CN111584101A - 一种深海核能系统的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海核能系统的冷却装置，包括液态金属液箱、发电模块及设备冷却模块；发电模块包括反应堆和依次连通的凝汽器、凝水除氧箱、给水泵、蒸汽发生器及汽轮发电机；设备冷却模块包括依次连通的设备冷却换热器、设备冷却泵和待冷却设备；液态金属液箱内设有用于填充有液态金属的空腔，设备冷却换热器和凝汽器与空腔连通。本发明通过将液态金属液箱中填充有液态金属的空腔与发电模块和设备冷却模块连通，以海水强迫或自然对流来满足深海潜航器前进或悬停等情况下冷却需求，实现了核能发电系统的无动力海水冷却，同时解决了传统通海管路作为振动噪声的传递途径问题，实现全工况范围内深海潜航器的低噪声运行。

Description

一种深海核能系统的冷却装置

技术领域

本发明涉及水下探测领域，特别是涉及一种深海核能系统的冷却装置。

背景技术

深海潜航器是用于在海底从事科学研究、资源勘探和战术侦察的移动工作平台，其工作环境为千米至数千米深度的深海中。随着任务需求的拓展，对深海潜航器的潜深、可靠性和振动噪声等要求越来越高。为了实现深海潜航器的长距离、长时间、自主化运行，核能发电装置已成为其唯一选择。

深海潜航器核能发电装置的海水冷却系统负责提供循环冷却水和设备冷却水，担任着冷却透平排汽、维持设备运行温度等任务，在保证深海空间站核能动力正常运行及安全等方面起着重要作用。但当前海水冷却系统存在三大问题。

一是由于核能发电装置中大部分热量需要通过海水冷却系统排向海洋，需要在耐压壳体上开设多个通海口，设置长距离的高压海水管路，既导致耐压壳体结构强度受损，又存在通海管路破损风险增大的问题，使其在大潜深下容易出现可靠性问题；

二是海水冷却系统是发电系统振动噪声传向海洋的直接传递通道，不仅在科考活动中容易对海洋生物造成惊吓，难以实现对海洋环境的真实考察，而且在军事行动中也极易暴露目标，从而影响作战任务的顺利执行；

三是海水是强腐蚀性的介质，同时携带大量各类海洋垃圾，不仅致使通海管路面临着严重的腐蚀问题，而且可能导致通海管路的入口过滤器及海水换热器被杂物堵塞，从而严重影响了核能发电装置的正常安全运行。

综上，核能发电装置的海水冷却系统是深海潜航器中对潜深最敏感、可靠性最薄弱、噪声最突出的关键系统。因此，如何实现超过千米潜深的深海潜航器的高效、可靠、安静的海水冷却是目前急需解决的问题，上述问题一经成功解决对于提升我国对深海开发具有重要意义。

发明内容

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种深海核能系统的冷却装置，以有效解决上述问题，实现超过千米潜深的深海潜航器的高效、可靠、安静的海水冷却。

为解决上述问题，本发明提供一种深海核能系统的冷却装置，包括：

液态金属液箱和设置在所述液态金属液箱内侧的发电模块及设备冷却模块；

所述发电模块包括：反应堆和依次连通的凝汽器、凝水除氧箱、给水泵、蒸汽发生器及汽轮发电机；所述蒸汽发生器安装在所述反应堆的发热端；所述设备冷却模块包括：依次连通的设备冷却换热器、设备冷却泵和若干个待冷却设备；所述液态金属液箱内设有用于填充有液态金属的空腔，所述设备冷却换热器和所述凝汽器与所述空腔连通。

进一步地，所述液态金属液箱为弧形结构，所述弧形结构对应的角度不小于300度，所述液态金属液箱外安装有耐压壳体。

进一步地，所述液态金属液箱内液态金属的径向厚度不小于200mm。

进一步地，所述液态金属液箱内填充的所述液态金属为熔点低于0℃且沸点高于1000℃的镓铟锡合金。

进一步地，所述凝汽器安装有多个错列布置的凝汽器热管；所述凝汽器热管的冷端与所述空腔连通，所述凝汽器热管的热端安装在所述凝汽器中。

进一步地，所述设备冷却换热器内安装有多个交叉布置的设备冷却换热器热管；所述设备冷却换热器热管的冷端与所述空腔连通，所述设备冷却换热器热管的热端安装在所述设备冷却换热器中。

