CN1310254C - 由高温核反应堆的堆芯所产生的热量来发电的设备和方法 - Google Patents

Abstract

使与高温核反应堆(1)的堆芯(5)相接触的第一载热气体在封闭回路中循环，并通过与第一换热气体即载热气体与第二换热气体之间的热交换而对第二换热气体进行加热，以及利用由第一载热气体在中间换热器(7)中加热后的第二换热气体，以驱动至少一个与发电机(4)相连的燃气轮机(2)。第一换热气体主要由氦构成，第二换热气体含有体积比例为50%-70%的氦，以及50%-30%的氮。使第二换热气体在封闭回路中循环，以使第二换热气体保证能够驱动至少一个燃气轮机(2)。本发明的设备最好还包括一个第三回路(10)，其中循环着水和蒸汽，所述蒸汽是对来自第二换热气体一部分的水进行加热而形成的，并且用来驱动一些最好是安装在发电机(4)轴上的蒸汽轮机(3a，3b，3c)。

Description

由高温核反应堆的堆芯所产生的热量来发电的设备和方法

技术领域

[01]本发明涉及由在至少一个核反应堆的堆芯中所产生的热量来发电的设备和方法，尤其是涉及一高温核反应堆。

背景技术

[02]人们知道，在正在运行的核反应堆中，这些反应堆的载热流体处于很高的温度(例如高于800℃)，相比较而言，用来发电的反应堆，比如PWR反应堆，其载热流体的温度为320℃左右。

[03]这样的一些高温反应堆由一载热流体进行冷却，载热流体通常是气体，例如氦，它具有非常好的热交换特性，而且完全是惰性的。

[04]在核反应堆堆芯的出口处，载热气体的温度基本上等于堆芯的温度，例如温度为850℃。

[05]在某些发电方法中，人们提出直接利用与核反应堆的堆芯相接触的已经加热了的氦，用以驱动一个与发电机，例如交流发电机，相连接的燃气轮机。

[06]用以驱动燃气轮机的氦，在该燃气轮机出口处的压力基本上小于用以冷却核反应堆堆芯的作为载热流体的氦的压力。因此，在燃气轮机出口处收回的氦在被送回到核反应堆堆体中之前应当被重新压缩，以保证堆芯的冷却。因此应当使用多级的低压压缩机和高压压缩机，以便将从燃气轮机出口处收回的氦，在将其送回到与堆芯相接触的反应堆堆体中之前，对其重新进行压缩。在氦的各级压缩中最好还应当结合有换热器，用以调节氦的温度，以便使压缩机以理想的能量效率进行作用。

[07]在这类设备中，由燃气轮机的轴所驱动的压缩机消耗了相当数量的能量，这些能量不会通过发电机转换为电能，因而也就降低了该设施总的效率。

[08]另外，由核反应堆的堆芯所产生的直接循环的热量来发电的、并且利用氦作为载热气体的这种设备，应当以完全封闭的回路运行，且需要最大程度地减小氦在该发电设备的闭合回路中的消耗。

[09]由于用以驱动燃气轮机的、要在各级压缩机中重新压缩的气体是一种具有很强扩散能力的轻的气体，这就需要设计专门工艺的、非常规的燃气轮机和压缩机。必须设计特殊类型的轴承和密封接头和轴承，以及一些能够降低各级压缩机入口处温度的换热器，以使这些压缩机实现更佳的能效。

[10]一般来说，为了在一循环中直接使用氦作为工作气体，要对所使用的各组成部分的整体，特别是燃气轮机和诸压缩机，作专门的研究和设计。

[11]离使用燃气轮机的常规技术越远，对各组成部分——尤其是那些燃气轮机和压缩机——的研究和设计就显得越昂贵。

[12]此外，用来驱动燃气轮机并且在压缩机中重新被压缩的氦，构成了与核反应堆堆芯元件相接触的第一换热流体，因此它可能含有一些放射性的物质。燃气轮机、诸压缩机、诸换热器和发电机应当被安置在一个位于核反应堆堆体附近的密封的封闭体中，以保证作为载热流体的氦从核反应堆中流出和返回，以及以此屏蔽放射性。

