CN111816901A - 一种核能发电系统和核动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及核动力系统技术领域，提供一种核能发电系统和核动力装置。所述核能发电系统包括反应堆、制氢反应器和燃料电池；反应堆与制氢反应器通过冷却介质循环管路连接，冷却介质循环管路上安装有循环泵，使反应堆和制氢反应器之间形成冷却介质闭式循环系统；制氢反应器的氢气输出端与燃料电池的氢气进口相连，制氢反应器的氧气输出端与燃料电池的氧气进口相连，燃料电池的供电端子用于与用电机构的输入端电连接。本发明实施例提供的核能发电系统，改变了传统的核能向机械能的能量转换形式，取消了汽轮机组或汽轮发电机组等主要噪声源设备，降低了核动力系统的运行噪声，提高了核动力船舶的安静性和舒适性。

Description

一种核能发电系统和核动力装置

技术领域

本发明实施例涉及核动力系统技术领域，尤其涉及一种核能发电系统和核动力装置。

背景技术

核动力系统具有功率密度高、续航能力长、自持能力强等诸多优点，是各类大型船舶的理想动力形式。

目前的船舶核动力系统主要通过将核裂变产生的热能供给蒸汽发生器，利用蒸汽发生器产生的蒸汽热能推动汽轮机组做功，由汽轮机组驱动推进器转动，实现将核能向机械能的转化。或者利用蒸汽热能推动汽轮发电机组发电，再将电能供给推进电机，由推进电机驱动推进器转动，实现核能向机械能的转化，从而推动船舶前进。但是，汽轮机组或汽轮发电机组作为目前的核动力系统能量转化过程中的主要设备，其在运行过程中往往会产生强烈的振动噪声，无法满足大型船舶的安静化和舒适性的需求。

发明内容

本发明实施例提供一种核能发电系统，用以解决现有技术中的大型船舶核动力系统在运行过程中会产生强烈振动噪声，而不能满足船舶的安静性和舒适性的需求。

第一方面，本发明实施例提供一种核能发电系统，包括反应堆、制氢反应器和燃料电池；

所述反应堆与所述制氢反应器通过冷却介质循环管路连接，所述冷却介质循环管路上安装有循环泵，使所述反应堆和所述制氢反应器之间形成冷却介质闭式循环系统；

所述制氢反应器的氢气输出端与所述燃料电池的氢气进口相连，所述制氢反应器的氧气输出端与所述燃料电池的氧气进口相连。

其中，所述制氢反应器上设置有进水口，所述燃料电池上设置有出水口，所述进水口与所述出水口的连通管路上安装有水泵。

本发明实施例提供的核能发电系统还包括储水箱，所述储水箱安装于所述进水口与所述出水口的连通管路上，所述水泵有两个，一水泵位于所述储水箱与所述出水口之间，另一水泵位于所述储水箱与所述进水口之间，所述储水箱与所述制氢反应器的连通管路上还安装有调节阀。

本发明实施例提供的核能发电系统还包括中间换热器，所述中间换热器与所述反应堆通过第一冷却介质循环管路连通，形成第一冷却介质闭式循环通路，所述中间换热器与所述制氢反应器通过第二冷却介质循环管路连通，形成第二冷却介质闭式循环通路；所述第一冷却介质循环管路上安装有第一循环泵，所述第二冷却介质循环管路上安装有第二循环泵。

本发明实施例提供的核能发电系统还包括蓄电池组，所述燃料电池的供电端子与所述蓄电池组的输入端电连接。

其中，所述氢气输出端与所述氢气进口的连通管路上安装有储氢器，所述氧气输出端与所述氧气进口的连通管路上安装有储氧器。

其中，所述储氢器与所述氢气进口的连通管路上设置有第一调节阀，所述储氧器与所述氧气进口的连通管路上设置有第二调节阀。

其中，所述氢气输出端与所述储氢器的连通管路上安装有氢气压缩机，所述氧气输出端与所述储氧器的连通管路上安装有氧气压缩机。

第二方面，本发明实施例提供一种核动力装置，包括用电机构和如上述第一方面所述的核能发电系统，所述燃料电池的供电端子与所述用电机构的输入端电连接。

其中，所述用电机构包括推进电机和与所述推进电机连接的推进器，所述供电端子与所述推进电机电连接；或者，所述用电机构为集成电机推进器，所述供电端子与所述集成电机推进器电连接。

