舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统的制作方法

1.本发明属于先进核动力系统开发与高效能源转换技术领域，具体涉及一种舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统。


背景技术：

2.模块化小型氟盐冷却高温堆具有高温低压、无水冷却和固有安全的优点，另外因氟盐体积热容与水相当，是液态铅铋合金、液态钠和氦气的2.75、4.49和233.5倍，故相同体积冷却剂条件下可以带走更多热量，在减小堆芯体积，确保结构紧凑方面具有突出优势；超临界二氧化碳动力循环系统具有突出的高热效率、结构紧凑、控制灵活且响应迅速等优势。
3.然而，目前提出的小型氟盐冷却高温堆设计方案多侧重于堆芯模块的设计，对反应堆结构、材料和各有关设备的设计、分析、优化和选型，以及对其与超临界二氧化碳动力循环系统的结合研究尚不充分。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明公开了一种舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统，将模块化小型氟盐冷却高温堆与超临界二氧化碳动力循环系统的结合，既能良好地适应舰船上的狭小空间，也能输出足够的功率并灵活跟踪负荷变化，为系统优化和详细设计提供基础。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统，包括反应堆本体系统1和布雷顿动力循环系统2；
7.所述反应堆本体系统1作为舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统的热源，包括堆芯活性区1
‑
1、反应堆容器1
‑
2、堆芯轴向反射层1
‑
3、堆芯径向反射层1
‑
4、第一轴流泵1
‑5‑
1、第二轴流泵1
‑5‑
2、第一主换热器1
‑6‑
1、第二主换热器1
‑6‑
2和控制棒及其驱动机构1
‑
7；其中堆芯活性区1
‑
1出口与第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2入口相连，第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2出口分别与第一轴流泵1
‑5‑
1和第二轴流泵1
‑5‑
2入口相连，第一轴流泵1
‑5‑
1和第二轴流泵1
‑5‑
2出口与堆芯活性区1
‑
1入口相连；堆芯轴向反射层1
‑
3和堆芯径向反射层1
‑
4分别包覆在堆芯活性区1
‑
1的轴向和径向，控制棒及其驱动机构1
‑
7插入堆芯活性区1
‑
1，上述各结构和部件均位于反应堆容器1
‑
2内；
8.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
‑5‑
1和第二轴流泵1
‑5‑
2驱动，从堆芯轴向反射层1
‑
3底部进入堆芯，向上流经堆芯活性区1
‑
1吸热后，向下折流并经过第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2向布雷顿动力循环系统2放热，最后再进入第一轴流泵1
‑5‑
1和第二轴流泵1
‑5‑
2加压以完成堆芯内冷却剂循环；
9.所述布雷顿动力循环系统2作为舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统的能量转换模块，包括第一主回热器2
‑1‑
1、第二主回热器2
‑1‑
2、第一主合流阀2
‑2‑
1、第二主合流阀
2
‑2‑
2、第一辅回热器2
‑3‑
1、第二辅回热器2
‑3‑
2、第一主分流阀2
‑4‑
1、第二主分流阀2
‑4‑
2、冷却器2
‑
5、透平2
‑
6、辅压缩机2
‑
7、主压缩机2
‑
8、电动机2
‑
9和发电机2
‑
10；其中，透平2
‑
6的第一入口和第二入口分别与第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2的冷侧出口连接、第一出口和第二出口分别与第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的热侧入口连接，第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的热侧出口分别与第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的热侧入口连接，第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的热侧出口分别与第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的入口连接，第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第一出口分别与辅压缩机2
‑
7的第一入口和第二入口连接，辅压缩机2
‑
7的第一出口和第二出口分别与第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第二入口连接，第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第二出口分别与冷却器2
‑
5的热侧第一入口和第二入口连接，冷却器2
‑
5的热侧第一出口和第二出口分别与主压缩机2
‑
8的第一入口和第二入口连接，主压缩机2
‑