进一步地，所述设备冷却换热器内还安装有若干个折流板，各所述折流板交错布置在所述设备冷却换热器中。

进一步地，所述发电模块和所述设备冷却模块的数量为多个。

进一步地，所述反应堆安装有余热导出热管，所述余热导出热管将所述反应堆和所述空腔连通。

进一步地，所述深海核能系统的冷却装置还包括：纯净水液箱和污水箱；所述纯净水液箱安装在所述耐压壳体内侧的顶部，所述污水箱安装在所述耐压壳体内侧的底部。

本发明提供的深海核能系统的冷却装置，通过将液态金属液箱中填充有液态金属的空腔与发电模块和设备冷却模块连通，以海水强迫或自然对流来满足深海潜航器前进或悬停等情况下冷却需求，实现了核能发电系统的无动力海水冷却，同时解决了传统通海管路作为振动噪声的传递途径问题，实现全工况范围内深海潜航器的低噪声运行。此外，由于传统的通海口是发电系统余热排出的唯一通道，因此排出的热海水非常集中导致明显的热尾迹效应，而本发明提供的冷却装置将余热排出位置扩展到整个耐压壳体，周围海水升温低且分散，有利于提升红外隐身能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的深海核能系统的冷却装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的液态金属液箱的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的冷凝器的结构示意图；

附图标记说明：1、液态金属液箱；2、反应堆；3、凝汽器；4、凝水除氧箱；5、给水泵；6、蒸汽发生器；7、汽轮发电机；8、设备冷却换热器；9、设备冷却泵；10、待冷却设备；11、液态金属；12、耐压壳体；13、纯净水液箱；14、污水箱；15、余热导出热管；16、二次屏蔽层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种深海核能系统的冷却装置，用于深海潜航器发电系统的冷却，如图1所示，该冷却装置包括：液态金属液箱1和设置在液态金属液箱1内侧的发电模块及设备冷却模块。发电模块包括：反应堆2和依次连通的凝汽器3、凝水除氧箱4、给水泵5、蒸汽发生器6及汽轮发电机7。蒸汽发生器6安装在反应堆2的发热端；设备冷却模块包括：依次连通的设备冷却换热器8、设备冷却泵9和若干个待冷却设备10。液态金属液箱1内设有用于填充有液态金属11的空腔，设备冷却换热器8和凝汽器3与空腔连通。

本实施例中，深海潜航器发电系统对于冷却的需求可以分为两个部分，一是待冷却设备10的冷却需求，为保证设备正常运行，其最高温度通常不超过60℃，二是汽轮发电机7排汽冷却的需求，其最高温度不超过80℃。另外，千米级潜深下海水温度约4℃，因此，液态金属11作为热传导的介质，其工作温度区间为0℃至80℃之间。

设备冷却模块在工作过程中：高温单相水经过设备冷却换热器8冷却至约40℃，再通过设备冷却换热器8的出口离开，经过设备冷却泵9升压至足以克服全流程的流动阻力后，在进入各个待冷却设备10中进行吸热后，再进入下一轮循环。

发电模块在工作过程中：汽轮发电机7的排汽冷凝为凝结水后，将从凝汽器3进入凝水除氧箱4进行除氧后，再进入给水泵5进行升压至额定给水压力，再进入位于反应堆2上部的蒸汽发生器6进行蒸发，离开蒸汽发生器6的蒸汽进入汽轮发电机7做功，汽轮发电机7的排汽再进入凝汽器3进行下一轮循环。

设备冷却换热器8和凝汽器3释放的热量传递给液态金属液箱1中的液态金属11，对液态金属11进行加热，通过液态金属液箱1内液态金属11的导热和自然对流，将导出的热量传递至海水，从而实现将核能发电装置的余热排入海洋的作用。