[13]已经提出了一些通过由氦冷却的高温核反应堆来发电的设备，在这些设备中，燃气轮机不是由那些易含有与堆芯接触的放射性物质的气体来驱动。为此使用了一个中间换热器，以在与反应堆堆芯相接触且封闭循环的载热流体氦和第二流体氦之间进行热交换，所述第二流体氦也在封闭回路中循环并保证对燃气轮机的驱动。尽管如此，在这种使用第一流体氦和第二流体氦的两种流体的循环中，由于第二流体是由氦构成，所以仍然存在着与燃气轮机和压缩机、以及设备的附属部分的第二部分的其它元件相关的设计问题。此外，还需要设计一中间换热器，其中循环着都是由氦构成的第一流体和第二流体。

[14]此外，人们还知道另外的一些带有一燃气轮机的发电设备，其中的燃气轮机由很高温度和压力的空气来驱动。

[15]用以驱动燃气轮机的、很高温度和压力的空气是在一个燃烧室中产生的，向该燃烧室中引入高压的助燃空气和一种可燃气体，后者例如可以是天然气。在燃烧室的出口处即可获得很高压力和温度的、燃烧气体和空气的混合体，其温度例如为1300℃，该混合体含有燃烧物质，例如CO₂，CO和一些氮氧化物。在这种情况下，使用一种高性能的燃气轮机，它的设计及其构成材料要保证其能够在很高温度的气体下的运行。这样的设备以开放式运行，主要由空气构成的用以驱动燃气轮机的气体被排入大气。

[16]实际上，为使天然气能够燃烧，应当向燃烧室中引入含有足够比例氧的新鲜空气。

[17]在排入大气之前，从燃气轮机中排出的高温气体可以被送入一个或依次送入几个蒸汽发生器或换热器中，这些蒸汽发生器或换热器供有水、湿蒸汽或超临界状态的水，以便产生出能够驱动一个或几个蒸汽轮机的干燥蒸汽。

[18]通常，使用高压、中压、低压三级蒸汽轮机，它们被设置在与燃气轮机轴相同的同一个轴上，用以驱动发电机。低压蒸汽轮机出口处的蒸汽被送入到一个冷凝器中，冷凝后的水在供有高压蒸汽的蒸汽发生器的第二部分中重新循环。

[19]一这类设备的优点在于它只包含传统类型的组成部分，例如由主要含有氮和一些燃烧气体的这样一种燃烧气体来驱动的燃气轮机，以及一些蒸汽轮机，它们都完全是各种发电设施中传统的组成部分。

[20]然而这类设备的能效不高，在排入大气的气体中，仍含有相当数量的未被利用的热量。

[21]此外，在热量由高温核反应堆堆芯生产的情况下，难以采用这样的开放式结构。

[22]在英国专利GB-2,050,679中，提出了一种利用由氦冷却的一核反应堆所产生的热量加以利用的方法和装置，它采用了设置在核反应堆安全结构外部的第二回路，其中循环着由氦和氮构成的气体混合体，且由用以冷却核反应堆的氦对该混合体进行加热。在第二回路中设置了一个燃气轮机，一些冷却器和一些压缩机，第二气体以封闭回路在这些组成装置中循环。

发明内容

[23]因此，本发明的目的是提出一种由在至少一个高温核反应堆的堆芯中所产生的热量来发电的方法，包括使与核反应堆堆芯相接触的作为载热流体的第一换热气体在封闭回路中循环，并通过与第一换热气体之间的换热而对第二换热气体进行加热，以及利用由第一换热气体加热后的第二换热气体，以驱动至少一个与发电机相连的燃气轮机。该方法能够获得很高的能效，并且采用了无需深入研究设计的传统类型的组成。

[24]为此，第一换热气体主要由氦构成，第二换热气体含有体积比例为50％-70％的氦，以及50％-30％的氮；使第二换热气体在封闭回路中循环，使得由第一换热气体加热后的第二换热气体保证能够驱动至少一个燃气轮机；以及在第二换热气体流过燃气轮机之后，回收利用其至少第一部分热量，用于在至少一个蒸汽发生器中保证对水的加热和使之汽化，以产生出蒸汽，用以驱动至少一个与发电机相连的蒸汽轮机。

