CN112331369B - 一种海洋静默式热管反应堆动力系统 - Google Patents

一种海洋静默式热管反应堆动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海洋静默式热管反应堆动力系统，系统采用双层壳体布置，包括堆芯、屏蔽体、热管、温差发电热电转换系统和余热排出系统，热管交替从堆芯两端伸出，热管一端插入堆芯中，另一端插入温差发电热电转换系统中；温差发电热电转换系统包括相间隔设置的温差发电器元件、固体热交换器和冷板，热管通过固体热交换器同温差发电器相连加热温差发电器热端，水流经冷板来冷却温差发电器的冷端；余热排出系统为间接冷却闭式循环回路，包括冷却水管道、水箱、循环水泵和壳体换热器，依靠循环水泵使得水在闭式回路中流动，冷却温差发电器冷端，温差发电器利用其两端的温差产生电势，将热能转换为电能，可供水下无人潜航器使用。

Description

一种海洋静默式热管反应堆动力系统
技术领域
本发明涉及核反应堆动力系统设计技术领域，具体涉及一种海洋静默式热管反应堆动力系统。
背景技术
无人水下潜航器为我们探索海洋奥秘、发掘海洋资源、维护海洋安全提供新思路和新手段，而长时可靠的能源供给能力已成为制约无人水下潜航器发展的关键问题。
当前，用于水下无人潜航器的电源系统多为化学电源，如蓄电池，燃料电池，锂电池等。这些化学能电源输出功率较低、续航能力短，难以满足大型多用途水下无人潜航器长期工作的使用需要；此外，传统电源环境适应能力不强，难以适应较为恶劣的海洋工作环境，例如高低温、高压、倾斜、摇摆、冲击和震动等。新型核动力技术成为解决这一问题的必然乃至唯一的选择。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种海洋静默式热管反应堆动力系统，为无人水下潜航器提供电力供应，完全满足重型无人水下潜航器对动力系统的要求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海洋静默式热管反应堆动力系统，系统采用双层壳体布置，内层壳体7承压，内层壳体7和外层壳体6之间流通海水；该系统还包括堆芯1、热管2、屏蔽体3、温差发电热电转换系统4和余热排出系统5，所述热管2交替从堆芯1两端伸出，热管2蒸发段插入堆芯1中，热管2冷凝段插入温差发电热电转换系统4中，屏蔽体3设置在堆芯1与温差发电热电转换系统4间，热管2穿过屏蔽体3，屏蔽体3保护温差发电热电转换系统4不受到堆芯严重的辐射损伤；所述温差发电热电转换系统4包括相间隔设置的温差发电器元件41、固体热交换器42和冷板43，其中温差发电器元件41的热端连接固体热交换器42，冷端连接冷板43，热管2冷凝段插入温差发电热电转换系统4中，通过固体热交换器42同温差发电器41相连，使得热管2在温差发电热电转换系统4中加热温差发电器元件41热端，冷板43中流通水来冷却温差发电器元件41的冷端；所述余热排出系统5为间接冷却闭式循环回路，包括冷却水管道51、水箱52、循环水泵53和壳体换热器54，其中水箱52出口与冷板43入口连通，冷板43出口与壳体换热器54水侧入口连通，壳体换热器54水侧出口与水箱52入口连通，循环水泵53将水箱52中的水泵送到与温差发电器41冷端相连的冷板43，冷却温差发电器41冷端，水流经冷板43后，再由壳体换热器54对其进行冷却，最后流回水箱52中，形成一个闭式循环；温差发电器元件41利用其两端的温差产生电势，将热能转换为电能。
所述堆芯1活性区为矩形布置，能为温差发电能量转换系统4的布置提供便利条件；堆芯1采用热管冷却超热中子反应堆，其内部的核燃料采用富集度95％的二氧化铀；堆芯1外还布置有一个堆芯应急冷却系统11，用来带走反应堆停堆过程中的堆芯余热，堆芯应急冷却系统11采用在堆芯径向外围布置冷却管道的形式，冷却管道出入口直接与内层壳体7和外层壳体6间的海水相连，在反应堆正常运行时，堆芯应急冷却系统11常闭，以避免海水与海洋生物对管道的腐蚀和阻塞。
所述热管2从堆芯1两端伸出，其工质为钠。
所述屏蔽体3采用多层结构的复合式屏蔽，由交错分布的水层32、碳化硼层33、和钨层31组成；水层32既可以慢化高能中子，又可以用来冷却；碳化硼层33用来吸收中子，最外侧的钨层31用来屏蔽光子。
所述温差发电热电转换系统4中温差发电器元件41、固体换热器42和冷板43呈三明治形式分层布置，其中温差发电器元件(41)的材料为Co2Sb3，固体换热器42的材质为高导热系数材料铜，冷板43内的工质为水。
