CN113756892B - 模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统 - Google Patents

模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统：包括反应堆本体系统、非能动余热排出系统、紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统、二回路系统和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统；反应堆核燃料采用TRISO+石墨基体材料和螺旋十字型式，可以提高传热性能及固有安全性；紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统热效率超过48％，可以应用于空间有限的场所；综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环热效率超过54％，可以应用于资源丰富的场所；本发明既能实现能量的高效紧凑利用，也能满足能源多用途、一体化的生产、储存和转化需求。

Description

模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统
技术领域
本发明涉及先进核能开发与能源综合利用技术领域，具体涉及一种模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统。
背景技术
我国西部地区特别是新丝路沿线地区深处内陆、地域辽阔、资源丰富，并提供了充足的战略回旋空间和纵深的国防安全屏障；然而该地区位置偏远、气候条件复杂，其能源需求呈现多元化、散点式的特征。因此，提供一套安全高效的多用途、一体化能源供给方案，是推动西部地区经济发展和国防建设的迫切需求。
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、固有安全和结构紧凑等特点，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，可在缺水地区实现高效发电；同时其适宜建于地下，具有良好的隐蔽性，可为国防基地提供一体化能源解决方案，提高其生命力和战斗力。另外，反应堆可输出700℃以上高温工艺热，用于高温制氢、盐水淡化、矿藏开采等。
近年来，国内对模块化小型氟盐冷却高温堆的预研工作正在稳步进行，然而考虑到其多用途能源供给方式、能量储存/转换与综合利用系统、专设非能动余热排出系统等一系列系统的设计和配置，目前尚没有详细的总体规划和技术路线。因此从模块化小型氟盐冷却高温堆的产能、储能、转换与利用的应用层面，细化到堆本体、储能系统和能量转换系统的设计与协同运行层面，均需要一套完整的系统配置和技术方案，来支持多用途、一体化能源方案系统的设计和建设，进而助力新丝路战略，促进西部偏远地区经济发展和国防建设。
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模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，包括高紧凑方案和综合利用方案。两种方案都能够实现反应堆小型化、模块化、无水冷却、高效发电，其中综合利用方案可以输出700℃以上高温工艺热，既可实现能量多级利用和储存，也能用于高温制氢和矿藏开采等。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，包括反应堆本体系统1、非能动余热排出系统2、紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3、二回路系统4和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5；
所述反应堆本体系统1作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的热源，包括反应堆容器1-1，反应堆容器1-1中设置堆芯活性区1-2、反应堆控制棒及其驱动机构1-3、FLiBe-CO2主换热器1-4、FLiBe-FLiNaK主换热器1-5、第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6、第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7、第一轴流主泵1-8、第二轴流主泵1-9、堆芯围筒1-10、径向反射层1-11和轴向反射层1-12；FLiBe-CO2主换热器1-4、FLiBe-FLiNaK主换热器1-5、第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7位于反应堆容器1-1内上部，在FLiBe-CO2主换热器1-4和FLiBe-FLiNaK主换热器1-5下部分别设置第一轴流泵1-8和第一轴流泵1-9；控制棒及驱动机构1-3设置在堆芯活性区1-2上部；堆芯围筒1-10设置在径向反射层外，堆芯活性区周向设置径向反射层1-11、堆芯活性区上部和下部设置轴向反射层1-12；
所述反应堆本体系统1工作流程如下：反应堆本体系统1正常运行时，冷却剂经第一轴流泵1-8和第二轴流泵1-9驱动，从反应堆容器1-1底部进入堆芯活性区1-2，向上流经堆芯活性区1-2吸热后，向下折流并经过第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7放热，最后进入第一轴流泵1-8和第二轴流泵1-9增压完成堆芯内冷却剂循环；
所述非能动余热排出系统2作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的专设安全设施，与反应堆本体系统1共用第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7，还包括空冷塔2-3、置于空冷塔2-3内的第一空气换热器2-1、第二空气换热器2-2、及相连管道与阀门；第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6出口与第一空气换热器2-1入口相连，第一空气换热器2-1出口与第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6入口连接；
