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CN111524624A - 一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统 - Google Patents

一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统 Download PDF

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CN111524624A CN202010261013.XA CN202010261013A CN111524624A CN 111524624 A CN111524624 A CN 111524624A CN 202010261013 A CN202010261013 A CN 202010261013A CN 111524624 A CN111524624 A CN 111524624A
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夏庚磊
李韧
彭敏俊
薛若军
王航
成守宇
朱海山
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Harbin Engineering University
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Abstract

本发明提供一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，包括热离子转换模块、中间热交换器和布雷顿循环模块；热离子转换模块内部设有热离子热电转换元件和碱金属热管，外部包覆有反射层和屏蔽层；布雷顿能量转换系统由透平、回热器、预冷器、压缩机及发电机组成；热离子转换模块和中间热交换器之间设置有贯通的热管；热管在热离子转换模块内部分设定为蒸发段，在所述中间热交换器内部分设定为冷凝段；所述布雷顿能量转换系统的进口与所述中间热交换器壳侧出口相连；所述布雷顿能量转换系统的出口与所述中间热交换器壳侧进口相连。本发明采用热管冷却固体堆芯以及热离子转换和布雷顿循环联合发电设计，实现核裂变能量的热量多级利用。

Description

一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统
技术领域
本发明涉及一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，具体涉及一种热离子转换与布雷顿循环联合发电，可以实现能量梯级利用的核反应堆系统，属于核反应堆工程技术领域。
背景技术
热离子转换是利用金属在高温下发射电子的现象将热能直接转换为电能。热离子能量转换系统能够利用太阳能、化石能、核能等不同形式的热源，相关技术已应用于俄罗斯TOPAZ系列空间反应堆，具备运动部件少、冗余性好、散热表面积小、质量功率比低及功率范围大等优势。但是热离子反应堆的热电转换效率比较低，目前工程可实现的转换效率不足15％，因此在反应堆运行过程中会有大量的热量散失到环境中，而热离子热电转换元件接收端的温度仍高达1000K，这部分高品质的热量完全可用做其他能量转换系统的热量输入。
布雷顿循环是一种以气体为工质的热力循环，与燃气轮机的工作原理相同，具有热电转换效率高、系统安全性强、功率范围宽等优势。特别是以超临界二氧化碳为流动换热工质时，能够实现能量转换系统微型化，满足特殊环境应用需求，而且其运行温度范围为1000K以下，完全可以利用热离子反应堆的废热作为布雷顿循环的热源。
因此，如何结合上述两种技术优势进行反应堆系统设计，以满足如深空探索等特殊应用环境中的能源动力供应需求是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够实现能量的梯级利用，结合热离子转换与布雷顿循环的特点，实现联合发电的反应堆系统。
本发明的目的是这样实现的：一种热离子转换与布雷顿循环联合发电核反应堆系统，包括热离子转换模块、中间热交换器和布雷顿循环模块；所述热离子转换模块内部设有热离子热电转换元件和碱金属热管，外部包覆有反射层和屏蔽层；所述布雷顿能量转换系统由透平、回热器、预冷器、压缩机及发电机组成；所述热离子转换模块和中间热交换器之间设置有贯通的热管；所述热管分为蒸发段和冷凝段，所述热管在所述热离子转换模块内部分设定为蒸发段，所述热管在所述中间热交换器内部分设定为冷凝段；所述布雷顿能量转换系统的进口与所述中间热交换器壳侧出口相连；所述布雷顿能量转换系统的出口与所述中间热交换器壳侧进口相连。
进一步地，所述热离子转换模块内设置有六边形蜂窝状慢化剂基体；所述慢化剂基体内设置有热离子热电转换元件；所述慢化剂基体内还设置有碱金属热管；所述碱金属热管与所述热离子热电转换元件间隔布置。
进一步地，所述热离子热电转换元件采用圆柱状设计，由核燃料、热离子发电元件及不锈钢包壳组成，用于将核裂变产生的热量转换为电能，并用于负载。
进一步地，所述热离子发电元件位于所述核燃料外围，由内至外依次包括发射极、铯气腔、接收极及绝缘体，所述不锈钢包壳包覆于所述绝缘体外侧，与所述绝缘体之间留有氦气腔。
