[發明專利]移動式一體化雙流程氣冷反應堆系統及其工作方法

有效

• 申請號: 202110395577.7
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113027551B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 吳宏春;雷鎧灰;鄭友琦;杜夏楠;王永平
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F01K13/00
• 分類號: F01K13/00;F01K27/00;F01K17/02;F01K25/08;F01K7/02;F01D15/10;F01D15/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

移動式一體化雙流程氣冷反應堆系統及其工作方法，采用布雷頓?有機朗肯聯合循環，整個系統包括氣冷反應堆部分、主發電部分和ORC余熱發電部分；氣冷反應堆部分核心部分由內部冷卻劑工質壓力不同且流動方向相反的內外燃料箱構成，內外燃料箱布置于帶有冷卻劑工質流動孔道的反射層中，反射層軸向兩端分別緊接共軸設計的氣輪機、壓氣機及發電單元，與回熱器一起構成主發電部分；ORC余熱發電部分由兩級ORC余熱發電回路構成并與主發電部分耦合用于堆芯余熱排出和回收利用；該系統使用多組能量利用設備、一體化雙流程及燃料箱設計，能夠包容裂變產物、滿足設備安全冗余性要求和實現能量梯級利用，具有緊湊體積小、安全性和能量利用率高的特點。

技術領域

本發明屬于核反應堆工程技術領域，具體涉及采用氣體工質冷卻的移動式一體化雙流程氣冷反應堆系統及其工作方法。

背景技術

氣冷反應堆指采用氣體冷卻劑工質冷卻反應堆燃料塊或燃料組件的反應堆，常見的冷卻氣體有純氦氣、氦-氙混合氣體以及超臨界二氧化碳。相比于液態金屬冷卻反應堆(例如鈉冷快堆、鉛冷快堆)，氣冷反應堆所用的冷卻劑化學穩定性好且在運行過程中不易活化產生有毒有害物質。而相比于目前流行的壓水堆來說，氣冷反應堆的熱效率高(40％左右)且冷卻劑即使在事故工況下也不會出現相變的情況，因此安全性也很高。此外，氣冷反應堆可以采用直接布雷頓循環，從而不需要壓水堆、液態金屬冷卻反應堆一般所需的蒸汽發生器等較多的一、二回路設備，因此整個系統的體積可以做的很小。雖然氣冷反應堆的功率密度相較于其他類型的反應堆來說一般較小，但是在需要靠近人員密集區且需要頻繁移動這種需要極大考慮安全性及輕便性的環境下，氣冷反應堆具有較大優勢。

目前，國內外一體化設計的氣冷反應堆系統主要采用冷卻劑單向流動、單組壓氣機-氣輪機公共軸貫穿或非貫穿反應堆以及單余熱回收發電回路的組合模式，其中典型代表是美國馬里蘭大學設計的“Holos”反應堆系統方案。

冷卻劑單向流動的設計容易導致長期運行的氣冷反應堆靠近出口端平均溫度較高，而入口端平均溫度較低，這樣對反應堆出口端的材料提出了更嚴的耐高溫要求；常見的壓氣機-氣輪機公共軸貫穿反應堆設計使轉軸長期在高溫高輻照環境下運行，不僅對轉軸材料要求嚴苛，而且轉軸材料吸收中子容易影響反應堆的中子經濟性；而采用單組壓氣機-氣輪機組的主回路設計模式，容易出現當壓氣機或氣輪機出現卡軸事故時堆芯發熱無法導出從而發生堆芯熔化的情況。此外，單余熱回收發電回路的設計在回路某部分失效時容易導致余熱能量浪費甚至出現反應堆安全問題。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供了一種移動式一體化雙流程氣冷反應堆系統及其工作方法，此氣冷反應堆系統采用布雷頓-有機朗肯(Brayton-ORC)聯合循環，主回路為布雷頓循環，由兩個不同的共軸式發電單元-壓氣機-氣輪機組實現，余熱利用回路為有機朗肯循環(ORC)，由兩級ORC余熱發電回路實現，這兩級回路同時承擔停堆后反應堆的余熱排出功能。整個系統體積小，安全性好，能量利用效率高，能夠同時滿足反應堆安全準則要求的設備冗余性以及實現事故停堆時非能動余熱排出的功能。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：