所述非能动余热排出系统2工作流程如下：在反应堆停堆和事故工况下，FLiNaK盐被第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6加热后依靠浮力驱动进入第一空气换热器2-1，而后FLiNaK盐被空气冷却流出第一空气换热器2-1，进入第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6，完成自然循环；第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7和第二空气换热器2-2，与第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第一空气换热器2-1的连接方式和工作流程相同；
所述紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与反应堆本体系统1共用FLiBe-CO2主换热器1-4，还包括第一透平3-1、第一高温回热器3-2、第一低温回热器3-3、第一分流阀3-4、第一冷端换热器3-5、第一主压缩机3-6、第一辅压缩机3-7、第一合流阀3-8及相连管道与阀门；第一FLiNaK-CO2换热器1-4出口与第一透平3-1入口相连，第一透平3-1出口与第一高温回热器3-2热侧入口相连，第一高温回热器3-2热侧出口与第一低温回热器3-3热侧入口相连，第一低温回热器3-3热侧出口与第一分流阀入口3.1相连，第一分流阀第一出口3.2与第一辅压缩机3-7入口相连，第一辅压缩机3-7出口与第一合流阀第一入口3.4相连；第一分流阀第二出口3.3与第一冷端换热器3-5入口相连，第一冷端换热器3-5出口与第一主压缩机3-6入口相连，第一主压缩机3-6出口与第一低温回热器3-3冷侧入口相连，第一低温回热器3-3冷侧出口与第一合流阀第二入口3.5相连；第一合流阀出口3.6与第一高温回热器3-2冷侧入口相连，第一高温回热器3-2冷侧出口与第一FLiBe-CO2主换热器1-4入口相连；
所述紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3工作流程如下：在第一FLiNaK-CO2换热器1-4中，CO2被主冷却剂盐加热后进入第一透平3-1做功，随后进入第一高温回热器3-2热侧放热，离开第一高温回热器3-2热侧的CO2进入第一低温回热器3-3热侧继续放热，经过第一分流阀3-4分流：一部分CO2进入第一辅压缩机3-7被压缩后进入第一合流阀3-8；另一部分CO2经第一冷端换热器3-5冷却后，被第一主压缩机3-6压缩，随后在第一低温回热器3-3吸热后进入第一合流阀3-8，来自第一低温回热器3-3和第一辅压缩机3-7的CO2在第一合流阀3-8汇流，经第一高温回热器3-2吸热后进入第一FLiBe-CO2主换热器1-4再次被加热，形成循环；
所述二回路系统4作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的中间换热和储能系统，为综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5提供热能，二回路系统4与反应堆本体系统1共用FLiBe-FLiNaK主换热器1-5，还包括二回路熔盐泵4-1和熔盐池4-2，熔盐池4-2中设置高温工艺热接口4-3、第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2、第三FLiNaK-CO2换热器5-3及相连管道与阀门；FLiBe-FLiNaK主换热器1-5出口与熔盐池4-2入口相连，熔盐池4-2出口与二回路熔盐泵4-1入口相连，二回路熔盐泵4-1出口与FLiBe-FLiNaK主换热器1-5入口相连；
所述二回路系统4工作流程如下：FLiNaK盐在FLiBe-FLiNaK主换热器1-5中被加热后进入熔盐池4-2，在熔盐池4-2中，高温FLiNaK盐通过高温工艺热接口4-3向外界输出高温热量，热量用于高温制氢、矿藏开采和熔盐储能；第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2和第三FLiNaK-CO2换热器5-3吸收熔盐池4-2热量加热CO2，FLiNaK盐在熔盐池4-2放热后，经二回路熔盐泵4-1增压后进入FLiBe-FLiNaK主换热器1-5，形成循环；
所述综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与二回路系统4的熔盐池4-2共用第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2和第三FLiNaK-CO2换热器5-3，还包括第二透平5-4、第三透平5-5、第四透平5-6、第二低温回热器5-7、第一中温回热器5-8、第二高温回热器5-9、第二辅压缩机5-10、第二主压缩机5-11、第三主压缩机5-12、第二冷端换热器5-13、第三冷端换热器5-14、第二分流阀5-15、第二合流阀5-16、第三分流阀5-17、第三合流阀5-18及相连管道与阀门；第二分流阀第一出口5.2与第二高温回热器5-9冷侧入口相连，第二高温回热器5-9冷侧出口与第二FLiNaK-CO2换热器5-2入口相连，第二FLiNaK-CO2换热器5-2出口与第一透平5-4入口相连，第一透平5-4出口与第三FLiNaK-CO2换热器入口5-3相连，第三FLiNaK-CO2换热器出口与第二透平5-5入口相连，第二透平5-5出口与第二高温回热器5-9热侧入口相连，第二高温回热器5-9热侧出口与第二合流阀第一入口5.4相连；第二分流阀第二出口5.3与第一FLiNaK-CO2换热器5-1入口相连，第一FLiNaK-CO2换热器5-1出口与第四透平5-6入口相连，第四透平5-6出口与第二合流阀第二入口5.5相连；第二合流阀出口5.6与第一中温回热器5-8热侧入口相连，第一中温回热器5-8热侧出口与第二低温回热器5-7热侧入口相连，第二低温回热器5-7热侧出口与第三分流阀入口5.7相连，第三分流阀第一出口5.8与第二辅压缩机5-10入口相连，第二辅压缩机5-10出口与第三合流阀第一入口5.10相连；第三分流阀第二出口5.9与第二冷端换热器5-13入口相连，第二冷端换热器5-13出口与第二主压缩机5-11入口相连，第二主压缩机5-11出口与第三冷端换热器5-14入口相连，第三冷端换热器5-14出口与第三主压缩机5-12入口相连，第三主压缩机5-12出口与第二低温回热器5-7冷侧入口相连，第二低温回热器5-7冷侧出口与第三合流阀第二入口5.11相连；第三合流阀出口5.12与第一中温回热器5-8冷侧入口相连，第一中温回热器5-8冷侧出口与第二分流阀入口5.1相连；