8的第一出口和第二出口分别与第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的冷侧入口连接，第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的冷侧出口分别与第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第一入口连接，第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的出口分别与第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的冷侧入口连接，第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的冷侧出口分别与第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2的冷侧入口连接；
10.所述布雷顿动力循环系统2工作流程如下：循环工质从并联的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2冷侧吸热，再由两个并联入口进入透平2
‑
6做功，同时带动发电机2
‑
10发电，随后经两个并联出口离开透平2
‑
6，先后进入并联的第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2热侧、并联的第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2热侧放热，再经过并联的第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2分流：一部分由第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第一出口流出，并联进入由电动机2
‑
9驱动的辅压缩机2
‑
7进行压缩，随后经两个并联出口离开辅压缩机2
‑
7，再进入并联的第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第二入口；另一部分由第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第二出口流出，由并联入口进入冷却器2
‑
5的高温侧放热，随后由并联出口进入由电动机2
‑
9驱动的主压缩机2
‑
8进行压缩，再经两个并联出口离开主压缩机2
‑
8，进入并联的第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的冷侧吸热，最后进入并联的第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第一入口；两部分汇合后，由并联的第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的出口流出，进入并联的第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2冷侧吸热，最后进入并联的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2冷侧吸热，完成动力循环。
11.反应堆本体系统1的冷却剂采用lif
‑
bef2熔盐，堆芯入口温度650℃、出口温度700℃，总热功率为125mw，实际运行时入口、出口温度允许有正负50℃的偏移，总热功率允许有正负25mw的偏移。
12.反应堆本体系统1的堆芯活性区1
‑
1采用螺旋十字型燃料元件，芯块材料为铀
‑
锆合金，富集度19.75％；包壳材料为哈氏合金；单组件内燃料棒呈三角形排列，组件间呈三角形排列。
13.反应堆本体系统1的反应堆容器1
‑
2直径小于3.5米，高度小于3米。反应堆本体系统1的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2为印刷电路板式换热器。
14.反应堆本体系统1的控制棒及其驱动机构1
‑
7中，控制棒在单组件内布置7个根，其材料为碳化硼。
15.布雷顿动力循环系统2的工质为二氧化碳，循环最低温压要高于其临界温压；正常运行时循环最高压力不得超过20mpa，特殊工况下不得超过25mpa；循环热效率超过48％。
16.布雷顿动力循环系统2与反应堆本体系统1通过并联的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2交换热量；布雷顿动力循环系统的各换热器所在回路均采取并联方式，具备冗余特质。
17.布雷顿动力循环系统2的第一主回热器2
‑1‑
1、第二主回热器2
‑1‑
2、第一辅回热器2
‑3‑
1、第二辅回热器2
‑3‑
2和冷却器2
‑
5均为印刷电路板式换热器，其中冷却器2
‑
5冷侧工质为过滤海水。
18.布雷顿动力循环系统2的透平2
‑
6、辅压缩机2
‑
7和主压缩机2
‑
8采用同轴线位置的异轴布置方式，便于灵活调节功率；总电功率大于50mw。
19.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
20.1、将模块化小型氟盐冷却高温堆与超临界二氧化碳动力循环系统的结合，既能良好地适应舰船上的狭小空间，也能输出足够的功率并灵活跟踪负荷变化。
21.2、反应堆采用lif
‑
bef2熔盐作为冷却剂，具备高温低压、无水冷却和体积紧凑的优点。lif
‑
bef2熔盐沸点超过1000℃，凝固点低于500℃，且在常压下远离饱和点，能够有效降低高强度相变的传热恶化风险；其体积热容与水相当，高于液态铅铋合金、液态钠和氦气，在相同冷却剂体积下能带走更多热量，有利于减小反应堆体积。
