CN116230261B - 一种适用于微型海洋堆电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于微型海洋堆电源系统，包括反应堆堆芯、冷却系统、热电转换系统、余热导出系统和控制系统，反应堆堆芯包括冷却剂通道‑燃料一体化组件、氢化物慢化基体、反射层和屏蔽层，氢化物慢化基体内设置若干个冷却剂通道‑燃料一体化组件，反射层包裹在氢化物慢化基体的外侧，屏蔽层包裹在反射层的外侧；冷却剂通道‑燃料一体化组件由内向外包括中心空道、燃料、外壳和冷却剂通道；热电转换系统具有冷端和热端，冷却系统分别连接热电转换系统的热端和冷却剂通道；余热导出系统的一侧连接热电转换系统的热端，另一侧固定在外壳壁上，利用海水冷却；控制系统包括若干个控制棒，控制棒设置在反射层内。

Description

一种适用于微型海洋堆电源系统
技术领域
本发明属于核反应堆动力系统设计技术领域，尤其涉及一种适用于微型海洋堆电源系统。
背景技术
海洋堆是面向海洋场景应用的反应堆，包括海上浮动反应堆和深海超小型核电源等，能够满足民用、军事等方面的供能需求，具有长续航、高安全性和良好的防止核扩散特性，是各国重点研发的特种反应堆型。复杂的海洋环境对反应堆系统的影响是海洋堆安全评审和商业化运营前必须解决的难题。由于目前国际通用的压水堆多使用朗肯循环与多回路设计，较大的体积使承压船体成本大大增加；同时，海洋条件对水堆回路循环影响重大，海浪可使回路系统出现周期性的流动波动或者漂移，引起热工水力特性的改变，使系统更加复杂。而液态金属的低沸点使反应堆内所需压力减小，超强的导热能力使其堆芯温度低，便于控制更有利于安全，且液态金属堆能量密度远高于水堆，使设计超紧凑核电源成为可能。因而开展适用于微型海洋堆系统的液态金属反应堆设计具有十分重要的意义。
我国在深海超小型核电源研究起步较晚，在海基反应堆开发方面仅在海洋用小型压水反应堆领域较有建树，设计出了如ACPR50s, CAP50，CAP100等小堆型号，中广核海上小型反应堆ACPR50S实验堆更已正式启动建设。以上堆型均为紧凑型小型压水堆，目前我国针对液态金属微型反应堆的系统设计几乎为空白，对其堆芯固有安全与辐射屏蔽设计、热传输与能量转换系统以及运行控制系统的总体设计与研究还十分有限。由于海洋堆的高紧凑、高安全特性，使用传统反应堆系统方案对其进行设计较为困难，已有的设计方案都是基于压水堆系统或未经充分验证的液态金属堆获得的，其能量转换效率、固有安全性和堆芯屏蔽性尚待验证。对于海洋堆系统设计采用的能量转换方案而言，并不同于传统热电转换模块，需要充分满足体积、转换效率和安全性的要求，考虑到海洋环境的特殊性，提出适用于水下的能量模块设计方案。因此有必要综合环境、辐照、能量等多方面因素，形成一种适用于微型海洋堆系统设计方案。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供了一种适用于微型海洋堆电源系统，能够实现高紧凑、超静音、高安全性的反应堆热电转换，为深海环境中的电力设备长周期稳定供能。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种适用于微型海洋堆电源系统，包括核电源压力容器，所述核电源压力容器内部设置反应堆堆芯、冷却系统、热电转换系统、余热导出系统和控制系统，
所述反应堆堆芯包括冷却剂通道-燃料一体化组件、氢化物慢化基体、反射层和屏蔽层，所述氢化物慢化基体内设置若干个所述冷却剂通道-燃料一体化组件，所述反射层包裹在所述氢化物慢化基体的外侧，所述屏蔽层包裹在所述反射层的外侧；
所述冷却剂通道-燃料一体化组件由内向外包括燃料、外壳和冷却剂通道，沿所述反应堆堆芯的轴向，所述燃料中心设置中心空道；
所述热电转换系统为温差发电系统，所述温差发电系统具有冷端和热端，所述冷却系统分别连接所述温差发电系统的热端和所述冷却剂通道；
所述余热导出系统的一侧连接所述温差发电系统的热端，另一侧固定在所述核电源压力容器的内壳壁上，利用海水冷却；
所述控制系统包括若干个控制棒，所述控制棒设置在所述反射层内。
本发明一优选实施方式，所述温差发电系统包括微通道换热器、温差发电元件和热管接口传热器，所述温差发电元件的热端连接所述微通道换热器，所述温差发电元件的冷端连接所述热管接口传热器。
本发明一优选实施方式，所述微通道换热器内部传热孔径为0.9-1.1mm。
本发明一优选实施方式，所述冷却系统包括液态金属冷却剂，沿所述反应堆堆芯轴向，一端设置与所述冷却剂通道一端连通的第一腔体，另一端设置与所述冷却剂通道另一端连通的第二腔体，所述金属冷却剂经所述微通道换热器出口流出，依次进入第一腔体、冷却剂通道、第二腔体，流入微通道换热器入口。
