CN103174872A - 一种利用温差驱动的非能动阀门系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用温差驱动的非能动阀门系统，在反应堆压力容器外壁设置半导体发电模块，将温差产生的电压稳定后输出到电动自控阀门，当电压低于或等于设定的电压值时，电动自控阀门未被触发而开启，当电压高于设定的电压值时，电动自控阀门被触发而关闭，进而能够预防严重事故的发生。该系统的设计合理，结构简单，通过温差发电技术驱动电动自控阀门，提高了核电的安全系数；通过该系统可以将低品位热能转换成电能供电动自控阀门使用、节约能源；与此同时，该系统可以起到为反应堆压力容器冷却的作用。
Description
技术领域
本发明涉及非能动阀门，特别涉及核电和机械领域的一种利用温差驱动的非能动阀门系统。
背景技术
自1951年12月美国实验增殖堆1号首次利用核能发电以来，世界核电至今已有50多年的发展历史，从20世纪50年代以来，核电站发电量已占世界总发电量的16%。国际经验证明，核电是一种经济、安全、可靠、清洁的新能源，然而随着核事故的频发，核电安全越来越引发人们注意。
核电站严重事故的发生的频率极低，约为10-5/堆年，三代堆达到了10-7/堆年。但一旦发生核电站严重事故，很可能会破坏核电站所有的安全屏障，向环境大规模释放放射性物质，产生严重放射性后果，对核电站和社会安全构成极大的威胁。从后果上说，严重事故是核电站可能导致对公众和环境最严重危害的隐患，所以对核电站严重事故措施的研究是十分必要和重要的。
因此，为了限制事故的发展和减轻事故的后果，核电厂提出了纵深防御这个重要理念——提供多层次的设备和规程，用以防止事故，或在未能防止事故时保证适当的保护。其中，电源作为电厂运行的一种动力源，无论是设置上还是运行上，也都体现了纵深防御的理念；特别重要的用电设备或特殊要求的设备采用专用电源，多种手段综合使用。
核电工业中，阀门的使用量大、面广，可以说几乎核电站的每一个系统都离不了阀门。阀门用于调节系统介质的压力和流量，还有隔流、分流和改变流向的功能，直接关系到核电站的正常和安全运行。对各个系统和整个核电站安全运行具有极为重要的作用，不允许出现任何差错。
目前核电站用的阀门大多通过电力驱动，此种设计方式耗费大量的电能，这种方式不利于环保和能源保护，同时这种方式需要人工驱动，安全系数低。
温差发电技术的研究最早开始于20世纪40年代。借于其显著的优点，温差发电在航空、军事等领域得到广泛的应用，美国、前苏联先后研发了数千个放射性同位素或核反应堆温差发电器用作空间、海洋系统的电源。随着化石能源的日趋枯竭，美国、日本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，并取得了一定的进展。
如中国专利申请CN200810153632.6、CN200910250956.6中所公开的温差发电机，然而这种发电机结构复杂，操作困难，制作流程复杂。
不过，目前尚未披露利用温差发电驱动的核电站电动阀门系统。
核电过程中产生大量的余热，这些余热需要大量的冷却系统，大量的冷却系统需要耗费更多的能源；与此同时这些热能是低品位的热能，利用率低。虽然目前存在利用核电的余热产生电能的系统，如中国专利申请CN200510011353.2所公开温差发电系统就是根据塞贝克效应制作的温差发电器，然而这些系统只能将低品位的热能转换成低品质的电能，只能供给一些简单的仪器使用。
非能动阀门是基于不可逆动作或变化、十分可靠的部件，其安全系数高。如中国专利申请CN201210303469.3、CN201110420181.X中公开的非能动阀门，然而这些阀门并非通过核反应堆的预热驱动，并且这些阀门结构复杂，操作不便，灵敏性低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：为了提高严重事故时阀门操作的及时性、准确性、灵敏性，保障反应堆的安全性，根据温差发电原理，对低品位热源合理利用，在反应堆压力容器外壁设置半导体温差发电模块，将温差产生的电压稳定后输出到电动自控阀门，当电压低于或等于设定的电压值时，电动自控阀门未被触发而开启，当电压高于设定的电压值时，电动自控阀门被触发而关闭，进而能够预防严重事故的发生，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下方面：
（1）一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于，该系统包括半导体温差电池以及动力电源传输执行系统，
其中，所述的半导体温差电池包括反应堆压力容器（1）、半导体发电模块（2）、热传导器件（3）和低温装置（6），
其中，所述的半导体发电模块（2）包括：
热端钢板（13a），其抵接于反应堆压力容器（1）的外壁上，其远离反应堆压力容器（1）的一面设置绝缘导热层硅脂（11a），
