CN113299408A - 一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统 - Google Patents

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Abstract

一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，包括模块化小型氟盐冷却高温堆本体、非能动余热排出系统和布雷顿循环能量转换系统；模块化小型氟盐冷却高温堆本体包括压力容器及位于其中的控制棒驱动机构、堆芯组件、堆芯组件外围的反射层、堆芯围筒以及位于堆芯围筒和压力容器之间的下降环腔；非能动余热排出系统包括位于压力容器内的熔盐换热器，压力容器外空冷塔内的空气换热器以及相连的管道，并与布雷顿循环能量转换系统共用空冷塔；布雷顿循环能量转换系统包括位于压力容器内的主换热器、二氧化碳捕集系统及位于其中的透平、发电机、高低温回热器、空气冷却器、主辅压缩机和电动机。本发明采用模块化设计，结构紧凑，且具有较高的能量转换效率。

Description

一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统
技术领域
本发明涉及反应堆设计技术领域，具体涉及一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统。
背景技术
氟盐冷却高温堆融合了熔盐堆、高温气冷堆和钠冷快堆等第四代先进核反应堆的优点，具有高温低压运行、无水冷却、固有安全、结构紧凑等特点，适合建成体积小、轻量化、低成本的模块化小型氟盐冷却高温堆，特别契合干旱偏远地区多用途、多层次能源供给的需求，可以实现高效发电，输出700℃以上高温工艺热还可用于高温制氢、盐水淡化、矿藏开采等。
目前提出的小型氟盐冷却高温堆设计方案侧重于堆芯模块的设计优化，而对于换热器的应用以及小型氟盐冷却高温堆能量转换模块的设计较少提及，超临界二氧化碳布雷顿循环能量转换系统的应用也尚处于空白。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够结合螺旋十字燃料元件堆芯、印刷电路板式换热器、非能动余热排出系统以及超临界二氧化碳布雷顿循环能量转换系统，强化反应堆换热，提高能量转换效率的模块化小型氟盐冷却高温堆系统。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，包括模块化小型氟盐冷却高温堆本体、非能动余热排出系统和布雷顿循环能量转换系统；所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体包括压力容器7以及位于压力容器7内的氟盐冷却高温堆堆芯，插入氟盐冷却高温堆堆芯中的控制棒驱动机构1，氟盐冷却高温堆堆芯包括堆芯组件12、堆芯组件12外围的上反射层10、径向反射层11和下反射层13、堆芯围筒9以及位于堆芯围筒9和压力容器7之间的下降环腔8；所述非能动余热排出系统包括位于压力容器7内的熔盐换热器4，压力容器7外空冷塔6内的空气换热器5以及熔盐换热器4与空气换热器5相连的管道，空冷塔6与布雷顿循环能量转换系统共用；所述布雷顿循环能量转换系统包括位于压力容器7内的主换热器3、位于主换热器3顶部的泵2、二氧化碳捕集系统22以及位于二氧化碳捕集系统22内的透平14、发电机15、高温回热器16、低温回热器17、空气冷却器18、主压缩机19、辅压缩机20和电动机21；所述主换热器3的高温工质出口与透平14入口连通，工质依次经过高温回热器16和低温回热器17热侧，离开低温回热器17后，一部分进入空气冷却器18进行冷却，冷却后的低温工质经主压缩机19压缩后进入低温回热器17冷侧入口,另一部分工质直接进入辅压缩机20进行压缩，之后两部分工质在高温回热器16冷侧入口汇集，最终经高温回热器16冷侧出口离开，进入主换热器3入口，主压缩机19、电动机21与辅压缩机20同轴连接，透平14与发电机15同轴连接。
所述压力容器7内设置三台主换热器3和三台熔盐换热器4；氟盐冷却高温堆堆芯上方堆芯围筒9和压力容器7之间沿周向等角度位置布置三台主换热器3，在主换热器3每个间隙各设置一台熔盐换热器4,泵2整体安装在主换热器3的顶部，用于驱动压力容器7内冷却剂流动。
所述主换热器3为印刷电路板式换热器，其结构紧凑，更有利于模块化小型氟盐冷却高温堆本体的一体化布局，更大的传热面积也使得传热效率得到提升。
