CN111105883B - 超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆领域技术领域，具体公开一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，热管反应堆位于一体化安全壳中心，超临界二氧化碳热电转换系统对称布置在热管反应堆两侧、并与回路压力维持系统连接；启动控制系统、停堆控制系统均与热管反应堆连接，回路压力维持系统、安全壳内温度控制系统均位于在一体化安全壳壳壁上，应急冷却系统位于热管反应堆和一体化安全壳形成的环腔内部；乏气冷却系统、非能动余热排系统分别一体化安全壳底部、顶部壳壁上，并均与超临界二氧化碳热电转换系统连接。本发明的系统显著降低了二回路系统的重量和体积，噪声小、发电效率高、结构紧凑、布置灵活方便固有安全性高。

Description

超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统
技术领域
本发明属于核反应堆领域技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统。
背景技术
相对于压水堆，国内外对热管反应堆有一定的公开报道，但是整个系统装置采用超临界状态二氧化碳作为热电转换工质、布雷顿循环进行发电的尚未有公开报道。公开报道的热管堆系统方案，一般都采用斯特林发电机或者热电偶发电，要么噪声大，要么发电效率低。
发明内容
本发明主要是针对未来多种应用场合的电源装备，提出一种具有长寿命、高安全、多用途、模块化的采用超临界状态二氧化碳作为热电转换工质的热管反应堆系统，该系统显著降低了二回路系统的重量和体积，噪声小、发电效率高、结构紧凑、布置灵活方便固有安全性高。
实现本发明目的的技术方案：一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，该系统包括热管反应堆、超临界二氧化碳热电转换系统、回路压力维持系统、启动控制系统、停堆控制系统、安全壳内温度控制系统、应急冷却系统、乏气冷却系统、非能动余热排系统和一体化安全壳，热管反应堆位于一体化安全壳中心，超临界二氧化碳热电转换系统对称布置在热管反应堆两侧，超临界二氧化碳热电转换系统与回路压力维持系统连接，回路压力维持系统位于在一体化安全壳壳壁上；启动控制系统、停堆控制系统均与热管反应堆连接，安全壳内温度控制系统位于一体化安全壳壳壁上，应急冷却系统位于热管反应堆和一体化安全壳形成的环腔内部；乏气冷却系统与超临界二氧化碳热电转换系统连接，乏气冷却系统位于超临界二氧化碳热电转换系统的下方，并位于一体化安全壳底部壳壁上；非能动余热排系统与超临界二氧化碳热电转换系统连接，非能动余热排系统位于超临界二氧化碳热电转换系统的上方，并位于一体化安全壳顶部壳壁上。
所述的热管反应堆包括热管、燃料棒、堆内构件、反射层、旋转鼓、反应堆容器、反应性驱动机构、反应堆保温及屏蔽结构、堆内辐射屏蔽体、反应堆支承、热管绝热保温结构，热管和燃料棒安装在堆内构件内部构成热管反应堆的堆芯；反射层布置在堆芯的堆内构件外，旋转鼓沿周向均匀间隔布置在反射层与堆内构件形成的环形空腔，辐射屏蔽体位于反射层一侧，反射层和辐射屏蔽体外套有反应堆容器，反应堆容器外套有反应堆保温及屏蔽结构，环形反应堆支承安装在反应堆容器的外部；反应性驱动机构贯穿反应堆保温及屏蔽结构、反应堆容器，并与旋转鼓连接。
所述的热管绝热保温结构位于热管反应堆和超临界二氧化碳热电转换系统之间。
所述的热管、圆柱形燃料棒按照比例3:1、2:1、1:1、1:2或者1:3安装在堆内构件内部。
所述的热管、圆柱形燃料棒采用三角形，正方形或者六边形排布方式安装在堆内构件内部。
所述的反应性驱动机构与旋转鼓数量和布置方式相同。
所述的超临界二氧化碳热电转换系统包括换热器、气轮机、冷却器、压缩机、回热器和发电机，压缩机的气体出口依次与回热器的热压缩气体入口、换热器、气轮机的热压缩气体入口连接，气轮机的热压缩气体出口依次与回热器的冷却气体入口、冷却器、压缩机的冷却气体入口连接；气轮机的电能输出端与发电机的电能输入端连接，气轮机的热压缩气体入口与压缩机的热压缩气体出口连接；热管反应堆的热管出口端插在换热器的热量入口内。
