CN111540489B - 一种模块化超临界水冷热管堆系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化超临界水冷热管堆系统，属于核反应堆工程技术领域，包括模块化超临界水冷热管堆和超临界机组；模块化超临界水冷热管堆包括超临界水冷热管堆组、反射层以及屏蔽层；超临界水冷热管堆组由多个超临界水冷热管堆组件组成；超临界水冷热管堆组件包括：上下设置的直流蒸汽发生器和堆芯以及贯穿直流蒸汽发生器和堆芯的多根碱金属热管；超临界机组包括汽轮机、发电机、冷凝器和给水泵；直流蒸汽发生器的进口与给水泵连通，出口与汽轮机连通。本发明采用模块化的设计，系统简单、结构紧凑，反应堆可以实现规模化制造；同时利用高温热管作为堆芯冷却设备，可以得到更高的一回路冷却剂温度，保证与超临界水工质的传热温差。

Description

一种模块化超临界水冷热管堆系统

技术领域

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种可以实现模块化布置的超临界水冷热管堆系统。

背景技术

超临界机组是指主蒸汽压力高于临界压力(22.13MPa)的锅炉和汽轮发电机组，具有回路简单、热效率高、工质流动特性稳定等优点。在火电厂中使用超临界机组可以有效的提高电厂的热效率，具有很好的应用前景。目前新建造的火电机组大多使用了超临界或超超临界机组，以提高燃煤的经济性。

核能具有能量密度高、没有碳排放、不会造成空气污染等特点，是目前国家大力发展的清洁能源。核电站以核反应堆来代替火电厂的锅炉，以核燃料在核反应堆中的持续裂变反应产生热量，并在蒸汽发生器中利用热能来加热水产生蒸汽。由于核反应的特殊性，需要工质持续流过堆芯，将核裂变反应产生的热量传导到蒸汽发生器二次侧。受限于一回路主冷却剂的温度，目前使用的压水冷却反应堆无法将二回路工质加热到超临界状态。

热管冷却反应堆利用碱金属热管来冷却堆芯，根据工质的不同，碱金属热管的工作温度可以达到800℃以上，完全可以满足超临界工质换热的要求。结合热管堆和超临界机组的特性，可以提高反应堆循环的效率，提高核能利用的经济性。

因此，急需一种能够结合热管冷却反应堆和超临界机组的特点，保证反应堆安全，简化系统结构，同时能够提高能量转换的效率的模块化的超临界水冷热管堆系统。

发明内容

本发明提出一种能够结合热管冷却反应堆和超临界机组的特点，保证反应堆安全，简化系统结构，同时能够提高能量转换的效率的模块化的超临界水冷热管堆系统。为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模块化超临界水冷热管堆系统，包括模块化超临界水冷热管堆和超临界机组；

所述模块化超临界水冷热管堆包括超临界水冷热管堆组、包覆在所述超临界水冷热管堆组外侧的反射层以及套设于反射层外侧的屏蔽层；所述超临界水冷热管堆组由多个超临界水冷热管堆组件组成；

所述超临界水冷热管堆组件包括：上下设置的直流蒸汽发生器和堆芯以及贯穿直流蒸汽发生器和堆芯的多根碱金属热管；所述碱金属热管分为蒸发端和冷凝端，所述碱金属热管插入所述堆芯部分设定为蒸发端，所述碱金属热管插入所述直流蒸汽发生器部分设定为冷凝端；

所述超临界机组包括汽轮机、发电机、冷凝器和给水泵；所述直流蒸汽发生器的进口与所述给水泵连通；所述直流蒸汽发生器的出口与所述汽轮机连通。

进一步地，所述堆芯还包括金属基体、燃料元件以及位于所述金属基体中心位置的控制棒；所述直流蒸汽发生器和所述堆芯中心位置均设有供所述控制棒上下移动的通道；所述超临界水冷热管堆组件的顶部设置有驱动所述控制棒的控制棒驱动机构。

进一步地，所述超临界水冷热管堆组中所述超临界水冷热管堆组件的数量是7个、19个、37个或61个。

进一步地，所述超临界水冷热管堆组件采用三角形布置的原则排列成近似圆形。

进一步地，所述超临界水冷热管堆组件的截面为六边形、圆形、正方形或其他几何形状。

进一步地，所述超临界水冷热管堆组件的截面为六边形。

进一步地，所述碱金属热管为高温热管，内部的工质是钠或锂。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用模块化的设计，固体堆芯、高温热管和直流蒸汽发生器都布置在一个规则的容器内部，系统简单、结构紧凑，反应堆可以实现规模化制造；

2、本发明中利用高温热管作为堆芯冷却设备，可以得到比普通压水反应堆更高的一回路冷却剂温度，保证与超临界水工质的传热温差；

3、本发明的模块化超临界水冷热管堆，可以根据功率需求采用不同数量的超临界水冷热管堆组件，反应堆布置灵活、配置方便，提高了反应堆的适用性。

附图说明

图1是本发明的超临界水冷热管堆组件结构示意图；

图2是本发明其中一种反应堆布置示意图。

其中，1、堆芯；2、蒸汽发生器；3、超临界机组；4、堆芯基体；5、碱金属热管；6、燃料元件；7、控制棒；8、超临界水冷热管堆组件；9、控制棒导向通道；10、控制棒驱动机构；11、模块化超临界水冷热管堆；12、反射层；13、屏蔽层；31、给水泵；32、发电机；33、汽轮机；34、冷凝器。