此外，根据具体的需求，发电模块和设备冷却模块的数量可增设为多个，以满足不同工况。一般情况下，发电模块和设备冷却模块均设置两个即可。

本发明实施例提供的深海核能系统的冷却装置，通过将液态金属液箱中填充有液态金属的空腔与发电模块和设备冷却模块连通，以海水强迫或自然对流来满足深海潜航器前进或悬停等情况下冷却需求，实现了核能发电系统的无动力海水冷却，同时解决了传统通海管路作为振动噪声的传递途径问题，实现全工况范围内深海潜航器的低噪声运行。同时，由于传统的通海口是发电系统余热排出的唯一通道，因此排出的热海水非常集中导致明显的热尾迹效应，而本实施例提供的冷却装置将余热排出位置扩展到整个耐压壳体，周围海水升温低且分散，有利于提升红外隐身能力。

基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1和图2所示，液态金属液箱1为弧形结构，整个弧形结构内部完全封闭，液态金属11填充在这个封闭的结构内，液态金属液箱1外安装有耐压壳体12，对应的耐压壳体12为空心圆柱体结构，弧形结构对应的角度不小于300°，液态金属液箱1与耐压壳体12的圆心重合。核能发电装置采用无人化操控，通常位于独立的耐压壳体12内。深海潜航器用的反应堆2和动力转换装置采用小型化设计，设置在耐压壳体12的圆柱形中心区域。

其中，液态金属液箱1整体为全封闭耐压结构，由两个的半环形壁面、两个矩形壁面和一个半圆柱形的液态金属液箱箱壁组成，该半环形壁面的外侧一面与耐压壳体12的内壁共享壁面结构。液态金属液箱1内的液态金属11的径向厚度不小于200mm，液态金属液箱1的箱壁比耐压壳体12直径小400mm以上，以保持液态金属液箱1内具有足够空间以容纳液态金属11的工质。

本实施例中，液态金属液箱1内填充的所述液态金属为熔点低于0℃且沸点高于1000℃的镓铟锡合金。其导热系数比水高三倍以上，具有性能稳定、熔点低、流动性好、收缩性小等特点，可在千米级深海中约4℃的海水环境下使用。

由于液态金属11在该本实施例应用的情况下不发生相变，在该温度区间内其体积变化率不大于1％，因此液态金属液箱1内可填充98％容积的液态金属11，剩余2％容积作为热膨胀预留空间。液态金属液箱1内除了液态金属11的区域外，还有约2％的空间容积，将该空间内的空气抽出，保持小于5Pa的真空状态，既以防止气体对液态金属11性能的影响，又排除气体温度和压力变化产生交变应力导致液箱结构受损。

液态金属液箱1覆盖了耐压壳体12的大部分边界，由于液态金属液箱1内部的镓铟锡合金具有良好的辐射防护能力，因此液态金属液箱1还将作为二次辐射屏蔽的专用挡块，在液态金属液箱1未能覆盖的区域，保留局部二次屏蔽层16，以确保整个耐压壳体12的周向均可实现良好的辐射屏蔽。通过液态金属液箱1的引入可以减少二次屏蔽层的覆盖区间，减轻核能发电装置对于辐射防护的需求，减少耐压壳体12的体积和重量，从而有利于提升深海潜航器的综合性能。

为便于换热，在液态金属液箱1内可设置多根运行温度在0-80℃的低温热管，液态金属液箱1内的嫁铟锡合金作为低温热管冷源端。由于海洋环境温度约为4℃，经过耐压壳体12和液态金属11的热传导，因此可以将低温热管的低温段的温度控制在15-20℃，而低温热管的高温段的工质温度不高于80℃，因此，可以认为两者之间有接近60℃的换热温差。另外，将该低温热管进行分区，一部分低温热管的热端连接至设备冷却换热器8，另一部分低温热管的热端连接至凝汽器3。