本发明实施例提供的核能发电系统，通过将传统核动力系统中的蒸汽发生器和汽轮机组或汽轮发电机组替换为制氢反应器和燃料电池，利用反应堆产生的热能制氢以及利用燃料电池发电，改变了传统的核能向机械能的能量转换形式，取消了汽轮机组或汽轮发电机组等主要噪声源设备，较大程度上降低了核动力系统的运行噪声，提高了核动力船舶的安静性和舒适性。

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为本发明实施例核动力装置的结构示意图；

图2为本发明又一实施例核动力装置的结构示意图。

图中：1、反应堆；2、制氢反应器；21、氢气输出端；22、氧气输出端；23、进水口；3、燃料电池；31、氢气进口；32、氧气进口；33、供电端子；34、出水口；41、推进电机；42、传动轴；43、推进器；44、集成电机推进器；51、储水箱；52、第一水泵；53、第二水泵；54、调节阀；55、止回阀；6、中间换热器；61、第一循环泵；62、第二循环泵；7、蓄电池组；81、储氢器；82、储氧器；83、第一调节阀；84、第二调节阀；85、氢气压缩机；86、氧气压缩机。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

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。

如图1所示为本发明实施例核动力装置的结构示意图，如图1所示，其中的核能发电系统包括反应堆1、制氢反应器2和燃料电池3。反应堆1与制氢反应器2通过冷却介质循环管路连接，冷却介质循环管路上安装有循环泵，使反应堆1和制氢反应器2之间形成冷却介质闭式循环系统。反应堆1内部核裂变产生的能量加热其内部的冷却介质，冷却介质在循环泵的驱动下进入制氢反应器2，以供制氢反应器2用以制氢的热量，在制氢反应器2利用内部利用热化学转化原理将水催化分解为氢气和氧气。

制氢反应器2制得的氢气和氧气通过管道分别输送到燃料电池3中，具体的，制氢反应器2的氢气输出端21与燃料电池3的氢气进口31相连，制氢反应器2的氧气输出端22与燃料电池3的氧气进口32相连。氢气和氧气在燃料电池3内部发生化学反应产生电能，燃料电池3的供电端子33与用电机构的输入端电连接，电能通过供电端子33向用电机构供电。

其中，反应堆1为高温气冷堆、融盐堆、铅冷快堆等高温堆型，可提供750～1000℃高温，以满足制氢反应器2的热化学制氢的需求。冷却介质为应用于反应堆的冷却剂，可以是气体冷却剂或液体冷却剂。以反应堆1为高温气冷堆为例，冷却介质为二氧化碳或氦气。用电机构可以是推进电机或集成电机推进器，或者其他任何需要用电的设备。

本发明实施例提供的核能发电系统，通过将传统核动力系统中的蒸汽发生器和汽轮机组或汽轮发电机组替换为制氢反应器和燃料电池，利用反应堆产生的热能制氢以及利用燃料电池发电，改变了传统的核能向机械能的能量转换形式，取消了汽轮机组或汽轮发电机组等主要噪声源设备，较大程度上降低了核动力系统的运行噪声，提高了核动力船舶的安静性和舒适性。

本发明实施例中，如图1所示，制氢反应器2上设置有进水口23，燃料电池3上设置有出水口34，进水口23与出水口34的连通管路上安装有水泵，水泵的输出端与制氢反应器2相连。氢气和氧气在燃料电池3内电解质的作用下生成的水从燃料电池3的出水口34排出，在水泵的作用下回流至制氢反应器2内，形成物质闭式循环，使水得到重复循环利用，而无需补充工作介质。

本发明实施例提供的核能发电系统还包括储水箱51，如图1所示，储水箱51安装于进水口23与出水口34的连通管路上，进水口23与出水口34的连通管路上的水泵设置有两个，分别为第一水泵52和第二水泵53，第一水泵52位于储水箱51与出水口34之间，用于将燃料电池3排出的水泵送至储水箱51中暂存。第二水泵53位于储水箱51与进水口23之间，用于将储水箱51中的水泵送至制氢反应器2内以供制氢。第二水泵53与进水口23的连通管路上还安装有调节阀54。当用电机构需要快速降低功率时，例如，用电机构为船舶上的集成电机推进器，当船需要马上减速时，核能发电系统需要快速反应，即减少制氢反应器2的制氢量，而此时燃料电池3产生的水量在短时间内不能够降到当前制氢反应器2的需求量，此时将燃料电池3排出的水储存在储水箱51内，然后通过调节阀54调节进入制氢反应器2的水流量，以提高核能发电系统在变工况下的响应速度，提高变工况下核能发电系统的机动性。