所述的回路压力维持系统包括储CO2容器、压力表、减压阀、阀门、超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表，CO2容器的气体出口依次与减压阀、阀门、超临界二氧化碳热电转换系统的压缩机的气体入口连接，压阀上设有压力表，阀门与压缩机之间设有超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表。
所述的启动控制系统包括启动过程参数测量采集装置、启动过程参数综合测量运算装置、启动综合显示控制台、启动电气控制装置、启动执行机构，控制热管反应堆的反应性驱动机构与启动参数测量采集装置的输入端连接，启动参数测量采集装置的输出端依次与启动过程参数综合测量运算装置、启动综合显示控制台、启动电气控制装置、启动执行机构、热管反应堆的反应性驱动机构的输入端连接。
所述的停堆控制系统包括停堆过程参数测量采集装置、停堆过程参数综合测量运算装置、停堆综合显示控制台、停堆应急控制盘、停堆电气控制装置、停堆执行机构，控制热管反应堆的反应性驱动机构依次与停堆参数测量采集装置、停堆过程参数综合测量运算装置的输入端连接，停堆综合显示控制台、停堆应急控制盘并联，并联输入端、输出端分别与停堆过程参数综合测量运算装置的输出端、停堆电气控制装置的输入端连接，停堆电气控制装置的输出端依次与停堆电气控制装置、停堆执行机构、热管反应堆的反应性驱动机构的输入端连接。
所述的安全壳内温度控制系统包括换热器、风机、干燥器、阀门和温度湿度测量仪表，换热器位于一体化安全壳外、且入气口与一体化安全壳内部连通，换热器的出气口依次与干燥器、风机连通，风机出口处设有温度湿度测量仪表和阀门。
所述的应急冷却系统包括阀门、管道、蓄水箱和环腔，一体化安全壳和热管反应堆之间构成的环腔，蓄水箱的两个出口分别通过两路管道与环腔连通，环腔内的两路管道上位于各设有一个阀门。
所述的乏气冷却系统包括冷凝器、管道、温度压力流量测量仪表、阀门、驱动泵，冷凝器位于一体化安全壳外，冷凝器的出口依次与驱动泵、阀门、超临界二氧化碳热电转换系统的冷却器的冷却气体入口连接，冷凝器的入口依次与阀门、超临界二氧化碳热电转换系统的换热器的热压缩气体出口连接。
所述的非能动余热排系统包括非能动冷凝器、管道、温度湿度测量仪表和阀门，非能动冷凝器位于在一体化安全壳外，非能动冷凝器的出口依次与阀门、超临界二氧化碳热电转换系统的冷却器的冷却气体入口连接；非能动冷凝器的入口依次与阀门、超临界二氧化碳热电转换系统的换热器的热压缩气体出口连接，且该阀门与非能动冷凝器的入口之间设有温度湿度测量仪表。
本发明的有益技术效果在于：本发明所提供的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其核心由热管反应堆和以超临界状态的二氧化碳为工质的热电转换系统组成。本发明所提供的热管反应堆系统采用固体堆芯设计，热管导热，无系统回路和大功率机械转动设备，具有长寿期甚至全寿期无换料、高固有安全性、低噪音、高功率体积重量比、系统设备简单可靠等技术特点。本发明所提供的热管反应堆系统以处于超临界状态的二氧化碳作为工质的热电转换系统采用布雷顿热力循环方式实现热能转换为电能。采用超临界二氧化碳布雷顿循环的热管核反应堆装置具有系统简单、结构紧凑、体积小、重量轻、机动性好、模块化程度高以及利于减振降噪等显著优点；可以为水下空间站、陆上应急救灾等作为移动电源，也可作为固定式电源为岛礁供电及海水淡化、海上能源开采、小型城市供电供热等。本发明所提供的热管反应堆系统中的热管导出堆芯热量后，其冷凝段与超临界二氧化碳热电转换系统中的换热器进行热量交换，由处于超临界状态下的二氧化碳携带热量至气轮机完成发电。本发明所提供的热管反应堆系统装置的热电转换的效率一般为25％～30％，较高参数条件下可达35％。采用本发明所提供的热管反应堆系统装置比压水堆具有明显优势，比如显著降低了二回路系统的重量和体积，结构紧凑布置灵活方便，固有安全性高。
附图说明
图1为本发明所提供的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统的示意图；
图2为本发明所提供的热管反应堆系统布置的示意图。
图3为本发明所提供的热管反应堆的示意图；
图4为本发明所提供的超临界二氧化碳热电转换系统的示意图；