设备冷却换热器8内的工质为常压液态水，作为抽气器、滑油冷却器、发电机等设备的冷却水，本实施例中采用待冷却设备10进行表示。设备冷却换热器8内的单相水运行压力约0.1MPa，从各待冷却设备10出来约60℃的高温水通过汇总后进入设备冷却换热器8的入口。

设备冷却换热器8对应的低温热管为设备冷却换热器热管，设备冷却换热器8内安装多个交叉布置的设备冷却换热器热管。设备冷却换热器热管的冷端与填充有液态金属的空腔连通，设备冷却换热器热管的热端安装在设备冷却换热器8中。设备冷却换热器8内还安装有若干个弓形的折流板，各折流板交错布置在设备冷却换热器8中。保持高温单相水横向冲刷设备冷却换热器热管，以获得最大的换热性能，高温单相水经过设备冷却换热器热管后将冷却至约40℃，再通过设备冷却换热器8出口离开，经过设备冷却泵9升压至足以克服全流程的流动阻力后，在进入各个待冷却设备10中进行吸热后，再进入下一轮循环。

凝汽器3对应的低温热管为凝汽器热管，凝汽器3安装多个错列布置的凝汽器热管；凝汽器热管的冷端与填充有液态金属的空腔连通，凝汽器热管的热端安装在凝汽器3中。凝汽器3的工质主要为负压蒸汽，用于将汽轮发电机7的0.02-0.03MPa的排汽冷凝为液态水。汽轮发电机7的排汽进入凝汽器3入口段，在入口段内进行扩张后，以蒸汽的形式冲刷凝汽器热管，由于凝汽器热管的温度较低，约为25-35℃，因此，蒸汽将在凝汽器热管的表面进行冷凝。

为了保持最佳的冷凝效果，必须快速移除热管表面的液膜以保持较高的冷凝换热效率，如图3所示，本实施例的凝汽器热管采用错列布置，同时表面进行相应的疏水结构处理，使该表面具有良好的疏水性，从而减少表面的液膜聚集，有利于减少换热面积和换热器体积。工作过程中，当汽轮发电机7排汽冷凝为凝结水后，将从凝汽器3进入凝水除氧箱4进行除氧后，再进入给水泵5进行升压至额定给水压力，再进入位于反应堆2上部的蒸汽发生器6进行蒸发，离开蒸汽发生器6的蒸汽进入汽轮发电机7做功，汽轮发电机7的排汽再进入凝汽器3进行下一轮循环。

本实施例中，设备冷却换热器8释放的热量通过设备冷却换热器热管递给液态金属液箱1中的液态金属11，凝汽器3释放的热量通过凝汽器热管传递给液态金属液箱1中的液态金属11，对液态金属11进行加热，通过液态金属液箱1内液态金属11的导热和自然对流，将对应热管导出的热量传递至耐压壳体12的壁面，再由耐压壳体12将内侧的液态金属的热量传递给外侧的海水，从而实现将核能发电装置的余热排入海洋的作用。

当深海潜航器在大潜深的深海环境中向前航行时，海水以深海潜航器的航速对耐压壳体12进行冲刷，形成强烈的强迫对流作用。一方面深海潜航器对于航速要求普遍不高于10节，因此核能发电装置对外排出的热量一般为兆瓦级；另一方面由于以耐压壳体12为换热面，海水换热面积较大，且耐压壳体12对应的加强肋骨均可作为拓展换热面以强化传热。因此，与耐压壳体12共形的发电系统冷却装置可以满足航行工况下的冷却需求。

当深海潜航器在某一海域进行悬浮或者坐沉作业时，由于失去了潜航器前进驱动的海水强制对流，在该运行情况下，核能发电系统的相关功率均大幅减小至不足额定工况的20％，其海水冷却的需求量也显著降低，因此仅通过耐压壳体12外侧海水的自然对流足以将核能发电系统需要导出的热量带走。

