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CN111075529B - 一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统 - Google Patents

一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，主回路包括透平C‑02，压缩机C‑01，聚变堆，换热器HX‑02和换热器HX‑01以及连接上述设备的管路；压缩机C‑01出口依次连接聚变堆、换热器HX‑02一次侧、换热器HX‑01一次侧、之后与透平C‑02入口相连，透平C‑02出口连接压缩机C‑01入口，形成闭合回路，结构控制简单，透平入口温度、流量和压力稳定，能够降低未来可控核聚变反应堆等离子体约束要求。

Description

一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统
技术领域
本发明属于聚变反应堆技术领域，具体涉及一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统。
背景技术
聚变堆核电站是人类社会未来的主要电站，其通过聚变反应装置约束氘氚等离子体发生可控聚变，产生能量，而后由冷却系统带出反应堆内聚变能量至堆外，通过推动透平或汽轮机做功产生电力。与裂变堆和火电厂锅炉不同，基于当前聚变技术来说，实现持续稳定聚变反应有很大困难，聚变装置产生的功率是脉冲型功率。当前裂变电站和火电站技术无法利用脉冲型功率，产生持续稳定的电力。
布雷登循环发电系统是一种高效的发电系统，是目前高温气冷堆的一个主要研究方向，且技术日渐成熟。然而，与高温气冷堆等裂变装置所提供的稳态热源不同，聚变堆所提供的热源是脉冲式的，这对于透平的稳态运行和系统的稳定发电带来极大的挑战。为解决这个问题，设计了一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，该系统能够保证透平的稳态运行，以及稳定发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其能够根据脉冲功率反应堆产热功率的周期运行而调整运行状态，保证系统产生稳定功率的电力。
本发明的技术方案如下：
一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，包括聚变堆、与聚变堆出口依次连接的两个换热器HX-02、HX-01、透平C-02和压缩机C-01，以及连接上述设备的管路；
其中，聚变堆出口连接换热器HX-02的一次侧入口，换热器HX-02一次侧出口连接换热器HX-01的一次侧入口，换热器HX-01的一次侧出口连接透平C-02入口，透平C-02出口接压缩机C-01入口，接压缩机C-01入出口连接聚变堆入口，形成闭合回路。
还包括控温系统，所述的温控系统包括压力罐TA-01、高温储能容器TA-02、泵PB-01和泵PB-02；
所述的压力罐TA-01的入口连接换热器HX-01二次侧出口，低温容器TA-01的出口连接换热器HX-02的二次侧入口；
所述的压力罐TA-02的入口连接换热器HX-02二次侧出口，高温容器TA-02的出口连接换热器HX-01的二次侧入口；
所述的泵PB-01设于压力罐TA-02的出口与换热器HX-01二次侧入口之间的管路上；
所述的泵PB-02设于压力罐TA-01的出口与换热器HX-02二次侧入口之间的管路上。
所述的温控系统还包括开关阀VG-01和开关阀VG-02；
所述的开关阀VG-01设于泵PB-01和压力罐TA-02之间的管路上；
所述的开关阀VG-02设于泵PB-02和压力罐TA-01之间的管路上。
当聚变堆出口为高温出口时，开关阀VG-01关闭，泵PB-01关闭，开关阀VG-02打开，泵PB-02开启；
当聚变堆出口为低温出口时，开关阀VG-02关闭，泵PB-02关闭，开关阀VG-01打开，泵PB-01开启。
所述聚变堆、换热器、透平和压缩机形成的主回路通入的冷却剂为气体。
所述气体为氦气。
所述控温系统中通入流体，其为液态金属或盐溶液。
所述液态金属为金属钠。
本发明的显著效果如下：
聚变反应堆产热时，一回路冷却剂出口为高温出口，聚变反应堆产热间隙，一回路冷却剂出口为低温出口，通过设计该系统，操作相关开关阀门，使得聚变反应堆运行时，系统在两个状态间相互切换。
在聚变堆出口为高温出口时：聚变堆出口高温气体流过换热器HX-02一次侧，被换热器HX-02二次侧中控温系统的流体冷却至透平入口所需温度，而后流过换热器HX-01一次侧，并流至透平C-02处，推动透平发电，而后经过压缩机C-01将冷却剂压缩并流至聚变堆入口，形成闭合循环；控温系统中，开关阀VG-01关闭，泵PB-01关闭，开关阀VG-02打开，泵PB-02开启；低温流体从压力罐TA-01依次经过开关阀VG-02、泵PB-02、换热器HX-02二次侧后被加热成为高温流体，并流入压力罐TA-02中储存，通过控制泵PB-02转速实现换热器HX-02一次侧出口温度控制。
在聚变堆出口为低温出口时：聚变堆出口低温气体流过换热器HX-02一次侧，而后流过换热器HX-01一次侧，被换热器HX-0二次侧中控温系统的流体加热至透平入口所需温度，并流至透平C-02处，推动透平发电，而后经过压缩机C-01将冷却剂压缩并流至聚变堆入口，形成闭合循环；控温系统中，开关阀VG-02关闭，泵PB-02关闭，开关阀VG-01打开，泵PB-01开启；高温流体从压力罐TA-02依次经过开关阀VG-01、泵PB-01、换热器HX-01二次侧后被冷却成为低温流体，并流入压力罐TA-01中储存，通过控制泵PB-01转速实现换热器HX-01一次侧出口温度控制。