图5为本发明所提供的回路压力维持系统的示意图；
图6为本发明所提供的启动控制系统的示意图；
图7为本发明所提供的停堆控制系统的示意图；
图8为本发明所提供的安全壳内温度控制系统的示意图；
图9为本发明所提供的应急冷却系统的示意图；
图10为本发明所提供的乏气冷却系统的示意图；
图11为本发明所提供的非能动余排系统的示意图。
图中：1—热管反应堆，2—超临界二氧化碳热电转换系统，3—回路压力维持系统，4—启动控制系统，5—停堆控制系统，6—安全壳内温度控制系统，7—应急冷却系统，8—乏气冷却系统，9—非能动余排系统，10—一体化安全壳
101—热管，102—燃料棒，103—堆内构件，104—反射层，105—旋转鼓，106—反应堆容器，107—反应性驱动机构，108—反应堆保温及屏蔽结构，109—堆内辐射屏蔽体，110—反应堆支承，111—热管绝热保温结构；
21—换热器，22—气轮机，23—冷却器，24—压缩机，25—回热器，26—发电机；
31-CO2，32-压力表，33-减压阀，34-阀门，35-超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表，36-管道；
41-启动过程参数测量采集装置，42-启动过程参数综合测量运算装置，43-启动综合显示控制台，44-启动电气控制装置，45-启动执行机构；
51-停堆过程参数测量采集装置，52-停堆过程参数综合测量运算装置；53-停堆综合显示控制台；54-停堆应急控制盘，55-停堆电气控制装置，56-停堆执行机构；
61-换热器，62-风机，63-干燥器，64-管道，65-阀门，66-温度湿度测量仪表；
71-阀门，72-管路，73-环腔，74-蓄水箱；
81-冷凝器，82-管道，83-温度压力流量测量仪表，84-阀门，85-驱动泵；
91-非能动冷凝器，92-管道，93-阀门，94-仪表。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
如图1所示：为便于整个核反应堆装置布置安装，本发明所提供的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统采用卧式布置方式，该热管反应堆系统包括热管反应堆1、超临界二氧化碳热电转换系统2、回路压力维持系统3、启动控制系统4、停堆控制系统5、安全壳内温度控制系统6、应急冷却系统7、乏气冷却系统8、非能动余热排系统9、一体化安全壳10。热管反应堆1位于一体化安全壳10中心，通过反应堆支承110固定在一体化安全壳10内部，是整个装置的核心，是实现核能转化成电能的根本。两个超临界二氧化碳热电转换系统2对称布置在热管反应堆1两侧，安装固定在一体化安全壳10内部，作用是将热管传递来的热量转化为机械能，最终转化为电能。每一台超临界二氧化碳热电转换系统2都配置有一个回路压力维持系统3，回路压力维持系统3的出口与超临界二氧化碳热电转换系统2的入口连接，回路压力维持系统3固定在一体化安全壳10壳壁上、且位于超临界二氧化碳热电转换系统2右上侧，用于保证超临界二氧化碳热电转换系统2内部超临界二氧化碳压力流量在设计阈值范围内。启动控制系统4和停堆控制系统5均位于右侧超临界二氧化碳热电转换系统2的右侧，启动控制系统4、停堆控制系统5的控制信号输出端均与热管反应堆1的控制信号输入连接，且远离热管反应堆1，作用是控制热管反应堆1的启动、正常运行和停堆。安全壳内温度控制系统6固定在一体化安全壳10壳壁上，安全壳内温度控制系统6与内部连通，且安全壳内温度控制系统6位于回路压力维持系统3的右侧，用于控制整个装置在一体化安全壳10内环境温度，将其限制在一定范围内，保证各设备处于合适的工作温度环境。应急冷却系统7位于热管反应堆1和一体化安全壳10形成的环腔内部，用于严重事故后对热管反应堆1进行冷却，防止反应堆温度过高。乏气冷却系统8位于超临界二氧化碳热电转换系统2下方、乏气冷却系统8的出口与超临界二氧化碳热电转换系统2的冷却气体入口连接，超临界二氧化碳热电转换系统2的热压缩气体出口与乏气冷却系统8的入口连通，且乏气冷却系统8固定在一体化安全壳10底部壳壁上，用于对完成做功后的超临界二氧化碳进行冷却，然后循环做功，保证超临界二氧化碳热电转换系统2的热电转换效率。非能动余热排系统9位于超临界二氧化碳热电转换系统2上方，非能动余热排系统9的出口与超临界二氧化碳热电转换系统2的冷却气体入口连接，超临界二氧化碳热电转换系统2的热压缩气体出口与非能动余热排系统9的入口连通，且非能动余热排系统9固定在一体化安全壳10顶部壳壁上，主要用于反应堆停堆后热管反应堆1余热导出或紧急停堆事故工况下堆芯余热导出。一体化安全壳10是整个装置的外壳，采用不锈钢，起密封承压作用，同时为电源系统、冷却系统、应急冷却系统等提供接口和通道。