当反应堆2出现故障而无法停堆时，需要将堆芯产生的热量尽快排出，以防止产生更大的核安全事故。因此，反应堆2可设置余热导出热管15，当反应堆2正常运行时，余热导出热管15处于关闭运行状态，而当反应堆2事故，且其他安全措施失效的情况下，余热导出热管15可以将堆芯产生的热量传递给液态金属液箱1内的液态金属11，再通过液态金属11将该热量通过耐压壳体12传递给外侧海水，以确保反应堆2内的热量不会过度堆积，避免堆芯融化等严重事故的出现。

另外，由于本实施例取消了发电系统所有的通海口，因此深海潜航器无法通过通海口引入海水进行淡化造水。为此，本实施例中的冷却装置还包括纯净水液箱13和污水箱14。纯净水液箱13安装在耐压壳体12内侧的顶部，污水箱14安装在耐压壳体12内侧的底部。纯净水液箱13用以在核能发电系统需要补充新工质时提供纯净水，而核能发电系统的排污水将被送入污水箱14进行储存。若深海潜航器在极特殊情况下需要将海水净化为淡水，则通过深海潜航器必须配置的作业取样口获取海水，再进行淡化处理。

综上所述，本发明实施例提供的深海核能系统的冷却装置，通过将液态金属液箱中填充有液态金属的空腔与发电模块和设备冷却模块连通，以海水强迫或自然对流来满足深海潜航器前进或悬停等情况下冷却需求，实现了核能发电系统的无动力海水冷却，同时解决了传统通海管路作为振动噪声的传递途径问题，实现全工况范围内深海潜航器的低噪声运行。同时，由于传统的通海口是发电系统余热排出的唯一通道，因此排出的热海水非常集中导致明显的热尾迹效应，而本发明提供的冷却装置将余热排出位置扩展到整个耐压壳体，周围海水升温低且分散，有利于提升红外隐身能力。此外，本实施例取消了常规核能发电系统的所有通海口，实现了耐压壳体的零开口，有利于维持深海潜航器超过千米潜深的耐压能力，而且通过耐压壳体将海水与换热管完全隔离，从根本上避免了海水换热器腐蚀、堵塞等问题，保证了冷却装置的可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种深海核能系统的冷却装置，其特征在于，包括：

液态金属液箱和设置在所述液态金属液箱内的发电模块及设备冷却模块；

所述发电模块包括：反应堆和依次连通的凝汽器、凝水除氧箱、给水泵、蒸汽发生器及汽轮发电机；所述蒸汽发生器安装在所述反应堆的发热端；所述设备冷却模块包括：依次连通的设备冷却换热器、设备冷却泵和若干个待冷却设备；所述液态金属液箱内设有用于填充有液态金属的空腔，所述设备冷却换热器和所述凝汽器与所述空腔连通。

2.根据权利要求1所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述液态金属液箱为弧形结构，所述弧形结构对应的角度不小于300度，所述液态金属液箱外安装有耐压壳体。

3.根据权利要求2所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述液态金属液箱内液态金属的径向厚度不小于200mm。

4.根据权利要求3所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述液态金属液箱内填充的所述液态金属为熔点低于0℃且沸点高于1000℃的镓铟锡合金。

5.根据权利要求1所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述凝汽器安装有多个错列布置的凝汽器热管；所述凝汽器热管的冷端与所述空腔连通，所述凝汽器热管的热端安装在所述凝汽器中。

6.根据权利要求1所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述设备冷却换热器内安装有多个交叉布置的设备冷却换热器热管；所述设备冷却换热器热管的冷端与所述空腔连通，所述设备冷却换热器热管的热端安装在所述设备冷却换热器中。

7.根据权利要求6所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述设备冷却换热器内还安装有若干个折流板，各所述折流板交错布置在所述设备冷却换热器中。

8.根据权利要求1所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述发电模块和所述设备冷却模块的数量为多个。

9.根据权利要求1所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述反应堆安装有余热导出热管，所述余热导出热管将所述反应堆和所述空腔连通。

10.根据权利要求2所述的深海核能系统的冷却装置，其特征在于，所述深海核能系统的冷却装置还包括：纯净水液箱和污水箱；所述纯净水液箱安装在所述耐压壳体内侧的顶部，所述污水箱安装在所述耐压壳体内侧的底部。

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