[25]最好还能够回收利用第二换热流体的至少第二部分的热量，例如在蒸汽发生器的第一部分的出口处，或者在燃气轮机的出口处，，以保证向附加的一设施供热，例如城市的供热系统，海水淡化工厂，或者工业热力的各种其它的应用。

[26]在某些情况下，可以考虑利用由作为核反应堆载热流体的第一流体的温度所加热的第二换热流体中的一部分第二换热流体，以保证某种需要很高温度的一气体的性能，例如氢的生产。

[27]本发明还涉及一种依照本发明方法的发电设备。

附图说明

[28]为了更好地理解本发明，下面将结合附图描述一个完全作为举例的、依照本发明方法的由热量发电的发电设备的实施方式。其中：

[29]图1是本发明设备的整体的示意图；

[30]图2是按照一个具有两个核反应堆的实施变型的一设备的整体的示意图。

具体实施方式

[31]图1所示的的设备主要包括：一个以整体方式标记为1的高温核反应堆，一个燃气轮机2，三个蒸汽轮机3a，3b，3c，以及一个由交流发电机构成的发电机4，其转子安装在由燃气轮机2和三级蒸汽轮机3a，3b，3c所共有的一个驱动轴11上。

[32]核反应堆1包括一个堆芯5，它产生出其运行温度可达850℃左右的热量，在某些高温反应堆类型中，这一温度可能更高，例如950℃左右。

[33]核反应堆1还包括第一回路6，它是其中循环着氦载热体的一闭合回路。在核反应堆1的第一回路6中设有一中间换热器7，它能够对第二回路中的换热气体进行加热，还能够使得在第一回路中循环并且构成了核反应堆载热体的氦重新冷却。

[34]在核反应堆的第一回路6中还设有泵8，用来确保氦在第一回路中的循环，以及当氦被引入反应堆的堆芯5中时将它略微加压到70巴(bar)的压力。构成了反应堆载热流体的氦在其经过中间换热器7时只受到很小的压力损失，因而能够使用一氦循环泵，它在氦的加压输送中只需保证略微增压即可。这种泵属于现有技术。

[35]中间换热器7保证了由氦所构成的离开堆芯5时的温度接近850℃左右的堆芯温度的第一流体与在总体标记为9的第二回路中循环的第二换热气体之间的热交换。

[36]按照本发明，在回路9中循环的第二换热气体主要由氦-氮的混合体构成，或者还可以是氦-空气的混合体。尽管如此，还是推荐使用、但并非局限于使用氦-氮的混合体，以便消除或者减少第二回路中的氧化。中间换热器具备，能在发电设备运行时所产生的压力和温度条件下，使第一和第二换热气体之间进行换热的性能。

[37]按照通常的方式，构成了设备中第二流体的第二气体含有大致为50％-70％体积的氦，以及50％-30％体积的氮。

[38]氦-氮混合体在其中循环的第二回路是完全封闭的，在确保使第二换热气体驱动燃气轮机2、并且如同不久将要描述的另一加热功能那样，对在第三回路10中循环的例如水进行加热和使之汽化之后，第二换热气体被重新引入中间换热器，以便由核反应堆的载热体氦所构成的第一换热气体重新进行加热。

[39]通常，第二换热气体的氦-氮混合体在300℃的温度下进入到中间换热器中，以便由载热体氦所构成的第一换热气体将其加热到800℃的温度，第一换热气体在中间换热器7中的温度为850℃左右，而离开中间换热器时的温度为350℃左右。

[40]如同下面将描述的，中间换热器7在等压下运行，第一换热气体和第二换热气体处于相等的压力下，例如在进入和离开中间换热器7时的压力大约都是70巴左右。

[41]以800℃的温度和70巴的压力离开中间换热器的第二换热气体被送至燃气轮机2的入口，第二换热气体或称第二气体确保使燃气轮机转动。燃气轮机2的转动部分最好固定在该燃气轮机2和三个蒸汽轮机3a，3b，3c的公共旋转轴11上，后者再连接于交流发电机4的转子。还可以预料，将燃气轮机的转动部分固定于交流发电机的第一驱动轴、以及蒸汽轮机(通常是两个或三个)固定于交流发电机的第二驱动轴。

