CN103232836A - 热交换介质、热交换系统及核反应堆系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热交换介质，该热交换介质包括固体颗粒及流体。本发明还提供了一种热交换系统，该热交换系统包括所述热交换介质，第一换热器，设置在第一换热器上游用于将热交换介质的固体颗粒和流体混合并输送至第一换热器的混合装置，设置在第一换热器下游用于将从第一换热器排出的热交换介质的固体颗粒和流体分离的分离装置，第二换热器，以及用于将分离装置分离出的固体颗粒在经过第二换热器之后输送至混合装置的第一输送装置。此外，本发明还提供了一种包括该热交换系统的核反应堆系统。本发明的气固或液固两相冷却介质具有大热容量、低压系统、无腐蚀、离线处理等优势。本发明的裂变反应堆可在高功率密度或者极高功率密度下安全可靠运行。

Description

热交换介质、热交换系统及核反应堆系统

技术领域

本发明涉及一种热交换介质、热交换系统及核反应堆系统。

背景技术

反应堆通常采用水、气体或液态金属/熔盐作为冷却介质。

对于超快中子谱和极高功率的场合，有效和安全换热问题一直都是设计中的重点问题。在高热流密度的环境中，如何及时有效的将热量经由换热介质导出，维持系统安全稳定的运行，降低设计中对结构材料的要求，一直是反应堆设计的主要目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种热交换介质、热交换系统及核反应堆系统，由此能够显著提高换热效果，以解决高温高热密度下热导出的问题。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种热交换介质，该热交换介质包括：固体颗粒；以及流体。

根据本发明的一方面，所述固体颗粒的粒径介于10微米到10毫米之间。

根据本发明的一方面，所述流体包括气体和液体中的至少一种。

根据本发明的一方面，所述流体包括氦气或二氧化碳。

根据本发明的一方面，所述固体颗粒的密度大于所述流体的密度。

根据本发明的一方面，所述固体颗粒由铍、铍合金、锆、锆合金、钛合金、氧化铍、MAX相材料、碳化硅、石墨中的至少一种制成。

根据本发明的一方面，所述热交换介质构造成形成气固两相流或液固两相流。

根据本发明的一方面，所述固体颗粒具有圆球体形状、椭圆球体形状和多面体形状中的至少一种形状。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种热交换系统，该热交换系统包括上述的热交换介质，回路，设置在回路中的第一换热器，设置在回路中的第二换热器，用于使热交换介质在回路中通过第一换热器和第二换热器进行循环的热交换介质输送装置。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种热交换系统，该热交换系统包括上述的热交换介质，第一换热器，设置在第一换热器上游用于将热交换介质的固体颗粒和流体混合并输送至第一换热器的混合装置，设置在第一换热器下游用于将从第一换热器排出的热交换介质的固体颗粒和流体分离的分离装置，第二换热器，以及用于将分离装置分离出的固体颗粒在经过第二换热器之后输送至混合装置的第一输送装置。

根据本发明中一方面，所述热交换系统还包括：第三换热器，以及用于将分离装置分离出的流体在经过第三换热器之后输送至混合装置的第二输送装置。

根据本发明中一方面，所述第一换热器包括筒部，筒部内形成热交换介质通道。

根据本发明中一方面，所述第二换热器包括筒部和设置在筒部中的分隔板，所述分隔板将筒部的内腔分割成多个热交换介质通道。

根据本发明中一方面，所述热交换系统还包括：设置在分离装置下游的固体颗粒筛选装置，用于除去小于预定粒度的固体颗粒。

根据本发明中一方面，本发明提供了一种核反应堆系统，该核反应堆系统包括：核反应堆，上述的热交换系统，其中第一换热器设置在核反应堆内，并且第二换热器设置在核反应堆外。

本发明中，气固或液固两相冷却介质具有大热容量、低压系统、无腐蚀、离线处理等优势。此种气固或液固两相冷却介质冷却的裂变反应堆可以在高功率密度或者极高功率密度下安全可靠运行。