所述壳体换热器54以多组螺旋通道形式布置，海洋静默式热管反应堆动力系统两端各布置一个余热排出系统，两端余热排出系统相互独立。
所述海洋静默式热管反应堆动力系统的直径为1.0米，全长4.0米，总重5.0吨，能够为水下无人潜航器提供电力。
本发明中的热管冷却核反应堆动力系统一回路采用高温钠热管对堆芯进行冷却，功率密度高、运行周期长、环境适应性好；二回路采用级联式宽温域温差发电装置，集约度显著、运行噪音低；余热排出系统采用间接冷却闭式循环系统，结构紧凑、受海洋环境影响小、安全性高；整个系统运动部件少，具有较高可靠性和安全性，结合智能化控制的优势，可全天候自主工作，为无人水下潜航器提供电力供应，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明海洋静默式热管反应堆动力系统总体布置图。
图2为本发明海洋静默式热管反应堆动力系统堆芯及屏蔽体轴向布置图。
图3为海洋静默式热管反应堆动力系统堆芯应急冷却系统布置图。
图4为海洋静默式热管反应堆动力系统温差发电热电转换系统示意图。
图中：1-堆芯；11-堆芯应急冷却系统；2-热管；3-屏蔽体；31-钨层；32-水层；33-碳化硼层；4-温差发电热电转换系统；41-温差发电器元件；42-固体热交换器；43-冷板；5-余热排出系统；51-冷却水管道；52-水箱；53-循环水泵；54-壳体换热器；6-外壳体；7-内壳体。
具体实施方式
为更好地说明本发明，现结合附图对本发明工作原理作以描述。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明一种海洋静默式热管反应堆动力系统，系统采用双层壳体布置，内层壳体7承压，内层壳体7和外层壳体6之间流通海水；该系统还包括堆芯1、热管2、屏蔽体3、温差发电热电转换系统4和余热排出系统5，所述热管2交替从堆芯1两端伸出，热管2蒸发段插入堆芯1中，热管2冷凝段插入温差发电热电转换系统4中，屏蔽体3设置在堆芯1与温差发电热电转换系统4间，热管2穿过屏蔽体3，屏蔽体3保护温差发电热电转换系统4不受到堆芯严重的辐射损伤；所述温差发电热电转换系统4包括相间隔设置的温差发电器元件41、固体热交换器42和冷板43，其中温差发电器元件41的热端连接固体热交换器42，冷端连接冷板43，热管2冷凝段插入温差发电热电转换系统4中，通过固体热交换器42同温差发电器41相连，使得热管2在温差发电热电转换系统4中加热温差发电器元件41热端，冷板43中流通水来冷却温差发电器元件41的冷端；所述余热排出系统5为间接冷却闭式循环回路，包括冷却水管道51、水箱52、循环水泵53和壳体换热器54，其中水箱52出口与冷板43入口连通，冷板43出口与壳体换热器54水侧入口连通，壳体换热器54水侧出口与水箱52入口连通，循环水泵53将水箱52中的水泵送到与温差发电器41冷端相连的冷板43，冷却温差发电器41冷端，水流经冷板43后，再由壳体换热器54对其进行冷却，最后流回水箱52中，形成一个闭式循环；温差发电器元件41利用其两端的温差产生电势，将热能转换为电能。
作为本发明的优选实施方式，所述堆芯1活性区为矩形布置，能为温差发电能量转换系统4的布置提供便利条件；堆芯1采用热管冷却超热中子反应堆，其内部的核燃料采用富集度95％的二氧化铀；堆芯1外还布置有一个堆芯应急冷却系统11，用来带走反应堆停堆过程中的堆芯余热，堆芯应急冷却系统11采用在堆芯径向外围布置冷却管道的形式，冷却管道出入口直接与内层壳体7和外层壳体6间的海水相连，在反应堆正常运行时，堆芯应急冷却系统11常闭，以避免海水与海洋生物对管道的腐蚀和阻塞。
作为本发明的优选实施方式，所述热管2从堆芯1两端伸出，其工质为钠。
作为本发明的优选实施方式，所述屏蔽体3采用多层结构的复合式屏蔽，由交错分布的水层32、碳化硼层33、和钨层31组成；水层32既可以慢化高能中子，又可以用来冷却；碳化硼层33用来吸收中子，最外侧的钨层31用来屏蔽光子。
作为本发明的优选实施方式，所述温差发电热电转换系统4中温差发电器元件41、固体换热器42和冷板43呈三明治形式分层布置，其中温差发电器元件(41)的材料为Co2Sb3，固体换热器42的材质为高导热系数材料铜，冷板43内的工质为水。
作为本发明的优选实施方式，所述壳体换热器54以多组螺旋通道形式布置，海洋静默式热管反应堆动力系统两端各布置一个余热排出系统，两端余热排出系统相互独立。