如图2、3所示：热管反应堆1由5～3000根热管101、10～2000根圆柱形燃料棒102、堆内构件103、反射层104、旋转鼓105、反应堆容器106、反应性驱动机构107、反应堆保温及屏蔽结构108、堆内辐射屏蔽体109、反应堆支承110、热管绝热保温结构111构成。若干根热管101和若干根圆柱形燃料棒102按照一定的比例和排布方式安装在堆内构件103内部构成热管反应堆1的堆芯，热管101、圆柱形燃料棒102可以按照比例3:1、2:1、1:1、1:2或者1:3，热管10101、圆柱形燃料棒102可以采用三角形，正方形或者六边形排布方式安装在堆内构件10103内部。本实施例中，热管101为324根、圆柱形燃料棒102为627根。热管101及堆芯均采用不锈钢作为结构材料。反射层104布置在堆芯的堆内构件0103外，内部形状与堆芯的堆内构件103外形一致，反射层104为空心圆柱体，材料采用BeO。12个旋转鼓105沿周向均匀间隔布置在反射层104与堆内构件103形成的环形空腔内，本实施例中旋转鼓105的数量为12个旋转鼓105为圆管形结构，整个长度的一半圆弧为吸收体，一半圆弧为反射体，用于控制热管反应堆1的反应性。旋转鼓105内部填充BeO作为反射体。在热管反应堆1轴向方向上设置有柱形的辐射屏蔽体109，辐射屏蔽体109采用不锈钢包裹的LiH进行辐射屏蔽。反射层104和辐射屏蔽体109外部为反应堆容器106，辐射屏蔽体109位于反射层104一侧。反射层104和辐射屏蔽体109包围住堆芯的热管101、燃料棒102和堆内构件103，通过机械连接形成一个整体，通过紧固件连接固定到外部反应堆容器106内。反应堆容器106用于包容热管101、燃料棒102、堆内构件103、反射层104、旋转鼓105、辐射屏蔽体109，同时为反应性驱动机构107提供支撑和定位。反应性驱动机构107与旋转鼓105数量和布置方式相同，反应性驱动机构107数量为12台，且每台反应性驱动机构107与一个旋转鼓105一一对应。反应堆保温及屏蔽结构108包裹住反应堆容器106，实现反应堆保温和阻止放射性外泄。两道环形反应堆支承110分别安装在反应堆容器106的两侧外部，其外部与一体化安全壳10通过焊接连接固定，两道环形反应堆支承110的一道的内侧与反应堆容器106通过螺栓机械连接固定，另外一道的内侧装有弹性限位环对反应堆容器106进行周向限位，允许反应堆在运行工况下轴向向上生长。热管绝热保温结构111位于热管反应堆1和超临界二氧化碳热电转换系统2之间，其一侧与热管反应堆1通过机械连接形成整体，另一侧与超临界二氧化碳热电转换系统2保持一定安装距离。每个反应性驱动机构107均贯穿反应堆保温及屏蔽结构108、反应堆容器106各自与对应的一个旋转鼓105螺纹固定连接，且反应性驱动机构107能够驱动个旋转鼓105旋转。
热管反应堆1的堆芯采用富集度不高于20％的UO2燃料，堆芯活性段高度与活性区当量直径之比约0.9～1.1，采用圆柱形燃料元件即棒圆柱形燃料102。反应堆采用高温高效碱金属热管101传导堆芯热量。本发明所提供的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统装置正常运行时，反应堆堆芯产生的热量通过设置的高效高温碱金属热管101的蒸发段带出，通过热管101绝热段后，在冷凝段与换热器内二氧化碳工质进行热交换，由二氧化碳在气轮机内部做功实现热电转换。