22.3、安全性和潜在经济性高，布置简化。反应堆燃料元件采用螺旋十字型式，其结构能增强通道之间的冷却剂搅浑进而强化换热，可有效降低包壳表面热点；燃料芯块采用铀锆合金材料，相比于陶瓷燃料具有较高的热导率，能够有效降低芯块峰值温度，既有利于热工安全，也能允许提升功率密度，进而提高经济性；另外螺旋十字燃料元件之间的自定位作用也省去了定位格架的使用，简化了堆芯布置。
23.4、小型化、模块化技术。本发明的各设备均可模块化加工、制造、运输和安装。采用的换热器均为印刷电路板式换热器，具有结构紧凑、传热面积大、结构强度高和易于模块化设计制造等优势；
24.5、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动力循环系统具有突出的高热效率、结构紧凑、控制灵活且响应迅速等优势，适用于百mwe量级的动力转换。经设计计算，本发明中布雷顿动力循环系统的热效率超过48％。
附图说明
25.图1为本发明舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统示意图。附图中：
26.1：反应堆本体系统；
[0027]1‑
1：堆芯活性区；1
‑
2：反应堆容器；1
‑
3：堆芯轴向反射层；1
‑
4：堆芯径向反射层；1
‑5‑
1：第一轴流泵；1
‑5‑
2：第二轴流泵；1
‑6‑
1：第一主换热器；1
‑6‑
2：第二主换热器；1
‑
7：控制棒及其驱动机构
[0028]
2：布雷顿动力循环系统；
[0029]2‑1‑
1：第一主回热器；2
‑1‑
2：第二主回热器；2
‑2‑
1：第一主合流阀(1为第一入口，
2为第二入口)；2
‑2‑
2：第二主合流阀(1为第一入口，2为第二入口)；2
‑3‑
1：第一辅回热器；2
‑3‑
2：第二辅回热器；2
‑4‑
1：第一主分流阀(1为第一出口，2为第二出口)；2
‑4‑
2：第二主分流阀(1为第一出口，2为第二出口)；2
‑
5：冷却器(上侧1为热侧第一出口，上侧2为热侧第二出口；下侧1为热侧第一入口，下侧2为热侧第二入口)；2
‑
6：透平(左侧1为第一入口，左侧2为第二入口；右侧1为第一出口，右侧2为第二出口)；2
‑
7：辅压缩机(左侧1为第一出口，左侧2为第二出口；右侧1为第一入口，右侧2为第二入口)；2
‑
8：主压缩机(左侧1为第一出口，左侧2为第二出口；右侧1为第一入口，右侧2为第二入口)；2
‑
9：电动机；2
‑
10：发电机。
具体实施方式
[0030]
本发明提供了一种舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统，现结合附图1对本发明作进一步详细说明。
[0031]
舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统，包括反应堆本体系统1和布雷顿动力循环系统2；
[0032]
反应堆本体系统1作为舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统的热源，其主要部件包括堆芯活性区1
‑
1、反应堆容器1
‑
2、堆芯轴向反射层1
‑
3、堆芯径向反射层1
‑
4、第一轴流泵1
‑5‑
1、第二轴流泵1
‑5‑
2、第一主换热器1
‑6‑
1、第二主换热器1
‑6‑
2和控制棒及其驱动机构1
‑
7。
[0033]
布雷顿动力循环系统2作为舰船用一体化氟盐冷却高温堆动力系统的能量转换模块，其主要设备包括第一主回热器2
‑1‑
1、第二主回热器2
‑1‑
2、第一主合流阀2
‑2‑
1、第二主合流阀2
‑2‑
2、第一辅回热器2
‑3‑
1、第二辅回热器2
‑3‑
2、第一主分流阀2
‑4‑
1、第二主分流阀2
‑4‑
2、冷却器2
‑
5、透平2
‑
6、辅压缩机2
‑
7、主压缩机2
‑
8、电动机2
‑
9和发电机2
‑
10；其中，透平2
‑
6的第一入口和第二入口分别与第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2的冷侧出口连接、第一出口和第二出口分别与第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的热侧入口连接，第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的热侧出口分别与第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的热侧入口连接，第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的热侧出口分别与第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的入口连接，第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第一出口分别与辅压缩机2
‑
7的第一入口和第二入口连接，辅压缩机2
‑
7的第一出口和第二出口分别与第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第二入口连接，第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第二出口分别与冷却器2
‑
5的热侧第一入口和第二入口连接，冷却器2
‑
5的热侧第一出口和第二出口分别与主压缩机2
‑
8的第一入口和第二入口连接，主压缩机2
‑
