CN113539530B - 深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法 - Google Patents

深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法，该系统包括一次冷却回路和二次冷却回路，一次冷却回路和二次冷区回路通过相变储能换热器连接，一次冷却回路直接对固态堆芯进行冷却；二次冷却回路将来自一次冷却回路的热量散热到最终热阱。本发明结构简化，可为深海用固态堆芯提供高效可靠冷却。

Description

深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法
技术领域
本发明涉及核反应堆系统设计技术领域，具体涉及一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法。
背景技术
固态核反应堆技术具有能量密度高、结构紧凑、固有安全性等特性，可作为深海潜航器的动力能源。与传统反应堆技术相比，固态核反应堆技术采用固态堆芯，通常采用高温热管作为传热部件，省略了传统反应堆系统的冷却剂管道和泵等大量设备，因而可以大大减轻反应堆重量，扩张反应堆的应用场景。当前，深海潜航器通常采用化石能源、氢能结合蓄电池、传统核动力等技术，其中常规动力能源占据了绝大多数份额。随着人类探索世界的逐步深入，对深海潜航器的要求更加苛刻，固态核反应堆技术能够提供高能量密度的同时，大大简化了反应堆的结构和重量，称为未来深海潜航器的首选能源。
发明内容
为实现在深海潜航条件下固态核反应堆的应急热量导出，本发明设计了一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法，本发明结构简化，可实现固态堆芯热量的高效可靠导出。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，包括一次冷却回路10和二次冷却回路20；所述一次冷却回路10包括冷却剂储存箱11、第一调节阀12、第二调节阀13、保护罩体14、喷淋头15、固态堆芯16、第一流量泵17、相变储能换热器18和第三调节阀19，冷却剂储存箱11通过第一调节阀12和来自第一流量泵17出口的管线共同经第二调节阀13直接连接固定于保护罩体14和固态堆芯16之间的喷淋头15，保护罩体14下方通过第三调节阀19连接相变储能换热器18的热端入口，相变储能换热器18的热端出口连接第一流量泵17的入口；所述二次冷却回路20包括相变储能换热器18、第二流量泵21、备用冷源22、海水换热器23、海水进口腔24和海水出口腔25，相变储能换热器18的冷端出口分别与备用冷源22的入口、海水换热器23的热端入口相连接，备用冷源22的出口、海水换热器23的热端出口共同连接到第二流量泵21入口，第二流量泵21出口与相变储能换热器18的冷端入口相连，海水进口腔24连接海水换热器23冷端入口，海水换热器23冷端出口与海水出口腔25相连；所述喷淋头15包括套管151和内芯152，内芯152置于套管151内部。
若干所述喷淋头15周向分布于保护罩体14和固态堆芯16的腔室内，冷却剂经喷淋头15冲洗固态堆芯16外缘，带走固态堆芯16的热量。
所述套管151为圆柱形、圆锥形、棱锥形或海螺形结构；所述内芯152为轴向设置有螺旋槽道的实体，槽道形状可以为圆形或多边形结构；所述内芯152中心可设置有直通孔道；所述内芯152置于套管151内部，来流冷却剂在套管151的内芯152旋转搅浑后喷出，实现均匀细密的分布。
所述相变储能换热器18为一体化结构，内部冷端和热端的管道呈螺旋状相互包覆，冷端和热端管道外填充有相变工质。
所述相变储能换热器18为分离式结构，热单元内布置有热端管道和相变工质，冷单元内布置有冷端管道和相变工质，冷单元和热单元交替分布组成相变储能换热器18。
所述相变储能换热器18内部的相变工质可选用氦、氢、氖、氧、氮、乙烷、丙烯、戊烷、甲醇、甲苯、氨、氟利昂、水、萘、铯、钾、钠、锂、银、铅、铋等工质的单质或混合物；所述相变储能换热器18内部可设置热管或均温板进行温度平均。
所述一次冷却回路10中的冷却剂可选用氦、氢、氖、氧、氮、乙烷、丙烯、戊烷、甲醇、甲苯、氨、氟利昂、水、萘、铯、钾、钠、锂、银、铅、铋等工质的单质或混合物。
所述备用冷源22为可用于加热燃料、储备用水、生活能源的热源。
所述海水换热器23可置于潜航器壳体外侧直接与海水换热；所述海水换热器23可采用回路式热管换热器，冷端置于潜航器壳体外的海水中。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明在固态堆芯核反应堆正常工作工况，第一调节阀12、第二调节阀13和第三调节阀19关闭，相变储能换热器18通过备用冷源22或海水换热器23进行蓄冷；固态堆芯核反应堆事故工况时，冷却剂经喷淋头15冲洗固态堆芯16外缘，通过第三调节阀19达到相变储能换热器18进行释热，一次冷却回路10为固态堆芯16提供持续冷却；二次冷却回路正常运行工况：二次冷却回路20通过海水换热器23不断带走相变储能换热器18内的热量，必要条件下备用冷源22为二次冷却回路20提供冷源；二次冷却回路非正常运行工况：相变储能换热器18内工质发生相变储存热量。本发明对固态堆芯核反应堆的应急冷却提供参考。