[42]在燃气轮机2的出口处，第二换热气体的温度为600℃、最大压力为50巴，该压力最好是20-30巴。

[43]为了有助于理解图1，核反应堆5的载热体氦在其中循环的第一回路6是以实体线表示的，氦-氮混合体在其中循环的第二回路9的管线是以双线表示的，而设备中的第三流体即水和蒸汽在其中循环的第三回路10则以实体线的形式来表示，它的宽度小于用来表示第一回路6的实体线的宽度。

[44]在燃气轮机2的出口处，温度大约为600℃的第二换热气体被第二回路9的管路收回，以将其送至蒸汽发生器12和换热加热器13a，13b，后者被安插在水和蒸汽在其中循环的设备的第三回路10的某些部分上。

[45]与燃气轮机2的出口相连的第二回路9的管路，有一个分支连接于蒸汽发生器12的第一部分，以蛇形表示的第二部分中供有被加热和汽化的水。燃气轮机出口管路的第二分支连接于分别通往换热加热器13a，13b的第二分支和第三分支。

[46]燃气轮机2的出口管路的诸分支以这样的方式实现：蒸汽发生器12的第一部分获得多达80％体积的第二换热气体，而换热器13a，13b获得20％体积的第二换热气体。

[47]在(图中所示的)设备具有三级蒸汽轮机的情形中，最好是第一级获得大约74％体积的换热气体，后两级各获得13％。在设备只具有两级蒸汽轮机的情形中，第一级最好能够获得大约70％体积的第二换热气体，而第二级获得30％。

[48]在燃气轮机出口处回收的第二换热气体，它的第一部分热量被用来在第三回路中产生出蒸汽和驱动一些蒸汽轮机。

[49]第三回路10包括一个主部，它一方面连接至蒸汽发生器12的第二部分的入口处，另一方面连接至冷凝器15的出口处，而冷凝器15本身又连接至低压蒸汽轮机3c的出口处，以确保出自蒸汽轮机3c出口的湿蒸汽的冷凝。至少一个泵14用以保证在水和蒸汽的第三回路10的主部中的水的循环，以使得从冷凝器15中抽吸的水和由蒸汽轮机3c的蒸汽中冷凝的水被送至蒸汽发生器12的第二部分的入口处。

[50]在蒸汽发生器12的内部，第二回路9中的、到达蒸汽发生器第一部分入口处的、温度可在550～700℃之间变化的第二换热气体与蒸汽发生器第二部分中的供水进行热交换，以便在蒸汽发生器的出口处可以获得温度为500～600℃的干燥蒸汽。干燥蒸汽通过管路10a被送进高压蒸汽轮机3a的入口。

[51]在高压蒸汽轮机3a的出口处，湿蒸汽由第三回路10的第一中间管路10′收回，湿蒸汽被送至换热加热器13a的入口，换热加热器13a接收到温度为600℃的第二换热气流。这样就实现了湿蒸汽的过热和干燥，以便获得温度在500～600℃之间的、例如在520～580℃之间的干燥蒸汽。

[52]在换热加热器13a出口处获得的干燥蒸汽被送进中压蒸汽轮机3b的入口，以确保驱动该汽轮机。在中压蒸汽轮机3b的出口处，通过第三回路10的第二中间管路10″来回收湿蒸汽；通过与第二回路9中的、温度为550～700℃的第二换热气体之间的热交换，以保证所述湿蒸汽在换热加热器13b中的过热和干燥。

[53]在过热加热器13b的出口处可以获得温度在500～600℃之间的、例如在520～580℃之间的干燥蒸汽，它们通过干燥蒸汽的第三供应管道10c被送进送进低压蒸汽轮机3c的入口，以确保驱动该汽轮机。

[54]如前所述，蒸汽在低压蒸汽轮机3c的出口处被收回，以通过水和蒸汽的第三回路10的主部管路将其送至冷凝器。

[55]在蒸汽轮机3c的出口处被收回的温度为30～35℃的低压蒸汽和水在冷凝器中被冷凝为25～30℃的水，并由第三回路10的主部将其收集。在该主部中设置了逆流换热器16，其第一部分的入口处接收着从蒸汽发生器12出口处和从换热加热器13a，13b中通过第二回路的一些管道而收集的、且在第二回路9中循环的第二换热气体，所述的那些管道连接到换热器16第一部分的一个公共的入口供应管上。

