CN117409998A - 一种光能反应堆系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光能反应堆系统及其工作方法，该系统包括核反应堆系统、导热油系统、太阳能热补偿系统。其中多组分换热蒸汽发生器是一个螺旋管并联圆管多通道换热蒸汽发生器，核反应堆所产生的热量由最外侧圆形管束中的钠将热量传递给非规则环形油通道的导热油，最后由导热油与螺旋管内水换热产生蒸汽。蒸汽出口连接再热器吸收来自太阳能热补偿系统热量，完成蒸汽再热，进入汽轮机中做功供以发电机发电。导热油系统作为钠和水的中间换热媒介，有效降低了钠水事故发生概率，显著提高了钠冷快堆整体安全性能；太阳能热补偿系统补偿了多组分蒸汽发生器中牺牲的转换效率，有效利用太阳能实现了核能与太阳能的协同运行、推动构建多能综合的新型电力系统。
Description
技术领域
本发明涉及第四代核能技术先进核反应堆领域，具体涉及一种光能反应堆系统及其工作方法。
背景技术
钠冷快堆作为最具发展前景的核能系统，使用液态金属钠作为堆芯冷却剂，目前的设计中，经由一二次侧钠换热后，于蒸汽发生器中完成钠侧与水侧的换热，实现蒸汽的产生。由于钠特殊的化学活性，钠冷快堆蒸汽发生器的设计研究中需要重点关注的问题就是钠与水会发生化学反应，并可能导致爆炸。而在传统蒸汽发生器结构发生泄漏时，钠与水可能形成直接接触，将造成严重的设备损坏和安全问题。
近年来通过不断的研究和开发，钠冷快堆蒸汽发生器的革新设计已经取得了相当的进步，特别是在尺寸结构和材料性能选择上旨在提高安全性和降低腐蚀。但是一方面，某些革新型蒸汽发生器需要解决安全结构设计所引起的能量损失新问题；另一方面，由水向钠侧泄露发生钠水直接接触现象的问题仍是各种蒸汽发生器设计的难题。
因此除了特别关注钠水事故所带来的影响以及开展相关事故保护研究和钠水安全分析和设计技术的研究工作之外，还可对钠水蒸汽发生器的换热形式进一步优化，从而提高快堆整体安全性。同时可以考虑其他新能源系统与核能系统的整合，以实现核能与新能源的互补互济，既满足多元化用能需求，又提升能源利用效率。
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一种光能反应堆系统及其工作方法，为提高先进核反应堆整体安全性，提供了一种钠冷快堆蒸汽发生器换热设计并协同太阳能系统进行热补偿，一定程度上满足了能源的多元化利用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光能反应堆系统，包括核反应堆系统、导热油系统、太阳能热补偿系统；所述核反应堆系统包括核反应堆1、热交换器2、多组分换热蒸汽发生器3、钠泵4、再热器5、汽轮机6、冷凝器7、给水泵8和发电机9，所述核反应堆中1的热交换器2二次侧钠出口与多组分换热蒸汽发生器3钠侧入口连通，多组分换热蒸汽发生器3钠侧出口与钠泵4连通，钠泵4出口与热交换器2二次侧钠入口连通，多组分换热蒸汽发生器3水侧出口与再热器5连通，再热器5与汽轮机6入口连通，汽轮机6出口与冷凝器7进口连通，冷凝器7出口与给水泵8连通，给水泵8出口与多组分换热蒸汽发生器3水侧入口连通；所述导热油系统包括膨胀罐10、热媒循环泵11和导热油炉12，所述多组分换热蒸汽发生器3中油侧出口与膨胀罐10连通，膨胀罐10与热媒循环泵11连通，热媒循环泵11与导热油炉12入口连通，导热油炉12出口与多组分换热蒸汽发生器3中油侧入口连通；所述太阳能热补偿系统包括吸热塔13、热盐罐14、冷盐罐15、熔盐泵16和定日镜17，所述定日镜17布置在吸热塔13的外部，吸热塔13的出口通过熔盐管道与热盐罐14的入口连通，热盐罐14的出口与再热器5的管侧熔盐入口连通，再热器5的管侧熔盐出口依次连接冷盐罐15和熔盐泵16的入口，熔盐泵16出口与太吸热塔13的入口连通。