本发明一优选实施方式，所述微通道换热器出口与所述第一腔体连接的管道上设置电磁泵。
本发明一优选实施方式，所述金属冷却剂为NaK合金冷却剂。
本发明一优选实施方式，所述余热导出系统包括热管、铜基体，所述热管具有蒸发段和冷凝段，所述热管蒸发段与所述热管接口传热器连接，所述热管蒸发段插入在所述铜基体内，所述铜基体固定在所述核电源压力容器的内壁面，与所述内壁面发生热交换。
本发明一优选实施方式，所述铜基体上设置导热翅片，所述导热翅片穿过所述核电源压力容器，并深入海水中。
本发明一优选实施方式，所述燃料为富集度20%的二氧化铀。
本发明一优选实施方式，所述燃料与外壳之间填孔氦气。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明的海洋堆电源系统包括反应堆堆芯、冷却系统、热电转换系统和余热导出系统，其中的反应堆堆芯系统包括冷却剂通道-燃料一体化组件、氢化物慢化基体、反射层和屏蔽层，冷却剂通道-燃料一体化组件从内向外依次包括燃料、外壳和冷却剂通道，沿反应堆堆芯轴向，燃料中心采用中心空道设计，降低燃料中心最高温度以及燃料温度梯度，提高燃料整个寿期内的安全性，燃料外壳外部为冷却剂通道包裹，冷却系统连接冷却剂通道，冷却系统内的冷却剂在冷却剂通道内流过，带走燃料通过核裂变产生的核热；同时冷却剂通道-燃料一体化组件设置在氢化物慢化基体内，氢化物慢化基体在燃料正常运行温度下对中子进行慢化，但温度超过预设温度发生裂解，进而使堆芯燃料进入次临界状态，使发生冷却剂丧失强迫循环事故下，堆芯燃料温度不会过高而融化，起到保护作用。在氢化物慢化基体外包裹反射层，反射层外包裹屏蔽层，屏蔽堆芯燃料核裂变辐射，保护核电源压力容器内其他部件不受辐射。因此本发明的反应堆堆芯实现了高紧凑、高安全性；
同时本发明的热电转换系统采用超静音的温差发电系统，通过冷却系统内的冷却剂带走堆芯燃料核裂变的热量，冷却剂流入温差发电系统的热端，温差发电系统的冷端连接余热导出系统，温差发电系统利用热端和冷端的温差发电，一部分电量为核电源压力容器供电，其余电量储存。另外在反射层内设置多个控制棒。因此，本发明实现了高紧凑、超静音、高安全性的反应堆热电转换，为深海环境中的电力设备长周期稳定供能，并获得堆芯反应性控制和热量转换计算数据，为液态金属海洋微堆的设计和安全分析提供理论支撑。
附图说明
图1为本发明实施例的适用于微型海洋堆电源系统的示意图；
图2为本发明实施例的适用于微型海洋堆电源系统中反应堆堆芯的示意图；
图3为本发明实施例的适用于微型海洋堆电源系统中冷却剂通道-燃料一体化组件的示意图；
图4为本发明实施例的适用于微型海洋堆电源系统中热电转换系统的示意图。
附图标记说明：1-反应堆堆芯；101-冷却剂通道-燃料一体化组件；1011-中心空道；1012-燃料；1013-氦气；1014-外壳；1015-冷却剂通道；102-氢化物慢化基体；103-反射层；104-屏蔽层；2-第一腔体；3-第二腔体；4-电磁泵；5-热电转换系统；501-微通道换热器；502-温差发电元件；503-热管接口传热器；6-热管；7-铜基体；8-翅片；9-控制系统；10-控制棒；11-核电源压力容器，12-冷却系统。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种适用于微型海洋堆电源系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1，一种适用于微型海洋堆电源系统，包括核电源压力容器11，所述核电源压力容器11内部设置反应堆堆芯1、冷却系统12、热电转换系统5、余热导出系统和控制系统9。
具体参看图2和图3，反应堆堆芯1包括冷却剂通道-燃料一体化组件101、氢化物慢化基体102、反射层103和屏蔽层104，氢化物慢化基体102内设置若干个冷却剂通道-燃料一体化组件101，反射层103包裹在氢化物慢化基体102的外侧，屏蔽层104包裹在反射层103的外侧；
冷却剂通道-燃料一体化组件101由内向外包括燃料1012、外壳1014和冷却剂通道1015，沿反应堆堆芯1的轴向，燃料1012中心设置中心空道1011。