所述综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5工作流程如下：经过CO2在第二分流阀5-15的分流：来自第一中温回热器5-8冷侧的一部分CO2进入第二高温回热器5-9冷侧吸热，随后进入第二FLiNaK-CO2换热器5-2被加热，进入第二透平5-4做功，做功后的CO2进入第三FLiNaK-CO2换热器5-3中被加热，随后进入第三透平5-5做功，再次做功后的CO2进入第二高温回热器5-9热侧放热；来自第一中温回热器5-8冷侧的另一部分CO2进入第一FLiNaK-CO2换热器5-1中被吸热后，进入第四透平5-6做功；来自第四透平5-5和第二高温回热器5-9热侧的CO2在第二合流阀5-16汇流后进入第一中温回热器5-8热侧放热，随后进入第一中温回热器5-7热侧放热，随后经过第三分流阀5-17的分流：一部分CO2经第二辅压缩机5-10压缩升压；另一部分CO2经第二冷端换热器5-13的冷却后，进入第二主压缩机5-11压缩升压，随后进入第三冷端换热器5-14，冷却后再次进入第三主压缩机5-12压缩升压；两股CO2经第三合流阀5-18汇流，进入第一中温回热器5-8冷侧吸热后进入第二分流阀5-15，形成循环。
反应堆本体系统1的堆芯活性区1-2热功率为125MW、堆芯入口温度为650℃、堆芯出口温度为700℃，采用FLiBe盐作为冷却剂，LiF和BeF2摩尔数分别为67％和33％；非能动余热排出系统2和二回路系统4采用FLiNaK盐作为冷却工质，LiF，NaF和KF的摩尔分数分别为46.5％，11.5％和42％。
反应堆本体系统1的堆芯活性区1-2采用螺旋十字型燃料元件，TRISO核燃料以50％填充率弥散在基体中；核燃料235U富集度分别为15％和17.5％；单组件内燃料棒呈三角形排列，组件间呈三角形排布。
反应堆本体系统1的FLiBe-CO2主换热器1-4，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5的第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2和第三FLiNaK-CO2换热器5-3，均为印刷电路板式换热器；反应堆本体系统1的FLiBe-FLiNaK主换热器1-5，非能动余热排出系统2的第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7，均为管壳式换热器。
紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3的热效率超过48％，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5的热效率超过54％。
反应堆本体系统1的反应堆容器1-1直径小于3.5米，高度小于3米。
紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3以及二回路系统4和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5组成的能量转换系统不同时投入使用，根据需求切换系统。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、将模块化小型氟盐冷却高温堆与紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统结合，能够实现能量的高效紧凑利用；将模块化小型氟盐冷却高温堆与二回路系统和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统结合，能够满足能源多用途、一体化的生产、储存和转化需求。
2、反应堆采用FLiBe盐作为冷却剂，具有高温低压、结构紧凑的优点。FLiBe盐沸点超过1000℃，凝固点低于500℃，运行压力(～0.2MPa)远低于压水堆(15.5MPa)和气冷堆(3～7MPa)，有效降低了一回路破口事故概率；相比传统核反应堆冷却剂，FLiBe盐载热性能更高，体积热容分别是水、液态铅铋合金、液态金属钠和氦气的1.16、2.75、4.49和233.5倍，在相同冷却剂体积下能带走更多热量，有利于减小反应堆容器体积。
3、固有安全性高。反应堆燃料元件采用螺旋十字型式，其结构能够强化冷却剂换热；TRISO核燃料弥散在石墨基体中，能够容纳裂变气体和裂变产物，其失效温度高于1600℃；非能动余热排出系统依靠浮力驱动，不需要外界提供能量。
4、经济性高。TRISO核燃料可以实现较高的燃耗深度，从而提高燃料利用率；利用模块化多用途小型氟盐冷却高温堆系统中熔盐池提供的近700℃高温工艺热，可以实现高温制氢、矿藏开采和熔盐储能等。
5、模块化技术。本发明的多数设备均可模块化加工、制造、运输和安装。通过模块化技术，可以缩短建造时间短，经济性高，应用方案更加灵活。
6、热效率高、动力充足且功率响应迅速。相比于传统朗肯循环，超临界二氧化碳布雷顿循环系统具有热效率高、结构紧凑、控制灵活且响应迅速等优点。经设计计算，本发明中紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统的热效率超过48％、综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统的热效率超过54％。两类循环系统可依据任务需求决定是否投入。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图，包括分流阀与合流阀进出口示意图；
图中：
1：反应堆本体系统
1-1：反应堆容器；1-2：反应堆堆芯活性区；1-3：反应堆控制棒及其驱动机构；1-4：FLiBe-CO2主换热器；1-5：FLiBe-FLiNaK主换热器；1-6：第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器；1-7：第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器；1-8：第一轴流主泵；1-9：第一轴流主泵；1-10：堆芯围筒；1-11：径向反射层；1-12：轴向反射层