如图4所示，超临界二氧化碳热电转换系统2包括换热器21、气轮机22、冷却器23、压缩机24、回热器25、发电机26以及相关管道。压缩机24的气体出口通过管道与回热器25的热压缩气体入口连接，回热器25的热压缩气体出口通过管道与换热器21的热压缩气体入口连接，换热器21的热压缩气体出口通过管道与气轮机22的热压缩气体入口连接，气轮机22的热压缩气体出口通过管道与回热器25的冷却气体入口连接，回热器25的冷却气体出口通过管道与冷却器23的冷却气体入口连接，冷却器23的冷却气体出口通过管道与压缩机24的冷却气体入口连接；气轮机22的电能输出端通过信号线与发电机26的电能输入端连接，气轮机22的热压缩气体入口通过管道与压缩机24的热压缩气体出口连接；热管反应堆1的热管101出口端插在换热器21的热量入口内。低温低压的二氧化碳经过压缩机24升压后，经过回热器25预热后进入换热器21，在换热器21内吸收热管101传递来热量后直接进入气轮机22做功，通过发电机26实现电能输出，做功后的低压气体再进入回热器25，将热量传递给低温侧的二氧化碳，之后再进入冷却器23进一步冷却后，再进入压缩机24升压，由此形成闭式循环，，现系统中热能-机械能-电能的转换。
如图5所示：回路压力维持系统3由储CO2容器31、压力表32、减压阀33、阀门34、超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表35和相关管道36构成。CO2容器31的气体出口通过管道36与减压阀33的一端连接，压阀33上设有压力表32，减压阀33的另一端通过管道36与阀门34的一端连接；阀门34的另一端通过管道36与超临界二氧化碳热电转换系统2的压缩机24的气体入口连接，该段管道36上设有超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表35。储CO2容器压力表302用于监测储CO2容器301的压力。超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表35用于监测超临界二氧化碳热电转换系统2内压力。系统断续式工作，当低于阈值时回路压力维持系统3投入工作，达到阈值时停止工作。
如图6所示，启动控制系统4由启动过程参数测量采集装置41、启动过程参数综合测量运算装置42、启动综合显示控制台43、启动电气控制装置44、启动执行机构45组成。控制热管反应堆1的反应性驱动机构107通过信号线与启动参数测量采集装置41的信号输入端连接，启动参数测量采集装置41的信号输出端通过信号线与启动过程参数综合测量运算装置42的信号输入端连接，启动过程参数综合测量运算装置42的信号输出端通过信号线与启动综合显示控制台43的信号输入端连接；启动综合显示控制台43的控制信号输出端通过信号线与启动电气控制装置44的信号输入端连接，启动电气控制装置44的信号输出端通过信号线与启动执行机构45的信号输入端连接，启动执行机构45的信号输出端通过信号线与热管反应堆1的反应性驱动机构107的信号输入端连接。启动参数测量采集装置41主要是对反应堆的温度、快中子注量率等进行测量，再通过启动过程参数综合测量运算装置42进行运算，将相关信号传递到启动综合显示控制台43，由操作人员进行确认以采取适当的合理的操作过程，通过启动电气控制装置44使得启动执行机构45控制热管反应堆1的反应性驱动机构107工作，实现整个超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统的启动和控制。
如图7所示，停堆控制系统5由停堆过程参数测量采集装置51、停堆过程参数综合测量运算装置52、停堆综合显示控制台53、停堆应急控制盘54、停堆电气控制装置55、停堆执行机构56组成。控制热管反应堆1的反应性驱动机构107通过信号线与停堆参数测量采集装置51的信号输入端连接，停堆参数测量采集装置51的信号输出端通过信号线与停堆过程参数综合测量运算装置52的信号输入端连接，停堆过程参数综合测量运算装置52的信号输出端通过信号线与停堆综合显示控制台53的信号输入端、停堆应急控制盘54的信号输入端均连接；停堆综合显示控制台53的控制信号输出端、停堆应急控制盘54的控制信号输出端均通过信号线与停堆电气控制装置54的信号输入端连接，停堆电气控制装置54的信号输出端通过信号线与停堆执行机构55的信号输入端连接，停堆执行机构55的信号输出端通过信号线与热管反应堆1的反应性驱动机构107的号输入端连接。停堆参数测量采集装置51主要是对反应堆的温度、快中子注量率等进行测量，再通过停堆过程参数综合测量运算装置52进行运算，将相关信号传递到综合显示控制台53，由操作人员进行确认以正常的操作过程还是需要进行应急停堆。正常停堆时，通过停堆综合显示台53给出的指令，由停堆电气控制55装置使得执行机构56完成必要的操作，实现整个系统装置正常停堆。事故工况需要紧急停堆时，通过装置应急控制盘54给出指令，由装置电气控制55使得执行机构56完成必要的操作，实现整个系统装置紧急安全停堆。
