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CN103928064B - 一种热动转换系统 - Google Patents

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司胜义
赵金坤
陈其昌
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Abstract

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种采用铅或铅铋合金中间回路的热动转换系统。该系统包括三个回路，一回路包括设置在主容器内依次连接的冷池、主泵、堆芯、热池、中间热交换器；二回路包括依次连接的二回路循环泵、中间热交换器、蒸汽发生器；三回路包括依次连接的给水泵、蒸汽发生器、汽轮机。所述一回路工质为液态金属钠，二回路工质为液态金属铅或铅铋合金，三回路为传统水‑蒸汽回路。该系统可以安全、高效的把堆芯产生的热量带出反应堆，使其在蒸汽发生器中产生高温蒸汽，并推动汽轮机做功，将反应堆产生的热能转化为机械能。

Description

一种热动转换系统
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种采用铅或铅铋合金中间回路的热动转换系统。
背景技术
反应堆热动转换系统是以冷却剂为载体，把反应堆堆芯产生的热量带出反应堆，使其在蒸汽发生器中产生高温蒸汽，并推动汽轮机做功，将反应堆产生的热能转化为机械能的系统。
与传统压水堆相比，快中子反应堆（以下简称快堆）最显著的特点就是堆内中子具有较高的能量，使快堆具有增殖核燃料和嬗变高放核废物的能力，这样就能显著提高天然铀资源的利用率，从而实现核能的长期可持续发展。
由于需要维持堆芯内较硬的中子能谱，因此快堆不能像压水堆一样使用慢化能力很强的水作为冷却剂，通常快堆使用液态金属钠作为冷却剂。由于钠的化学活性较强，因此钠冷快堆需要设计密封的主冷却剂系统，多采用双层反应堆容器设计，双层容器之间充入惰性气体。堆容器内热钠池自由钠液面上部覆盖有纯净的惰性气体。钠冷快堆热动转换系统一般采用三回路设计，以避免一回路内的放射性钠直接与三回路内的水或蒸汽发生反应的可能，这样即使发生钠水反应也不会导致放射性泄漏。钠冷快堆一回路多采用池式结构，所有一回路设备均位于主容器内，这样的设计具有高的热冗余，保证了堆芯的安全性。一回路由多个环路组成，每个环路都备有主泵和中间热交换器，连同堆芯和钠池组成一回路钠循环系统。热动转换系统二回路（中间回路）也采用液态金属钠作为冷却剂，主要设备包括二次钠泵、蒸汽发生器、位于主容器内的中间热交换器等。三回路为水-蒸汽回路，由蒸汽发生器和汽轮发电机组组成，蒸汽发生器由给水泵供水，产生蒸汽供给汽轮发电机组发电。
上述设计虽然可以避免一回路钠直接泄露，但二回路管道内的钠依然存在泄漏风险，并且不能避免蒸汽发生器内发生钠水反应的风险。针对这些问题都必须配备相应的辅助设备，增加了整个系统的复杂度。
快堆热动转换系统另一种设计方案是采用铅或铅铋合金作为冷却剂。与钠相比，铅或铅铋合金优势在于：化学性质较稳定，不易与空气和水发生化学反应，因此，铅冷快堆不需要中间回路；原子序数高，对中子慢化能力弱，使堆芯能谱更硬，对中子的有害吸收少；铅资源丰富，价格不高；在运行工况内有较低的蒸汽压力，沸点更高，使系统更简单、紧凑；铅还能有效的屏蔽γ射线；密度接近燃料密度，在堆芯融化的情况下能避免重返临界；铅还可以包容裂变产物，使铅冷快堆具有更好的安全性；此外，尽管铅的熔点很高，但铅铋合金具有与钠相近的熔点，可以降低因冷却剂凝固对反应堆造成危害的风险。
但同时，铅冷快堆也面临很大的挑战：热物性能方面，相比于钠，铅的导热性能较差；密度很大，在高温下具有腐蚀性，对结构材料的腐蚀相当严重，限制了流速和堆芯出口温度，导致铅冷快堆不能达到很高的功率密度，而且导致铅回路中不能有太高的设备，高温铅环境中进行换料也很困难；辐照后会生成钋-210，增加放射性危害。
综上所述，现有快堆热动转换系统存在系统复杂、功率密度低等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热动转换系统，该系统可以安全、高效的把堆芯产生的热量带出反应堆，使其在蒸汽发生器中产生高温蒸汽，并推动汽轮机做功，将反应堆产生的热能转化为机械能。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种热动转换系统，该系统包括三个回路，一回路包括设置在主容器内依次连接的冷池、主泵、堆芯、热池、中间热交换器；二回路包括依次连接的二回路循环泵、中间热交换器、蒸汽发生器；三回路包括依次连接的给水泵、蒸汽发生器、汽轮机。
所述一回路工质为液态金属钠，二回路工质为液态金属铅或铅铋合金，三回路为传统水-蒸汽回路。
所述热动转换系统热量传导具体过程如下：在一回路主容器内，主泵从冷池中吸入液态金属钠，液态金属钠流经堆芯被加热后进入热池；热池中的液态金属钠进入中间热交换器，将热量传递至二回路，冷却后的液态金属钠从中间热交换器出口流回冷池；二回路中的液态金属铅或铅铋合金流入中间热交换器中被加热；加热后的液态金属铅或铅铋合金进入蒸汽发生器将热量传递至三回路，冷却后的液态金属铅或铅铋合金经过二回路循环泵后将再次进入中间热交换器；三回路给水经过给水泵进入蒸汽发生器加热产生过热蒸汽，蒸汽推动汽轮机做功，将反应堆产生的热能转化为机械能。
本发明所取得的有益效果为：
本发明所述一种热动转换系统，可以安全、高效的把堆芯产生的热量带出反应堆，使其在蒸汽发生器中产生高温蒸汽，并推动汽轮机做功，将反应堆产生的热能转化为机械能。该系统具有以下特点：
（1）一回路采用液态金属钠作为冷却剂，具有良好的导热性能和很高的热冗余；
（2）二回路采用液态金属铅或铅铋合金作为冷却剂，化学性质稳定，即使泄漏危害也不大；
（3）液态金属铅或铅铋合金不与水或蒸汽发生反应，保证了蒸汽发生器的安全性；
（4）在高温下，液态金属钠与液态金属铅或铅铋合金反应会生成高熔点的固体产物，即使中间热交换器发生泄漏，自焊接作用也会把破口堵上，保持一回路的完整性，系统更加安全可靠；
（5）该系统中，液态金属铅或铅铋合金不经过堆芯，降低了生成钋-210带来的放射性危害；
（6）一回路与二回路都是封闭式回路，与外界只有热量交换，不会有放射性物质的外泄。
附图说明
图1为本发明所述热动转换系统结构图；
图中：1、冷池；2、热池；3、主泵；4、堆芯；5、中间热交换器；6、液态金属钠；7、二回路循环泵；8、铅铋合金；9、蒸汽发生器；10、汽轮机；11、给水泵；12、主容器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述一种热动转换系统包括三个回路，一回路包括设置在主容器12内依次连接的冷池1、主泵3、堆芯4、热池2、中间热交换器5；二回路包括依次连接的二回路循环泵7、中间热交换器5、蒸汽发生器9；三回路包括依次连接的给水泵11、蒸汽发生器9、汽轮机10；一回路工质为液态金属钠6，二回路工质为液态金属铅或铅铋合金8，三回路为传统水-蒸汽回路；
该热动转换系统热量传导具体过程如下：
在一回路主容器12内，主泵3从冷池1中吸入液态金属钠6，液态金属钠6流经堆芯4被加热后进入热池2；热池中的液态金属钠6进入中间热交换器5，将热量传递至二回路，冷却后的液态金属钠6从中间热交换器5出口流回冷池1；二回路中的液态金属铅或铅铋合金8流入中间热交换器5中被加热；加热后的液态金属铅或铅铋合金8进入蒸汽发生器9将热量传递至三回路，冷却后的液态金属铅或铅铋合金8经过二回路循环泵7后将再次进入中间热交换器5；三回路给水经过给水泵11进入蒸汽发生器9加热产生过热蒸汽，蒸汽推动汽轮机10做功，将反应堆产生的热能转化为机械能。