冷端钢板（13b），其通过热传导器件（3）与低温装置（6）相连，其远离热传导器件（3）的一面上设置绝缘导热层硅脂（11b），
绝缘导热层硅脂（11c），位于热端钢板（13a）和冷端钢板（13b）之间，
其中，在冷端钢板（13b）绝缘导热层硅脂（11b）和绝缘导热层硅脂（11c）之间以及在热端钢板（13a）绝缘导热层硅脂（11a）和绝缘导热层硅脂（11c）之间分别设N-P半导体对，所述的N-P半导体对由N型半导体（9a）和P型半导体（9b）通过导电体（8）串联而成，所述导电体（8）未与N型半导体（9a）和P型半导体（9b）相接的一端与绝缘导热层硅脂（11a）、绝缘导热层硅脂（11b）或绝缘导热层硅脂（11c）抵接；
所述的动力电源传输执行系统包括：
稳压器（4），进一步稳定半导体温差电池输出的直流电压，提供稳定动力电压，和
电动自控阀门（5），根据稳压器（4）输出的电压大小进行控制，当稳压器（4）输出的电压低于或等于设定的电压值时，电动自控阀门（5）未被触发，呈开启状态，当稳压器（4）输出的电压高于设定的电压值时，电动自控阀门（5）被触发而关闭。
（2）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：半导体温差电池中的反应堆压力容器（1）、半导体发电模块（2）、热传导器件（3）和低温装置（6）设置于安全壳内，电动自控阀门（5）安装于安全壳外部的设备（7）上。
（3）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：在热端钢板（13a）和冷端钢板（13b）之间设置紧固连接杆，并通过紧固件（10）紧固。
（4）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：所述的N型半导体（9a）由Bi2Te3中掺杂N型杂质形成，所述的P型半导体（9b）由Bi2Te3中掺杂P型杂质形成。
（5）如上述方面（4）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：设置550对N-P半导体对。
（6）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：导电体为导电体铜。
（7）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：热传导器件（3）为热管或超导体。
（8）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：电动自控阀门的触发电压设定值为220V。
（9）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：热端钢板（13a）与反应堆压力容器（1）的外壁焊接。
（10）如上述方面（1）所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：低温装置（6）为通风系统，通过自然对流冷却热传导器件（3）。
根据本发明提供的利用温差驱动的非能动阀门系统，结构设计巧妙、简单，实施方便，控制简单，可靠性高，安全高效，而且充分利用核电反应堆自身的低品位余热，具有清洁，无噪音污染，无有害物质排放，高效，寿命长，坚固耐用，可靠性高，简单稳定等一系列优点。
具体而言，根据本发明提供的利用温差驱动的非能动阀门系统具有以下特点：
（1）反应堆压力容器、半导体发电模块、热传导器件和低温装置一起构成半导体温差发电模块，有效利用核电反应堆自身的低品位余热，反应堆压力容器壁与半导体发电模块的热端钢板紧密连接，从而将热量迅速高效地传导至半导体发电模块的热端钢板上；热传导器件在安全壳内通过安全壳内部的低温装置如通风系统自然对流冷却，将半导体发电模块的冷端钢板温度降低在安全壳内部温度以下或与之相同；
（2）当反应堆过热时，半导体发电模块产生的电压迅速升高，超过预定值时，自动触发阀门关闭，这种设计保证了系统的高灵敏性和安全性；
（3）半导体发电模块采用2级设计，N-P半导体对排列紧密，效率提高，而且，在半导体发电模块中采用绝缘的导热硅脂层，其力学性能优异，有助于提高半导体发电模块的使用寿命，并在N-P半导体对对两端设置导电体铜，确保N-P半导体对稳固连接，而且有助于热量从热端钢板迅速扩散至半导体端部；
（4）设置稳压器，有助于稳定半导体发电模块输出的电压，从而为阀门提供稳定的动力电压，从而提高稳定性。
附图说明
图1示出根据本发明优选实施方式的一种利用温差驱动的非能动阀门系统结构示意图；
图2示出根据本发明优选实施方式的一种利用温差驱动的非能动阀门系统的温差发电原理图；
图3示出根据本发明优选实施方式的一种利用温差驱动的非能动阀门系统中半导体发电模块结构示意图。
附图标号说明：
1-反应堆压力容器
1a-安全壳
2-半导体发电模块
3-热传导器件
4-稳压器
5-电动自控阀门
6-低温装置
7-外部设备
