CN207064098U - 一种使用斯特林发动机的核废料发电装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，所述的发电装置包括固化了核废料的陶瓷柱、用于容纳至少一个陶瓷柱的容器，所述的容器上还设置有用于将核废料产生的热量导出的导热柱、设于所述的导热柱上的部分热缸，所述的发电装置还包括斯特林发动机和与利用所述的斯特林发动机发电的发电机，所述的斯特林发动机包括利用所述的导热柱上的加热的热缸，所述的发电机与所述的斯特林发动机的输出轴相连接。本申请所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，有效利用核废料/高放废物，通过有效屏蔽和纵深防御使其将“高放射性”和“长半衰期”特性转变成持久、安全的释热源。

Description

一种使用斯特林发动机的核废料发电装置

技术领域

本发明涉及一种使用斯特林发动机的核废料发电装置。

背景技术

目前，随着核设施(核反应堆，核动力厂)的大量应用，乏燃料是在核设施中使用达到计划的卸料燃耗比后，不再使用的核燃料，乏燃料由大量的裂变产物和锕系产物组成，对于乏燃料处理过程中以处理液体为主，最终变为高放射性固体废物。高放射性物质后处理与处置过程遵循“高放射性废气吸附，高放射性废液固化，固体核废料减容，高放射性固体废物(简称高放废物)进行深地质处置的原则”，而高放废物均有“高放射性”“半衰期长”“高释热率”等特点，固高放废物现行处置方法为深地质处置，远离生物圈。

虽现行高放废物处置技术为深地质处置，但深地质处置耗费资金大，工程建设工期长，在人类未来几百年对地球的开发过程中也会不可避免的遭遇到几个世纪之前的核废物，且也未能利用其“高放射性”“长半衰期”“高释热率”的三个特点，虽“高放射性”对人体有害，但只要屏蔽适当，“高放射性”可通过屏蔽，类似于核电站反应堆内将辐射能屏蔽转换为热能，即为衰变热，利用“半衰期长”和“高释热率”的特性制成热源，实现核废物的二次利用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种使用斯特林发动机的核废料发电装置。

本申请涉及一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，所述的发电装置包括固化了核废料的陶瓷柱、用于容纳至少一个陶瓷柱的容器，所述的容器上还设置有用于将核废料产生的热量导出的导热柱，所述的发电装置还包括斯特林发动机和与利用所述的斯特林发动机发电的发电机，所述的斯特林发动机包括利用所述的导热柱加热的热缸，所述的发电机与所述的斯特林发动机的输出轴相连接。

优选地，所述的斯特林发动机为星型斯特林发动机，所述的星型斯特林发动机包括多个热缸，其中的部分热缸被所述的导热柱加热，所述的星型斯特林发动机与所述的发电机之间通过加速器连接。

优选地，所述的星型斯特林发动机包括8个热缸，其中四个热缸被所述的导热柱加热。

优选地，所述的陶瓷柱的外侧依次包裹两层热解碳和两层碳化硅，所述的两层碳化硅外设有导热合金板或导热石墨板，所述的导热合金板或导热石墨板设有耐高温隔热层。将高放废液或高放固废进行重新溶解，使用陶瓷固化方式固化为“陶瓷圆柱”，陶瓷固化核废料为已有技术，将陶瓷圆柱外层包裹两层热解碳和两层碳化硅，这样就包容了放射性物质，即使在陶瓷圆柱丢失的情况选也不会导致放射性物质外泄。陶瓷圆柱原件类似于电池，有较高的放射性和较高的释热率，但其有四个屏蔽层，构成四层纵深防护，一旦陶瓷圆柱体破裂，不会造成放射性物质泄露。优选地，每个圆柱直径为10cm,高30cm。

优选地，所述的耐高温隔热层外设置有一金属壳，所述的容器与所述的金属壳之间具有由熔融的液铅填充而成的铅层。铅具有高密度特性，是辐射防护的良好屏蔽，液铅浇筑后冷却，类似于铅将高放陶瓷圆柱“包裹”了起来，椭圆形圆柱体容器和填充铅的作用是屏蔽辐射，均匀导热至高熔点特性导热板，所有导热板集中至导热柱，将热量导出。液铅冷却后形成实体屏蔽，既屏蔽了陶瓷圆柱发射出的高能射线，又形成了第五层实体屏蔽。即使陶瓷圆柱释放热量过多，将铅融化成液铅，也不会带来射线的泄露。