[56]换热器16例如可以是交叉流或者逆流类型的，到达换热器16第一部分入口处的第二回路第二换热气体是由分别来自蒸汽发生器12和换热器13a，13b的第二回路气体所构成，其温度将是160～300℃。

[57]通过与送进换热器16入口的第二换热气体之间的换热，到达换热器16第二部分中的、先前温度为30℃左右且由泵14升高了其压力的水，被加热到200～250℃的温度。

[58]重新加热后的并且能够处于临界压力状态下的水被送进蒸汽发生器12的第二部分的入口，以使之过热和汽化。其中设有蒸汽发生器12，蒸汽轮机3a，3b，3c，以及换热加热器13a，13b的第三回路就这样以闭路的方式工作。

[59]在逆流换热器16的出口处收回的第二回路9的第二换热气体，在经过了一个设在第二回路中朝向中间换热器7的返回管路上的压缩机之后，通过第二回路的管道被送回到中间换热器7的第二部分中。压缩机18能够将第二回路中的换热流体的压力升高到与第一回路中的压力基本相等的程度。也就是说，达到大约70巴。

[60]基于在换热器16出口处收回的第二换热流体的压力情况，使用具有1.5～3压缩比的压缩机就已足够。

[61]压缩机18包括一个转动部分，它可以安装在燃气轮机2、蒸汽轮机3a，3b，3c、以及发电机4的转子共有的一个公共轴11上。

[62]因此，全都安装在轴11上的(或者如前所述，也可以安装在第一轴和第二轴上的)燃气轮机2和蒸汽轮机3a，3b，3c，除了驱动发电机4的转子之外，只用来保证压缩机18的驱动。压缩机18所消耗的、用来以1.5～3的压缩比压缩第二换热流体的能量只占燃气轮机和蒸汽轮机所提供能量的很小部分，因而发电机4所得到的能量只略小于该设备所提供的总能量。

[63]第二回路的第二换热气体在进入中间换热器7之前，由压缩机进一步加热至温度达到300℃。如前所述，通过中间换热器7，由氦-氮混合体所构成的第二换热气体被加热至温度达到800℃，第二换热气体的压力也达到了70巴。

[64]将中间换热器7制造成逆流型板式换热器是特别有益的。由于第一换热气体由氦构成，以及由于第二换热气体含有相当大比例的氦，因而使之具有良好换热系数的这样一种板式换热器是能够实现的。所述这些气体的换热系数相当出色，由此获得一种很高效率的板式换热器。

[65]板式换热器最好制造成模块式的，它包括一些平行设置的单元，每个单元用来接收第一流体和第二流体的基本的流量。

[66]板式换热器的缺点之一是它只能承受第一流体和第二流体之间很小的压力差。当中间换热器7采用板式换热器的情况下，在换热器的出口处和入口处的第一流体的压力，如同在换热器的出口处和入口处的第二流体的压力一样，基本上是彼此相等的，这些压力例如都是70巴左右。

[67]尽管如此，在设备运行的某些过渡时期，或者当出现意外或事故时，例如管道断裂，就可能在充满氦的第一回路和氦-氮混合体在其中循环的第二回路之间出现压力差。

[68]为了在过渡期间使得板式换热器7的初级部分和次级部分之间实现压力平衡，使用一个压力平衡阀20，它的处于阀芯19中的腔室包括两个由柱塞分隔开的部分，其中之一连接于第一回路；另一部分则连接于第二回路，连接在第二流体通向中间换热器的进入管道上。

[69]如图1中所见，还可以设置第二回路9的分流管道9′，它在第二流体通往中间换热器的返回管道和第二流体进入逆流换热器16的进入管道之间进行分流。一些调节阀27a，27b分别设置在分流管道和流体进入逆流换热器16的进入管道上，用以调节分流支线9′中所流过的流量，在分流支线上还设有中温换热器30，它的第一部分接收了由分流管道9′所汲取的第二流体。这部分第二流体的温度为200℃，它能够将换热器30的第二部分30a中所循环的例如水之类的流体的温度升高到接近200℃。这样就使第二换热流体中所含的热量再次得以利用，它的首次利用是在燃气轮机的出口处用于水和蒸汽的第三回路。换热器30也可以是板式换热器。