8-导电体
9a-N型半导体
9b-P型半导体
10-紧固件
11a-热端钢板绝缘导热层硅脂
11b-冷端钢板绝缘导热层硅脂
11c-中间绝缘导热层硅脂
12-紧固连接杆
13a-热端钢板
13b-冷端钢板
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1中所示，提供一种利用温差驱动的非能动阀门系统，该系统包括：半导体温差电池以及与半导体温差电池相临接的动力电源传输执行系统。
其中，半导体温差电池包括：
反应堆压力容器1，其外壁设置半导体发电模块2，
半导体发电模块2，其抵接于反应堆压力容器1的外壁上，
热传导器件3，其抵接于半导体发电模块2远离反应堆压力容器1的冷端钢板上，
低温装置，其与热传导器件3相连，用于对热传导器件3降温，从而为半导体发电模块2的冷端钢板13b降温。
所述反应堆压力容器壁1和热传导器件3承担着热源与冷源的吸放热任务。反应堆压力容器壁1与半导体发电模块2的热端钢板可固定如焊接或绑定在一起，紧密连接，从而将热量迅速高效地传导至半导体发电模块的热端钢板上；热传导器件3在安全壳内通过安全壳内部的低温装置如通风系统的自然对流冷却，将半导体发电模块2冷端的钢板温度降低在安全壳内部温度以下或保持在安全壳内部温度。
在进一步优选的实施方式中，所述热传导器件3由热传导系数高的热管或超导材料制造。
图2所示为半导体温差发电基本原理示意图。由图可知，其是由两种不同半导体A、B相连接，并由线路构成闭合回路；当两个接头的温度T1、T2存在差异时，而引起两种物质间的电压差的热电现象，这种现象称之为塞贝克效应。这一效应成为了温差发电的技术基础。
在优选的实施方式中，如图3所示所述的半导体发电模块2包括：
热端钢板13a，其抵接于反应堆压力容器1的外壁上，其远离反应堆压力容器1的一面设置绝缘导热层硅脂11a，
冷端钢板13b，其通过热传导器件3与低温装置6相连，其远离热传导器件3的一面上设置绝缘导热层硅脂11b，
绝缘导热层硅脂11c，位于热端钢板13a和冷端钢板13b之间，
其中，在冷端钢板13b绝缘导热层硅脂11b和绝缘导热层硅脂11c之间以及在热端钢板13a绝缘导热层硅脂11a和绝缘导热层硅脂11c之间分别设N-P半导体对，所述的N-P半导体对由N型半导体9a和P型半导体9b通过导电体8串联而成，所述导电体8未与N型半导体9a和P型半导体9b相接的一端与绝缘导热层硅脂11a、绝缘导热层硅脂11b或绝缘导热层硅脂11c抵接。
在进一步优选的实施方式中，热端钢板13a和冷端钢板13b之间设置紧固连接杆12，并通过紧固件10紧固。
其中钢板13b和13a置于两端最外层，分别与吸热装置、低温装置连接；绝缘导热层硅脂11a、11b和11c设置于冷端钢板和热端钢板和导电体铜之间，除绝缘导热外，还可缓解机械应力；导电体铜介于绝缘导热层硅脂和N-P半导体对之间，把P型N型半导体串联起来，并由导线连接至稳压器；紧固连接杆12通过紧固件10如紧固螺栓将绝缘导热硅脂、导电体铜、N-P半导体对固定在冷端钢板13b和热端钢板13a之间，起到紧固保护作用。
本发明人提出二级半导体发电模块并优化了半导体发电模块的内部结构，从而制作出如图3中所示的半导体发电模块，其中，图3中所示的半导体发电模块中的上下两级模块为互相串联。所述半导体发电模块2结构分为两级，排列紧密，有效利用了空间；且提升效率。
其中，所述的半导体发电模块也可以为三级半导体发电模块或多级半导体发电模块，半导体发电模块的级数根据具体发电量，所用半导体的塞贝克系数，反应堆产生的余热等因素决定。在本发明中优选二级半导体发电模块，二级半导体发电模块可以有效的利用空间，提升效率。
在一个优选的实施方式中，作为半导体，使用Bi2Te3半导体。作为N型半导体，使用Bi2Te3中掺杂N型杂质形成的半导体。对于N型杂质，没有特别要求，可以使用常见的N型杂质。作为P型半导体，使用Bi2Te3中掺杂P型杂质形成的半导体。对于P型杂质，没有特别要求，可以使用常见的P型杂质。在本发明中，低温装置可以使得反应堆压力容器和热传导器件之间产生温差，低温装置可以迅速将热传导器件表面的温度降低，从而使得反应堆压力容器和热传导器件之间产生温差，为半导体发电模块提供温差。在这里，低温装置可以使用通风冷却装置，如在安全壳内部的通风系统，通过其自然对流即可冷却热传导器件，从而冷却半导体发电模块的冷端钢板。。
在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1中所示，所述的动力电源传输执行系统包括：
稳压器4，进一步稳定半导体温差电池输出的直流电压，提供稳定动力电压，和
电动自控阀门5，根据稳压器4输出的电压大小进行控制，当稳压器4输出的电压低于或等于设定的电压值时，电动自控阀门5未被触发，呈开启状态，当稳压器4输出的电压高于设定的电压值时，电动自控阀门5被触发而关闭，外设关闭，从而迅速反应堆与外设之间的联系通道。
