量子微型反应堆，包括反应堆本体（1）、热管（3）、换热器（4）、压电材料（2）、拓扑绝缘体以及动力系统，其特征在于：还包括量子点（12）和为所述量子点（12）提供射线的射线发生器；所述反应堆本体（1）的堆芯及所述热管（3）内均设有量子点（12）。2.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于：还包括第一输送管道、第二输送管道和第三输送管道；所述第一输送管道连通所述热交换器及动力系统，能够在反应堆本体（1）运行时，将所述热管（3）导入热交换器的热量输入动力系统；所述第二输送管道连通所述热交换器及所述拓扑绝缘体，能够在反应堆本体（1）运行时，将热管（3）导入热交换器的热量输入所述拓扑绝缘体，并用于在反应堆本体（1）运行时，将导入拓扑绝缘体的热量进行热电转换输入动力系统；所述第三输送管道连通所述压电材料（2）及所述动力系统，能够在反应堆本体（1）运行时，将堆芯内的压电材料（2）产生的电能直接输入动力系统。3.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，所述量子点（12）涂布在中子源启动棒表面上，或直接利用量子点（12）进行启动。4.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，所述量子点（12）涂抹在反应堆本体（1）的可燃毒物上；所述可燃毒物包括可燃毒物棒（14）、可燃毒物片（15）。5.根据权利要求2所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，所述第二输送管道使用的热电材料为掺杂铬的铅硒体系；所述第三输送管道为结合拓扑半金属，所述拓扑半金属采用拓扑半金属材料与金属材料合理混合策略制备而成。6.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，布局燃料棒内燃料颗粒呈纳米微粒分布。7.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，所述反应堆本体（1）内堆芯采用热管（3）传输热量。8.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，所述热管（3）采用量子液态铅作为冷却剂。9.根据权利要求1所述的热管量子微型反应堆，其特征在于，所述反应堆本体（1）的慢化剂中分布有所述量子点（12）。

技术总结
本发明公开了一种热管量子微型反应堆，热管量子微型反应堆包括三个回路，分别为常规反应堆热能发电回路、拓扑绝缘体热电转换新型回路以及通过压电材料的新型发电回路；常规反应堆热能发电回路为通过热管导出堆芯热量进入热交换器，之后将热量传导到动力系统，拓扑绝缘体发电回路为通过热管导出堆芯热量进入热交换器，再通过拓扑绝缘体进入动力系统；压电材料组成的新型发电回路直接将压电材料布置在堆芯上部，将堆芯压力直接转换成电能导入动力系统；布置在堆芯以及热管内的射线发生器及量子点，可以启停并提高反应堆的安全运行效率；本发明利用量子点，实现量子反应堆的新概念设计与安全高效运行。念设计与安全高效运行。念设计与安全高效运行。


技术研发人员：周涛 姚垚 薛春辉 卢怀畅 刘晓芳 毛赏 刘春梅 刘文斌
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/15