[70]在换热器30的第二回路30a中获得的200℃的压力热水可用于城市热力系统的供热，或者用于向海水淡化工厂提供蒸发热。

[71]因此，在第二流体通过压缩机18而返回到中间换热器之前，可以利用残留在第二流体中的一部分热量。在压缩机18的入口处，第二流体的温度是很低的；而压缩机确保了第二流体在中间换热器入口处的温度升高到300℃。

[72]在某些情况下，要求拥有很高温度的流体以供某些需要，例如氢的生产。在中间换热器的出口处汲取一部分第二流体，即可获得这种具有很高温度的流体。

[73]为了提高发电设备的效率，可以使用串连的多个燃气轮机，以便在中间换热器的某一部分中对气体重新加热之后，每一个位于前一个燃气轮机之后的燃气轮机接收来自于前一个燃气轮机出口的气体。这些顺序的燃气轮机的转动部分可以连接于发电机的同一个驱动轴上。因而这些顺序的燃气轮机的每个入口处的气体具有基本恒定的温度，例如800℃，而且其压力是逐渐减小的。在模块化的板式换热器的情况下，可以使用顺序的模块或模块组件，以实现对诸个燃气轮机的出口处收回的气体的不同部分进行重新加热，并把气体重新导入到下一个燃气轮机中。

[74]此外，为了改善设备的第三部分的性能，该部分包括：水和蒸汽的第三回路10、蒸汽发生器、一些换热器和一些蒸汽轮机，可以提高第三回路中提供给蒸汽轮机的水的压力值，直到水处于其临界状态。

[75]用以保证水的加热以实现附加功能的换热器30最好是板式换热器，然而它也可以是管式换热器。

[76]在图2中表示了根据本发明的一个变型实施方式的一设备。根据本该变型设备，除了包括两个高温核反应堆1a，1b而不是单独一个核反应堆之外，它与结合图1所述的设备相同，并且它包括：一个其中循环着由氦-氮混合体构成的换热流体的第二回路9，一个含有水和蒸汽的第三回路10，一个燃气轮机2和三个蒸汽轮机3a，3b，3c，以及一个中温换热器30。通常，在图1和图2中相应的元件被标以相同的附图标记。

[77]两个核反应堆1a，1b最好以相似的方式制造并具有相同的功率。每个高温核反应堆包括一个第一回路6a或6b，当核反应堆运行时，一些构成了反应堆载热气体的例如850℃的高温的氦在该回路中循环。在每个第一回路6a或6b中设置了一个中间换热器7a或7b，以保证在构成设备的第一换热流体的氦和在第二回路9中循环的第二换热流体两者之间的热交换。为此，换热器7a和7b的第一部分连接于相应的第一回路6a或6b；换热器7a和7b的第二部分通过各自的支路9a或9b而连接于第二回路，所述的支路9a和9b在压缩机18的下游连接于第二回路的管路。换热器7a和7b的第二部分中供有冷却的第二换热流体，其压力基本上等于核反应堆1a，1b的第一回路6a或6b中的氦的压力。通过各自的压力平衡阀20a，20b使得第二换热流体的压力保持在基本相同于第一回路中的氦的压力，这些平衡阀与图1所示设备中的阀20相同，每个平衡阀连接于向中间换热器供流的第二回路的管路，并且连接于相应的第一回路。

[78]在向中间换热器供应第二换热流体的每个供流支路9a或9b上设置了相应的阀21a或21b，用以调节或阻断第二换热流体朝相应的中间换热器的循环。在中间换热器中加热后的第二换热流体用于驱动燃气轮机2。

[79]在第一和第二核反应堆1a，1b同时工作的情况下，阀21a和21b都处于开启状态，第二换热流体由两个核反应堆进行加热。当其中一个核反应堆，例如第二反应堆1b，不工作时，例如处于重新装载燃料或修理维护期间，第二阀21b关闭而第一阀21a开启，于是设备仍然工作，并且利用着由仍然工作着的第一反应堆1a所产生的热量。

[80]这样就通过使两个反应堆的停机期间在时间上错开而避免了不得不关闭整个设备。

[81]如前所述，本发明的方法和设备的一个很大的优点在于，在一些能量发出设备中，例如在发电设备中，可以使用传统的装置，比如：以具有接近于空气的热力学特性的气体来运行的燃气轮机，低压缩比的压缩机，以及传统类型的蒸汽轮机。