其中所述的稳压器为常规的稳压器，所述的电动自控阀门为常规的电动自控阀门，对此并没有特别限制。
在一个具体实例中，安全壳内部环境温度为70℃以内，而反应堆压力容器壁应保障低于900℃，通过高效传热，冷端钢板和热端钢板温差达830℃；电动自控阀门5的触发电压为220V；Bi2Te3基质的半导体材料，其塞贝克系数α=530μv/k；经计算，温差电池中共需要530对N-P半导体对构成的电池，再考虑到补偿，在实际中应用550对。
使用中，当反应堆压力容器出现事故时，其内部的温度迅速增加，反应堆压力容器壁温度高于900℃时，通过高效导热，冷端钢板和热端钢板之间的温差迅速超过830℃，半导体发电模块产生的即时电压大于220V，电动自控阀门5立即关闭，反应堆压力容器与外部设备即刻断开，从而确保安全。
根据本发明提供的利用温差驱动的非能动阀门系统，该系统结构设计合理，构造简单，利用塞贝克效应生动力电源，为核安全增添了一道有力屏障。通过该系统可以将低品位热能转换成电能供电动自控阀门使用，充分利用低品位热能，节约常规燃料，保护环境，无需化学反应即可匀质，具有非能动方式运转、实施方便、安全高效、无噪音、无污染、使用寿命长等优点，低成本，可靠性强，易于推广，市场前景好。此外，本发明提供的系统还起到为反应堆压力容器冷却的作用。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于，该系统包括半导体温差电池以及动力电源传输执行系统，
其中，所述的半导体温差电池包括反应堆压力容器（1）、半导体发电模块（2）、热传导器件（3）和低温装置（6），
其中，所述的半导体发电模块（2）包括：
热端钢板（13a），其抵接于反应堆压力容器（1）的外壁上，其远离反应堆压力容器（1）的一面设置绝缘导热层硅脂（11a），
冷端钢板（13b），其通过热传导器件（3）与低温装置（6）相连，其远离热传导器件（3）的一面上设置绝缘导热层硅脂（11b），
绝缘导热层硅脂（11c），位于热端钢板（13a）和冷端钢板（13b）之间，
其中，在冷端钢板（13b）绝缘导热层硅脂（11b）和绝缘导热层硅脂（11c）之间以及在热端钢板（13a）绝缘导热层硅脂（11a）和绝缘导热层硅脂（11c）之间分别设N-P半导体对，所述的N-P半导体对由N型半导体（9a）和P型半导体（9b）通过导电体（8）串联而成，所述导电体（8）未与N型半导体（9a）和P型半导体（9b）相接的一端与绝缘导热层硅脂（11a）、绝缘导热层硅脂（11b）或绝缘导热层硅脂（11c）抵接；
所述的动力电源传输执行系统包括：
稳压器（4），进一步稳定半导体温差电池输出的直流电压，提供稳定动力电压，和
电动自控阀门（5），根据稳压器（4）输出的电压大小进行控制，当稳压器（4）输出的电压低于或等于设定的电压值时，电动自控阀门（5）未被触发，呈开启状态，当稳压器（4）输出的电压高于设定的电压值时，电动自控阀门（5）被触发而关闭。
2.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：半导体温差电池中的反应堆压力容器（1）、半导体发电模块（2）、热传导器件（3）和低温装置（6）设置于安全壳（1a）内，电动自控阀门（5）安装于安全壳外部的设备（7）上。
3.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：在热端钢板（13a）和冷端钢板（13b）之间设置紧固连接杆（12），并通过紧固件紧固。
4.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：所述的N型半导体（9a）由Bi2Te3中掺杂N型杂质形成，所述的P型半导体（9b）由Bi2Te3中掺杂P型杂质形成。
5.如权利要求4所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：设置550对N-P半导体对。
6.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：导电体为导电体铜。
7.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：热传导器件（3）为热管或超导体。
8.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：电动自控阀门的触发电压设定值为220V。
9.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：热端钢板（13a）与反应堆压力容器（1）的外壁焊接。
10.如权利要求1所述的一种利用温差驱动的非能动阀门系统，其特征在于：低温装置（6）为通风系统，通过自然对流冷却热传导器件（3）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130626 |