移动式一体化双流程气冷反应堆系统及其工作方法技术方案

移动式一体化双流程气冷反应堆系统及其工作方法，采用布雷顿

【技术实现步骤摘要】
移动式一体化双流程气冷反应堆系统及其工作方法


[0001]本专利技术属于核反应堆工程
，具体涉及采用气体工质冷却的移动式一体化双流程气冷反应堆系统及其工作方法。

技术介绍

[0002]气冷反应堆指采用气体冷却剂工质冷却反应堆燃料块或燃料组件的反应堆，常见的冷却气体有纯氦气、氦
‑
氙混合气体以及超临界二氧化碳。相比于液态金属冷却反应堆(例如钠冷快堆、铅冷快堆)，气冷反应堆所用的冷却剂化学稳定性好且在运行过程中不易活化产生有毒有害物质。而相比于目前流行的压水堆来说，气冷反应堆的热效率高(40％左右)且冷却剂即使在事故工况下也不会出现相变的情况，因此安全性也很高。此外，气冷反应堆可以采用直接布雷顿循环，从而不需要压水堆、液态金属冷却反应堆一般所需的蒸汽发生器等较多的一、二回路设备，因此整个系统的体积可以做的很小。虽然气冷反应堆的功率密度相较于其他类型的反应堆来说一般较小，但是在需要靠近人员密集区且需要频繁移动这种需要极大考虑安全性及轻便性的环境下，气冷反应堆具有较大优势。
[0003]目前，国内外一体化设计的气冷反应堆系统主要采用冷却剂单向流动、单组压气机
‑
气轮机公共轴贯穿或非贯穿反应堆以及单余热回收发电回路的组合模式，其中典型代表是美国马里兰大学设计的“Holos”反应堆系统方案。
[0004]冷却剂单向流动的设计容易导致长期运行的气冷反应堆靠近出口端平均温度较高，而入口端平均温度较低，这样对反应堆出口端的材料提出了更严的耐高温要求；常见的压气机
‑r/>气轮机公共轴贯穿反应堆设计使转轴长期在高温高辐照环境下运行，不仅对转轴材料要求严苛，而且转轴材料吸收中子容易影响反应堆的中子经济性；而采用单组压气机
‑
气轮机组的主回路设计模式，容易出现当压气机或气轮机出现卡轴事故时堆芯发热无法导出从而发生堆芯熔化的情况。此外，单余热回收发电回路的设计在回路某部分失效时容易导致余热能量浪费甚至出现反应堆安全问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统及其工作方法，此气冷反应堆系统采用布雷顿
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有机朗肯(Brayton
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ORC)联合循环，主回路为布雷顿循环，由两个不同的共轴式发电单元
‑
压气机
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气轮机组实现，余热利用回路为有机朗肯循环(ORC)，由两级ORC余热发电回路实现，这两级回路同时承担停堆后反应堆的余热排出功能。整个系统体积小，安全性好，能量利用效率高，能够同时满足反应堆安全准则要求的设备冗余性以及实现事故停堆时非能动余热排出的功能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，采用布雷顿
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有机朗肯(Brayton
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ORC)联合循环，整个系统包括气冷反应堆部分、主发电部分和ORC余热发电部分，所述气冷反应堆部分由内至外依次包括反应堆燃料箱、反射层3、控制转鼓4和转鼓驱动机构5和辐射屏蔽
层14，所述反应堆燃料箱由内燃料箱1和外燃料箱2构成，内燃料箱1外围布置外燃料箱2，内燃料箱1的径向外侧箱壁与外燃料箱2的径向内侧箱壁紧密贴合，内燃料箱1和外燃料箱2布置在反射层3中，内燃料箱1和外燃料箱2的轴向出口、入口与反射层3的轴向两端的冷却剂工质流动孔道口紧密连接，外燃料箱2的径向外侧箱壁与反射层3的径向内侧壁紧密贴合，转鼓驱动机构5的控制转轴与控制转鼓4的转轴相连用于驱动控制转鼓4控制反应堆，控制转鼓4的径向外侧壁与反射层3的内侧壁间存在气隙以便控制转鼓4能够灵活转动；所述主发电部分包括一号发电单元10、高压压气机7、低压气轮机6、高压气轮机8、低压压气机9、二号发电单元11及回热器12，其中，一号发电单元10、高压压气机7与低压气轮机6由同一根转轴相连，低压气轮机6的入口与同内燃料箱1出口相连接的反射层3轴向冷却剂工质流动孔道口相连接，二号发电单元11、低压压气机9与高压气轮机8由同一根转轴相连，低压压气机9的入口与反射层3内部径向两端的冷却剂工质流动孔道口连接，高压气轮机8的入