2：非能动余热排出系统
2-1：第一空气换热器；2-2：第二空气换热器；2-3：空冷塔
3：紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统；
3-1：第一透平；3-2：第一高温回热器；3-3：第一低温回热器；3-4：第一分流阀；3-5：第一冷端换热器；3-6：第一主压缩机；3-7：第一辅压缩机；3-8：第一合流阀
4：二回路系统
4-1：二回路熔盐泵；4-2：熔盐池；4-3：高温工艺热接口
5：综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统
5-1：第一FLiNaK-CO2换热器；5-2：第二FLiNaK-CO2换热器；5-3：三FLiNaK-CO2换热器；5-4：第二透平；5-5：第三透平；5-6：第四透平；5-7：第二低温回热器；5-8：第一中温回热器；5-9：第二高温回热器；5-10：第二辅压缩机；5-11：第二主压缩机；5-12：第三主压缩机；5-13：第二冷端换热器；5-14：第三冷端换热器；5-15：第二分流阀；5-16：第二合流阀；5-17：第三分流阀；5-18：第三合流阀
3-4：第一分流阀(3.1为第一分流阀入口，3.2为第一分流阀第一出口，3.3为第一分流阀第二出口)；3-8：第一合流阀(3.4为第一合流阀第一入口，3.5为第一合流阀第二入口，3.6为第一合流阀出口)；5-15：第二分流阀(5.1为第二分流阀入口，5.2为第二分流阀第一出口，5.3为第二分流阀第二出口)；5-16：第二合流阀(5.4为第二合流阀第一入口，5.5为第二合流阀第二入口，5.6为第二合流阀出口)；5-17：第三分流阀(5.7为第三分流阀入口，5.8为第三分流阀第一出口，5.9为第三分流阀第二出口)；5-18：第三合流阀(5.10为第三合流阀第一入口，5.11为第三合流阀第二入口，5.12为第三合流阀出口)。
具体实施方式
本发明提供了模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，现结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，包括反应堆本体系统1、非能动余热排出系统2、紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3、二回路系统4和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5；
反应堆本体系统1作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的热源，包括反应堆容器1-1，反应堆容器1-1中设置堆芯活性区1-2、反应堆控制棒及其驱动机构1-3、FLiBe-CO2主换热器1-4、FLiBe-FLiNaK主换热器1-5、第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6、第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7、第一轴流主泵1-8、第二轴流主泵1-9、堆芯围筒1-10、径向反射层1-11和轴向反射层1-12；FLiBe-CO2主换热器1-4、FLiBe-FLiNaK主换热器1-5、第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7位于反应堆容器1-1内上部，在FLiBe-CO2主换热器1-4和FLiBe-FLiNaK主换热器1-5下部分别设置第一轴流泵1-8和第一轴流泵1-9；控制棒及驱动机构1-3设置在堆芯活性区1-2上部；堆芯围筒1-10设置在径向反射层外，堆芯活性区周向设置径向反射层1-11、堆芯活性区上部和下部设置轴向反射层1-12；
反应堆本体系统1工作流程如下：反应堆本体系统1正常运行时，冷却剂经第一轴流泵1-8和第二轴流泵1-9驱动，从反应堆容器1-1底部进入堆芯活性区1-2，向上流经堆芯活性区1-2吸热后，向下折流并经过第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7放热，最后进入第一轴流泵1-8和第二轴流泵1-9增压完成堆芯内冷却剂循环；
非能动余热排出系统2作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的专设安全设施，与反应堆本体系统1共用第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7，其他设备包括空冷塔2-3、置于空冷塔2-3内的第一空气换热器2-1、第二空气换热器2-2及相连管道与阀门等；第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6出口与第一空气换热器2-1入口相连，第一空气换热器2-1出口与第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6入口连接；
非能动余热排出系统2工作流程如下：在反应堆停堆和事故工况下，FLiNaK盐被第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6加热后依靠浮力驱动进入第一空气换热器2-1，而后FLiNaK盐被空气冷却流出第一空气换热器2-1，进入第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6，完成自然循环；第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7和第二空气换热器2-2，与第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第一空气换热器2-1的连接方式和工作流程相同；
紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与反应堆本体系统1共用FLiBe-CO2主换热器1-4，其它设备包括第一透平3-1、第一高温回热器3-2、第一低温回热器3-3、第一分流阀3-4、第一冷端换热器3-5、第一主压缩机3-6、第一辅压缩机3-7、第一合流阀3-8及相连管道与阀门等；第一FLiNaK-CO2换热器1-4出口与第一透平3-1入口相连，第一透平3-1出口与第一高温回热器3-2热侧入口相连，第一高温回热器3-2热侧出口与第一低温回热器3-3热侧入口相连，第一低温回热器3-3热侧出口与第一分流阀入口3.1相连，第一分流阀第一出口3.2与第一辅压缩机3-7入口相连，第一辅压缩机3-7出口与第一合流阀第一入口3.4相连；第一分流阀第二出口3.3与第一冷端换热器3-5入口相连，第一冷端换热器3-5出口与第一主压缩机3-6入口相连，第一主压缩机3-6出口与第一低温回热器3-3冷侧入口相连，第一低温回热器3-3冷侧出口与第一合流阀第二入口3.5相连；第一合流阀出口3.6与第一高温回热器3-2冷侧入口相连，第一高温回热器3-2冷侧出口与第一FLiBe-CO2主换热器1-4入口相连；
紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3工作流程如下：在第一FLiNaK-CO2换热器1-4中，CO2被主冷却剂盐加热后进入第一透平3-1做功，随后进入第一高温回热器3-2热侧放热，离开第一高温回热器3-2热侧的CO2进入第一低温回热器3-3热侧继续放热，经过第一分流阀3-4分流：一部分CO2进入第一辅压缩机3-7被压缩后进入第一合流阀3-8；另一部分CO2经第一冷端换热器3-5冷却后，被第一主压缩机3-6压缩，随后在第一低温回热器3-3吸热后进入第一合流阀3-8，来自第一低温回热器3-3和第一辅压缩机3-7的CO2在第一合流阀3-8汇流，经第一高温回热器3-2吸热后进入第一FLiBe-CO2主换热器1-4再次被加热，形成循环；
二回路系统4作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的中间换热和储能系统，可为综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5提供热能，二回路系统4与反应堆本体系统1共用FLiBe-FLiNaK主换热器1-5，其他设备包括二回路熔盐泵4-1和熔盐池4-2，熔盐池4-2中设置高温工艺热接口4-3、第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2、第三FLiNaK-CO2换热器5-3及相连管道与阀门等；FLiBe-FLiNaK主换热器1-5出口与熔盐池4-2入口相连，熔盐池4-2出口与二回路熔盐泵4-1入口相连，二回路熔盐泵4-1出口与FLiBe-FLiNaK主换热器1-5入口相连；
二回路系统4工作流程如下：FLiNaK盐在FLiBe-FLiNaK主换热器1-5中被加热后进入熔盐池4-2，在熔盐池4-2中，高温FLiNaK盐通过高温工艺热接口4-3向外界输出高温热量，热量可用于高温制氢、矿藏开采和熔盐储能等；第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2和第三FLiNaK-CO2换热器5-3吸收熔盐池4-2热量加热CO2，FLiNaK盐在熔盐池4-2放热后，经二回路熔盐泵4-1增压后进入FLiBe-FLiNaK主换热器1-5，形成循环；
综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与二回路系统4的熔盐池4-2共用第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2和第三FLiNaK-CO2换热器5-3，其他设备包括第二透平5-4、第三透平5-5、第四透平5-6、第二低温回热器5-7、第一中温回热器5-8、第二高温回热器5-9、第二辅压缩机5-10、第二主压缩机5-11、第三主压缩机5-12、第二冷端换热器5-13、第三冷端换热器5-14、第二分流阀5-15、第二合流阀5-16、第三分流阀5-17、第三合流阀5-18及相连管道与阀门等；第二分流阀第一出口5.2与第二高温回热器5-9冷侧入口相连，第二高温回热器5-9冷侧出口与第二FLiNaK-CO2换热器5-2入口相连，第二FLiNaK-CO2换热器5-2出口与第一透平5-4入口相连，第一透平5-4出口与第三FLiNaK-CO2换热器入口5-3相连，第三FLiNaK-CO2换热器出口与第二透平5-5入口相连，第二透平5-5出口与第二高温回热器5-9热侧入口相连，第二高温回热器5-9热侧出口与第二合流阀第一入口5.4相连；第二分流阀第二出口5.3与第一FLiNaK-CO2换热器5-1入口相连，第一FLiNaK-CO2换热器5-1出口与第四透平5-6入口相连，第四透平5-6出口与第二合流阀第二入口5.5相连；第二合流阀出口5.6与第一中温回热器5-8热侧入口相连，第一中温回热器5-8热侧出口与第二低温回热器5-7热侧入口相连，第二低温回热器5-7热侧出口与第三分流阀入口5.7相连，第三分流阀第一出口5.8与第二辅压缩机5-10入口相连，第二辅压缩机5-10出口与第三合流阀第一入口5.10相连；第三分流阀第二出口5.9与第二冷端换热器5-13入口相连，第二冷端换热器5-13出口与第二主压缩机5-11入口相连，第二主压缩机5-11出口与第三冷端换热器5-14入口相连，第三冷端换热器5-14出口与第三主压缩机5-12入口相连，第三主压缩机5-12出口与第二低温回热器5-7冷侧入口相连，第二低温回热器5-7冷侧出口与第三合流阀第二入口5.11相连；第三合流阀出口5.12与第一中温回热器5-8冷侧入口相连，第一中温回热器5-8冷侧出口与第二分流阀入口5.1相连；
综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5工作流程如下：经过CO2在第二分流阀5-15的分流：来自第一中温回热器5-8冷侧的一部分CO2进入第二高温回热器5-9冷侧吸热，随后进入第二FLiNaK-CO2换热器5-2被加热，进入第二透平5-4做功，做功后的CO2进入第三FLiNaK-CO2换热器5-3中被加热，随后进入第三透平5-5做功，再次做功后的CO2进入第二高温回热器5-9热侧放热；来自第一中温回热器5-8冷侧的另一部分CO2进入第一FLiNaK-CO2换热器5-1中被吸热后，进入第四透平5-6做功；来自第四透平5-5和第二高温回热器5-9热侧的CO2在第二合流阀5-16汇流后进入第一中温回热器5-8热侧放热，随后进入第一中温回热器5-7热侧放热，随后经过第三分流阀5-17的分流：一部分CO2经第二辅压缩机5-10压缩升压；另一部分CO2经第二冷端换热器5-13的冷却后，进入第二主压缩机5-11压缩升压，随后进入第三冷端换热器5-14，冷却后再次进入第三主压缩机5-12压缩升压；两股CO2经第三合流阀5-18汇流，进入第一中温回热器5-8冷侧吸热后进入第二分流阀5-15，形成循环。