优选地，所述的容器为双层结构，包括第一壳体和第二壳体，所述的第一壳体和第二壳体之间形成用于容纳水的腔体。优选地，双层不锈钢，每层5mm厚，构成第六层和第七层实体屏蔽，包容事故情况下的铅水，除上端盖板外，其余下方和圆环四周，双层不锈钢之间均设有充满水的腔体，用于循环和事故时降低第一壳体温度，将容器事故时的所熔化的液铅包容，起到隔绝热量的作用。

优选地，所述的发电装置还包括用于降温的水管，所述的水管将所述的腔体相连通。水管上设置有使水循环的水泵。水泵控制为触发控制，一旦事故状态下第一层不锈钢内铅熔融，第一层不锈钢上的温度传感器检测到温度超过一定限值时，循环水泵开启工作，循环水进行：循环水冷端-循环泵-第一壳体和第二壳体之间的腔体，循环给椭圆形圆柱体容器进行降温。正常状态下水无需流动。

优选地，所述的发电机连接有一整流充电模块或稳压电阻，所述的整流充电模块或稳压电阻接入电池的一端。电池的另一端接入负载。

根据核废料特点，核废料可能释放出的α粒子、β射线、γ射线和中子四类辐射，由于外层铅水的实体屏蔽，可直接屏蔽α粒子、β射线和γ射线，外表两层热解碳和碳化硅起到中子减速作用，散射的合金板或导热石墨板，绝热的耐高温隔热层和铅水的实体屏蔽起到慢化并吸收中子的作用。通过这样的方式四种辐射被完全屏蔽。且屏蔽层厚度根据陶瓷圆柱芯块射线衰减的多少进行厚度设计。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本申请所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，有效利用核废料/高放废物，通过有效屏蔽和纵深防御使其将“高放射性”和“长半衰期”特性转变成持久、安全的释热源。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为一种使用斯特林发动机的核废料发电装置的结构示意图，

其中：1、陶瓷柱；21、导热合金板或导热石墨板；22、高温隔热层；23、金属壳；31、第一壳体；32、第二壳体；4、水管；41、水泵；5、导热柱；7、斯特林发动机；11、发电机；8、整流充电模块；9、电池；10、负载。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图所示，本申请涉及一种使用斯特林发动机7的核废料发电装置，所述的发电装置包括固化了核废料的陶瓷柱1、用于容纳至少一个陶瓷柱1的容器，所述的容器上还设置有用于将核废料产生的热量导出的导热柱5、设于所述的导热柱5上的热缸，所述的发电装置还包括斯特林发动机7和与利用所述的斯特林发动机7发电的发电机11，所述的斯特林发动机7包括利用所述的导热柱5加热的热缸，所述的发电机11与所述的斯特林发动机7的输出轴相连接。所述的斯特林发动机7为星型斯特林发动机7，所述的星型斯特林发动机7包括多个热缸，其中的部分热缸被所述的导热柱5加热，所述的星型斯特林发动机7与所述的发电机11之间通过加速器连接。优选地，所述的星型斯特林发动机7包括8个热缸，其中四个热缸被所述的导热柱5加热。所述的陶瓷柱1的外侧依次包裹两层热解碳和两层碳化硅，所述的两层碳化硅外设有导热合金板或导热石墨板21，所述的导热合金板或导热石墨板21设有耐高温隔热层22。将高放废液或高放固废进行重新溶解，使用陶瓷固化方式固化为“陶瓷圆柱”，陶瓷固化核废料为已有技术，将陶瓷圆柱外层包裹两层热解碳和两层碳化硅，这样就包容了放射性物质，即使在陶瓷圆柱丢失的情况选也不会导致放射性物质外泄。陶瓷圆柱原件类似于电池9，有较高的放射性和较高的释热率，但其有四个屏蔽层，构成四层纵深防护，一旦陶瓷圆柱体破裂，不会造成放射性物质泄露。优选地，每个圆柱直径为10cm,高30cm。所述的耐高温隔热层22外设置有一金属壳23，所述的容器与所述的金属壳23之间具有由熔融的液态铅填充而成的铅层。铅具有高密度特性，是辐射防护的良好屏蔽，液态铅浇筑后冷却，类似于铅将高放陶瓷圆柱“包裹”了起来，椭圆形圆柱体容器和填充铅的作用是屏蔽辐射，均匀导热至高熔点特性导热板，所有导热板集中至导热柱5，将热量导出。液态铅冷却后形成实体屏蔽，既屏蔽了陶瓷圆柱发射出的高能射线，又形成了第五层实体屏蔽。即使陶瓷圆柱释放热量过多，将铅融化成液态铅，也不会带来射线的泄露。所述的容器为双层结构，包括第一壳体31和第二壳体32，所述的第一壳体31和第二壳体32之间形成用于容纳水的腔体。优选地，双层不锈钢，每层5mm厚，构成第六层和第七层实体屏蔽，包容事故情况下的液态铅，除上端盖板外，其余下方和圆环四周，双层不锈钢之间均设有充满水的腔体，用于循环和事故时降低第一壳体31温度，将容器事故时的所熔化的液态铅包容，起到隔绝热量的作用。所述的发电装置还包括用于降温的水管4，所述的水管4将所述的腔体与所述的冷却水的冷端相连通。水管4上设置有使水循环的水泵41。水泵41控制为触发控制，一旦事故状态下第一层不锈钢内铅熔融，第一层不锈钢上的温度传感器检测到温度超过一定限值时，循环水泵41开启工作，循环水进行：循环水冷端-循环泵-第一壳体31和第二壳体32之间的腔体，循环给椭圆形圆柱体容器进行降温。正常状态下水无需流动。所述的发电机11连接有一整流充电模块8或稳压电阻，所述的整流充电模块8或稳压电阻接入电池9的一端。电池9的另一端接入负载10。