氟盐冷却高温堆堆芯包括19个堆芯组件12，呈六边形排布；所述堆芯组件12包括呈六边形布置的84个燃料元件23和7个控制棒24，燃料元件23和控制棒24间的冷却剂通道25以及包覆燃料元件23、控制棒24和冷却剂通道25的石墨层26，燃料元件23均为螺旋十字型。
氟盐冷却高温堆堆芯冷却剂盐为FLiBe，FLiBe由LiF和BeF2以2:1的摩尔比混合而成；熔盐换热器4二次侧盐为FLiNaK，FLiNaK为LiF、NaF和KF的混合物,LiF：NaF：KF＝46.5:11.5:42mol％。
所述上反射层10、径向反射层11以及下反射层13材料均为石墨。
所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体与布雷顿循环能量转换系统通过主换热器3进行热量交换，布雷顿循环能量转换系统的循环工质为超临界二氧化碳，循环热效率达到45％以上。
所述布雷顿循环能量转换系统中透平14、发电机15、高温回热器16、低温回热器17、空气冷却器18、主压缩机19、辅压缩机20、电动机21均位于二氧化碳捕集系统22内，以实现二氧化碳向环境中的零泄漏。
所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体直径小于3.5米，总重量在60吨以内，能够通过车载运输。
所述模块化小型氟盐冷却高温堆系统的电功率大于50MW。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、传统的管壳式换热器体积较大，不利于整个反应堆系统的模块化和小型化，印刷电路板式换热器的使用使得模块化小型氟盐冷却高温堆本体体积更小，结构更紧凑。印刷电路板式换热器的传热面积密度大，使其具有更高的换热效率。
2、本发明采用超临界二氧化碳布雷顿循环能量转换系统，相比传统氟盐堆系统能量转换方式，有着较高的运行温度和较低的压缩能耗，提高循环热效率。同时由于二氧化碳的惰性，使得模块化小型氟盐冷却高温堆系统的安全性大大提高。本发明中超临界二氧化碳布雷顿循环能量转换系统的相关设备均位于二氧化碳捕集系统内，实现二氧化碳向环境中的零泄露。
3、本发明采用螺旋十字型燃料元件，相比现有小型氟盐堆的燃料元件形式，具有更大的表面积和体积比，螺旋形的结构增强了各个子通道之间的冷却剂搅浑，加强换热效果，提升功率密度，螺旋十字燃料元件之间的自定位作用也省去了定位格架的使用，简化堆芯布置。
4、本发明采用小型化模块化设计，可模块化加工制造，并通过车载运输到目的地进行安装，且建造工期短，适合应用于偏远地区。
附图说明
图1为本发明模块化小型氟盐冷却高温堆系统示意图。
图2为本发明模块化小型氟盐冷却高温堆系统堆芯横截面示意图。
图3为本发明堆芯组件横截面示意图。
上述附图中：1-控制棒驱动机构；2-泵；3-主换热器；4-熔盐换热器；5-空气换热器；6-空冷塔；7-压力容器；8-下降环腔；9-堆芯围筒；10-上反射层；11-径向反射层；12-堆芯组件；13-下反射层；14-透平；15-发电机；16-高温回热器；17-低温回热器；18-空气冷却器；19-主压缩机；20-辅压缩机；21-电动机；22-二氧化碳捕集系统；23-燃料元件；24-控制棒；25-冷却剂通道；26-石墨层。
具体实施方式
本发明提供了一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，现结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为本发明模块化小型氟盐冷却高温堆系统的一个实施例，其包括模块化小型氟盐冷却高温堆本体、非能动余热排出系统和布雷顿循环能量转换系统。
模块化小型氟盐冷却高温堆本体包括压力容器7以及位于压力容器7内的氟盐冷却高温堆堆芯，插入氟盐冷却高温堆堆芯中的控制棒驱动机构1，氟盐冷却高温堆堆芯包括堆芯组件12、堆芯组件12外围的上反射层10、径向反射层11和下反射层13、堆芯围筒9以及位于堆芯围筒9和压力容器7之间的下降环腔8；所述非能动余热排出系统包括位于压力容器7内的熔盐换热器4，压力容器7外空冷塔6内的空气换热器5以及熔盐换热器4与空气换热器5相连的管道，空冷塔6与布雷顿循环能量转换系统共用；所述布雷顿循环能量转换系统包括位于压力容器7内的主换热器3、位于主换热器3顶部的泵2、二氧化碳捕集系统22以及位于二氧化碳捕集系统22内的透平14、发电机15、高温回热器16、低温回热器17、空气冷却器18、主压缩机19、辅压缩机20和电动机21；所述主换热器3的高温工质出口与透平14入口连通，工质依次经过高温回热器16和低温回热器17热侧，离开低温回热器17后，一部分进入空气冷却器18进行冷却，冷却后的低温工质经主压缩机19压缩后进入低温回热器17冷侧入口,另一部分工质直接进入辅压缩机20进行压缩，之后两部分工质在高温回热器16冷侧入口汇集，最终经高温回热器16冷侧出口离开，进入主换热器3入口，主压缩机19、电动机21与辅压缩机20同轴连接，透平14与发电机15同轴连接。
