CN111968764A - 再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法，反应堆堆芯中的液态核燃料产生的热量使热管内液态钾蒸发后移动至热管冷凝段，在冷凝段通过热管冷端换热器将热量传递给再压缩布雷顿循环系统中的工质；工质在透平中做功之后，依次经过高温回热器和低温回热器，然后一部分工质通过冷却器冷却后进入主压缩机，另一部分进入再压缩机，压缩后的工质经过回热器进行预热之后，进入热管冷端换热器中进行加热，从而形成闭式的再压缩布雷顿循环。在能量转换系统中采用氦气为工质的再压缩循环，可满足核动力系统体积小、效率高的需求。

Description

再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法
技术领域
本发明属于核反应堆系统设计技术领域，具体涉及一种采用再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法。
背景技术
目前常规压水堆采用一回路反应堆冷却剂循环和二回路朗肯蒸汽循环的方式进行热量转换和传递；但是常规压水堆系统设备较多且占地面积大，配套安全设施复杂，在小型核动力应用场合局限性较大。
因此需要设计一种反应堆可通过热管将反应堆热量导出，再通过闭式布雷顿循环进行能量转换，使整个反应堆装置紧凑且可满足反应堆装置小型化的需求。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种再压缩布雷顿循环进行能量转换的液态核燃料热管反应堆电源系统及方法，特别适用于小型核动力装置需求场合。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，包括：由堆芯1、液态核燃料2、热管3、旋转鼓4、辐射屏蔽体5和反应堆容器6组成的反应堆、热管绝热保温结构7、热管冷端换热器8，隔板9以及由透平10、主压缩机11、再压缩机12、低温回热器13、高温回热器14、冷却器15和发电机16组成的再压缩布雷顿循环系统；所述液态核燃料2置于堆芯1中，将堆芯1的热量导出，堆芯1外部设有辐射屏蔽体(5)，辐射屏蔽体(5)内均匀布置旋转鼓(4)，辐射屏蔽体(5)外部为反应堆容器6；所述热管3的蒸发段插于液态核燃料2中，热管3的冷凝段位于热管冷端换热器8中，热管3的蒸发段和冷凝段之间为绝热段，绝热段安装有热管绝热保温结构7；热管冷端换热器8冷端连接高温回热器14的冷流体出口，热端连接透平10的进气端；透平10与发电机16相连，透平10出气端连接高温回热器14的热流体入口；低温回热器13的热流体出口与冷却器15入口和再压缩机12入口相连，冷却器15出口与主压缩机11入口相连，主压缩机11出口和低温回热器13冷流体入口相连，再压缩机12的出口和低温回热器13的冷流体出口与高温回热器14的冷流体入口相连。
所述液态核燃料2采用液态熔盐或金属燃料。
所述热管3采用圆柱形，热管3中的工质为液态钾。
所述再压缩布雷顿循环系统采用氦气为工质的再压缩布雷顿循环系统。
所述热管冷端换热器8采用隔板式换热器，氦气从热管冷端换热器8的冷端进入，流经隔板9，从热管冷端换热器8的热端排出。
所述辐射屏蔽体5圆周方向设置旋转鼓4，进而对反应堆的反应性进行控制。
所述的再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统的工作方法，包括如下步骤:
步骤一：液态核燃料2在堆芯1中放热后，将热量传递给插在其中的热管3，从而使热管3中的液态钾蒸发并在绝热保温结构7的保温作用下移动至热管冷凝段；
步骤二：再压缩布雷顿循环系统中的氦气从热管冷端换热器8的冷端进入，流经隔板9，吸收热量后从热管冷端换热器8的热端排出；而钾蒸气放出热量后冷凝为液态钾回流至反应堆的堆芯1中；