根据核废料特点，核废料可能释放出的α粒子、β射线、γ射线和中子四类辐射，由于外层铅水的实体屏蔽，可直接屏蔽α粒子、β射线和γ射线，外表两层热解碳和碳化硅起到中子减速作用，散射的合金板或导热石墨板，绝热的耐高温隔热层22和铅的实体屏蔽起到慢化并吸收中子的作用。通过这样的方式四种辐射被完全屏蔽。且屏蔽层厚度根据陶瓷圆柱芯块射线衰减的多少进行厚度设计。

本申请所述的一种使用斯特林发动机7的核废料发电装置，有效利用核废料/高放废物，通过有效屏蔽和纵深防御使其将“高放射性”和“长半衰期”特性转变成持久、安全的释热源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的发电装置包括固化了核废料的陶瓷柱、用于容纳至少一个陶瓷柱的容器，所述的容器上还设置有用于将核废料产生的热量导出的导热柱，所述的发电装置还包括斯特林发动机和与利用所述的斯特林发动机发电的发电机，所述的斯特林发动机包括利用所述的导热柱加热的热缸，所述的发电机与所述的斯特林发动机的输出轴相连接。

2.根据权利要求1所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的斯特林发动机为星型斯特林发动机，所述的星型斯特林发动机包括多个热缸，其中的部分热缸被所述的导热柱加热，所述的星型斯特林发动机与所述的发电机之间通过加速器连接。

3.根据权利要求2所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的星型斯特林发动机包括8个热缸，其中四个热缸被所述的导热柱加热。

4.根据权利要求1所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的陶瓷柱的外侧依次包裹两层热解碳和两层碳化硅，所述的两层碳化硅外设有导热合金板或导热石墨板，所述的导热合金板或导热石墨板设有耐高温隔热层。

5.根据权利要求4所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的耐高温隔热层外包裹有金属壳，所述的容器与所述的金属壳之间具有由熔融的液态铅填充而成的铅层。

6.根据权利要求5所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的容器为双层结构，包括第一壳体和第二壳体，所述的第一壳体和第二壳体之间形成用于容纳水的腔体。

7.根据权利要求6所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的发电装置还包括用于降温的水管，所述的水管与所述的腔体相连通。

8.根据权利要求7所述的一种使用斯特林发动机的核废料发电装置，其特征在于：所述的发电机连接有一整流充电模块或稳压电阻，所述的整流充电模块或稳压电阻接入电池的一端。