附图说明

图1为根据本发明实施例的裂变反应堆系统的示意图；

图2为根据本发明实施例的裂变反应堆的堆芯结构示意图；

图3为根据本发明实施例的堆芯燃料棒的结构示意图；以及

图4为根据本发明实施例的换热器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例的核反应堆系统100包括：核反应堆1和热交换系统101。

如图1至4所示，热交换系统101包括：热交换介质12、15、第一换热器23、第二换热器7，以及第三换热器3，以及连接各个部件的管道。第一换热器21设置在核反应堆1内并且可以设置在堆芯10内，而第二换热器7以及第三换热器3设置在核反应堆1之外。

热交换系统101还包括：设置在第一换热器21上游用于将热交换介质的固体颗粒12和流体15混合并输送至第一换热器21的混合装置5，设置在第一换热器21下游用于将从第一换热器21排出的热交换介质12、15的固体颗粒12和流体15分离的分离装置2，以及用于将分离装置2分离出的固体颗粒12在经过第二换热器7之后输送至混合装置5的第一输送装置8。

如图1至4所示，诸如气固两相冷却介质的热交换介质通过热交换介质通路流过燃料层/堆芯10，将核燃料产生的热量带出。如图3所示，核燃料放置在堆芯10内的燃料棒11的燃料填充腔13中。核反应堆1可以是任何合适的核反应堆1，例如次临界包层反应堆。

分离装置2可以是任何合适的分离装置，例如利用重力进行分离的分离装置、离心分离装置。此外，也可以通过分离装置2分离出热交换介质中的灰尘。

如图1至4所示，所述热交换系统101还可以包括第三换热器3，以及用于将分离装置分离出的流体15在经过第三换热器3之后输送至混合装置5的第二输送装置23。第二输送装置23可以是任何合适的流体输送装置，例如诸如气体泵，液体泵的泵。第三换热器3可以是任何合适的流体换热器。

如图1所示，所述热交换系统101还可以包括流体回路4以及设置在混合装置5的下游的热交换介质注入装置，注入装置可以是例如漏斗状部件或者是其它合适的热交换介质驱动装置，例如泵。为了调节热交换介质的流量，所述热交换系统101还可以包括设置在混合装置5下游的流量调节装置，例如，流量调节装置可以是安装在漏斗状部件上的可滑动闸板，该可滑动闸板由线性电机驱动，线性电机可由控制器控制。此外，在采用诸如泵的热交换介质驱动装置的情况下，可以采用变流量热交换介质驱动装置，例如变量泵。热交换介质的流量可以根据传感器检测到的相关温度(例如，诸如堆芯10的被冷却对象的温度)进行控制。图1中，第一输送装置8是固体颗粒提升装置。第一输送装置8可以是任何合适的固体颗粒输送装置或散料输送装置，例如螺旋式固体颗粒输送装置，气动式固体颗粒输送装置。

如图3所示，所述第一换热器21包括筒部25，筒部25内形成热交换介质通道26。

如图4所示，所述第二换热器7包括筒部14和设置在筒部14中的分隔板27，所述分隔板27将筒部14的内腔分割成多个热交换介质通道29。

作为选择，所述第一换热器21和所述第二换热器7中的每一个可以具有图3和4所示的结构中的一种。此外，第一换热器21和第二换热器7也可以具有其它合适的结构。

如图1所示，所述热交换系统100还可以包括：设置在分离装置2下游的固体颗粒筛选装置6，用于除去小于预定粒度的固体颗粒12，例如颗粒的碎片和细小灰尘。固体颗粒筛选装置6可以是网筛、离心分离器、重力分离器等。

根据本发明的一种实施方式，参见图1，热交换系统100可以不包括混合装置5、分离装置2、第三换热器3、第二输送装置23和管路4，而是仅仅包括第一换热器21、第二换热器7和第一输送装置8。具体而言，参见图1，该热交换系统包括热交换介质12、15，回路31，设置在回路31中的第一换热器21，设置在回路31中的第二换热器7，用于使热交换介质12、15在回路31中通过第一换热器21和第二换热器7进行循环的热交换介质输送装置8。