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的堆芯活性区1-2热功率为125MW、堆芯入口温度为650℃、堆芯出口温度为700℃，采用FLiBe盐作为冷却剂，LiF和BeF2摩尔数分别为67％和33％；非能动余热排出系统2和二回路系统4采用FLiNaK盐作为冷却工质，LiF，NaF和KF的摩尔分数分别为46.5％，11.5％和42％。
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的堆芯活性区1-2采用螺旋十字型燃料元件，TRISO核燃料以50％填充率弥散在基体中；核燃料235U富集度分别为15％和17.5％；单组件内燃料棒呈三角形排列，组件间呈三角形排布。
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的FLiBe-CO2主换热器1-4，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5的第一FLiNaK-CO2换热器5-1、第二FLiNaK-CO2换热器5-2和第三FLiNaK-CO2换热器5-3，均为印刷电路板式换热器；反应堆本体系统1的FLiBe-FLiNaK主换热器1-5，非能动余热排出系统2的第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-6和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器1-7，均为管壳式换热器。
作为本发明的优选实施方式，紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3的热效率超过48％，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5的热效率超过54％。
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的反应堆容器1-1直径小于3.5米，高度小于3米。
作为本发明的优选实施方式，紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统3以及二回路系统4和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统5组成的能量转换系统不同时投入使用，根据需求切换系统。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：包括反应堆本体系统(1)、非能动余热排出系统(2)、紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)、二回路系统(4)和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)；
所述反应堆本体系统(1)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的热源，包括反应堆容器(1-1)，反应堆容器(1-1)中设置堆芯活性区(1-2)、反应堆控制棒及其驱动机构(1-3)、FLiBe-CO2主换热器(1-4)、FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)、第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)、第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)、第一轴流主泵(1-8)、第二轴流主泵(1-9)、堆芯围筒(1-10)、径向反射层(1-11)和轴向反射层(1-12)；FLiBe-CO2主换热器(1-4)、FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)、第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)位于反应堆容器(1-1)内上部，在FLiBe-CO2主换热器(1-4)和FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)下部分别设置第一轴流主泵(1-8)和第二轴流主泵(1-9)；控制棒及驱动机构(1-3)设置在堆芯活性区(1-2)上部；堆芯围筒(1-10)设置在径向反射层外，堆芯活性区周向设置径向反射层(1-11)、堆芯活性区上部和下部设置轴向反射层(1-12)；
所述反应堆本体系统(1)工作流程如下：堆本体系统(1)正常运行时，冷却剂经第一轴流主泵(1-8)和第二轴流主泵(1-9)驱动，从反应堆容器(1-1)底部进入堆芯活性区(1-2)，向上流经堆芯活性区(1-2)吸热后，向下折流并经过第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)放热，最后进入第一轴流主泵(1-8)和第二轴流主泵(1-9)增压完成堆芯内冷却剂循环；
所述非能动余热排出系统(2)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的专设安全设施，与反应堆本体系统(1)共用第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)，还包括空冷塔(2-3)、置于空冷塔(2-3)内的第一空气换热器(2-1)、第二空气换热器(2-2)、及相连管道与阀门；第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)出口与第一空气换热器(2-1)入口相连，第一空气换热器(2-1)出口与第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)入口连接；第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)出口与第二空气换热器(2-2)入口相连，第二空气换热器(2-2)出口与第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)入口连接；