其中，储水箱51内的液面高度不高于燃料电池3的出水口高度，以避免燃料电池3停工时，第一水泵52停转，储水箱51内的水在液位高度作用下回流到燃料电池3内。当用于船舶核动力系统时，由于船舶上的安装空间的限制，可在储水箱51和燃料电池3的连通管路上安装有止回阀55，以避免储水箱51内的水回流到燃料电池3中。

为了保证回流到制氢反应器2内的水质质量，储水箱51连接有水质处理机构，完成水质处理之后再由第二水泵将水送入制氢反应器2中。

如图1所示，本发明实施例中，制氢反应器2的氢气输出端21与燃料电池3的氢气进口31的连通管路上安装有储氢器81，氧气输出端22与燃料电池3的氧气进口32的连通管路上安装有储氧器82。当用电机构没有用电或燃料电池3停工的情况下，仍然可以利用制氢反应器2继续制氢气和氧气，并将制得的氢气和氧气分别存储在储氢器81和储氧器82中，待需要的时候，例如反应堆1意外停堆时，维持燃料电池3一段时间的发电。

进一步的，储氢器81与燃料电池3的氢气进口31的连通管路上设置有第一调节阀83，储氧器82与燃料电池3的氧气进口32的连通管路上设置有第二调节阀84。第一调节阀83用于调节储氢器81输送到燃料电池3的氢气进口31的氢气量，第二调节阀84用于调节储氧器82输送到燃料电池3的氧气进口32氧气进口的氧气量。根据用电机构的功率输出要求和氢氧燃料电池所需的化学反应配比，调节第一调节阀83和第二调节阀84。当用电机构需要快速提高功率时，还可通过第一调节阀83和第二调节阀84快速提高供氢率和供氧率，以提高核能发电系统在该变工况下的响应速度，提高变工况下核能发电系统的机动性。

进一步的，氢气输出端21与储氢器81的连通管路上安装有氢气压缩机85，氧气输出端22与储氧器82的连通管路上安装有氧气压缩机86。储氢器81用于储存液态氢，储氧器82用于储存液态氧，以使储氢器81和储氧器82能够存储更多的氢和氧，以存储更多的备用燃料。

由于反应堆1的冷却介质中存在核辐射物质，如果制氢反应器2中的冷却介质流通管道发生泄漏，则会导致其输出的氢气和氧气带有核辐射物质，对人的生命安全造成巨大危害。为避免此情况的发生，本发明实施例提供的核能发电系统还包括中间换热器6，如图1所示，中间换热器6与反应堆1通过第一冷却介质循环管路连通，形成第一冷却介质闭式循环通路，中间换热器6与制氢反应器2通过第二冷却介质循环管路连通，形成第二冷却介质闭式循环通路。第一冷却介质循环管路上安装有第一循环泵61，第二冷却介质循环管路上安装有第二循环泵62。

具体的，中间换热器6内安装有第一冷却介质流通管道和第二冷却介质流通管道，第一冷却介质流通管道和第二冷却介质流通管道通过导热物质接触，以实现第一冷却介质和第二冷却介质的热交换。反应堆1内部核裂变产生的能量加热其内部的第一冷却介质，第一冷却介质在第一循环泵的驱动下进入中间换热器6内的第一冷却介质流通管道，加热第二冷却介质流通管道内的第二冷却介质，第二冷却介质在第二循环泵的驱动下进入制氢反应器2，以供制氢反应器2用以制氢的热量。在这种结构下，即使中间换热器6内的第一冷却介质流通管道发生泄漏，也不会使核辐射物质进入到制氢反应器2，从而保证制氢反应器2制出的氢气和氧气不带核辐射物质，提高了核能发电系统的安全性。进一步的，中间换热器6位于反应堆1的堆舱内部，以确保核辐射物质被隔离在堆舱内部。

其中，第一冷却介质为应用于反应堆的冷却剂，可以是气体冷却剂或液体冷却剂，以反应堆1为高温气冷堆为例，第一冷却介质为二氧化碳或氦气。第二冷却介质可以与第一冷却介质相同，也可以不同，例如二氧化碳或氦气或水或液态金属或超临界流体等高温循环工质。

进一步的，反应堆1到中间换热器6的连通管路上安装有截止阀，用于当停止制氢时或系统发生故障维修时关闭或打开第一冷却介质闭式循环通路。中间换热器6到反应堆1的连通管路上安装有止回阀，用于防止反应堆1中的第一冷却介质回流到中间换热器6中。中间换热器6到制氢反应器2的连通管路上安装有截止阀，用于关闭或打开第二冷却介质闭式循环通路。