如图1至4所示，在采用气体作为流体的情况下，热交换系统100中的第一换热器21的压力可以小于1MPa。相对于单纯的气体热交换介质，本发明的热交换介质可以有效增加冷却效率。相对于气体热交换介质，整个系统的气体压力可以降低，从而可以更加安全可靠的运行。使用本发明的热交换介质的裂变反应堆适用于快中子或超快中子谱的场合，可以满足高功率密度的要求，可以使用铀235、钍、铀238、长寿命裂变产物、超铀元素作为核燃料，以及可以用于核乏料的嬗变和同位素生产。

根据本发明的热交换介质包括：固体颗粒12以及流体15。所述固体颗粒12的粒径可以介于10微米到10毫米之间，根据实际需要，所述固体颗粒12的粒径也可以在10毫米之上或10微米以下，或者介于100微米到10毫米之间。所有固体颗粒12的粒径可以大致相同或不同，或者所有固体颗粒12的粒径可以大致在一定的范围内。

热交换介质的流体可以包括气体和液体中的至少一种，例如包括气体或液体。用于高温堆气体可以是氦气，而用于低温堆气体可以是二氧化碳。此外，流体也可以是在常温下是固态的，而在运行温度下是液态的流体。此外，流体也可以是能够与固体颗粒形成两相流的其它流体或能够驱动固体颗粒运动的其它流体。固体颗粒可以由金属、金属化合物、陶瓷材料和石墨中的至少一种制成。例如，所述固体颗粒由铍、铍合金、锆、锆合金、钛合金、氧化铍、MAX相材料、碳化硅、石墨中的至少一种制成。固体颗粒也可以由其它合适的材料形成。所述固体颗粒可以具有任何合适的形状，例如任何规则的形状或不规则的形状。作为示例，所述固体颗粒可以具有圆球体形状、椭圆球体形状和多面体形状中的至少一种形状。所述固体颗粒的密度可以大于所述流体(例如，液体或气体)的密度。

所述热交换介质可以构造成形成气固两相流或液固两相流。在使用中，所述热交换介质可以形成气固两相流或液固两相流。由此，可以采用合适的输送气固两相流或液固两相流的装置进行输送。

例如，固体颗粒12堆积形成具有一定孔隙率的球床结构，并以一定流量运动，流体充满在固体颗粒12间的空隙中，并以另一流量运动。通过这一结构，该两相换热介质能够通过以下四种主要的途径增强换热效果：提升体积热容，提升导热系数，提升传热系数和增强辐射传热。

采用根据本发明的诸如气固两相冷却介质的热交换介质，相较于原有的单相介质，在需要进行强化换热的场合，可以起到更好的换热与系统结构降温效果。另外热交换介质中的固体颗粒12可选择具有良好热导率和体积比热容的固体材质，例如，可以采用铍和铍合金、锆合金和锆的化合物或者钛合金和钛的化合物等。对于流体，可选择具有良好流动性且密度小于固体颗粒的流体，包括但不限于氦气、二氧化碳等。

如图1至4所示，根据本发明的一个示例，气固两相热交换介质通过热交换介质通路流过堆芯10，将核燃料产生的热量带出。对于功率密度极高核反应堆来说，气固两相热交换介质能够将如此高的热量带出堆芯，从而提高堆芯中的中子通量。气固两相热交换介质将热量带出堆芯后，通过诸如气固分离装置的分离装置2进行分离。分离后，气体进入气体通路4，气体通路4中包括诸如泵的第二输送装置23，以驱动和输运气体，之后经过气体换热器7将热量带出，气体换热器7具有冷却回路9。气体经过输运后，到达诸如气固混合装置的混合装置5。固体颗粒12通过倾斜的输运通道，到达第二换热器7，在第二换热器7中，固体颗粒12的余热通过冷却回路9导出，通过诸如机械或气体提升输运系统的第一输送装置8，固体颗粒12重新注入诸如气固混合装置的混合装置5，再次形成气固两相热交换介质。例如，该气固混合装置可利用标准流化床混合器。当气体穿过固体颗粒间隙带动颗粒翻腾，并且当气流速度达到或超过颗粒的临界流化速度时，固体颗粒表现出类似液体的流动性。通过上述的循环过程，将连续从反应堆带出热量，循环速度由系统功率密度决定，功率密度越大则循环速度越快，如此整个系统可以满足高热功率密度下的安全可靠运行。冷却回路9带出的热量可以用来驱动发电机，用来产生电力。