步骤三：从热管冷端换热器8的热端出来的高温气体通过透平10做功进而在发电机16中完成发电；做完功的氦气依次进入低温回热器13和高温回热器14后，一部分通过冷却器15冷却后进入主压缩机11，另一部分进入再压缩机12；通过主压缩机11压缩后的氦气进入低温回热器13进行预热，然后与通过再压缩机12压缩后的氦气汇合，进入高温回热器14进行加热；再进入热管冷端换热器8的冷端，从而完成闭式的再压缩布雷顿循环。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明设计的采用再压缩布雷顿循环进行能量转换的液态核燃料热管反应堆电源系统。反应堆采用液态核燃料，燃料类型可以为液态金属燃料和熔盐燃料，实现核燃料与热管的直接换热，避免了壁面固态燃料棒的高温变形和肿胀等问题。将反应堆热量采用热管带出，使反应堆系统得以简化，设备数量大大减少。再压缩布雷顿循环系统采用氦气为工质的再压缩循环，可满足核动力系统体积小、效率高的需求。整个电源系统紧凑，特别适用于小型核动力装置需求场合。
附图说明
图1为本发明所述的一种采用再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统结构示意图。
图2为热管反应堆结构示意图。
图中1-堆芯，2-液态核燃料，3-热管，4-旋转鼓，5-辐射屏蔽体，6-反应堆容器，7-热管绝热保温结构，8-热管冷端换热器，9-隔板，10-透平，11-主压缩机，12-再压缩机，13-低温回热器，14-高温回热器，15-冷却器，16-发电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，包括：由堆芯1、液态核燃料2、热管3、旋转鼓4、辐射屏蔽体5和反应堆容器6组成的反应堆、热管绝热保温结构7、热管冷端换热器8，隔板9以及由透平10、主压缩机11、再压缩机12、低温回热器13、高温回热器14、冷却器15和发电机16组成的再压缩布雷顿循环系统；所述液态核燃料2置于堆芯1中，将堆芯1的热量导出，堆芯1外部设有辐射屏蔽体(5)，辐射屏蔽体(5)内均匀布置旋转鼓(4)，辐射屏蔽体(5)外部为反应堆容器6；所述热管3的蒸发段插于液态核燃料2中，热管3的冷凝段位于热管冷端换热器8中，热管3的蒸发段和冷凝段之间为绝热段，绝热段安装有热管绝热保温结构7；热管冷端换热器8冷端连接高温回热器14的冷流体出口，热端连接透平10的进气端；透平10与发电机16相连，透平10出气端连接高温回热器14的热流体入口；低温回热器13的热流体出口与冷却器15入口和再压缩机12入口相连，冷却器15出口与主压缩机11入口相连，主压缩机11出口和低温回热器13冷流体入口相连，再压缩机12的出口和低温回热器13的冷流体出口与高温回热器14的冷流体入口相连。
作为本发明的优选实施方式，所述液态核燃料2采用液态熔盐或金属燃料。
作为本发明的优选实施方式，所述热管3采用圆柱形，热管3中的工质为液态钾。
作为本发明的优选实施方式，所述再压缩布雷顿循环系统采用氦气为工质的再压缩布雷顿循环系统。
作为本发明的优选实施方式，所述热管冷端换热器8采用隔板式换热器，氦气从热管冷端换热器8的冷端进入，流经隔板9，从热管冷端换热器8的热端排出。
作为本发明的优选实施方式，所述辐射屏蔽体5圆周方向设置旋转鼓4，进而对反应堆的反应性进行控制。
如图1所示，本发明所述的再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统的工作方法，包括如下步骤:
步骤一：液态核燃料2在堆芯1中放热后，将热量传递给插在其中的热管3，从而使热管3中的液态钾蒸发并在绝热保温结构7的保温作用下移动至热管冷凝段；
步骤二：再压缩布雷顿循环系统中的氦气从热管冷端换热器8的冷端进入，流经隔板9，吸收热量后从热管冷端换热器8的热端排出；而钾蒸气放出热量后冷凝为液态钾回流至反应堆的堆芯1中；
步骤三：从热管冷端换热器8的热端出来的高温气体通过透平10做功进而在发电机16中完成发电；做完功的氦气依次进入低温回热器13和高温回热器14后，一部分通过冷却器15冷却后进入主压缩机11，另一部分进入再压缩机12；通过主压缩机11压缩后的氦气进入低温回热器13进行预热，然后与通过再压缩机12压缩后的氦气汇合，进入高温回热器14进行加热；再进入热管冷端换热器8的冷端，从而完成闭式的再压缩布雷顿循环。

