核热热声发电系统技术方案

本发明专利技术涉及热声发电与高温气冷堆技术领域，公开了一种核热热声发电系统，包括反应堆堆芯、回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，调相器包括调相气缸以及设于调相气缸内的调相活塞；反应堆堆芯内的气体流道连接于调相气缸的一端，以形成膨胀腔；调相气缸的另一端、直线电机的缸体与冷端换热器的气体换热侧的进口相互连接，以形成压缩腔；冷端换热器的气体换热侧的出口、回热器和反应堆堆芯内的气体流道顺次连通；反应堆堆芯与调相器间隔布置，且反应堆堆芯与调相器之间、以及反应堆堆芯、膨胀腔、回热器和冷端换热器的外侧均布置有屏蔽层。该核热热声发电系统具有使用寿命长、结构紧凑等优点，可实现百千瓦到兆瓦级的可移动式核电源。核电源。核电源。

【技术实现步骤摘要】
核热热声发电系统


[0001]本专利技术涉及热声发电与高温气冷堆
，尤其涉及一种核热热声发电系统。

技术介绍

[0002]紧凑型热声发电系统在MW级及以下发电功率范围具有效率高、可靠性高、长寿命、免维护、可静音、比体积功率高等优势，在发展移动与分布式电源技术方面具有独特的优势。在水下与空间动力，太阳能发电，家庭热电联供等方面均具有较大应用潜力。热声发电基于可压缩工质在温度梯度的作用下产生并维持声学振荡，从而推动声电换能器最终转换为电能。
[0003]热声发电机的热能可通过外部导入，具有广泛的热源适应性。但另一方面，热声发电系统中的换热器主要靠进、出口效应换热，换热长度由工质在换热器中往复运动行程决定，这就决定了系统中的换热器所需有效长度受限，例如壳管式换热器一般在100mm以下，燃烧的管束式换热器虽然可显著增长，但为了达到近百米的高流速，管道根数同样受限，因此对外热源的能量密度和温度要求非常高。另一方面功率的增大主要由横截面积的增大实现，单一方向的尺寸变化较难适应各种热源形式。因此，发动机内部工质对换热器的紧凑性要求决定了其对外热源交界面上的高功率密度要求，这在发展10kW发电功率以上的系统中往往成为关键技术问题。
[0004]高温气冷堆是一种具有良好安全特性的堆型，采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础，同时堆芯反应性温度系数(燃料和慢化剂温度系数之和)均为负，具有瞬发效应的燃料温度系数也为负，因此高温气冷堆具有固有安全性。如果结合高温气冷堆的固有安全性与热声发电机的紧凑性，则可获得一种理想的可移动式核电源装置。但如果仅仅是简单将热声发动机中的换热器区域置换为带流道的核燃料，核反应堆一旦启动后，其堆芯的辐射强度非常强，只有少量特殊材料能耐受，而直线电机使用的一些材料如绝缘胶，磁铁等重要功能材料对核辐射强度的耐受力则非常有限，即使常规核电站中采用的核用级材料，也是使用在远离堆芯的低辐照强度下。同时，调相器直面反应堆往复运动，会引起堆内中子的周期性波动，不利于反应堆稳定运行。另一方面，由于热声发电系统属于声学谐振特性，系统的所有部件之间是高度耦合的，任意部件的变化均会显著影响整机系统，这与具有稳定循环的热机系统是完全不同的。这一特点也决定了不同应用场景需要定制化整机设计，而很难采用通用设备或管道连接进行简单组合。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供一种核热热声发电系统，用以解决将核反应堆内置于热声发电系统热端换热器内部时，所产生的辐射防护问题以及核堆稳定运行问题。
[0006]本专利技术实施例提供一种核热热声发电系统，包括反应堆堆芯以及至少一个回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，所述调相器与所述直线电机相对设置，所述调相器包括调相气缸以及设于所述调相气缸内的调相活塞；所述反应堆堆芯内设有气体流道，所述
气体流道连接于所述调相气缸的一端，所述调相气缸的另一端、所述直线电机的缸体与所述冷端换热器的气体换热侧的进口相互连接，所述冷端换热器的气体换热侧的出口、所述回热器和所述反应堆堆芯内的气体流道顺次连通；
[0007]所述调相活塞的一端与所述气体流道之间形成膨胀腔，所述调相活塞的另一端、所述直线电机的活塞与所述冷端换热器的气体换热侧的进口之间形成压缩腔；所述直线电机的活塞由所述压缩腔内的压力波动带动而往复运动；
[0008]所述反应堆堆芯与所述调相器间隔布置，且所述反应堆堆芯与所述调相器之间、以及所述反应堆堆芯、所述膨胀腔、所述回热器和所述冷端换热器的外侧均布置有屏蔽层。
[0009]其中，所述反应堆堆芯包括两块间隔且对称设置的燃料元件，两个所述燃料元件之间构成堆芯间隙；所述回热器和所述冷端换热器的数量均为两个，且两个所述回热器和两个所述冷端换热器均沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置；所述调相器的数量为偶数个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机，且每两个所述调相器沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置，构成一组调相组件；所述调相组件中的两个相对的所述调相活塞之间的腔体与所述堆芯间隙相连通，并共同构成膨胀腔。