本发明针对深海潜航用固态核反应堆应急冷却的问题，提出一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统及工作方法，本发明结构紧凑，质量较轻，可实现固态核反应堆事故工况下高效可靠的导出热量。
附图说明
图1为深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统的示意图
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，包括一次冷却回路10和二次冷却回路20；所述一次冷却回路10包括冷却剂储存箱11、第一调节阀12、第二调节阀13、保护罩体14、喷淋头15、固态堆芯16、第一流量泵17、相变储能换热器18和第三调节阀19，冷却剂储存箱11通过第一调节阀12和来自第一流量泵17出口的管线共同经第二调节阀13直接连接固定于保护罩体14和固态堆芯16之间的喷淋头15，保护罩体14下方通过第三调节阀19连接相变储能换热器18的热端入口，相变储能换热器18的热端出口连接到第一流量泵17的入口；所述二次冷却回路20包括相变储能换热器18、第二流量泵21、备用冷源22、海水换热器23、海水进口腔24和海水出口腔25，相变储能换热器18的冷端出口分别与备用冷源22的入口、海水换热器23的热端入口相连接，备用冷源22的出口、海水换热器23的热端出口共同连接到第二流量泵21入口，第二流量泵21出口与相变储能换热器18的冷端入口相连，海水进口腔24连接海水换热器23冷端入口，海水换热器23冷端出口与海水出口腔25相连；所述喷淋头15包括套管151和内芯152，内芯152置于套管151内部。
作为本发明的优选实施方式，所述若干喷淋头15周向分布于保护罩体14和固态堆芯16的腔室内，冷却剂经喷淋头15冲洗固态堆芯16外缘，带走固态堆芯16的热量。
作为本发明的优选实施方式，所述套管151为圆柱形、圆锥形、棱锥形或海螺形结构；所述内芯152为轴向设置有螺旋槽道的实体，槽道形状可以为圆形或多边形结构；所述内芯152中心可设置有直通孔道；所述内芯152置于套管151内部，来流冷却剂在套管151的内芯152旋转搅浑后喷出，实现均匀细密的分布。
作为本发明的优选实施方式，所述相变储能换热器18为一体化结构，内部冷端和热端的管道呈螺旋状相互包覆，冷端和热端管道外填充有相变工质。
作为本发明的优选实施方式，所述相变储能换热器18为分离式结构，热单元内布置有热端管道和相变工质，冷单元内布置有冷端管道和相变工质，冷单元和热单元交替分布组成相变储能换热器18。
作为本发明的优选实施方式，所述相变储能换热器18内部的相变工质可选用氦、氢、氖、氧、氮、乙烷、丙烯、戊烷、甲醇、甲苯、氨、氟利昂、水、萘、铯、钾、钠、锂、银、铅、铋等工质的单质或混合物；所述相变储能换热器18内部可设置热管或均温板进行温度平均。
作为本发明的优选实施方式，所述一次冷却回路10中的冷却剂可选用氦、氢、氖、氧、氮、乙烷、丙烯、戊烷、甲醇、甲苯、氨、氟利昂、水、萘、铯、钾、钠、锂、银、铅、铋等工质的单质或混合物。
作为本发明的优选实施方式，所述备用冷源22为可用于加热燃料、储备用水、生活能源的热源。
作为本发明的优选实施方式，所述海水换热器23可置于潜航器壳体外侧直接与海水换热；所述海水换热器23可采用回路式热管换热器，冷端置于潜航器壳体外的海水中。
本发明的工作原理为：
固态堆芯核反应堆正常工作工况：第一调节阀12、第二调节阀13和第三调节阀19关闭，第一流量泵17停运，一次冷却回路10未投入；第二流量泵21运行，冷却剂在相变储能换热器18和备用冷源22或海水换热器23之间循环，备用冷源22或海水换热器23吸收热量，相变储能换热器18相变工质为冷态，相变储能换热器18完成蓄冷后二次冷却回路20停运。
固态堆芯核反应堆事故工况：第一调节阀11、第二调节阀13和第三调节阀19打开，第一流量泵17投入工作，冷却剂从冷却剂储存箱11流出充满一次冷却回路10，冷却剂由喷淋头15喷射至固态堆芯16并带走热量，冷却剂在保护罩体14底部收集经第三调节阀19到达相变储能换热器18进行释热，释热后的冷却剂经第一流量泵17、第一调节阀11、第二调节阀13再次到达喷淋头15，上述循环将固态堆芯16的热量传递到相变储能换热器18；二次冷却回路20正常运行时，第二流量泵21泵送冷却剂在相变储能换热器18和海水换热器23之间循环，海水换热器23将热量传递给由海水进口腔24进入的海水并由海水出口腔25导出，若海水换热器23故障或其他必要条件，备用冷源22投入；二次冷却回路20非正常运行时，相变储能换热器18内工质发生相变储存热量，缓解事故进程。

