[發(fā)明專利]一種熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310012278.6
• 申請(qǐng)日: 2013-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN103928064B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 司勝義;趙金坤;陳其昌;卑華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海核工程研究設(shè)計(jì)院
• 主分類號(hào): G21C15/28
• 分類號(hào): G21C15/28;G21C15/12;G21D5/02
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心11007
• 代理人: 高尚梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用鉛或鉛鉍合金中間回路的熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

背景技術(shù)

反應(yīng)堆熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是以冷卻劑為載體，把反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量帶出反應(yīng)堆，使其在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生高溫蒸汽，并推動(dòng)汽輪機(jī)做功，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)壓水堆相比，快中子反應(yīng)堆（以下簡(jiǎn)稱快堆）最顯著的特點(diǎn)就是堆內(nèi)中子具有較高的能量，使快堆具有增殖核燃料和嬗變高放核廢物的能力，這樣就能顯著提高天然鈾資源的利用率，從而實(shí)現(xiàn)核能的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

由于需要維持堆芯內(nèi)較硬的中子能譜，因此快堆不能像壓水堆一樣使用慢化能力很強(qiáng)的水作為冷卻劑，通常快堆使用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。由于鈉的化學(xué)活性較強(qiáng)，因此鈉冷快堆需要設(shè)計(jì)密封的主冷卻劑系統(tǒng)，多采用雙層反應(yīng)堆容器設(shè)計(jì)，雙層容器之間充入惰性氣體。堆容器內(nèi)熱鈉池自由鈉液面上部覆蓋有純凈的惰性氣體。鈉冷快堆熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一般采用三回路設(shè)計(jì)，以避免一回路內(nèi)的放射性鈉直接與三回路內(nèi)的水或蒸汽發(fā)生反應(yīng)的可能，這樣即使發(fā)生鈉水反應(yīng)也不會(huì)導(dǎo)致放射性泄漏。鈉冷快堆一回路多采用池式結(jié)構(gòu)，所有一回路設(shè)備均位于主容器內(nèi)，這樣的設(shè)計(jì)具有高的熱冗余，保證了堆芯的安全性。一回路由多個(gè)環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路都備有主泵和中間熱交換器，連同堆芯和鈉池組成一回路鈉循環(huán)系統(tǒng)。熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)二回路（中間回路）也采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，主要設(shè)備包括二次鈉泵、蒸汽發(fā)生器、位于主容器內(nèi)的中間熱交換器等。三回路為水-蒸汽回路，由蒸汽發(fā)生器和汽輪發(fā)電機(jī)組組成，蒸汽發(fā)生器由給水泵供水，產(chǎn)生蒸汽供給汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

上述設(shè)計(jì)雖然可以避免一回路鈉直接泄露，但二回路管道內(nèi)的鈉依然存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，并且不能避免蒸汽發(fā)生器內(nèi)發(fā)生鈉水反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些問題都必須配備相應(yīng)的輔助設(shè)備，增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。

快堆熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)另一種設(shè)計(jì)方案是采用鉛或鉛鉍合金作為冷卻劑。與鈉相比，鉛或鉛鉍合金優(yōu)勢(shì)在于：化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，不易與空氣和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，鉛冷快堆不需要中間回路；原子序數(shù)高，對(duì)中子慢化能力弱，使堆芯能譜更硬，對(duì)中子的有害吸收少；鉛資源豐富，價(jià)格不高；在運(yùn)行工況內(nèi)有較低的蒸汽壓力，沸點(diǎn)更高，使系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、緊湊；鉛還能有效的屏蔽γ射線；密度接近燃料密度，在堆芯融化的情況下能避免重返臨界；鉛還可以包容裂變產(chǎn)物，使鉛冷快堆具有更好的安全性；此外，盡管鉛的熔點(diǎn)很高，但鉛鉍合金具有與鈉相近的熔點(diǎn)，可以降低因冷卻劑凝固對(duì)反應(yīng)堆造成危害的風(fēng)險(xiǎn)。

但同時(shí)，鉛冷快堆也面臨很大的挑戰(zhàn)：熱物性能方面，相比于鈉，鉛的導(dǎo)熱性能較差；密度很大，在高溫下具有腐蝕性，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，限制了流速和堆芯出口溫度，導(dǎo)致鉛冷快堆不能達(dá)到很高的功率密度，而且導(dǎo)致鉛回路中不能有太高的設(shè)備，高溫鉛環(huán)境中進(jìn)行換料也很困難；輻照后會(huì)生成釙-210，增加放射性危害。

綜上所述，現(xiàn)有快堆熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜、功率密度低等不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以安全、高效的把堆芯產(chǎn)生的熱量帶出反應(yīng)堆，使其在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生高溫蒸汽，并推動(dòng)汽輪機(jī)做功，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三個(gè)回路，一回路包括設(shè)置在主容器內(nèi)依次連接的冷池、主泵、堆芯、熱池、中間熱交換器；二回路包括依次連接的二回路循環(huán)泵、中間熱交換器、蒸汽發(fā)生器；三回路包括依次連接的給水泵、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)。

所述一回路工質(zhì)為液態(tài)金屬鈉，二回路工質(zhì)為液態(tài)金屬鉛或鉛鉍合金，三回路為傳統(tǒng)水-蒸汽回路。

所述熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)熱量傳導(dǎo)具體過程如下：在一回路主容器內(nèi)，主泵從冷池中吸入液態(tài)金屬鈉，液態(tài)金屬鈉流經(jīng)堆芯被加熱后進(jìn)入熱池；熱池中的液態(tài)金屬鈉進(jìn)入中間熱交換器，將熱量傳遞至二回路，冷卻后的液態(tài)金屬鈉從中間熱交換器出口流回冷池；二回路中的液態(tài)金屬鉛或鉛鉍合金流入中間熱交換器中被加熱；加熱后的液態(tài)金屬鉛或鉛鉍合金進(jìn)入蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞至三回路，冷卻后的液態(tài)金屬鉛或鉛鉍合金經(jīng)過二回路循環(huán)泵后將再次進(jìn)入中間熱交換器；三回路給水經(jīng)過給水泵進(jìn)入蒸汽發(fā)生器加熱產(chǎn)生過熱蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

本發(fā)明所取得的有益效果為：

本發(fā)明所述一種熱動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以安全、高效的把堆芯產(chǎn)生的熱量帶出反應(yīng)堆，使其在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生高溫蒸汽，并推動(dòng)汽輪機(jī)做功，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：