如图2和图3所示，氟盐冷却高温堆堆芯包括19个堆芯组件12，呈六边形排布。堆芯组件12包括呈六边形布置的84个燃料元件23和7个控制棒24，燃料元件23和控制棒24间的冷却剂通道25以及包覆燃料元件23、控制棒24和冷却剂通道25的石墨层26，燃料元件23均为螺旋十字型。堆芯产生的热量由流经冷却剂通道的冷却剂盐导出。
作为本发明的优选实施方式，所述压力容器7内设置三台主换热器3和三台熔盐换热器4。氟盐冷却高温堆堆芯上方堆芯围筒9和压力容器7之间沿周向等角度位置布置三台主换热器3，在主换热器3每个间隙各设置一台熔盐换热器4,泵2整体安装在主换热器3的顶部，用于驱动压力容器7内冷却剂流动。
作为本发明的优选实施方式，所述主换热器3为印刷电路板式换热器，其结构紧凑，更模块化有利于小型氟盐冷却高温堆本体的一体化布局，更大的传热面积也使得传热效率得到提升。
作为本发明的优选实施方式，氟盐冷却高温堆堆芯冷却剂盐为FLiBe，FLiBe由LiF和BeF2以2:1的摩尔比混合而成，熔盐换热器4二次侧盐为FLiNaK(LiF、NaF和KF的混合物)，LiF：NaF：KF＝46.5:11.5:42mol％。。
作为本发明的优选实施方式，所述上反射层10、径向反射层11以及下反射层13材料均为石墨。
作为本发明的优选实施方式，所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体与布雷顿循环能量转换系统通过主热交换器3进行热量交换，布雷顿循环能量转换系统的循环工质为超临界二氧化碳，循环热效率达到45％以上。
作为本发明的优选实施方式，所述布雷顿循环能量转换系统中透平14、发电机15、高温回热器16、低温回热器17、空气冷却器18、主压缩机19、辅压缩机20、电动机21均位于二氧化碳捕集系统22内，以实现二氧化碳向环境中的零泄漏。
作为本发明的优选实施方式，所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体直径小于3.5米，总重量在60吨以内，可以通过车载运输。
作为本发明的优选实施方式，所述模块化小型氟盐冷却高温堆系统的电功率大于50MW。
上述模块化小型氟盐冷却高温堆系统的工作原理如下：
模块化小型氟盐冷却高温堆系统由模块化小型氟盐冷却高温堆本体、非能动余热排出系统和超临界二氧化碳布雷顿循环能量转换系统组成。模块化小型氟盐冷却高温堆系统正常运行时，在泵2的作用下，氟盐冷却高温堆堆芯产生的热量通过冷却剂盐FLiBe导出到主换热器3；释放热量后FLiBe向下流动通过下降环腔8；最终从氟盐冷却高温堆堆芯底部向上折流，再次进入氟盐冷却高温堆堆芯，带走燃料元件产生的裂变热，完成氟盐冷却高温堆堆芯冷却剂循环。在主换热器3中，二次侧超临界二氧化碳吸收一次侧FLiBe的热量；之后进入透平14膨胀做功带动发电机15运行；随后进入高温回热器16释放一部分热，再进入低温回热器17释热；离开低温回热器17后一部分工质进入空气冷却器18释热后进入主压缩机19被压缩，再进入低温回热器17吸收工质的释热；另一部分工质不经过空气冷却器18，直接进入辅压缩机20被压缩，主压缩机19和辅压缩机20由电动机21驱动。上述两部分工质在高温回热器16入口汇合，之后一起进入高温回热器16，吸收透平14出口高温工质的释热，最后进入主换热器3吸热，完成动力循环。在氟盐冷却高温堆停堆或事故工况下，氟盐冷却高温堆堆芯热量主要由非能动余热排出系统带走，该非能动余热排出系统包括熔盐换热器4和空气换热器5，并与超临界二氧化碳布雷顿能量转换系统共用空冷塔6。当非能动余热排出系统投入运行时，FLiNaK熔盐-空气回路将建立起自然循环，堆芯余热首先在熔盐换热器4中由一次侧冷却剂盐FLiBe释放给二次侧盐FLiNaK，再由空气换热器5将热量释放到最终热阱大气，以达到对氟盐冷却高温堆堆芯热量的导出，确保氟盐冷却高温堆安全。

Claims (10)