Claims (10)

1.一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：包括一次冷却回路(10)和二次冷却回路(20)；所述一次冷却回路(10)包括冷却剂储存箱(11)、第一调节阀(12)、第二调节阀(13)、保护罩体(14)、喷淋头(15)、固态堆芯(16)、第一流量泵(17)、相变储能换热器(18)和第三调节阀(19)，冷却剂储存箱(11)通过第一调节阀(12)和来自第一流量泵(17)出口的管线共同经第二调节阀(13)直接连接固定于保护罩体(14)和固态堆芯(16)之间的喷淋头(15)，保护罩体(14)下方通过第三调节阀(19)连接相变储能换热器(18)的热端入口，相变储能换热器(18)的热端出口连接第一流量泵(17)的入口；所述二次冷却回路(20)包括相变储能换热器(18)、第二流量泵(21)、备用冷源(22)、海水换热器(23)、海水进口腔(24)和海水出口腔(25)，相变储能换热器(18)的冷端出口分别与备用冷源(22)的入口、海水换热器(23)的热端入口相连接，备用冷源(22)的出口、海水换热器(23)的热端出口共同连接到第二流量泵(21)入口，第二流量泵(21)出口与相变储能换热器(18)的冷端入口相连，海水进口腔(24)连接海水换热器(23)冷端入口，海水换热器(23)冷端出口与海水出口腔(25)相连。
2.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述喷淋头(15)包括套管(151)和内芯(152)，内芯(152)置于套管(151)内部；若干所述喷淋头(15)周向分布于保护罩体(14)和固态堆芯(16)的腔室内，冷却剂经喷淋头(15)冲洗固态堆芯(16)外缘，带走固态堆芯(16)的热量。
3.根据权利要求2所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述套管(151)为圆柱形、圆锥形、棱锥形或海螺形结构；所述内芯(152)为轴向设置有螺旋槽道的实体，槽道形状为圆形或多边形结构；所述内芯(152)中心设置有直通孔道；所述内芯(152)置于套管(151)内部，来流冷却剂在套管(151)的内芯(152)旋转搅浑后喷出，实现均匀细密的分布。
4.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述相变储能换热器(18)为一体化结构，内部冷端和热端的管道呈螺旋状相互包覆，冷端和热端管道外填充有相变工质。
5.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述相变储能换热器(18)为分离式结构，热单元内布置有热端管道和相变工质，冷单元内布置有冷端管道和相变工质，冷单元和热单元交替分布组成相变储能换热器(18)。
6.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述相变储能换热器(18)内部的相变工质选用氦、氢、氖、氧、氮、乙烷、丙烯、戊烷、甲醇、甲苯、氨、氟利昂、水、萘、铯、钾、钠、锂、银、铅或铋单质工质中的一种或多种；所述相变储能换热器(18)内部设置热管或均温板进行温度平均。
7.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述一次冷却回路(10)中的冷却剂选用氦、氢、氖、氧、氮、乙烷、丙烯、戊烷、甲醇、甲苯、氨、氟利昂、水、萘、铯、钾、钠、锂、银、铅或铋单质工质中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述备用冷源(22)为用于加热燃料、储备用水或生活能源的热源。
9.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统，其特征在于：所述海水换热器(23)置于潜航器壳体外侧直接与海水换热；所述海水换热器(23)采用回路式热管换热器，冷端置于潜航器壳体外的海水中。
10.根据权利要求1所述一种深海潜航用固态堆芯核反应堆应急热量导出系统的工作方法，其特征在于：固态堆芯核反应堆正常工作工况，第一调节阀(12)、第二调节阀(13)和第三调节阀(19)关闭，相变储能换热器(18)通过备用冷源(22)或海水换热器(23)进行蓄冷；固态堆芯核反应堆事故工况时，第一调节阀(12)、第二调节阀(13)和第三调节阀(19)打开，第一流量泵(17)投入工作，冷却剂经喷淋头(15)冲洗固态堆芯(16)外缘，通过第三调节阀(19)到达相变储能换热器(18)进行释热，一次冷却回路(10)为固态堆芯(16)提供持续冷却；二次冷却回路正常运行工况：二次冷却回路(20)通过海水换热器(23)不断带走相变储能换热器(18)内的热量，必要条件下备用冷源(22)为二次冷却回路(20)提供冷源；二次冷却回路非正常运行工况：相变储能换热器(18)内工质发生相变储存热量。
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