CN103050159A - 一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统 - Google Patents

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毛珂
张亮
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Abstract

本发明公开了一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统，它包括核反应堆、水泵、水箱、斯特林发动机、发电机、蓄热器和主控制器，水箱与水泵的入水口相连，水泵的出水口连接至核反应堆，斯特林发动机的动力输出至发电机及水泵的动力输入端，发电机的电能输出端与主控制器相连，主控制器与斯特林发动机相连，斯特林发动机内的加热器与蓄热器相连，蓄热器还与主控制器相连；蓄热器由比热容较大、耐高温的材料制成。本发明具有可靠性高、能够保证核反应堆安全运行等优势。

Description

一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统
技术领域
本发明涉及一种应急冷却系统，特别是一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统。
背景技术
强大的核能面前，人们始终存有敬畏之心，安全也是核电事业对公众最大的责任。中国核电发展要求从“十一五规划”中的“积极发展核电”到“十二五规划”中的“在确保安全的基础上高效发展核电”，国家从战略高度突出强调了安全对核电发展的重要意义。
全站断电是核电站最大的威胁，当核电站遭遇极端情况全站断电后，反应堆会自动停堆，但同时必须启动应急冷却系统，即余热排除系统，该系统就是在核电站发生如主泵停转，即失流事故和一回路管道破损，即失水事故等事故的情况下，正常冷却系统，即二回路系统无法对堆芯进行冷却时，起到应急冷却堆芯的作用，防止堆芯过热发生熔毁。现在主要是采用能动技术和非能动技术解决这个问题，能动技术依靠应急电源或柴油机这类外力驱动泵将冷却水注入堆芯，非能动技术依靠自然循环、重力作用和压缩氮气等自然力将冷却水注入堆芯并实现长期冷却循环，这些技术的关键在于如何提供应急冷却系统的动力及确保其可靠性、稳定性和持续性，从而确保核电站的安全。
目前全球有400多个核电站，包括福岛第一核电站在内大部分是第二代核电站，采用的是能动冷却系统，就是停堆散热时必须依赖外部电力输入。回顾距今最近的福岛第一核电站事故：大地震后全站断电，反应堆安全停堆，系统自备的应急发电机启动为冷却系统供电，但应急发电机启动不到一个小时，地震引发的大海啸破坏了应急发动系统，导致冷却系统失灵，最终造成爆炸泄漏事故，几十万人被迫转移，给全球核电行业发展蒙上阴影。
对全站断电情况下应急能源稳定性和可靠性的研究，已经成为目前核电安全领域最重要的课题，也是福岛核电事故给核电行业的一个教训和挑战。二代核电站的应急电源主要是柴油发电机，对柴油发动系统的抗灾害能力和故障率控制提出非常高的要求，相比三代机组“非能动”的安全系统有提高空间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可靠性高、能够保证核反应堆安全运行的一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统，它包括核反应堆、水泵、水箱、斯特林发动机、发电机、蓄热器和主控制器，水箱与水泵的入水口相连，水泵的出水口连接至核反应堆，斯特林发动机的动力输出至发电机及水泵的动力输入端，发电机的电能输出端与主控制器相连，主控制器与斯特林发动机相连，斯特林发动机内的加热器与蓄热器相连，蓄热器还与主控制器相连。
本发明所述的蓄热器由比热容较大、耐高温的材料制成。
本发明所述的主控制器还可以通过通讯线路与控制端相连，实现远程控制，所述通讯线路包括有线连接方式和无线连接方式。
本发明的有益效果是：
（1）由于结构简单，不需要空气即可运转，能够在需要投入使用时按设计要求发挥其作用，即使发生严重地震、海啸，被水土淹没，仍然可以保证正常的运作，安全设施扔能发挥其应能的功能，因此该系统可靠性高；
（2）不需要其他外部能源支撑即可运作，能与其他能源的动力装置组成一个多重的相互独立的能源系统，可以充分保证核反应堆的运行安全；
（3）蓄热的材料容易得到，完全可以回收再利用，可以采用全陶瓷蓄热部件，原料成本极为低廉，而且不会对环境造成任何污染；
（4）使用新型材料制成的蓄热器可以大大提高斯特林发动机的热效率：相比传统斯特林发动机采用的金属材料制成的加热器，其工作温度一般在700～800摄氏度，如采用陶瓷材料制成蓄热器，其工作温度更高，用氧化铝可达1500摄氏度以上，因此可以提高斯特林发动机的热效率；
（5）蓄热能量密度大，按照氧化铝加热到1500摄氏度计算，其热能能量密度可达400wh/kg，按照氧化铝密度3000kg/m3计算，可达1.2Mwh/m3。
（6）由于蓄热材料的比热不受充放热的影响，蓄热材料拥有几乎无限次的蓄热循环寿命，蓄热材料的蓄热能力不会随着充放热次数的增加而明显减小；
（7）系统状态检测容易，系统储存能量的多少从蓄热器的温度上即可实时反应，即使在核电站正常运行的情况下，也能对系统级其设备的性能进行检查，使其始终保持应有的功能；
（8）剩余能力检查方便，蓄热器的温度即可以直接反映蓄热器的剩余携带能量；
（9）由于蓄热器可以在主控制器的控制下始终维持在工作温度值，在发生断电事故时，该系统可以在规定的时间内迅速反应，达到额定的输出功率；
（10）适合做大规模的系统，系统空间越大，保温越好处理，蓄热储能效果越好。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统，它包括核反应堆、水泵、水箱、斯特林发动机、发电机、蓄热器和主控制器，水箱与水泵的入水口相连，水泵的出水口连接至核反应堆，斯特林发动机的动力输出至发电机及水泵的动力输入端，发电机的电能输出端与主控制器相连，主控制器与斯特林发动机相连，斯特林发动机内的加热器与蓄热器相连，蓄热器还与主控制器相连。
本发明所述的蓄热器由比热容较大、耐高温的材料制成。
本发明所述的主控制器还可以通过通讯线路与控制端相连，实现远程控制，所述通讯线路包括有线连接方式和无线连接方式。
本发明中蓄热器用于储存热量，主控制器控制加热的功率，是蓄热器一直保持在工作温度，在应急冷却的时候，蓄热器储存的热能通过斯特林发动机转化为机械能，由斯特林发动机直接驱动水泵，向堆芯泵入必须的冷却水，主控制器控制斯特林发动机的工质频率，从而控制冷却水的注水量，斯特林发动机还将部分机械能通过发电机转化为电能，为整个系统提供必要的电能，主控制器还能够通过通讯线路与控制端相连，从而实现远程控制的目的。

Claims (3)

1.一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统，其特征在于：它包括核反应堆、水泵、水箱、斯特林发动机、发电机、蓄热器和主控制器，水箱与水泵的入水口相连，水泵的出水口连接至核反应堆，斯特林发动机的动力输出至发电机及水泵的动力输入端，发电机的电能输出端与主控制器相连，主控制器与斯特林发动机相连，斯特林发动机内的加热器与蓄热器相连，蓄热器还与主控制器相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统，其特征在于：所述的蓄热器由比热容较大、耐高温的材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于蓄热式斯特林发动机的核电站应急冷却系统，其特征在于：所述的主控制器还可以通过通讯线路与控制端相连，实现远程控制，所述通讯线路包括有线连接方式和无线连接方式。
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