[發明專利]一種用于聚變堆的超臨界二氧化碳功率循環系統及方法

有效

• 申請號: 202010849117.2
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN111963267B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 汪衛華;劉勝;沈欣媛;楊薇;賀勝男;蘆偉;任珍珍;楊錦宏;儲德林;寧洪偉;陸野;陳志鵬;桂騰;徐敬坤;章美娟;張數峰
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: F01K25/10
• 分類號: F01K25/10;F01K17/02;F01K13/02;F01K13/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

本發明公開了一種用于聚變堆的超臨界二氧化碳功率循環系統及方法。針對聚變堆包層、偏濾器和真空室不同核熱源的不同冷卻工質條件，采用S?CO₂經低溫回熱器、中溫回熱器和高溫回熱器的三級高壓側逐級回熱升溫和低壓側逐級回熱降溫，選擇20％的S?CO₂進行冷卻后升壓升溫用于低溫加熱器的回熱和偏濾器、真空室的冷卻，既滿足了對堆內三類部件不同熱源的不同冷卻工質運行要求，避免了回熱時的負溫度效應，又有效地利用了所有堆內部件的熱源，極大地提高了熱能利用效率，與現行的設計大多僅利用載出包層核熱的氦氣與二回路壓力水換熱的朗肯循環系統發電相比，聚變堆的熱電效率由30％提高到41％，具有結構簡單、成本低、熱效率高等顯著優點。

技術領域

本發明屬于先進核反應堆熱工水力研究領域，具體涉及一種用于聚變堆的超臨界二氧化碳功率循環系統及方法。

背景技術

聚變能是人類永久解決能源問題的潛在有效途徑之一，國際熱核聚變實驗堆(ITER)和中國聚變工程實驗堆(CFETR)等的設計建造與運行，為將來建設聚變發電示范反應堆奠定了基礎。聚變堆高溫等離子體氘氚熱核聚變所產生的輻射熱和高能中子(14.1Mev)，進入堆內面向等離子體部件增殖包層、偏濾器和真空室，不但形成第一壁的高熱流和在結構內沉積高功率密度核熱，而且中子在包層內與氚增殖材料發生核反應釋放出巨大能量，因此針對堆內部件服役條件下的高效冷卻和在線排出核熱用于發電的關鍵技術，是聚變示范堆的重要研究內容。

由于ITER主要是針對等離子體高約束模式下長脈沖穩態運行物理問題和運行后期開展增殖包層模塊(TBM)產氚相關技術演示驗證實驗，還未涉及堆內核熱用于發電問題，但隨著聚變能研發的牽引，目前歐盟、中國、日本、美國和韓國等均在設計和研發聚變發電示范堆，有關堆內部件包層、偏濾器和真空室的高效冷卻排熱和發電等關鍵技術正處于發展之中。雖然裂變電站大都采用成熟的壓力水冷卻堆芯與二回路換熱形成高溫高壓水蒸汽驅動透平發電的朗肯循環系統，但聚變堆三種堆內部件包層、偏濾器和真空室產生的核熱功率和冷卻要求差異較大。其中，依據中子物理性能的要求，包層大多采用8MPa氦氣冷卻，入口溫度大于300℃，載出的核熱約占聚變功率的80％以上，現行的設計大多僅利用載出包層核熱的氦氣與二回路壓力水換熱的朗肯循環系統發電，熱電效率約為30％。由于需要冷卻偏濾器第一壁靶板的高熱流，選擇入口溫150℃的5MPa壓力水冷卻，而真空室需要保溫在200℃，采用入口溫度190℃的3MPa壓力水冷卻，形成了不同的熱源和不同的冷卻工質條件，且偏濾器和真空室形成的核熱功率少于20％，現行聚變堆發電方案大多沒有利用而排放掉，從而降低了堆熱電效率。為了提高聚變堆發電效率，充分利用偏濾器和真空室形成的核熱，發展一種綜合利用多熱源多工質的超臨界二氧化碳功率循環系統對聚變能的研發極其關鍵?；谝陨媳尘凹夹g，針對國家自然科學基金項目(11975022)研究的任務需求，特提出本發明專利申請。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對聚變堆包層、偏濾器、真空室服役的多熱源多工質要求，提供一種用于聚變堆的綜合利用多熱源多工質的超臨界二氧化碳功率循環系統及方法，既解決綜合利用聚變堆部件的多同熱源，有效地提高發電效率問題，又能解決對堆內部件有效冷卻的問題。

本發明采用的技術方案為：一種用于聚變堆的超臨界二氧化碳功率循環系統，由S-CO₂回路1、低溫回熱器2、控制閥3、流量計4、冷卻器5、常溫壓縮機6、中溫壓縮機7、第一壓力水/S-CO₂換熱器8、偏濾器9、第一水冷回路10、真空室11、第二水冷回路10’、第二壓力水/S-CO₂換熱器8’、中溫回熱器12、高溫回熱器13、包層14、氦冷回路15、氦/S-CO₂換熱器16、透平17和電網18組成，其中：