Claims (7)

1.一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，其特征在于：包括：由堆芯(1)、液态核燃料(2)、热管(3)、旋转鼓(4)、辐射屏蔽体(5)和反应堆容器(6)组成的反应堆、热管绝热保温结构(7)、热管冷端换热器(8)，隔板(9)以及由透平(10)、主压缩机(11)、再压缩机(12)、低温回热器(13)、高温回热器(14)、冷却器(15)和发电机(16)组成的再压缩布雷顿循环系统；所述液态核燃料(2)置于堆芯(1)中，将堆芯(1)的热量导出，堆芯(1)外部设有辐射屏蔽体(5)，辐射屏蔽体(5)内均匀布置旋转鼓(4)，辐射屏蔽体(5)外部为反应堆容器(6)；所述热管(3)的蒸发段插于液态核燃料(2)中，热管(3)的冷凝段位于热管冷端换热器(8)中，热管(3)的蒸发段和冷凝段之间为绝热段，绝热段安装有热管绝热保温结构(7)；热管冷端换热器(8)冷端连接高温回热器(14)的冷流体出口，热端连接透平(10)的进气端；透平(10)与发电机(16)相连，透平(10)出气端连接高温回热器(14)的热流体入口；低温回热器(13)的热流体出口与冷却器(15)入口和再压缩机(12)入口相连，冷却器(15)出口与主压缩机(11)入口相连，主压缩机(11)出口和低温回热器(13)冷流体入口相连，再压缩机(12)的出口和低温回热器(13)的冷流体出口与高温回热器(14)的冷流体入口相连。
2.如权利要求1所述的一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，其特征在于：所述液态核燃料(2)采用液态熔盐或金属燃料。
3.如权利要求1所述的一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，其特征在于：所述热管(3)采用圆柱形，热管(3)中的工质为液态钾。
4.如权利要求1所述的一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，其特征在于：所述再压缩布雷顿循环系统采用氦气为工质的再压缩布雷顿循环系统。
5.如权利要求1所述的一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，其特征在于：所述热管冷端换热器(8)采用隔板式换热器，氦气从热管冷端换热器(8)的冷端进入，流经隔板(9)，从热管冷端换热器(8)的热端排出。
6.如权利要求1所述的一种再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统，其特征在于：所述辐射屏蔽体(5)圆周方向设置旋转鼓(4)，进而对反应堆的反应性进行控制。
7.如权利要求1至6任一所述的再压缩布雷顿循环的液态核燃料热管反应堆电源系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤一：液态核燃料(2)在堆芯(1)中放热后，将热量传递给插在其中的热管(3)，从而使热管(3)中的液态钾蒸发并在绝热保温结构(7)的保温作用下移动至热管冷凝段；
步骤二：再压缩布雷顿循环系统中的氦气从热管冷端换热器(8)的冷端进入，流经隔板(9)，吸收热量后从热管冷端换热器(8)的热端排出；而钾蒸气放出热量后冷凝为液态钾回流至反应堆的堆芯(1)中；
步骤三：从热管冷端换热器(8)的热端出来的高温气体通过透平(10)做功进而在发电机(16)中完成发电；做完功的氦气依次进入低温回热器(13)和高温回热器(14)后，一部分通过冷却器(15)冷却后进入主压缩机(11)，另一部分进入再压缩机(12)；通过主压缩机(11)压缩后的氦气进入低温回热器(13)进行预热，然后与通过再压缩机(12)压缩后的氦气汇合，进入高温回热器(14)进行加热；再进入热管冷端换热器(8)的冷端，从而完成闭式的再压缩布雷顿循环。
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