作为本发明的优选实施方式，所述新型海洋静默式热管反应堆动力系统的直径为1.0米，全长4.0米，总重5.0吨，能够为水下无人潜航器提供电力。
本发明电源的工作原理为：堆芯1中通过核裂变产生裂变热，热量通过高温热管2传递至堆芯1两端的温差发电热电转换系统4，热管2通过与固体热交换器42连接而将热量传导至温差发电器元件41热端对其进行加热。闭式循环余热排出系统5内，水箱52中的冷却水通过循环泵作用经冷却水管道51流至温差发电热电转换系统4的冷板43，冷却温差发电器元件41的冷端，这样在温差发电器冷热两端产生温差，由温差而产生电势，实现将热能转换为电能。水流经冷板43后，再由壳体换热器54对其进行冷却，最后流回水箱52中，形成一个闭式循环。
本发明未详尽描述的内容均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种海洋静默式热管反应堆动力系统，其特征在于：系统采用双层壳体布置，内层壳体(7)承压，内层壳体(7)和外层壳体(6)之间流通海水；该系统还包括堆芯(1)、热管(2)、屏蔽体(3)、温差发电热电转换系统(4)和余热排出系统(5)，所述热管(2)交替从堆芯(1)两端伸出，热管(2)蒸发段插入堆芯(1)中，热管(2)冷凝段插入温差发电热电转换系统(4)中，屏蔽体(3)设置在堆芯(1)与温差发电热电转换系统(4)间，热管(2)穿过屏蔽体(3)，屏蔽体(3)保护温差发电热电转换系统(4)不受到堆芯严重的辐射损伤；所述温差发电热电转换系统(4)包括相间隔设置的温差发电器元件(41)、固体热交换器(42)和冷板(43)，其中温差发电器元件(41)的热端连接固体热交换器(42)，冷端连接冷板(43)，热管(2)冷凝段插入温差发电热电转换系统(4)中，通过固体热交换器(42)同温差发电器元件 (41)相连，使得热管(2)在温差发电热电转换系统(4)中加热温差发电器元件(41)热端，冷板(43)中流通水来冷却温差发电器元件(41)的冷端；所述余热排出系统(5)为间接冷却闭式循环回路，包括冷却水管道(51)、水箱(52)、循环水泵(53)和壳体换热器(54)，其中水箱(52)出口与冷板(43)入口连通，冷板(43)出口与壳体换热器(54)水侧入口连通，壳体换热器(54)水侧出口与水箱(52)入口连通，循环水泵(53)将水箱(52)中的水泵送到与温差发电器元件 (41)冷端相连的冷板(43)，冷却温差发电器元件 (41)冷端，水流经冷板(43)后，再由壳体换热器(54) 对其进行冷却，最后流回水箱(52)中，形成一个闭式循环；温差发电器元件(41)利用其两端的温差产生电势，将热能转换为电能；
所述壳体换热器(54)以多组螺旋通道形式布置，海洋静默式热管反应堆动力系统两端各布置一个余热排出系统，两端余热排出系统相互独立；
堆芯(1)外还布置有一个堆芯应急冷却系统(11)，用来带走反应堆停堆过程中的堆芯余热，堆芯应急冷却系统(11)采用在堆芯径向外围布置冷却管道的形式，冷却管道出入口直接与内层壳体(7)和外层壳体(6)间的海水相连，在反应堆正常运行时，堆芯应急冷却系统(11)常闭，以避免海水与海洋生物对管道的腐蚀和阻塞。
2.根据权利要求1所述的一种海洋静默式热管反应堆动力系统，其特征在于：所述堆芯(1)活性区为矩形布置，能为温差发电能量转换系统(4)的布置提供便利条件；堆芯(1)采用热管冷却超热中子反应堆，其内部的核燃料采用富集度95％的二氧化铀。
3.根据权利要求1所述的一种海洋静默式热管反应堆动力系统，其特征在于：所述热管(2)内工质为钠。
4.根据权利要求1所述的一种海洋静默式热管反应堆动力系统，其特征在于：所述屏蔽体(3)采用多层结构的复合式屏蔽，由交错分布的水层(32)、碳化硼层(33)和钨层(31)组成；水层(32)既能够慢化高能中子，又能够用来冷却；碳化硼层(33)用来吸收中子，最外侧的钨层(31)用来屏蔽光子。
5.根据权利要求1所述的一种海洋静默式热管反应堆动力系统，其特征在于：所述温差发电热电转换系统(4)中温差发电器元件(41)、固体热交换 器(42)和冷板(43)呈三明治形式分层布置，其中温差发电器元件(41)的材料为Co2Sb3，固体热交换 器(42)的材质为高导热系数材料铜，冷板(43)内的工质为水。
6.根据权利要求1所述的一种海洋静默式热管反应堆动力系统，其特征在于：所述海洋静默式热管反应堆动力系统的直径为1.0米，全长4.0米，总重5.0吨，能够为水下无人潜航器提供电力。
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