如图8所示，安全壳内温度控制系统6由一台换热器61、一台风机62、一台干燥器63及相应的管道64、阀门65和温度湿度测量仪表66组成。换热器61设置在一体化安全壳10外，换热器61的进气口通过管道直接与一体化安全壳10内部连通，换热器61的出气口通过管道64与干燥器63的进气口连接，干燥器63的出气口通过管道64与风机62的进气口连接；风机62的出气口通过管道64与阀门65的一端连接，该管道64上设有和温度湿度测量仪表66。打开阀门65，风机62将一体化安全壳10内空气抽吸进入干燥器63进行干燥，再送入换热器61冷却后再重新送回一体化安全壳10内，维持一体化安全壳10内温度和湿度。
如图9所示，一体化安全壳10和热管反应堆1构成的环腔73。应急冷却系统7为非能动系统，由阀门71、管道72、环腔73、蓄水箱74组成，共二列。蓄水箱74的两个出口分别通过两路管道72与环腔73连通，环腔73内的两路管道72上位于各设有一个阀门71。当热管反应堆1发生超临界二氧化碳热电转换系统2全部失效或全部热管101大部甚至完全失效等事故时，反应堆最终热阱基本甚至完全丧失，此时应急冷却系统7将自动打开通往一体化安全壳10外的阀门71，安装在一体化安全壳10外部的蓄水箱74冷却水在重力作用下灌入一体化安全壳10和热管反应堆1构成的事故后环腔73，通过与热管反应堆1堆本体的辐射换热、对流换热等热量交换过程，实现对堆本体的应急冷却，避免热管反应堆1发生熔毁。
如图10所示，乏气冷却系统8为能动系统，由设置在一体化安全壳10外的冷凝器81、管道82、温度压力流量测量仪表83、阀门84、驱动泵85组成。冷凝器81的出口通过管道82与驱动泵85的入口连接，驱动泵85的出口通过管道82与阀门84的一端连接，阀门84的另一端通过管道82与超临界二氧化碳热电转换系统2的冷却器23的冷却气体入口连接，超临界二氧化碳热电转换系统2的换热器21的热压缩气体出口过管道82与阀门84的一端连接，阀门84的另一端通过管道82与冷凝器81的入口连接。一体化安全壳10外的冷凝器81中的冷凝水由管道82通过驱动泵85作用经阀门84流入超临界二氧化碳热电转换系统2的冷却器23，经换热器21换热升温后的冷凝水经管道82和阀门84再进入舱外冷凝器81，形成闭式的能动排热回路。设置在管道82上的温度压力流量测量仪表83主要为控制系统提供乏气冷却系统8工作时的冷凝水温度、流量和压力等参数信息。
如图11所示，非能动余热排系统9由设置在一体化安全壳10外的非能动冷凝器91和相应的管道92、阀门94和温度湿度测量仪表93组成。非能动冷凝器91的出口通过管道92与阀门94的一端连接，阀门94的另一端通过管道92与超临界二氧化碳热电转换系统2的冷却器23的冷却气体入口连接；超临界二氧化碳热电转换系统2的换热器21的热压缩气体出口过管道92与阀门94的一端连接；阀门94的另一端通过管道92与非能动冷凝器91的入口连接，该管道92上设有温度湿度测量仪表93，。一体化安全壳10外非能动冷凝器91中的冷凝水通过重力经管道92、阀门93流入超临界二氧化碳热电转换系统2的换热器21的冷却气体入口，经换热升温后的流体由换热器21的热压缩气体出口流出，依靠密度差驱动经阀门93、管道92再进入一体化安全壳10外非能动冷凝器91进行冷凝换热，形成闭式的非能动排热回路。设置在管道92上的仪表94主要为控制系统提供非能动余热排系统9工作时的冷凝水温度、流量和压力等参数信息。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (14)