所述非能动余热排出系统(2)工作流程如下：在反应堆停堆和事故工况下，FLiNaK盐被第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)加热后依靠浮力驱动进入第一空气换热器(2-1)，而后FLiNaK盐被空气冷却流出第一空气换热器(2-1)，进入第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)，完成自然循环；第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)和第二空气换热器(2-2)，与第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)和第一空气换热器(2-1)的工作流程相同；
所述紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与反应堆本体系统(1)共用FLiBe-CO2主换热器(1-4)，还包括第一透平(3-1)、第一高温回热器(3-2)、第一低温回热器(3-3)、第一分流阀(3-4)、第一冷端换热器(3-5)、第一主压缩机(3-6)、第一辅压缩机(3-7)、第一合流阀(3-8)及相连管道与阀门；FLiBe-CO2主换热器(1-4)出口与第一透平(3-1)入口相连，第一透平(3-1)出口与第一高温回热器(3-2)热侧入口相连，第一高温回热器(3-2)热侧出口与第一低温回热器(3-3)热侧入口相连，第一低温回热器(3-3)热侧出口与第一分流阀入口(3.1)相连，第一分流阀第一出口(3.2)与第一辅压缩机(3-7)入口相连，第一辅压缩机(3-7)出口与第一合流阀第一入口(3.4)相连；第一分流阀第二出口(3.3)与第一冷端换热器(3-5)入口相连，第一冷端换热器(3-5)出口与第一主压缩机(3-6)入口相连，第一主压缩机(3-6)出口与第一低温回热器(3-3)冷侧入口相连，第一低温回热器(3-3)冷侧出口与第一合流阀第二入口(3.5)相连；第一合流阀出口(3.6)与第一高温回热器(3-2)冷侧入口相连，第一高温回热器(3-2)冷侧出口与FLiBe-CO2主换热器(1-4)入口相连；
所述紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)工作流程如下：在FLiBe-CO2主换热器(1-4)中，CO2被主冷却剂盐加热后进入第一透平(3-1)做功，随后进入第一高温回热器(3-2)热侧放热，离开第一高温回热器(3-2)热侧的CO2进入第一低温回热器(3-3)热侧继续放热，经过第一分流阀(3-4)分流：一部分CO2进入第一辅压缩机(3-7)被压缩后进入第一合流阀(3-8)；另一部分CO2经第一冷端换热器(3-5)冷却后，被第一主压缩机(3-6)压缩，随后在第一低温回热器(3-3)吸热后进入第一合流阀(3-8)，来自第一低温回热器(3-3)和第一辅压缩机(3-7)的CO2在第一合流阀(3-8)汇流，经第一高温回热器(3-2)吸热后进入FLiBe-CO2主换热器(1-4)再次被加热，形成循环；
所述二回路系统(4)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的中间换热和储能系统，为综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)提供热能，二回路系统(4)与反应堆本体系统(1)共用FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)，还包括二回路熔盐泵(4-1)和熔盐池(4-2)，熔盐池(4-2)中设置高温工艺热接口(4-3)、第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)、第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)、第三FLiNaK-CO2换热器(5-3)及相连管道与阀门；FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)出口与熔盐池(4-2)入口相连，熔盐池(4-2)出口与二回路熔盐泵(4-1)入口相连，二回路熔盐泵(4-1)出口与FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)入口相连；
所述二回路系统(4)工作流程如下：FLiNaK盐在FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)中被加热后进入熔盐池(4-2)，在熔盐池(4-2)中，高温FLiNaK盐通过高温工艺热接口(4-3)向外界输出高温热量，热量用于高温制氢、矿藏开采和熔盐储能；第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)、第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)和第三FLiNaK-CO2换热器(5-3)吸收熔盐池(4-2)热量加热CO2，FLiNaK盐在熔盐池(4-2)放热后，经二回路熔盐泵(4-1)增压后进入FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)，形成循环；