[0010]其中，多个所述调相组件沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述堆芯间隙的中轴面；位于所述堆芯间隙的中轴面的同一侧的所述直线电机的缸体共同连接于同侧的所述冷端换热器的气体换热侧的进口。
[0011]其中，所述调相器的数量为多个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机；多个所述调相器沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，且均位于所述膨胀腔的同一侧；所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述膨胀腔的中轴面；所述回热器和所述冷端换热器的数量为一个，多个所述直线电机的缸体共同连接于所述冷端换热器的气体换热侧的进口。
[0012]其中，还包括至少一组控制棒，所述控制棒插装于所述反应堆堆芯内。
[0013]其中，还包括承压壳，所述反应堆堆芯、所述回热器、所述冷端换热器、所述调相器和所述直线电机均安装于所述承压壳内，所述承压壳内以及所述气体流道内均充入气体工质。
[0014]其中，还包括穿设于所述承压壳的冷却剂进出耐压套，所述冷却剂进出耐压套的一端连接于所述冷端换热器的冷却剂换热侧，所述冷却剂进出耐压套的另一端用于连接外部的冷却系统。
[0015]其中，所述屏蔽层包括设置于所述反应堆堆芯、所述回热器和所述膨胀腔的外侧的第一屏蔽层以及设置于所述冷端换热器的外侧的第二屏蔽层；所述第一屏蔽层包括依次叠设的高温屏蔽层、保温层和中低温屏蔽层，所述高温屏蔽层贴附于所述反应堆堆芯的中子反射层；所述第二屏蔽层采用常温屏蔽材料。
[0016]其中，所述回热器和所述冷端换热器均采用抗辐照金属材料。
[0017]其中，所述调相活塞朝向所述膨胀腔的一侧罩设有隔热筒，所述隔热筒采用抗辐照金属材料。
[0018]本专利技术实施例提供的核热热声发电系统，包括反应堆堆芯以及至少一个回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，调相器包括调相气缸以及设于调相气缸内的调相活塞，调相活塞的一端与气体流道之间形成膨胀腔，调相活塞的另一端、直线电机的活塞与冷端换
热器的气体换热侧的进口之间形成压缩腔；气体工质通过反应堆堆芯中的气体流道，吸收反应堆中的热量，通过回热器将从冷端换热器中输入的声功放大，放大的声功通过膨胀腔进入调相器，并由调相器传递至压缩腔，压缩腔携带的声功一部分推动直线电机转换为电能输出，从而实现核热到电能的转换，同时另一部分声功从冷端换热器反馈回回热器，构成循环回路。该核热热声发电系统具有使用寿命长、结构紧凑等优点，可实现百千瓦到兆瓦级的高效、可靠的可移动式核电源。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是本专利技术实施例中的一种核热热声发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核热热声发电系统，其特征在于，包括反应堆堆芯以及至少一个回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，所述调相器与所述直线电机相对设置，所述调相器包括调相气缸以及设于所述调相气缸内的调相活塞；所述反应堆堆芯内设有气体流道，所述气体流道连接于所述调相气缸的一端，所述调相气缸的另一端、所述直线电机的缸体与所述冷端换热器的气体换热侧的进口相互连接，所述冷端换热器的气体换热侧的出口、所述回热器和所述反应堆堆芯内的气体流道顺次连通；所述调相活塞的一端与所述气体流道之间形成膨胀腔，所述调相活塞的另一端、所述直线电机的活塞与所述冷端换热器的气体换热侧的进口之间形成压缩腔；所述直线电机的活塞由所述压缩腔内的压力波动带动而往复运动；所述反应堆堆芯与所述调相器间隔布置，且所述反应堆堆芯与所述调相器之间、以及所述反应堆堆芯、所述膨胀腔、所述回热器和所述冷端换热器的外侧均布置有屏蔽层。2.根据权利要求1所述的核热热声发电系统，其特征在于，所述反应堆堆芯包括两块间隔且对称设置的燃料元件，两个所述燃料元件之间构成堆芯间隙；所述回热器和所述冷端换热器的数量均为两个，且两个所述回热器和两个所述冷端换热器均沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置；所述调相器的数量为偶数个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机，且每两个所述调相器沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置，构成一组调相组件；所述调相组件中的两个相对的所述调相活塞之间的腔体与所述堆芯间隙相连通，并共同构成膨胀腔。3.根据权利要求2所述的核热热声发电系统，其特征在于，多个所述调相组件沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述堆芯间隙的中轴面；位于所述堆芯间隙的中轴面的同一侧的所述直线电机的缸体共同连接于同侧的所述冷端换热器的气体换热侧的进口。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕燕，胡剑英，罗二仓，张丽敏，吴张华，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：