Claims (2)

1.一种热动转换系统，其特征在于：该系统包括三个回路，一回路包括设置在主容器(12)内依次连接的冷池(1)、主泵(3)、堆芯(4)、热池(2)、中间热交换器(5)；二回路包括依次连接的二回路循环泵(7)、中间热交换器(5)、蒸汽发生器(9)；三回路包括依次连接的给水泵(11)、蒸汽发生器(9)、汽轮机(10)；所述一回路工质为液态金属钠(6)，二回路工质为液态金属铅或铅铋合金(8)，三回路为传统水-蒸汽回路。
2.根据权利要求1所述的热动转换系统，其特征在于：所述热动转换系统热量传导具体过程如下：在一回路主容器(12)内，主泵(3)从冷池(1)中吸入液态金属钠(6)，液态金属钠(6)流经堆芯(4)被加热后进入热池(2)；热池中的液态金属钠(6)进入中间热交换器(5)，将热量传递至二回路，冷却后的液态金属钠(6)从中间热交换器(5)出口流回冷池(1)；二回路中的液态金属铅或铅铋合金(8)流入中间热交换器(5)中被加热；加热后的液态金属铅或铅铋合金(8)进入蒸汽发生器(9)将热量传递至三回路，冷却后的液态金属铅或铅铋合金(8)经过二回路循环泵(7)后将再次进入中间热交换器(5)；三回路给水经过给水泵(11)进入蒸汽发生器(9)加热产生过热蒸汽，蒸汽推动汽轮机(10)做功，将反应堆产生的热能转化为机械能。
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