所述多组分换热蒸汽发生器3是一个螺旋管并联圆管多通道换热蒸汽发生器，水、油、钠分别位于多组分换热蒸汽发生器3中的螺旋管内水通道、圆管与螺旋管组成的非规则环形油通道、最外侧圆形管束二次侧钠通道，其中螺旋管水通道完全包覆于油通道中完成水与导热油之间的换热，非规则环形油通道则与最外侧钠通道完成导热油与钠的换热；所述核反应堆1中产生热量由热交换器2中的二次侧钠带出，进入多组分换热蒸汽发生器3外侧钠通道，将热量传递给与之换热的导热油后经由钠泵4输送回热交换器2中；从导热油炉12加热至预定温度后的导热油由热媒循环泵11的持续驱动作为为多组分换热蒸汽发生器3中钠和水的中间换热媒介。
所述再热器5是一个连接核反应堆系统和太阳能热补偿系统的管壳式换热器，再热器5将太阳能热补偿系统所产生的热量用于补偿多组分换热蒸汽发生器3设计所带来的换热影响；冷盐罐15中的熔盐经熔盐泵16驱动进入吸热塔13，被加热后经热盐罐14后进入再热器5的管侧，多组分换热蒸汽发生器3中产生的水蒸汽进入再热器5的壳侧，被管侧的高温熔盐再热后进入汽轮机6做功，管侧被冷却的熔盐回到冷盐罐15。
优选地，位于非核岛建筑的太阳能热补偿系统与核反应堆系统之间，并未存在放射性接触风险而是在再热器(5)中实现热量交换，仅是对原有回路的优化设计，同时增加的导热油系统回路也是参考传统工艺流程，并没有增添工程难题。
作为本发明的优选实施方式，在该系统中，由核反应堆1所产生的热量经由钠回路在多组分换热蒸汽发生器3中将热量传递给非规则环形油通道的导热油，最后由导热油与螺旋管内水换热产生蒸汽。蒸汽出口连接再热器5的壳侧吸收来自管侧太阳能热补偿系统热量，完成蒸汽再热，在实现了优化核反应堆安全性能的同时，又有效地整合了太阳能，进入汽轮机6中做功供以发电机9发电，补偿了发电效率，兼顾了经济效益和安全性能。
和现有技术相比较，本发明具备以下优点：
1、本发明中太阳能热补偿系统通过收集太阳能对核反应堆系统中蒸汽发生器出口蒸汽进行再热，补偿了多组分蒸汽发生器中牺牲的换热效率，提高了发电效率，有效利用了太阳能。
2、本发明中核反应堆系统、导热油系统、太阳能热补偿系统三者紧密联系，在非核岛建筑中引入太阳能也能减少对太阳能系统的放射性影响，实现了核能与太阳能的协同运行、能源的多元化利用。
3、本发明中蒸汽发生器为螺旋管并联圆管多通道换热蒸汽发生器，导热油作为钠和水的中间换热媒介，有效地将钠、水通道隔开，降低了钠水事故发生概率，显著提高了钠冷快堆整体安全性能。
附图说明
图1为一种光能反应堆系统示意图。
图中：1-核反应堆；2-热交换器；3-多组分换热蒸汽发生器；4-钠泵；5-再热器；6-汽轮机；7-冷凝器；8-给水泵；9-发电机；10-膨胀罐；11-热媒循环泵；12-导热油炉；13-吸热塔；14-热盐罐；15-冷盐罐；16-熔盐泵；17-定日镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，一种光能反应堆系统，包括核反应堆系统、导热油系统、太阳能热补偿系统；所述核反应堆系统包括核反应堆1、热交换器2、多组分换热蒸汽发生器3、钠泵4、再热器5、汽