[82]本发明的方法和设备的另一个优点在于，使用含有很大比例的氦的第二流体，它具有非常好的换热特性；尤其是大大提高了含有水的第三回路中的换热器和蒸汽发生器的效率。使用蒸汽轮机能够使得核反应堆产生的热量得以优化利用。

[83]本发明并不局限于业已描述的实施例。

[84]该设备可以包括单独的一个核反应堆，或者包括能够同时运行的至少两个核反应堆，以便向氦和氮所构成的第二流体提供热量；还可以关闭其中的一个或几个核反应堆，于是该设备通过仍在工作的一个或几个反应堆而运行。

[85]还可以预料到由一个或几个核反应堆产生并向第二流体传送的热量的某些附加的利用，这些利用与业已描述的不尽相同。

[86]本发明能够利用所有高温核反应堆所产生的热量，也就是说，核反应堆堆芯在至少等于800℃的温度工作。

Claims (21)

1.由在至少一个高温核反应堆(1)的堆芯(5)中所产生的热量来发电的方法，其包括使与所述核反应堆(1)的堆芯(5)相接触的一载热气体或一第一换热气体在封闭回路中循环，并通过与所述第一换热气体的热交换而加热一第二换热气体，以及利用由所述第一换热气体加热后的所述第二换热气体来驱动至少一个与一发电机(4)相连的燃气轮机(2)；

其特征在于，所述第一换热气体由氦构成，而所述第二换热气体含有体积比例为50％-70％的氦、以及50％-30％的氮；

使所述第二换热气体在封闭回路中循环，使得由所述第一换热气体加热后的第二换热气体保证能够驱动至少一个燃气轮机(2)；

以及回收利用所述已经流过所述燃气轮机(2)的第二换热气体的至少第一部分热量，以在至少一个蒸汽发生器(12)中保证对水的加热并使之汽化，从而产生出蒸汽，用以驱动至少一个与所述发电机(4)相连的蒸汽轮机(3a，3b，3c)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，回收利用所述第二换热气体的至少第二部分的热量，以保证向一附加的设备(30)的供热。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述附加的设备(30)是一城市的供热系统。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述附加的设备(30)是一海水淡化工厂。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，回收利用由所述第一换热流体所加热的第二换热气体中的至少一部分热量，以保证在驱动所述燃气轮机(2)之前实现一项需要很高温度流体的工作。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述需要很高温度流体的工作是氢的生产。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过与同时运行的至少两个核反应堆(1a，1b)冷却所用的载热气体之间的热交换而对所述第二换热气体进行加热；以及当其中的至少一个第二核反应堆(1a，1b)停机时，通过与所述至少两个核反应堆中的至少一个第一核反应堆(1a，1b)的载热气体之间的热交换而对第二换热气体进行加热。

8.由在至少一个高温核反应堆(1)的堆芯(5)中所产生的热量来发电的设备，其包括：其中循环着用来冷却所述反应堆堆芯(5)的第一换热气体的第一回路(6)；通过一轴(11)而与一发电机(4)相连的燃气轮机(2)；以及所述燃气轮机(2)接入其中的、供一第二换热气体循环的第二回路(9)；

其特征在于，所述设备还包括：至少一个中间换热器(7)，其具有与所述核反应堆(1)的第一回路(6)相连的第一部分，以及与所述第二回路(9)相连的第二部分，用以保证由所述反应堆堆芯所产生的热量通过第一换热气体对第二换热气体进行加热；还包括其中安置有至少一个蒸汽发生器(12)和至少一个蒸汽轮机(3a)的、供水和蒸汽循环的第三回路(10)；