燃料1012通过中心空道1011设计，降低燃料1012中心最高温度以及燃料1012温度梯度，提高燃料1012整个寿期内的安全性，燃料1012优选采用富集度20%的二氧化铀TRISO燃料，燃料1012与外壳1014填孔氦气1013，燃料1012外壳1014由冷却剂通道1015包裹，冷却系统12内的冷却剂流入冷却剂通道1015，带走燃料1012核裂变产生的核热。冷却剂通道1015-燃料1012一体化组件101嵌入氢化物慢化基体102内，氢化物慢化基体102在堆芯燃料1012正常运行温度下对中子进行慢化，但温度超过预设温度发生裂解，进而使堆芯燃料1012进入次临界状态，使发生冷却剂丧失强迫循环事故下，堆芯燃料1012温度不会过高而融化，起到保护作用，氢化物可以为氢化锆或氢化钇，慢化基体为氢化锆时，预设温度为897℃，慢化基体为氢化钇时，预设温度为1127℃。在氢化物慢化基体外反射层103包裹，反射层103可采用铍反射层103，反射层103减少了中子的泄露损失，减小反应堆堆芯1临界尺寸，实现紧凑型堆芯设计，反射层103外由屏蔽层104包围，避免核电源压力容器11内其他部件核辐射，进一步提高反应堆堆芯1的安全性。
具体参看图1和图4，热电转换系统5为温差发电系统，温差发电系统包括微通道换热器501、温差发电元件502和热管接口传热器503，温差发电元件502的热端连接微通道换热器501，温差发电元件502的冷端连接热管接口传热器503；冷却系统12连接微通道换热器501，冷却系统12内的冷却剂流经冷却剂通道1015，带走堆芯燃料1012核裂变的核热，然后流入微通道换热器501进行换热，将带来堆芯的热量传递至微通道换热器501，微通道换热器501的微通道内部传热孔径优选为0.9-1.1 mm，具有高体表面积，使冷却剂与微通道换热器501壁面传热效率高。温差发电元件502采用级联式宽温域温差发电元件502，级联式宽温域温差发电元件502为适用于不同温域半赫斯勒、碲化铋材料串联，发电元件在超过700℃温度差下利用塞贝克效应进行热电转换。热电转换系统5热量自热端的微通道换热器501经过级联式温差发电元件502，10%热量转换成电能，剩余90%热量传递至冷端的热管接口传热器503，热管接口传热器503连接余热导出系统。
温差发电元件502的热端和冷端采用如图1所示的交替布置，温差发电系统具有多个温差发电元件502，每行多个温差发电元件502，热端的微通道换热器501串联，冷端的热管接口传热器503串联，每列的温差发电元件502的热端和冷端交替布置，依次冷端的热管接口传热器503靠近设置，热端的微通道换热器501靠近设置，使热电转换器件热端、冷端传热更加充分，系统结构空间更为紧凑。
冷却系统12包括液态金属冷却剂，优选NaK合金冷却剂，NaK合金通过调整两种合金成分配比，其熔点低于-10℃，远低于深海海水温度4℃，保证液态金属在深海环境下保持液态不凝固，避免其他如采用液态铅铋作为冷却介质面临的凝固问题。
沿反应堆堆芯1轴向，一端设置与冷却剂通道1015一端连通的第一腔体2，另一端设置与冷却剂通道1015另一端连通的第二腔体3，金属冷却剂经微通道换热器501出口流出，依次进入第一腔体2、冷却剂通道1015、第二腔体3，流入微通道换热器501入口。在优选实施方式中，微通道换热器501出口与第一腔体2连接的管道上设置电磁泵4，电磁泵运行噪音低，保证整个系统水下运行隐秘性。
金属冷却剂从第一腔体2进入反应堆堆芯1，流经冷却剂通道1015将核热带出，多个冷却剂通道1015汇入第二腔体3，金属冷却剂流入第二腔体3内，然后经微通道换热器501进口进入微通道换热器501传递热量，降温后的金属冷却剂经微通道换热器501出口流出，经电磁泵4的驱动，再次进入第一腔体2，完成整个循环。
余热导出系统包括热管6、铜基体7，热管6具有蒸发段和冷凝段，热管6蒸发段与热管6接口传热器503连接，热管6冷凝段插入在铜基体7内，铜基体7固定在核电源压力容器11的内壁面，与内壁面发生热交换。
热管6内的工质为水，水工质在热管6的蒸发段吸收来自热管6接口传热器503热量后，液态水蒸发变为气态，在压力差作用下进入冷凝段，冷凝段嵌设在铜基体7内，与铜基体7释放热量而冷凝，进而在毛细力作用下返回蒸发段，形成能将热量持续带出的自流循环。铜基体7作为热管6冷凝段与核电源压力容器11的内壁面热交换中间介质，导热系数高，铜基体7增大了热管6冷凝段与核电源压力容器11的内壁面传热面积。核电源压力容器11的材料采用钛合金，导热性能好，热量通过内壁面传递至外壁面。外壁面与海水直接接触，外壁面与海水温度差约为40℃，大温差下核电源压力容器11附近海水形成局部自然循环，海水与核电源压力容器11外壁面持续换热，将热量最终传递至海水。为强化筒体外壁面与海水换热，在核电源压力容器11外壁面设置换热翅片8，一方面增加核电源压力容器11与海水传热面积，一方面则通过翅片8增大核电源压力容器11与外壁面的传热面积。
本实施例的工作原理为：