1.一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，包括模块化小型氟盐冷却高温堆本体、非能动余热排出系统和布雷顿循环能量转换系统；所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体包括压力容器(7)以及位于压力容器(7)内的氟盐冷却高温堆堆芯，插入氟盐冷却高温堆堆芯中的控制棒驱动机构(1)，氟盐冷却高温堆堆芯包括堆芯组件(12)、堆芯组件(12)外围的上反射层(10)、径向反射层(11)和下反射层(13)、堆芯围筒(9)以及位于堆芯围筒(9)和压力容器(7)之间的下降环腔(8)；所述非能动余热排出系统包括位于压力容器(7)内的熔盐换热器(4)，压力容器(7)外空冷塔(6)内的空气换热器(5)以及熔盐换热器(4)与空气换热器(5)相连的管道，空冷塔(6)与布雷顿循环能量转换系统共用；所述布雷顿循环能量转换系统包括位于压力容器(7)内的主换热器(3)、位于主换热器(3)顶部的泵(2)、二氧化碳捕集系统(22)以及位于二氧化碳捕集系统(22)内的透平(14)、发电机(15)、高温回热器(16)、低温回热器(17)、空气冷却器(18)、主压缩机(19)、辅压缩机(20)和电动机(21)；所述主换热器(3)的高温工质出口与透平(14)入口连通，工质依次经过高温回热器(16)和低温回热器(17)热侧，离开低温回热器(17)后，一部分进入空气冷却器(18)进行冷却，冷却后的低温工质经主压缩机(19)压缩后进入低温回热器(17)冷侧入口,另一部分工质直接进入辅压缩机(20)进行压缩，之后两部分工质在高温回热器(16)冷侧入口汇集，最终经高温回热器(16)冷侧出口离开，进入主换热器(3)入口，主压缩机(19)、电动机(21)与辅压缩机(20)同轴连接，透平(14)与发电机(15)同轴连接。
2.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述压力容器(7)内设置三台主换热器(3)和三台熔盐换热器(4)；氟盐冷却高温堆堆芯上方堆芯围筒(9)和压力容器(7)之间沿周向等角度位置布置三台主换热器(3)，在主换热器(3)每个间隙各设置一台熔盐换热器(4),泵(2)整体安装在主换热器(3)的顶部，用于驱动压力容器(7)内冷却剂流动。
3.如权利要求2所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述主换热器(3)为印刷电路板式换热器，其结构紧凑，更有利于模块化小型氟盐冷却高温堆本体的一体化布局，更大的传热面积也使得传热效率得到提升。
4.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，氟盐冷却高温堆堆芯包括19个堆芯组件(12)，呈六边形排布；所述堆芯组件(12)包括呈六边形布置的84个燃料元件(23)和7个控制棒(24)，燃料元件(23)和控制棒(24)间的冷却剂通道(25)以及包覆燃料元件(23)、控制棒(24)和冷却剂通道(25)的石墨层(26)，燃料元件(23)均为螺旋十字型。
5.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，氟盐冷却高温堆堆芯冷却剂盐为FLiBe，FLiBe由LiF和BeF2以2:1的摩尔比混合而成；熔盐换热器(4)二次侧盐为FLiNaK，FLiNaK为LiF、NaF和KF的混合物,LiF：NaF：KF＝46.5:11.5:42mol％。
6.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述上反射层(10)、径向反射层(11)以及下反射层(13)材料均为石墨。
7.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体与布雷顿循环能量转换系统通过主换热器(3)进行热量交换，布雷顿循环能量转换系统的循环工质为超临界二氧化碳，循环热效率达到45％以上。
8.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述布雷顿循环能量转换系统中透平(14)、发电机(15)、高温回热器(16)、低温回热器(17)、空气冷却器(18)、主压缩机(19)、辅压缩机(20)、电动机(21)均位于二氧化碳捕集系统(22)内，以实现二氧化碳向环境中的零泄漏。
9.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述模块化小型氟盐冷却高温堆本体直径小于3.5米，总重量在60吨以内，能够通过车载运输。
10.如权利要求1所述的一种模块化小型氟盐冷却高温堆系统，其特征在于，所述模块化小型氟盐冷却高温堆系统的电功率大于50MW。
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