本发明实施例提供的核能发电系统还包括蓄电池组7，如图1所示，燃料电池3的供电端子33与蓄电池组7的输入端电连接。蓄电池组7的输出端用于与用电机构的输入端电连接。当燃料电池3产生的电能超过用电机构实际所需时，可将多余的电能存储在蓄电池组7中，或者在用电机构不用电时，通过蓄电池组7储存一定量的电能，待需要时通过蓄电池组7输出电力。例如核能发电系统发生故障如反应堆1意外停堆时，或系统维修时，可将蓄电池组7作为备用电源，以保证对用电机构的正常供电。

本发明实施例还提供一种核动力装置，该核动力装置包括用电机构和如上述实施例所述的核能发电系统，燃料电池3的供电端子33与用电机构的输入端电连接。当有蓄电池组7时，蓄电池组7的输出端也与用电机构的输入端电连接。

当该核动力装置应用于船舶上时，如图1所示，用电机构包括推进电机41和与推进电机41连接的推进器43，供电端子33或蓄电池组7的输出端与推进电机41的输入端电连接，推进电机41的动力输出端连接传动轴42，传动轴42与推进器43的输入端连接，从而驱动推进器43桨叶转动，以推动船舶前进。或者，如图2所示为本发明又一实施例核动力装置的结构示意图，用电机构为集成电机推进器44，供电端子33与集成电机推进器44电连接。集成电机推进器44利用轮缘驱动电机将燃料电池3或蓄电池组7提供的电力直接转化为驱动推进器桨叶转动的机械能，从而简化系统结构，减少振动噪声源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本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本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种核能发电系统，包括反应堆，其特征在于，还包括制氢反应器和燃料电池；

所述反应堆与所述制氢反应器通过冷却介质循环管路连接，所述冷却介质循环管路上安装有循环泵，使所述反应堆和所述制氢反应器之间形成冷却介质闭式循环系统；

所述制氢反应器的氢气输出端与所述燃料电池的氢气进口相连，所述制氢反应器的氧气输出端与所述燃料电池的氧气进口相连。

2.根据权利要求1所述的核能发电系统，其特征在于，所述制氢反应器上设置有进水口，所述燃料电池上设置有出水口，所述进水口与所述出水口的连通管路上安装有水泵。

3.根据权利要求2所述的核能发电系统，其特征在于，还包括储水箱，所述储水箱安装于所述进水口与所述出水口的连通管路上，所述水泵有两个，一水泵位于所述储水箱与所述出水口之间，另一水泵位于所述储水箱与所述进水口之间，所述储水箱与所述制氢反应器的连通管路上还安装有调节阀。

4.根据权利要求1所述的核能发电系统，其特征在于，还包括中间换热器，所述中间换热器与所述反应堆通过第一冷却介质循环管路连通，形成第一冷却介质闭式循环通路，所述中间换热器与所述制氢反应器通过第二冷却介质循环管路连通，形成第二冷却介质闭式循环通路；所述第一冷却介质循环管路上安装有第一循环泵，所述第二冷却介质循环管路上安装有第二循环泵。

5.根据权利要求1所述的核能发电系统，其特征在于，还包括蓄电池组，所述燃料电池的供电端子与所述蓄电池组的输入端电连接。

6.根据权利要求1～5任一项所述的核能发电系统，其特征在于，所述氢气输出端与所述氢气进口的连通管路上安装有储氢器，所述氧气输出端与所述氧气进口的连通管路上安装有储氧器。

7.根据权利要求6所述的核能发电系统，其特征在于，所述储氢器与所述氢气进口的连通管路上设置有第一调节阀，所述储氧器与所述氧气进口的连通管路上设置有第二调节阀。

8.根据权利要求6所述的核能发电系统，其特征在于，所述氢气输出端与所述储氢器的连通管路上安装有氢气压缩机，所述氧气输出端与所述储氧器的连通管路上安装有氧气压缩机。

9.一种核动力装置，其特征在于，包括用电机构和如权利要求1～8任一项所述的核能发电系统，所述燃料电池的供电端子与所述用电机构的输入端电连接。

10.根据权利要求9所述的核动力装置，其特征在于，所述用电机构包括推进电机和与所述推进电机连接的推进器，所述供电端子与所述推进电机电连接；或者，所述用电机构为集成电机推进器，所述供电端子与所述集成电机推进器电连接。

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