CN113178272A - 一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统及工作方法，该系统包括反应堆堆芯、高温热管、绝热材料保温层、海水进出口阀门、热管绝热段封闭腔室和超临界CO2布雷顿循环系统；正常运行时，利用超临界CO2布雷顿循环系统对反应堆堆芯进行冷却，当发生事故时，超临界CO2布雷顿循环系统换热能力丧失时，采用海水对反应堆堆芯进行冷却，从而达到保护反应堆安全的目的；本发明能够在无外部能源驱动的情况下利用海水热阱对反应堆堆芯进行冷却，系统结构简单、紧凑，并且能够在空间较小的情况下实现自然循环，极大提高了无人潜航器的安全与可靠性。

Description

一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统及工作方法
技术领域
本发明属于反应堆余热排出技术领域，具体涉及一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统及工作方法。
背景技术
无人潜航器是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的设备，主要指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、反潜、监视、侦查、反水雷等高危险性水下作业的智能化系统。无人潜航器按应用领域，可分为军用与民用。
随着相关技术不断发展，搭载新型核动力装置的无人潜航器能够达到动力系统所占体积小，续航能力更强等诸多要求。在新型反应堆中采用热管冷却技术用非能动的钠热管冷却反应堆，具有无运动部件，可靠性高的优点，且热管传热系数高，结构紧凑，是具有很大应用前景的反应堆冷却装置。热管冷凝段由以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环系统提供冷却，提高了系统的热效率。
为了应对核动力无人潜航器的热阱丧失等事故，及时排出堆芯余热，有必要为其配置一套合适的非能动余热排出系统。非能动余热排出系统在核反应堆紧急停堆后，依靠自然循环等方式排出堆芯余热，提高核动力装置的可靠性和固有安全性，从而达到保护反应堆安全的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统及工作方法，正常运行时，利用超临界CO2布雷顿循环系统对反应堆堆芯进行冷却，当发生事故时，超临界CO2布雷顿循环系统换热能力丧失时，采用海水对反应堆堆芯进行冷却，从而达到保护反应堆安全的目的；本发明能够在无外部能源驱动的情况下利用海水热阱对反应堆堆芯进行冷却，系统结构简单、紧凑，并且能够在空间较小的情况下实现自然循环，极大提高了无人潜航器的安全与可靠性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，包括高温热管2，高温热管2沿长度方向依次分为蒸发段、绝热段与冷凝段，高温热管2的蒸发段插入为无人潜航器提供动力的反应堆堆芯1中，高温热管2的冷凝段采用绝热材料保温层5包裹，并采用热管绝热段封闭腔室6将冷凝段封闭以与蒸发段和冷凝段分隔开，热管绝热段封闭腔室6通过管道与海水连通，管道上设置有海水进口阀门3和海水出口阀门4；高温热管2的冷凝段插入换热器7中，换热器7的超临界二氧化碳出口与透平9的入口相连通，透平9的乏汽出口与回热器11的管侧入口相连通，回热器11的管侧出口与冷却器12的管侧入口相连通，冷却器12的管侧出口与压缩机8的入口相连通，压缩机8的出口与回热器11的壳侧入口相连通，回热器11壳侧的出口与换热器7的入口相连通；所述换热器7、透平9、压缩机8、回热器11、冷却器12和发电机10构成超临界CO2布雷顿循环系统用于对高温热管2进行冷却进而对核动力无人潜航器进行余热排出。
所述高温热管2为多根。
所述高温热管2内的工质为金属蒸汽。
所述透平9与压缩机8和发电机10通过同轴转子相连接。
所述超临界CO2布雷顿循环系统正常运行时，所述热管绝热段封闭腔室6内充满不可凝气体。所述不可凝气体为空气或氮气。
所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统的工作方法，超临界CO2布雷顿循环系统正常运行时，反应堆堆芯1的热量由高温热管2导出至换热器7，换热器7中的超临界CO2将热量带出进入透平9，并经气轮机做工使所述超临界CO2的温度及焓值下降，气轮机出口的超临界CO2进回热器11中进行初次降温，温度下降后的超临界CO2进入到冷却器12中进行二次降温，之后进入压缩机8中进行增压，超临界CO2的压力增加，然后再次进入到回热器11中进行升温，经回热器11升温后的超临界CO2回流到换热器7，再次通过高温热管2对反应堆堆芯1进行冷却，以此循环；
当发生事故时，超临界CO2布雷顿循环系统换热能力丧失，高温热管2内部工质温度及焓值升高，所述海水进口阀门3和海水出口阀门4由事故触发信号触发，并自动开启，引入海水进入热管绝热段封闭腔室6非能动地冷却高温热管绝热段。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)该系统运行除依靠信号触发阀门启动外，冷却海水以自然循环的方式非能动地冷却热管绝热段，不需要外部电源供电，结构简单；
2)热管冷却反应堆本身具有维护少、尺寸小、重量轻、固有模块化等优点，热管绝热段包裹的绝热层具有较大的热梯度，绝热层外表面不会发生沸腾；
3)海洋条件下，以恒温海水作为非能动余热排出系统的冷却剂十分便利快捷；