轮机6、冷凝器7、给水泵8和发电机9，所述核反应堆中1的热交换器2二次侧钠出口与多组分换热蒸汽发生器3钠侧入口连通，多组分换热蒸汽发生器3钠侧出口与钠泵4连通，钠泵4出口与热交换器2二次侧钠入口连通，多组分换热蒸汽发生器3水侧出口与再热器5连通，再热器5与汽轮机6入口连通，汽轮机6出口与冷凝器7进口连通，冷凝器7出口与给水泵8连通，给水泵8出口与多组分换热蒸汽发生器3水侧入口连通；所述导热油系统包括膨胀罐10、热媒循环泵11和导热油炉12，所述多组分换热蒸汽发生器3中油侧出口与膨胀罐10连通，膨胀罐10与热媒循环泵11连通，热媒循环泵11与导热油炉12入口连通，导热油炉12出口与多组分换热蒸汽发生器3中油侧入口连通；所述太阳能热补偿系统包括吸热塔13、热盐罐14、冷盐罐15、熔盐泵16和定日镜17，所述定日镜17布置在吸热塔13的外部，吸热塔13的出口通过熔盐管道与热盐罐14的入口连通，热盐罐14的出口与再热器5的管侧熔盐入口连通，再热器5的管侧熔盐出口依次连接冷盐罐15和熔盐泵16的入口，熔盐泵16出口与太吸热塔13的入口连通。
所述多组分换热蒸汽发生器3是一个螺旋管并联圆管多通道换热蒸汽发生器，水、油、钠分别位于多组分换热蒸汽发生器3中的螺旋管内水通道、圆管与螺旋管组成的非规则环形油通道、最外侧圆形管束二次侧钠通道，其中螺旋管水通道完全包覆于油通道中完成水与导热油之间的换热，非规则环形油通道则与最外侧钠通道完成导热油与钠的换热；所述核反应堆1中产生热量由热交换器2中的二次侧钠带出，进入多组分换热蒸汽发生器3外侧钠通道，将热量传递给与之换热的导热油后经由钠泵4输送回热交换器2中；从导热油炉12加热至预定温度后的导热油由热媒循环泵11的持续驱动作为为多组分换热蒸汽发生器3中钠和水的中间换热媒介。
所述再热器5是一个连接核反应堆系统和太阳能热补偿系统的管壳式换热器，再热器5将太阳能热补偿系统所产生的热量用于补偿多组分换热蒸汽发生器3设计所带来的换热影响；冷盐罐15中的熔盐经熔盐泵16驱动进入吸热塔13，被加热后经热盐罐14后进入再热器5的管侧，多组分换热蒸汽发生器3中产生的水蒸汽进入再热器5的壳侧，被管侧的高温熔盐再热后进入汽轮机6做功，再热器5管侧被冷却的熔盐回到冷盐罐15。
本实例中，位于非核岛建筑的太阳能热补偿系统与核反应堆系统之间，并未存在放射性接触风险而是在再热器5中实现热量交换，仅是对原有回路的优化设计，同时增加的导热油系统回路也是参考传统工艺流程，消减了工程施展难度。
本实例的实际运行中，由核反应堆1所产生的热量经由钠回路在多组分换热蒸汽发生器3中将热量传递给非规则环形通道的导热油，最后由导热油与螺旋管内水换热产生蒸汽。蒸汽出口连接再热器5的壳侧吸收来自管侧太阳能热补偿系统热量，完成蒸汽再热，在实现了优化核反应堆安全性能的同时，又有效地整合了太阳能，补偿了发电效率，兼顾了经济效益和安全性能。
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中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。
Claims (6)