口和出口分别与同外燃料箱2出口和内燃料箱1入口连接的反射层3轴向冷却剂工质流动孔道口相连接，回热器12高温侧入口与低压气轮机6出口相连，回热器12低温侧入口与高压压气机7出口相连，回热器12的低温侧出口同外燃料箱2入口相连接的反射层3轴向冷却剂工质流动孔道口连接用于提升高压冷却剂工质进入外燃料箱2的入口温度；所述ORC余热发电部分包括一级ORC余热发电回路和二级ORC余热发电回路，所述一级ORC余热发电回路由一级ORC蒸发器25、一级膨胀机15、一级冷凝器16、一级ORC储液罐17、一级工质泵18和一级ORC发电单元19依次连接而成，其中，一级ORC蒸发器25的高温侧入口和出口分别连接回热器12的高温侧出口和反射层3中冷却剂工质流动孔道入口，一级ORC蒸发器25的低温侧有机工质出口和入口分别连接一级膨胀机15入口和一级工质泵18的出口；所述二级ORC余热发电回路由二级ORC蒸发器13、二级膨胀机20、二级冷凝器21、二级ORC储液罐22、二级工质泵23和二级ORC发电单元24依次连接而成，其中，二级ORC蒸发器13布置于反射层3与辐射屏蔽层14之间，二级ORC蒸发器13的有机工质低温侧径向外侧壁与辐射屏蔽层14的径向内侧壁紧密贴合，二级ORC蒸发器13的高温侧径向内侧壁与反射层3的径向外侧壁紧密贴合，二级ORC蒸发器13的高温侧入口和出口分别与低压压气机9出口和高压压气机7入口相连，二级ORC蒸发器13的有机工质低温侧入口和出口分别与二级工质泵23出口和二级膨胀机20入口相连。
[0008]所述内燃料箱1装载的反应堆燃料块或燃料组件内部冷却剂通道流过低压冷却剂工质，所述外燃料箱2装载的反应堆燃料块或燃料组件内部冷却剂通道流过高压冷却剂工质，内燃料箱1中低压冷却剂工质的流动方向与外燃料箱2中高压冷却剂工质的流动方向相反。
[0009]所述内燃料箱1和外燃料箱2箱壁材料采用18
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8系列铬镍不锈钢。
[0010]所述内燃料箱1的冷却剂工质压力为1.9
±
0.2MPa，入口温度和出口温度分别为653
±
20℃和850
±
30℃；外燃料箱2的冷却剂工质压力为3.0
±
0.3MPa，入口温度和出口温度分别为510
±
30℃和850
±
30℃。
[0011]所述反射层3在轴向两端与径向两端均存在冷却剂工质流动孔道，所有的流动孔道在轴向上贯穿反射层3，以便为冷却剂工质提供流动路径，同时冷却反射层3。
[0012]所述高压压气机7与低压气轮机6仅共用同一根轴，内部冷却剂工质的流动方向相反；所述低压压气机9与高压气轮机8仅共用一根轴，其内部冷却剂工质的流动方向相反。
[0013]气冷反应堆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，采用布雷顿
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有机朗肯联合循环，整个系统包括气冷反应堆部分、主发电部分和ORC余热发电部分，其特征在于：所述气冷反应堆部分由内至外依次包括反应堆燃料箱、反射层(3)、控制转鼓(4)和转鼓驱动机构(5)和辐射屏蔽层(14)，所述反应堆燃料箱由内燃料箱(1)和外燃料箱(2)构成，内燃料箱(1)外围布置外燃料箱(2)，内燃料箱(1)的径向外侧箱壁与外燃料箱(2)的径向内侧箱壁紧密贴合，内燃料箱(1)和外燃料箱(2)布置在反射层(3)中，内燃料箱(1)和外燃料箱(2)的轴向出口、入口与反射层(3)的轴向两端的冷却剂工质流动孔道口紧密连接，外燃料箱(2)的径向外侧箱壁与反射层(3)的径向内侧壁紧密贴合，转鼓驱动机构(5)的控制转轴与控制转鼓(4)的转轴相连用于驱动控制转鼓(4)控制反应堆，控制转鼓(4)的径向外侧壁与反射层(3)的内侧壁间存在气隙以便控制转鼓(4)能够灵活转动；所述主发电部分包括一号发电单元(10)、高压压气机(7)、低压气轮机(6)、高压气轮机(8)、低压压气机(9)、二号发电单元(11)及回热器(12)，其中，一号发电单元(10)、高压压气机(7)与低压气轮机(6)由同一根转轴相连，低压气轮机(6)的入口与同内燃料箱(1)出口相连接的反射层(3)轴向冷却剂工质流动孔道口相连接，二号发电单元(11)、低压压气机(9)与高压气轮机(8)由同一根转轴相连，低压压气机(9)的入口与反射层(3)内部径向两端的冷却剂工质流动孔道口连接，高压气轮机(8)的入口和出口分别与同外燃料箱(2)出口和内燃料箱(1)入口连接的反射层(3)轴向冷却剂工质流动孔道口相连接，回热器(12)高温侧入口与低压气轮机(6)出口相连，回热器(12)低温侧入口与高压压气机(7)出口相连，回热器(