3)除了上面所描述的之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明核动力无人潜航器的非能动余热排出系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明所述的核动力无人潜航器的非能动余热排出系统,具体包括反应堆堆芯1、高温热管2、绝热材料保温层5、海水进口阀门3、海水出口阀门4、热管绝热段封闭腔室6以及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；反应堆堆芯1由诸多根圆柱形燃料棒组成，并采用高温金属热管冷却技术。所述高温金属热管1其蒸发段完全插入反应堆堆芯1，对反应堆堆芯进行冷却。高温热管1内部作为工质的金属蒸汽由于压差的作用移动至高温热管冷凝段并与换热器7中的超临界CO2冷却剂进行热量交换。高温热管冷凝段里金属蒸汽液化后，由于高温热管中吸液芯的毛细作用而冷凝回流，使蒸发段得到补充，形成完整的工作回路。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统由换热器7、透平9、压缩机8、回热器11、冷却器12和发电机10构成，高温热管2的冷凝段插入换热器7中，换热器7的超临界二氧化碳出口与透平9的入口相连通，透平9的乏汽出口与回热器11的管侧入口相连通，回热器11的管侧出口与冷却器12的管侧入口相连通，冷却器12的管侧出口与压缩机8的入口相连通，压缩机8的出口与回热器11的壳侧入口相连通，回热器11壳侧的出口与换热器7的入口相连通。超临界CO2布雷顿循环系统正常运行时，反应堆堆芯1的热量由高温热管2导出至换热器7，换热器7中的超临界CO2将热量带出进入透平9，并经气轮机做工使所述超临界CO2的温度及焓值下降，气轮机出口的超临界CO2进回热器11中进行初次降温，温度下降后的超临界CO2进入到冷却器12中进行二次降温，之后进入压缩机8中进行增压，超临界CO2的压力增加，然后再次进入到回热器11中进行升温，经回热器11升温后的超临界CO2回流到换热器7，再次通过高温热管2对反应堆堆芯1进行冷却，以此循环。
如图1所示，高温热管1由其功能上的差异而被分为三个部分分别为，蒸发段，绝热段与冷凝段。三个部分由热管绝热段封闭腔室6隔开。
其中，热管绝热段封闭腔室6为圆柱型腔室，腔室的外壳下部与上部分别安装有海水进口阀门3和海水出口阀门4，即在应急情况下热管绝热段封闭腔室6能够打开并引入外界冷却剂海水。当超临界CO2布雷顿循环系统发生热阱丧失事故，换热器7丧失换热能力时，反应堆停堆，但由于衰变热的存在，反应堆堆芯1热量无法排出，反应堆进入绝热升温状态。当到达触发条件时，事故信号触发并开启热管绝热段封闭腔室6外的海水进口阀门3，打开后自热管绝热段封闭腔室6下部引入冷却海水。海水淹没高温热管管束绝热段6的绝热材料保温层表面并带走热量。绝热材料保温层沿径向具有较大的温度梯度，外表面温度较低不会发生沸腾。升温后的海水自热管绝热段封闭腔室6上部的海水出口阀门4排出，建立起非能动的自然循环。
本发明采用非能动冷却设计理念，能在无外部能源持续驱动的情况下，利用海水的自然循环来实现堆芯余热的导出，提高了核动力装置的可靠性和固有安全性，从而达到保护反应堆安全的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，其特征在于，包括高温热管(2)，高温热管(2)沿长度方向依次分为蒸发段、绝热段与冷凝段，高温热管(2)的蒸发段插入为无人潜航器提供动力的反应堆堆芯(1)中，高温热管(2)的冷凝段采用绝热材料保温层(5)包裹，并采用热管绝热段封闭腔室(6)将冷凝段封闭以与蒸发段和冷凝段分隔开，热管绝热段封闭腔室(6)通过管道与海水连通，管道上设置有海水进口阀门(3)和海水出口阀门(4)；高温热管(2)的冷凝段插入换热器(7)中，换热器(7)的超临界二氧化碳出口与透平(9)的入口相连通，透平(9)的乏汽出口与回热器(11)的管侧入口相连通，回热器(11)的管侧出口与冷却器(12)的管侧入口相连通，冷却器(12)的管侧出口与压缩机(8)的入口相连通，压缩机(8)的出口与回热器(11)的壳侧入口相连通，回热器(11)壳侧的出口与换热器(7)的入口相连通；所述换热器(7)、透平(9)、压缩机(8)、回热器(11)、冷却器(12)和发电机(10)构成超临界CO2布雷顿循环系统用于对高温热管(2)进行冷却进而对核动力无人潜航器进行余热排出。
2.根据权利要求1所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述高温热管(2)为多根。
3.根据权利要求1所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述高温热管(2)内的工质为金属蒸汽。
4.根据权利要求1所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述透平(9)与压缩机(8)和发电机(10)通过同轴转子相连接。
5.根据权利要求1所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述超临界CO2布雷顿循环系统正常运行时，所述热管绝热段封闭腔室(6)内充满不可凝气体。
6.根据权利要求5所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统，其特征在于，所述不可凝气体为空气或氮气。
7.权利要求1至6任一项所述的一种核动力无人潜航器的非能动余热排出系统的工作方法，其特征在于，超临界CO2布雷顿循环系统正常运行时，反应堆堆芯(1)的热量由高温热管(2)导出至换热器(7)，换热器(7)中的超临界CO2将热量带出进入透平(9)，并经气轮机做工使所述超临界CO2的温度及焓值下降，气轮机出口的超临界CO2进回热器(11)中进行初次降温，温度下降后的超临界CO2进入到冷却器(12)中进行二次降温，之后进入压缩机(8)中进行增压，超临界CO2的压力增加，然后再次进入到回热器(11)中进行升温，经回热器(11)升温后的超临界CO2回流到换热器(7)，再次通过高温热管(2)对反应堆堆芯(1)进行冷却，以此循环；
当发生事故时，超临界CO2布雷顿循环系统换热能力丧失，高温热管(2)内部工质温度及焓值升高，所述海水进口阀门(3)和海水出口阀门(4)由事故触发信号触发，并自动开启，引入海水进入热管绝热段封闭腔室(6)非能动地冷却高温热管绝热段。
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