根据本发明的诸如气固两相热交换介质的热交换介质的驱动可以采用流体与固体颗粒分别驱动的方法，其中流体的驱动可采用常规的流体驱动设备，固体颗粒的驱动亦有成熟的工业设计与产品。作为选择，本发明的诸如气固两相热交换介质的热交换介质的驱动可以采用流体与固体颗粒同时驱动的方法。

本发明中的，诸如气固两相冷却介质的热交换介质具有大热容量、低压系统、无腐蚀、离线处理等优势，而系统结构和部件均可采用工程运用中成熟的子系统、例如低压气体系统、固体颗粒传输系统等。根据本发明的热交换介质冷却的裂变反应堆可以实现在高功率密度或者极高功率密度下的安全可靠运行，除使用传统核燃料外，还可以使用铀235、钍、铀238、长寿命裂变产物、超铀元素作为核燃料，可用于能源产生、核乏料的嬗变和同位素生产和材料辐照。

Claims (15)

1.一种热交换介质，包括：

固体颗粒；以及

流体。

2.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述固体颗粒的粒径介于10微米到10毫米之间。

3.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述流体包括气体和液体中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述流体包括氦气或二氧化碳。

5.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述固体颗粒的密度大于所述流体的密度。

6.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述固体颗粒由铍、铍合金、锆、锆合金、钛合金、氧化铍、MAX相材料、碳化硅、石墨中的至少一种制成。

7.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述热交换介质构造成形成气固两相流或液固两相流。

8.根据权利要求1所述的热交换介质，其中所述固体颗粒具有圆球体形状、椭圆球体形状和多面体形状中的至少一种形状。

9.一种热交换系统，包括：

权利要求1所述的热交换介质，

回路，

设置在回路中的第一换热器，

设置在回路中的第二换热器，

用于使热交换介质在回路中通过第一换热器和第二换热器进行循环的热交换介质输送装置。

10.一种热交换系统，包括：

权利要求1所述的热交换介质，

第一换热器，

设置在第一换热器上游用于将热交换介质的固体颗粒和流体混合并输送至第一换热器的混合装置，

设置在第一换热器下游用于将从第一换热器排出的热交换介质的固体颗粒和流体分离的分离装置，

第二换热器，以及

用于将分离装置分离出的固体颗粒在经过第二换热器之后输送至混合装置的第一输送装置。

11.根据权利要求10所述的热交换系统，还包括：

第三换热器，以及

用于将分离装置分离出的流体在经过第三换热器之后输送至混合装置的第二输送装置。

12.根据权利要求10所述的热交换系统，其中

所述第一换热器和所述第二换热器中的至少一个包括筒部，筒部内形成热交换介质通道。

13.根据权利要求10所述的热交换系统，其中

所述第一换热器和所述第二换热器中的至少一个包括筒部和设置在筒部中的分隔板，所述分隔板将筒部的内腔分割成多个热交换介质通道。

14.根据权利要求10所述的热交换系统，还包括：

设置在分离装置下游的固体颗粒筛选装置，用于除去小于预定粒度的固体颗粒。

15.一种核反应堆系统，包括：

核反应堆，

权利要求10所述的热交换系统，

其中第一换热器设置在核反应堆内，并且第二换热器设置在核反应堆外。

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