所述综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与二回路系统(4)的熔盐池(4-2)共用第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)、第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)和第三FLiNaK-CO2换热器(5-3)，还包括第二透平(5-4)、第三透平(5-5)、第四透平(5-6)、第二低温回热器(5-7)、第一中温回热器(5-8)、第二高温回热器(5-9)、第二辅压缩机(5-10)、第二主压缩机(5-11)、第三主压缩机(5-12)、第二冷端换热器(5-13)、第三冷端换热器(5-14)、第二分流阀(5-15)、第二合流阀(5-16)、第三分流阀(5-17)、第三合流阀(5-18)及相连管道与阀门；第二分流阀第一出口(5.2)与第二高温回热器(5-9)冷侧入口相连，第二高温回热器(5-9)冷侧出口与第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)入口相连，第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)出口与第一透平(5-4)入口相连，第一透平(5-4)出口与第三FLiNaK-CO2换热器入口(5-3)相连，第三FLiNaK-CO2换热器出口与第二透平(5-5)入口相连，第二透平(5-5)出口与第二高温回热器(5-9)热侧入口相连，第二高温回热器(5-9)热侧出口与第二合流阀第一入口(5.4)相连；第二分流阀第二出口(5.3)与第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)入口相连，第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)出口与第四透平(5-6)入口相连，第四透平(5-6)出口与第二合流阀第二入口(5.5)相连；第二合流阀出口(5.6)与第一中温回热器(5-8)热侧入口相连，第一中温回热器(5-8)热侧出口与第二低温回热器(5-7)热侧入口相连，第二低温回热器(5-7)热侧出口与第三分流阀入口(5.7)相连，第三分流阀第一出口(5.8)与第二辅压缩机(5-10)入口相连，第二辅压缩机(5-10)出口与第三合流阀第一入口(5.10)相连；第三分流阀第二出口(5.9)与第二冷端换热器(5-13)入口相连，第二冷端换热器(5-13)出口与第二主压缩机(5-11)入口相连，第二主压缩机(5-11)出口与第三冷端换热器(5-14)入口相连，第三冷端换热器(5-14)出口与第三主压缩机(5-12)入口相连，第三主压缩机(5-12)出口与第二低温回热器(5-7)冷侧入口相连，第二低温回热器(5-7)冷侧出口与第三合流阀第二入口(5.11)相连；第三合流阀出口(5.12)与第一中温回热器(5-8)冷侧入口相连，第一中温回热器(5-8)冷侧出口与第二分流阀入口(5.1)相连；
所述综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)工作流程如下：经过CO2在第二分流阀(5-15)的分流：来自第一中温回热器(5-8)冷侧的一部分CO2进入第二高温回热器(5-9)冷侧吸热，随后进入第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)被加热，进入第二透平(5-4)做功，做功后的CO2进入第三FLiNaK-CO2换热器(5-3)中被加热，随后进入第三透平(5-5)做功，再次做功后的CO2进入第二高温回热器(5-9)热侧放热；来自第一中温回热器(5-8)冷侧的另一部分CO2进入第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)中被吸热后，进入第四透平(5-6)做功；来自第四透平(5-6)和第二高温回热器(5-9)热侧的CO2在第二合流阀(5-16)汇流后进入第一中温回热器(5-8)热侧放热，随后进入第二低温回热器(5-7)热侧放热，随后经过第三分流阀(5-17)的分流：一部分CO2经第二辅压缩机(5-10)压缩升压；另一部分CO2经第二冷端换热器(5-13)的冷却后，进入第二主压缩机(5-11)压缩升压，随后进入第三冷端换热器(5-14)，冷却后再次进入第三主压缩机(5-12)压缩升压；两股CO2经第三合流阀(5-18)汇流，进入第一中温回热器(5-8)冷侧吸热后进入第二分流阀(5-15)，形成循环。
2.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的堆芯活性区(1-2)热功率为125MW、堆芯入口温度为650℃、堆芯出口温度为700℃，采用FLiBe盐作为冷却剂，LiF和BeF2摩尔数分别为67％和33％；非能动余热排出系统(2)和二回路系统(4)采用FLiNaK盐作为冷却工质，LiF，NaF和KF的摩尔分数分别为46.5％，11.5％和42％。
3.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的堆芯活性区(1-2)采用螺旋十字型燃料元件，TRISO核燃料以50％填充率弥散在基体中；核燃料235U富集度分别为15％和17.5％；单组件内燃料棒呈三角形排列，组件间呈三角形排布。
4.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的FLiBe-CO2主换热器(1-4)，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)的第一FLiNaK-CO2换热器(5-1)、第二FLiNaK-CO2换热器(5-2)和第三FLiNaK-CO2换热器(5-3)，均为印刷电路板式换热器；反应堆本体系统(1)的FLiBe-FLiNaK主换热器(1-5)，非能动余热排出系统(2)的第一FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-6)和第二FLiBe-FLiNaK余热排出换热器(1-7)，均为管壳式换热器。
5.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)的热效率超过48％，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)的热效率超过54％。
6.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的反应堆容器(1-1)直径小于3.5米，高度小于3米。
7.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)以及二回路系统(4)和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)组成的能量转换系统不同时投入使用，根据需求切换系统。
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