1.一种光能反应堆系统，其特征在于：包括核反应堆系统、导热油系统和太阳能热补偿系统；所述核反应堆系统包括核反应堆(1)、热交换器(2)、多组分换热蒸汽发生器(3)、钠泵(4)、再热器(5)、汽轮机(6)、冷凝器(7)、给水泵(8)和发电机(9)，所述核反应堆中(1)的热交换器(2)二次侧钠出口与多组分换热蒸汽发生器(3)钠侧入口连通，多组分换热蒸汽发生器(3)钠侧出口与钠泵(4)连通，钠泵(4)出口与热交换器(2)二次侧钠入口连通，多组分换热蒸汽发生器(3)水侧出口与再热器(5)连通，再热器(5)与汽轮机(6)入口连通，汽轮机(6)出口与冷凝器(7)进口连通，冷凝器(7)出口与给水泵(8)连通，给水泵(8)出口与多组分换热蒸汽发生器(3)水侧入口连通；所述导热油系统包括膨胀罐(10)、热媒循环泵(11)和导热油炉(12)，所述多组分换热蒸汽发生器(3)中油侧出口与膨胀罐(10)连通，膨胀罐(10)与热媒循环泵(11)连通，热媒循环泵(11)与导热油炉(12)入口连通，导热油炉(12)出口与多组分换热蒸汽发生器(3)中油侧入口连通；所述太阳能热补偿系统包括吸热塔(13)、热盐罐(14)、冷盐罐(15)、熔盐泵(16)和定日镜(17)，所述定日镜(17)布置在吸热塔(13)的外部，吸热塔(13)的出口通过熔盐管道与热盐罐(14)的入口连通，热盐罐(14)的出口与再热器(5)的管侧熔盐入口连通，再热器(5)的管侧熔盐出口依次连接冷盐罐(15)和熔盐泵(16)的入口，熔盐泵(16)出口与太吸热塔(13)的入口连通。
2.根据权利要求1所述的一种光能反应堆系统，其特征在于：核反应堆(1)中产生热量由热交换器(2)中的二次侧钠带出，进入多组分换热蒸汽发生器(3)外侧钠通道，将热量传递给与之换热的导热油后经由钠泵(4)输送回热交换器(2)中；从导热油炉(12)加热至预定温度后的导热油由热媒循环泵(11)的持续驱动作为多组分换热蒸汽发生器(3)中钠和水的中间换热媒介。
3.根据权利要求2所述的一种光能反应堆系统，其特征在于：所述多组分换热蒸汽发生器(3)是一个螺旋管并联圆管多通道换热蒸汽发生器，水、油、钠分别位于多组分换热蒸汽发生器(3)中的螺旋管内水通道、圆管与螺旋管组成的非规则环形油通道、最外侧圆形管束二次侧钠通道，其中螺旋管水通道完全包覆于油通道中完成水与导热油之间的换热，非规则环形油通道则与最外侧钠通道完成导热油与钠的换热；导热油通道中导热油作为中间换热媒介有效地隔离钠、水换热通道，降低了钠水事故发生概率。
4.根据权利要求1所述的一种光能反应堆系统，其特征在于：所述再热器(5)是一个连接核反应堆系统和太阳能热补偿系统的管壳式换热器，再热器(5)作为太阳能热补偿系统与核反应堆系统之间重要的热量纽带，有效利用太阳能补偿了核反应堆，冷盐罐(15)中的熔盐经熔盐泵(16)驱动进入吸热塔(13)，被加热后经热盐罐(14)后进入再热器(5)的管侧，多组分换热蒸汽发生器(3)中产生的水蒸汽进入再热器(5)的壳侧，被管侧的高温熔盐再热后进入汽轮机(6)做功，再热器(5)管侧被冷却的熔盐回到冷盐罐(15)。
5.根据权利要求1所述的一种光能反应堆系统，其特征在于：位于非核岛建筑的太阳能热补偿系统与核反应堆系统之间，并未存在放射性接触风险而是在再热器(5)中实现热量交换。
6.权利要求1-5任一项所述的一种光能反应堆系统的工作方法，其特征在于：由核反应堆(1)所产生的热量经由钠回路在多组分换热蒸汽发生器(3)中将热量传递给非规则环形通道的导热油，最后由导热油与螺旋管内水换热产生蒸汽；蒸汽出口连接再热器(5)的壳侧吸收来自管侧太阳能热补偿系统热量，完成蒸汽再热，进入汽轮机(6)中做功供以发电机(9)发电。
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