进一步地，所述碱金属热管包括不锈钢金属壁面以及内部流动换热碱金属工质钠，用于将堆芯热量导出，并保证所述接收极处于较低的温度。
进一步地，所述中间热交换器由换热器壳体和所述热管的冷凝段组成，用于将所述热离子转换模块的废热传递给布雷顿能量转换系统，实现能量的二次利用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中使用碱金属热管实现热离子接收级的冷却，热管的运行特性可以保证接收级的温度，简化系统的同时可以提高热电转换的效率。
2、本发明中利用热管的高效传热特性可以实现堆芯热量的顺利导出，实现堆芯的小型化，其非能动特性大大提高了反应堆的固有安全性。
3、热离子热电转换的有效温度区间为2000-1000K，而超临界二氧化碳布雷顿循环的运行温度区间在1000K以下，本发明充分利用不同热电转换系统的温度特性，实现了能量的梯级利用，提高核裂变能量的利用效率。
附图说明
图1是本发明热离子转换与布雷顿循环联合发电核反应堆系统示意图；
图2是本发明堆芯布置示意图；
图3是本发明热离子燃料元件示意图。
其中：1-热离子转换模块、2-中间热交换器、3-负载、4-布雷顿循环模块、5-热离子热电转换元件、6-碱金属热管、7-反射层、8-屏蔽层、9-慢化剂基体、10-换热器壳体、41-透平、42-回热器、43-预冷器、44-压缩机、45-发电机、51-核燃料、52-热离子发电元件、53-不锈钢包壳、54-发射极、55-铯气腔、56-接收极、57-绝缘体、61-不锈钢金属壁面、62-碱金属工质钠。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，为本发明热离子转换与布雷顿循环联合发电核反应堆系统的一个实施例，其包括热离子转换模块1、中间热交换器2和布雷顿循环模块4；热离子转换模块1内部设有热离子热电转换元件5和碱金属热管6，外部包覆有反射层7和屏蔽层8；热离子转换模块1和中间热交换器2之间设置有贯通的热管6；热管6分为蒸发段和冷凝段，热管6在所述热离子转换模块1内部分设定为蒸发段，热管6在所述中间热交换器2内部分设定为冷凝段；碱金属热管6包括不锈钢金属壁面6以及内部流动换热碱金属工质钾62，用于将堆芯热量导出，并保证所述接收极56处于较低的温度。
如图2所示热离子转换模块1内设置有六边形蜂窝状慢化剂基体9；慢化剂基体9内设置有热离子热电转换元件5；慢化剂基体9内还设置有碱金属热管6；碱金属热管6与热离子热电转换元件5间隔布置。
如图3所示热离子热电转换元件5采用圆柱状设计，由核燃料51、热离子发电元件52及不锈钢包壳53组成，用于将核裂变产生的热量转换为电能，并用于负载3。热离子发电元件52位于所述核燃料51外围，由内至外依次包括发射极54、铯气腔55、接收极56及绝缘体57，所述不锈钢包壳53包覆于所述绝缘体57外侧，与所述绝缘体57之间留有氦气腔58。
布雷顿能量转换系统4由透平41、回热器42、预冷器43、压缩机44及发电机45组成；中间热交换器2由换热器壳体10和所述热管6的冷凝段组成，用于将所述热离子转换模块1的废热传递给布雷顿能量转换系统4，实现能量的二次利用；布雷顿能量转换系统4的进口与所述中间热交换器2壳侧出口相连；布雷顿能量转换系统4的出口与所述中间热交换器2壳侧进口相连。
本发明联合发电核反应堆系统的原理为：
热离子转换模块1中的核燃料51发生核裂变反应产生热量，当热离子发电元件发射极54的温度升高到一定温度(一般在1500K以上)时，发射极54金属中的电子获得足够的动能逸出金属表面，电子飞跃电极间隙后到达接收极56并在发射极54和接收极56之间形成电位差，接通外部负载3即形成低压直流电源回路。碱金属热管6将热离子转换后的余热传递到堆芯上方的中间换热器2，并冷却热离子转换元件的接收极56，在发射极54和接收极56之间形成足够的温度差。热离子元件实现核裂变能的第一次转换。
中间换热器2将碱金属热管6的热量传递给布雷顿能量转换系统(4)进行核裂变能的二次转换。在本专利中选用超临界二氧化碳简单布雷顿循环以作示例，主要由透平41、回热器42、预冷器43、压缩机44及发电机45组合。布雷顿能量转换系统4中的超临界二氧化碳工质在中间换热器2吸热后进入透平41膨胀做功，乏气进入回热器42冷却后进入预冷器43进一步冷却，并在压缩机44内增压，之后通过回热器42预热后返回中间换热器2完成一次循环。透平41与压缩机44采用同轴设计，带动发电机发电45。超临界二氧化碳布雷顿循环实现核裂变能的第二次转换。
碱金属热管内的运行工质为钠，其工作范围为900-1200K，可以适用于热离子元件的废热导出和布雷顿循环工质加热的需求。
综上，本发明公开了一种热离子转换与布雷顿循环联合发电的核反应堆系统，包括热离子转换模块、中间热交换器和布雷顿循环模块；热离子转换模块内部设有热离子热电转换元件和碱金属热管，外部包覆有反射层和屏蔽层；布雷顿能量转换系统由透平、回热器、预冷器、压缩机及发电机组成；热离子转换模块和中间热交换器之间设置有贯通的热管；热管在热离子转换模块内部分设定为蒸发段，在所述中间热交换器内部分设定为冷凝段；所述布雷顿能量转换系统的进口与所述中间热交换器壳侧出口相连；所述布雷顿能量转换系统的出口与所述中间热交换器壳侧进口相连。本发明采用热管冷却固体堆芯以及热离子转换和布雷顿循环联合发电设计，实现核裂变能量的热量多级利用。