具体实施方式

本发明提供了一种模块化超临界水冷热管堆系统。以下结合附图对本发明技术方案进行详细描述，以使其更易于理解和掌握。

实施例1

一种模块化超临界水冷热管堆系统，包括模块化超临界水冷热管堆11和超临界机组3；

模块化超临界水冷热管堆11包括超临界水冷热管堆组、包覆在超临界水冷热管堆组外侧的反射层12以及套设于反射层12外侧的屏蔽层13；超临界水冷热管堆组由多个超临界水冷热管堆组件8组成，其中，超临界水冷热管堆组中超临界水冷热管堆组件8的数量是7个、19个、37个或61个。本实施例中，超临界水冷热管堆组件8的数量是7个。超临界水冷热管堆组件8采用三角形布置的原则排列成近似圆形。超临界水冷热管堆组件8的截面为六边形、圆形、正方形或其他几何形状，优选为六边形。

超临界水冷热管堆组件8包括：上下设置的直流蒸汽发生器2和堆芯1以及贯穿直流蒸汽发生器2和堆芯1的多根碱金属热管5；碱金属热管5分为蒸发端和冷凝端，碱金属热管5插入堆芯1部分设定为蒸发端，碱金属热管5插入直流蒸汽发生器2部分设定为冷凝端。

本实施例中，堆芯1还包括金属基体4、燃料元件6以及位于金属基体4中心位置的控制棒7；直流蒸汽发生器2和堆芯1中心位置均设有供控制棒7上下移动的控制棒导向通道9；超临界水冷热管堆组件8的顶部设置有驱动控制棒7的控制棒驱动机构10；其中，控制棒7由超临界水冷热管堆组件8顶部插入。

超临界机组3包括汽轮机33、发电机32、冷凝器34和给水泵31；直流蒸汽发生器2的进口与给水泵31连通；直流蒸汽发生器2的出口与汽轮机33连通。

本实施例中，碱金属热管5为高温热管，内部的工质可以是钠或锂。

本实施例的工作原理为：

模块化超临界水冷热管堆11由多个超临界水冷热管堆组件8组成，每一个超临界水冷热管堆组件8都是独立的，可以组合成多种不同功率的反应堆系统方案。运行时，碱金属热管5将燃料元件6裂变产生的热量导出到直流蒸汽发生器2，碱金属热管5外部流动的超临界水工质，多个直流蒸汽发生器2中的气态工质混合到主蒸汽管道后进入汽轮机33做功后，乏汽进入冷凝器34，凝水由给水泵31加压后重新进入每一个直流蒸汽发生器2。

以上对本发明的技术方案进行了充分描述，需要说明的是，本发明的具体实施方式并不受上述描述的限制，本领域的普通技术人员依据本发明的精神实质在结构、方法或功能等方面采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化超临界水冷热管堆系统，其特征在于，包括模块化超临界水冷热管堆（11）和超临界机组（3）；

所述模块化超临界水冷热管堆（11）包括超临界水冷热管堆组、包覆在所述超临界水冷热管堆组外侧的反射层（12）以及套设于反射层（12）外侧的屏蔽层（13）；所述模块化超临界水冷热管堆（11）由多个所述超临界水冷热管堆组件（8）组成；每一个所述超临界水冷热管堆组件（8）均是独立的，可组合成多种不同功率的反应堆系统；

所述超临界水冷热管堆组件（8）包括：上下设置的直流蒸汽发生器（2）和堆芯（1）以及贯穿直流蒸汽发生器（2）和堆芯（1）的多根碱金属热管（5）；所述碱金属热管（5）分为蒸发端和冷凝端，所述碱金属热管（5）插入所述堆芯（1）部分设定为蒸发端，所述碱金属热管（5）插入所述直流蒸汽发生器（2）部分设定为冷凝端；

所述超临界机组（3）包括汽轮机（33）、发电机（32）、冷凝器（34）和给水泵（31）；所述直流蒸汽发生器（2）的进口与所述给水泵（31）连通；所述直流蒸汽发生器（2）的出口与所述汽轮机（33）连通；

所述堆芯（1）还包括金属基体（4）、燃料元件（6）以及位于所述金属基体（4）中心位置的控制棒（7）；所述直流蒸汽发生器（2）和所述堆芯（1）中心位置均设有供所述控制棒（7）上下移动的通道；所述超临界水冷热管堆组件（8）的顶部设置有驱动所述控制棒（7）的控制棒驱动机构（10）。

2.根据权利要求1所述的模块化超临界水冷热管堆系统，其特征在于，所述超临界水冷热管堆组中所述超临界水冷热管堆组件（8）的数量是7个、19个、37个或61个。

3.根据权利要求2所述的模块化超临界水冷热管堆系统，其特征在于，所述超临界水冷热管堆组件（8）采用三角形布置的原则排列成近似圆形。

4.根据权利要求1所述的模块化超临界水冷热管堆系统，其特征在于，所述超临界水冷热管堆组件（8）的截面为六边形、圆形或正方形。

5.根据权利要求4所述的模块化超临界水冷热管堆系统，其特征在于，所述超临界水冷热管堆组件（8）的截面为六边形。

6.根据权利要求1所述的模块化超临界水冷热管堆系统，其特征在于，所述碱金属热管（5）为高温热管，内部的工质是钠或锂。

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