1.一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：该系统包括热管反应堆(1)、超临界二氧化碳热电转换系统(2)、回路压力维持系统(3)、启动控制系统(4)、停堆控制系统(5)、安全壳内温度控制系统(6)、应急冷却系统(7)、乏气冷却系统(8)、非能动余热排系统(9)和一体化安全壳(10)，热管反应堆(1)位于一体化安全壳(10)中心，超临界二氧化碳热电转换系统(2)对称布置在热管反应堆(1)两侧，超临界二氧化碳热电转换系统(2)与回路压力维持系统(3)连接，回路压力维持系统(3)位于在一体化安全壳(10)壳壁上；启动控制系统(4)、停堆控制系统(5)均与热管反应堆(1)连接，安全壳内温度控制系统(6)位于一体化安全壳(10)壳壁上，应急冷却系统(7)位于热管反应堆(1)和一体化安全壳(10)形成的环腔内部；乏气冷却系统(8)与超临界二氧化碳热电转换系统(2)连接，乏气冷却系统(8)位于超临界二氧化碳热电转换系统(2)的下方，并位于一体化安全壳(10)底部壳壁上；非能动余热排系统(9)与超临界二氧化碳热电转换系统(2)连接，非能动余热排系统(9)位于超临界二氧化碳热电转换系统(2)的上方，并位于一体化安全壳(10)顶部壳壁上。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的热管反应堆(1)包括热管(101)、燃料棒(102)、堆内构件(103)、反射层(104)、旋转鼓(105)、反应堆容器(106)、反应性驱动机构(107)、反应堆保温及屏蔽结构(108)、堆内辐射屏蔽体(109)、反应堆支承(110)、热管绝热保温结构(111)，热管(101)和燃料棒(102)安装在堆内构件(103)内部构成热管反应堆(1)的堆芯；反射层(104)布置在堆芯的堆内构件(103)外，旋转鼓(105)沿周向均匀间隔布置在反射层(104)与堆内构件(103)形成的环形空腔，辐射屏蔽体(109)位于反射层(104)一侧，反射层(104)和辐射屏蔽体(109)外套有反应堆容器(106)，反应堆容器(106)外套有反应堆保温及屏蔽结构(108)，环形反应堆支承(110)安装在反应堆容器(106)的外部；反应性驱动机构(107)贯穿反应堆保温及屏蔽结构(108)、反应堆容器(106)，并与旋转鼓(105)连接。
3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的热管绝热保温结构(111)位于热管反应堆(1)和超临界二氧化碳热电转换系统(2)之间。
4.根据权利要求3所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的热管(101)、圆柱形燃料棒(102)按照比例3:1、2:1、1:1、1:2或者1:3安装在堆内构件(103)内部。
5.根据权利要求4所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的热管(101)、圆柱形燃料棒(102)采用三角形，正方形或者六边形排布方式安装在堆内构件(103)内部。
6.根据权利要求5所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的反应性驱动机构(107)与旋转鼓(105)数量和布置方式相同。
7.根据权利要求6所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的超临界二氧化碳热电转换系统(2)包括第一换热器(21)、气轮机(22)、冷却器(23)、压缩机(24)、回热器(25)和发电机(26)，压缩机(24)的气体出口依次与回热器(25)的热压缩气体入口、换热器(21)、气轮机(22)的热压缩气体入口连接，气轮机(22)的热压缩气体出口依次与回热器(25)的冷却气体入口、冷却器(23)、压缩机(24)的冷却气体入口连接；气轮机(22)的电能输出端与发电机(26)的电能输入端连接，气轮机(22)的热压缩气体入口与压缩机(24)的热压缩气体出口连接；热管反应堆(1)的热管(101)出口端插在第一换热器(21)的热量入口内。
8.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的回路压力维持系统(3)包括储CO2容器(31)、压力表(32)、减压阀(33)、第一阀门(34)、超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表(35)，CO2容器(31)的气体出口依次与减压阀(33)、第一阀门(34)、超临界二氧化碳热电转换系统(2)的压缩机(24)的气体入口连接，减压阀(33)上设有压力表(32)，第一阀门(34)与压缩机(24)之间设有超临界二氧化碳热电转换系统压力测量表(35)。