堆芯燃料1012在反应堆堆芯1中心通过核裂变产生核热，金属冷却剂从第一腔体2进入反应堆堆芯1，流经冷却剂通道1015将核热带出，多个冷却剂通道1015汇入第二腔体3，金属冷却剂流入第二腔体3内，然后经微通道换热器501进口进入微通道换热器501传递热量，传递的热量经过温差发电元件502，10%热量转换成电能，剩余90%热量传递至冷端的热管6接口传热器503，而热管6接口传热器503的90%热量加热热管6蒸发段的液态水工质，液态水蒸发变为气态，在压力差作用下进入热管6冷凝段，热管6冷凝段嵌设在铜基体7内，与铜基体7释放热量而冷凝，进而在毛细力作用下返回热管6蒸发段，而铜基体7接收的热量通过核电源压力容器11的壁面和翅片8传递给海水。
而经微通道换热器501传递热量的金属冷却剂换热后再次经电磁泵4驱动，进入第一腔体2，准备下一次传递反应堆堆芯1燃料1012的核热。
核电源压力容器11内还设置蓄电池，温差发电元件502发出的电量一部分为电磁泵等设备供电，其余可采用蓄电池储存，作为其他使用。
控制系统9包括若干个控制棒和核心计算系统，控制棒均分设置在反射层103内，获取堆芯燃料1012核裂变数据，控制系统9还与电磁泵信号连接，控制电磁泵，进而控制热电转换，获得堆芯反应性控制和热量转换计算数据，为液态金属海洋微堆的设计和安全分析提供理论支撑。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，包括核电源压力容器，所述核电源压力容器内部设置反应堆堆芯、冷却系统、热电转换系统、余热导出系统和控制系统，
所述反应堆堆芯包括冷却剂通道-燃料一体化组件、氢化物慢化基体、反射层和屏蔽层，所述氢化物慢化基体内设置若干个所述冷却剂通道-燃料一体化组件，所述反射层包裹在所述氢化物慢化基体的外侧，所述屏蔽层包裹在所述反射层的外侧；
所述冷却剂通道-燃料一体化组件由内向外包括燃料、外壳和冷却剂通道，沿所述反应堆堆芯的轴向，所述燃料中心设置中心空道；
所述热电转换系统为温差发电系统，所述温差发电系统具有冷端和热端，所述冷却系统分别连接所述温差发电系统的热端和所述冷却剂通道；
所述余热导出系统的一侧连接所述温差发电系统的热端，另一侧固定在所述核电源压力容器内壳壁上，利用海水冷却；
所述控制系统包括若干个控制棒，所述控制棒设置在所述反射层内。
2.根据权利要求1所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述温差发电系统包括微通道换热器、温差发电元件和热管接口传热器，所述温差发电元件的热端连接所述微通道换热器，所述温差发电元件的冷端连接所述热管接口传热器。
3.根据权利要求2所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述微通道换热器内部传热孔径为0.9-1.1mm。
4.根据权利要求2所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述冷却系统包括液态金属冷却剂，沿所述反应堆堆芯轴向，一端设置与所述冷却剂通道一端连通的第一腔体，另一端设置与所述冷却剂通道另一端连通的第二腔体，所述金属冷却剂经所述微通道换热器出口流出，依次进入第一腔体、冷却剂通道、第二腔体，流入微通道换热器入口。
5.根据权利要求4所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述微通道换热器出口与所述第一腔体连接的管道上设置电磁泵。
6.根据权利要求4所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述金属冷却剂为NaK合金冷却剂。
7.根据权利要求2所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述余热导出系统包括热管、铜基体，所述热管具有蒸发段和冷凝段，所述热管蒸发段与所述热管接口传热器连接，所述热管蒸发段插入在所述铜基体内，所述铜基体固定在所述核电源压力容器的内壁面，与所述内壁面发生热交换。
8.根据权利要求7所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述铜基体上设置导热翅片，所述导热翅片穿过所述核电源压力容器，并深入海水中。
9.根据权利要求1所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述燃料为富集度20％的二氧化铀。
10.根据权利要求1所述的适用于微型海洋堆电源系统，其特征在于，所述燃料与所述外壳之间填孔氦气。
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