8的第一出口和第二出口分别与第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的冷侧入口连接，第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的冷侧出口分别与第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第一入口连接，第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的出口分别与第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的冷侧入口连接，第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2的冷侧出口分别与第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2的冷侧入口连接。
[0034]
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的冷却剂采用lif
‑
bef2熔盐，堆芯入口温度650℃、出口温度700℃，总热功率为125mw，实际运行时入口、出口温度允许有正负50℃的偏移，总热功率允许有正负25mw的偏移。
[0035]
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1堆芯活性区1
‑
1采用螺旋十字型燃料元件，芯块材料为铀
‑
锆合金，富集度19.75％；包壳材料为哈氏合金；单组件内燃料棒呈三角形排列，组件间呈三角形排列。
[0036]
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
‑
2直径小于3.5米，高度小于3米。
[0037]
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2为印刷电路板式换热器。
[0038]
作为本发明的优选实施方式，反应堆本体系统1的控制棒及其驱动机构1
‑
7中，控制棒在单组件内布置7个根，其材料为碳化硼。
[0039]
作为本发明的优选实施方式，布雷顿动力循环系统2的工质为二氧化碳，循环最低温压要高于其临界温压；正常运行时循环最高压力不得超过20mpa，特殊工况下不得超过25mpa；循环热效率超过48％。
[0040]
作为本发明的优选实施方式，布雷顿动力循环系统2与反应堆本体系统1通过并联的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2交换热量；布雷顿动力循环系统的各换热器所在回路均采取并联方式，具备冗余特质。
[0041]
作为本发明的优选实施方式，布雷顿动力循环系统2的第一主回热器2
‑1‑
1、第二主回热器2
‑1‑
2、第一辅回热器2
‑3‑
1、第二辅回热器2
‑3‑
2和冷却器2
‑
5均为印刷电路板式换热器，其中冷却器2
‑
5冷侧工质为过滤海水。
[0042]
作为本发明的优选实施方式，布雷顿动力循环系统2的透平2
‑
6、辅压缩机2
‑
7和主压缩机2
‑
8采用同轴线位置的异轴布置方式，便于灵活调节功率；总电功率大于50mw。
[0043]
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
‑5‑
1和第二轴流泵1
‑5‑
2驱动，从堆芯轴向反射层1
‑
3底部进入堆芯，向上流经堆芯活性区1
‑
1吸热后，向下折流并经过第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2向布雷顿动力循环系统2放热，最后再进入第一轴流泵1
‑5‑
1和第二轴流泵1
‑5‑
2加压以完成堆芯内冷却剂循环。
[0044]
布雷顿动力循环系统2工作流程如下：循环工质从并联的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2冷侧吸热，再由两个并联入口进入透平2
‑
6做功，同时带动发电机2
‑
10发电，随后经两个并联出口离开透平，先后进入并联的第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2热侧、并联的第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2热侧放热，再经过并联的第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2分流：一部分由第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第一出口流出，并联进入由电动机2
‑
9驱动的辅压缩机2
‑
7进行压缩，随后经两个并联出口离开辅压缩机，再进入并联的第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第二入口；另一部分由第一主分流阀2
‑4‑
1和第二主分流阀2
‑4‑
2的第二出口流出，由并联入口进入冷却器2
‑
5的高温侧放热，随后由并联出口进入由电动机2
‑
9驱动的主压缩机2
‑
8进行压缩，再经两个并联出口离开主压缩机，进入并联的第一辅回热器2
‑3‑
1和第二辅回热器2
‑3‑
2的冷侧吸热，最后进入并联的第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的第一入口；两部分汇合后，由并联的第一主合流阀2
‑2‑
1和第二主合流阀2
‑2‑
2的出口流出，进入并联的第一主回热器2
‑1‑
1和第二主回热器2
‑1‑
2冷侧吸热，最后进入并联的第一主换热器1
‑6‑
1和第二主换热器1
‑6‑
2冷侧吸热，完成动力循环。
[0045]
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。