9.根据权利要求8所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的启动控制系统(4)包括启动过程参数测量采集装置(41)、启动过程参数综合测量运算装置(42)、启动综合显示控制台(43)、启动电气控制装置(44)、启动执行机构(45)，控制热管反应堆(1)的反应性驱动机构(107)与启动参数测量采集装置(41)的输入端连接，启动参数测量采集装置(41)的输出端依次与启动过程参数综合测量运算装置(42)、启动综合显示控制台(43)、启动电气控制装置(44)、启动执行机构(45)、热管反应堆(1)的反应性驱动机构(107)的输入端连接。
10.根据权利要求9所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的停堆控制系统(5)包括停堆过程参数测量采集装置(51)、停堆过程参数综合测量运算装置(52)、停堆综合显示控制台(53)、停堆应急控制盘(54)、停堆电气控制装置(55)、停堆执行机构(56)，控制热管反应堆(1)的反应性驱动机构(107)依次与停堆参数测量采集装置(51)、停堆过程参数综合测量运算装置(52)的输入端连接，停堆综合显示控制台(53)、停堆应急控制盘(54)并联，并联输入端、输出端分别与停堆过程参数综合测量运算装置(52)的输出端、停堆电气控制装置(55)的输入端连接，停堆电气控制装置(55)的输出端依次与停堆电气控制装置(55)、停堆执行机构(56)、热管反应堆(1)的反应性驱动机构(107)的输入端连接。
11.根据权利要求10所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的安全壳内温度控制系统(6)包括第二换热器(61)、风机(62)、干燥器(63)、第二阀门(65)和第一温度湿度测量仪表(66)，第二换热器(61)位于一体化安全壳(10)外、且入气口与一体化安全壳(10)内部连通，第二换热器(61)的出气口依次与干燥器(63)、风机(62)连通，风机(62)出口处设有第一温度湿度测量仪表(66)和第二阀门(65)。
12.根据权利要求11所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的应急冷却系统(7)包括第三阀门(71)、第一管道(72)、蓄水箱(74)和环腔(73)，一体化安全壳(10)和热管反应堆(1)之间构成的环腔(73)，蓄水箱(74)的两个出口分别通过两路第一管道(72)与环腔(73)连通，环腔(73)内的两路管道(72)上位于各设有一个第三阀门(71)。
13.根据权利要求12所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的乏气冷却系统(8)包括冷凝器(81)、温度压力流量测量仪表(83)、阀门、驱动泵(85)，冷凝器(81)位于一体化安全壳(10)外，冷凝器(81)的出口依次与驱动泵(85)、阀门、超临界二氧化碳热电转换系统(2)的冷却器(23)的冷却气体入口连接，冷凝器(81)的入口依次与阀门、超临界二氧化碳热电转换系统(2)的第一换热器(21)的热压缩气体出口连接。
14.根据权利要求13所述的一种超临界二氧化碳为热电转换工质的热管反应堆系统，其特征在于：所述的非能动余热排系统(9)包括非能动冷凝器(91)、第二温度湿度测量仪表(93)和阀门，非能动冷凝器(91)位于在一体化安全壳(10)外，非能动冷凝器(91)的出口依次与阀门、超临界二氧化碳热电转换系统(2)的冷却器(23)的冷却气体入口连接；非能动冷凝器(91)的入口依次与阀门、超临界二氧化碳热电转换系统(2)的第一换热器(21)的热压缩气体出口连接，且该阀门与非能动冷凝器(91)的入口之间设有第二温度湿度测量仪表(93)。
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