12)的低温侧出口与同外燃料箱(2)入口相连接的反射层(3)轴向冷却剂工质流动孔道口连接用于提升高压冷却剂工质进入外燃料箱(2)的入口温度；所述ORC余热发电部分包括一级ORC余热发电回路和二级ORC余热发电回路，所述一级ORC余热发电回路由一级ORC蒸发器(25)、一级膨胀机(15)、一级冷凝器(16)、一级ORC储液罐(17)、一级工质泵(18)和一级ORC发电单元(19)依次连接而成，其中，一级ORC蒸发器(25)的高温侧入口和出口分别连接回热器(12)的高温侧出口和反射层(3)中冷却剂工质流动孔道入口，一级ORC蒸发器(25)的低温侧有机工质出口和入口分别连接一级膨胀机(15)入口和一级工质泵(18)的出口；所述二级ORC余热发电回路由二级ORC蒸发器(13)、二级膨胀机(20)、二级冷凝器(21)、二级ORC储液罐(22)、二级工质泵(23)和二级ORC发电单元(24)依次连接而成，其中，二级ORC蒸发器(13)布置于反射层(3)与辐射屏蔽层(14)之间，二级ORC蒸发器(13)的有机工质低温侧径向外侧壁与辐射屏蔽层(14)的径向内侧壁紧密贴合，二级ORC蒸发器(13)的高温侧径向内侧壁与反射层(3)的径向外侧壁紧密贴合，二级ORC蒸发器(13)的高温侧入口和出口分别与低压压气机(9)出口和高压压气机(7)入口相连，二级ORC蒸发器(13)的有机工质低温侧入口和出口分别与二级工质泵(23)出口和二级膨胀机(20)入口相连。2.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述内燃料箱(1)装载的反应堆燃料块或燃料组件内部冷却剂通道流过低压冷却剂工质，所述外燃料箱(2)装载的反应堆燃料块或燃料组件内部冷却剂通道流过高压冷却剂工质，内燃料箱(1)中低压冷却剂工质的流动方向与外燃料箱(2)中高压冷却剂工质的流动方向相反；所述内燃料箱(1)和外燃料箱(2)箱壁材料采用18
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8系列铬镍不锈钢。3.根据权利要求2所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述内燃料箱(1)的冷却剂工质压力为1.9
±
0.2MPa，入口温度和出口温度分别为653
±
20℃和
850
±
30℃；外燃料箱(2)的冷却剂工质压力为3.0
±
0.3MPa，入口温度和出口温度分别为510
±
30℃和850
±
30℃。4.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述反射层(3)在轴向两端与径向两端均存在冷却剂工质流动孔道，所有的流动孔道在轴向上贯穿反射层(3)，以便为冷却剂工质提供流动路径，同时冷却反射层(3)。5.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述高压压气机(7)与低压气轮机(6)仅共用同一根轴，内部冷却剂工质的流动方向相反；所述低压压气机(9)与高压气轮机(8)仅共用一根轴，其内部冷却剂工质的流动方向相反。6.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：被反应堆加热的冷却剂工质从反射层(3)轴向两端出来后直接推动高压气轮机(8)和低压气轮机(6)转动，不再经过其他流动管道结构。7.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述二级ORC余热发电回路的二级ORC蒸发器(13)布置于反射层(3)与辐射屏蔽层(14)之间，用于回收高温冷却剂工质余热、作为热屏蔽用于冷却辐射屏蔽层(14)及事故工况下气冷反应堆的非能动余热排出。8.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述一级膨胀机(15)、一级工质泵(18)和一级ORC发电单元(19)共用一根转轴，二级膨胀机(20)、二级工质泵(23)和二级ORC发电单元(24)共用一根转轴，以便有机工质在推动膨胀机的同时能够推动工质泵使回路继续运转，以保证反应堆在事故工况下即使回路断电也能进行堆芯余热排出。9.根据权利要求1所述的一种移动式一体化双流程气冷反应堆系统，其特征在于：所述气冷反应堆部分和主发电部分流过的冷却剂工质为质量分数为7....

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏春，雷铠灰，郑友琦，杜夏楠，王永平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：