Claims (10)

1.一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：包括热离子转换模块(1)、中间热交换器(2)和布雷顿循环模块(4)；所述热离子转换模块(1)内部设有热离子热电转换元件(5)和碱金属热管(6)，外部包覆有反射层(7)和屏蔽层(8)；所述布雷顿能量转换系统(4)由透平(41)、回热器(42)、预冷器(43)、压缩机(44)及发电机(45)组成；所述热离子转换模块(1)和中间热交换器(2)之间设置有贯通的热管(6)；所述热管(6)分为蒸发段和冷凝段，所述热管(6)在所述热离子转换模块(1)内部分设定为蒸发段，所述热管(6)在所述中间热交换器(2)内部分设定为冷凝段；所述布雷顿能量转换系统(4)的进口与所述中间热交换器(2)壳侧出口相连；所述布雷顿能量转换系统(4)的出口与所述中间热交换器(2)壳侧进口相连。
2.根据权利要求1所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述热离子转换模块(1)内设置有六边形蜂窝状慢化剂基体(9)；所述慢化剂基体(9)内设置有热离子热电转换元件(5)；所述慢化剂基体(9)内还设置有碱金属热管(6)；所述碱金属热管(6)与所述热离子热电转换元件(5)间隔布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述热离子热电转换元件(5)采用圆柱状设计，由核燃料(51)、热离子发电元件(52)及不锈钢包壳(53)组成，用于将核裂变产生的热量转换为电能，并用于负载(3)。
4.根据权利要求3所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述热离子发电元件(52)位于所述核燃料(51)外围，由内至外依次包括发射极(54)、铯气腔(55)、接收极(56)及绝缘体(57)，所述不锈钢包壳(53)包覆于所述绝缘体(57)外侧，与所述绝缘体(57)之间留有氦气腔(58)。
5.根据权利要求1或2所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述碱金属热管(6)包括不锈钢金属壁面(61)以及内部流动换热碱金属工质钠(62)。
6.根据权利要求3所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述碱金属热管(6)包括不锈钢金属壁面(61)以及内部流动换热碱金属工质钠(62)。
7.根据权利要求4所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述碱金属热管(6)包括不锈钢金属壁面(61)以及内部流动换热碱金属工质钠(62)。
8.根据权利要求1或2所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述中间热交换器(2)由换热器壳体(10)和所述热管(6)的冷凝段组成，用于将所述热离子转换模块(1)的废热传递给布雷顿能量转换系统(4)，实现能量的二次利用。
9.根据权利要求4所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述中间热交换器(2)由换热器壳体(10)和所述热管(6)的冷凝段组成，用于将所述热离子转换模块(1)的废热传递给布雷顿能量转换系统(4)，实现能量的二次利用。
10.根据权利要求5所述的一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，其特征在于：所述中间热交换器(2)由换热器壳体(10)和所述热管(6)的冷凝段组成，用于将所述热离子转换模块(1)的废热传递给布雷顿能量转换系统(4)，实现能量的二次利用。
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