所述中间换热器(7)和所述燃气轮机(2)具有的特性适合于使用氦作为第一换热气体，以及使用氦和氮的混合体作为第二换热气体；

所述蒸汽发生器(12)包括安插在水和蒸汽的第三回路(10)中的第二部分，用于在其入口处接收水和在出口处向所述蒸汽轮机(3a)提供蒸汽，蒸汽发生器(12)还包括安插在所述第二回路(9)中的第一部分，用于接收离开所述燃气轮机(2)后的第二换热气体。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第三回路(10)还包括一第一换热加热器(13a)，其第二部分连接于构成一高压蒸汽轮机的所述第一蒸汽轮机(3a)的出口，用以接收湿蒸汽，并且它的出口连接于一第二蒸汽轮机(3b)或中压蒸汽轮机；一第二换热加热器(13b)具有一第二部分，所述第二部分的入口与所述中压的第二蒸汽轮机(3b)的出口相连，以此接收湿蒸汽，以及，它的出口连接于一第三蒸汽轮机(3c)或低压蒸汽轮机的入口，所述第三蒸汽轮机的出口连接于其上设有一冷凝器(15)的第三回路(10)；所述第一和第二换热加热器(13a，13b)各自都具有第一部分，所述第一部分供有来自所述第二回路(9)的支路的第二换热气体，用以重新加热和干燥被引入到所述换热加热器的第二部分的入口中的湿蒸汽，并且，所述第三回路(10)是一个封闭回路，能够把取自所述冷凝器(15)的水送至所述蒸汽发生器(12)的第二部分的入口。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，一逆流换热器(16)设置在所述第三回路(10)的一部分中，用以保证冷凝的水返回到所述蒸汽发生器(12)的第二部分的入口处，因此所述逆流换热器(16)的第二部分在其入口处接收来自于所述冷凝器(15)的水，以便其出口向所述蒸汽发生器(12)提供加热后的水，以及所述换热器(16)的第一部分中流通着从所述蒸汽发生器(12)和诸换热加热器(13a，13b)的第一部分的出口处回收的第二换热气体。

11.如权利要求8至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述中间换热器(7)是一板式换热器。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述第二回路(9)是完全封闭的，并且包括一压缩机(18)，用以在所述第二换热气体被重新引入到所述中间换热器(7)的第二部分的入口处之前，重新压缩第二换热气体，直到其压力基本上等于所述核反应堆(1)的第一回路(6)中的第一换热气体的压力。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括至少一个压力平衡阀(20)，所述压力平衡阀(20)一方面与所述核反应堆(1)的第一回路(6)相连，另一方面与所述第二回路(9)的一管路相连，以保证所述压缩机(18)的出口与所述至少一个换热器(7)的第二部分的入口之间的连接，使得在所述核反应堆(1)的第一回路(6)中的第一换热气体的压力与所述至少一个中间换热器(7)的第二部分中的压力两者之间总是保持基本上相等。

14.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括一中温换热器(30)，所述中温换热器(30)具有：一第一部分，其与所述第二回路(9)相连，用于所述第二换热气体在所述中温换热器(30)中的循环；和一第二部分，其中循环着一用在一附加设备中的流体。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述中温换热器(30)设置在相对于所述第二回路(9)部分的一分支管路中；并且在所述分支管路上，以及在设有所述分支管路的那部分第二回路(9)上分别设置有调节阀(27a，27b)，用以调节所述第二换热气体在所述分支管路中和在所述第二回路(9)部分中的流量。

16.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括：至少两个核反应堆(1a，1b)，它们各自具有其中循环着载热气体的一第一回路(6a，6b)；和至少两个中间换热器(7a，7b)，它们各自具有分别设置在核反应堆(1a，1b)的一相应的第一回路(6a，6b)中用来接收所述核反应堆(1a，1b)的载热气体的一第一部分，以及设置在一第二回路的一分支管路(9a，9b)中用来接收所述第二换热气体的一第二部分，在每个分支管路(9a，9b)上设有一截止阀(21a，21b)。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，一压力平衡阀(20a，20b)连接于所述第二回路的每个分支管路(9a，9b)，并且连接于核反应堆的每个第一回路(6a，6b)，以便一相应的换热器(7a，7b)的第二部分中的第二换热气体的压力与所述换热器(7a，7b)的第一部分中的载热气体的压力保持基本上相等。

18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述附加的设备(30)是一城市的供热系统。

19.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述附加的设备(30)是一海水淡化工厂。

20.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第二回路包括单个压缩机(18)，以便在所述第二换热气体通过所述中间换热器(7)之前，压缩所述第二换热气体。

21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述压缩机(18)具有1.5至3的压缩比。

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