(1)该系统设置了控温系统，能够有效稳定主回路透平入口温度。能适应聚变堆功率波动的特点，能够产生持续稳定的电力；
(3)由于该系统设置的控温系统，可以根据聚变堆有无热功率来进行相应调节以稳定透平入口温度，因而未来聚变堆的脉冲运行也可以持续稳定发电。聚变堆产热功率技术发展路线为短周期脉冲运行-长周期脉冲运行-稳态运行，聚变堆产生稳定热功率技术要求最高，最难实现。由于该技术能够利用聚变堆脉冲功率，从而能够大大降低未来可控核聚变反应堆的技术要求，使得可控聚变技术的使用时间大大提前；
(4)由于该技术采用了布雷登循环系统，与普通压水堆相比，没有二回路和三回路等一系列设备，节省了大量的设备和建设费用。同时，由于直接利用聚变堆出口冷却剂(具有高温高压)推动透平发电，从而系统具有很高的发电效率；
(5)所采用设备均为目前市场技术较为成熟设备，无制造难点。
附图说明
图1为适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统示意图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，包括主回路和控温系统；
主回路主要用于带走聚变堆内能量至透平处并发电；
控温系统主要用于控制透平入口温度；
主要蒸汽发生系统包括了透平C-02，压缩机C-01，换热器HX-01，换热器HX-02，以及连接上述设备的阀门和管路。
控温系统包括了压力罐TA-01，压力罐TA-02，泵TA-01，泵TA-02；
开关阀VG-01和开关阀VG-02；
以及连接上述设备的管路。
压缩机C-01是主回路12MPa氦气冷却剂循环流动的动力源，其主要目的是将冷却剂(氦气)压入聚变堆中，带出聚变堆内能量；
透平C-02是发电装置转子转动的动力源，透平入口高温高压气体(12MPa，400℃氦气)流入透平C-02中时，将冷却剂动能和内能转化为发电机转子动能并发电；
换热器HX-02主要用于当聚变堆出口为高温冷却剂时(500℃氦气),换热器HX-02一次侧冷却剂与换热器HX-02二次侧中来自于控温系统中的低温流体(350℃的液态金属钠)发生热量交换；换热器HX-02一次侧500℃的氦气被冷却到400℃后，通过换热器HX-01一次侧流至透平C-02入口，换热器HX-02二次侧低温流体(350℃液态金属钠)被加热至450℃并流入压力罐TA-02中储存；
换热器HX-01主要用于当聚变堆出口为低温冷却剂时(300℃氦气)，换热器HX-01一次侧冷却剂与换热器HX-02二次侧中来自于控温系统中的高温流体(450℃液态金属钠)发生热量交换；换热器HX-01一次侧冷却剂被加热至400℃后流动至透平C-02入口，换热器HX-02二次侧高温流体(450℃液态金属钠)被冷却至350℃并流入压力罐TA-01中储存；
泵PB-01位于压力罐TA-02和换热器HX-01之间，主要用于提供高温流体(450℃液态金属钠)从压力罐TA-02中流出，经过换热器HX-01后，流入压力罐TA-01中所需的动力；
泵PB-02位于压力罐TA-01和换热器HX-02之间，主要用于提供低温流体(350℃液态金属钠)从压力罐TA-01中流出，经过换热器HX-02后，流入压力罐TA-02中所需的动力。
聚变核电站中，聚变反应堆为脉冲式运行，即聚变反应堆以周期性在有热功率与无热功率间交替运行(例聚变反应堆一个运行周期为2000s，前1000s有热功率，之后有1000s无热功率)。压力罐TA-01和压力罐TA-02中所用工质为0.14MPa液态金属钠；压力罐TA-01和压力罐TA-02容积约850m3，外侧包覆隔热材料；压力罐TA-01储存低温液态金属钠，工作温度为250℃，压力罐TA-02储存高温液态金属钠，工作温度为350℃。当聚变反应堆有热功率时，聚变堆出口为500℃高温出口，聚变堆入口稳定在300℃。当聚变反应堆无热功率时，聚变堆出口和入口均为300℃。
当聚变堆有热功率时，关闭开关阀VG-01，关闭泵PB-01，打开开关阀VG-02，开启泵PB-02，聚变堆出口为高温冷却剂(500℃，12MPa，200kg/s氦气)，高温冷却剂流入换热器HX-02一次侧，并被其二次侧来自于控温系统中的冷流体(350℃，800kg/s液态金属钠)冷却到透平C-02入口所需温度(400℃)后，流入换热器HX-01中，之后以400℃高温高压氦气流入透平C-02发电；换热器HX-02二次侧中的冷流体(350℃，800kg/s液态金属钠)被一次侧高温冷却剂加热后流入压力罐TA-02中储存；
当聚变堆无热功率时，打开开关阀VG-01，开启泵PB-01，关闭开关阀VG-02，关闭泵PB-02，聚变堆出口为低温冷却剂(300℃，12MPa，200kg/s氦气)，低温冷却剂经过换热器HX-02一次侧后，流入换热器HX-01一次侧，并被其二次侧来自于控温系统中的热流体(450℃，800kg/s液态金属钠)加热至透平C-02入口所需温度(400℃)，之后流入透平C-02发电；换热器HX-01二次侧中的热流体(450℃，800kg/s液态金属钠)被一次侧低温冷却剂冷却后流入压力罐TA-01中储存。

Claims (7)

1.一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于：包括聚变堆、与聚变堆出口依次连接的两个换热器HX-02、HX-01、透平C-02和压缩机C-01，以及连接上述设备的管路；
其中，聚变堆出口连接换热器HX-02的一次侧入口，换热器HX-02一次侧出口连接换热器HX-01的一次侧入口，换热器HX-01的一次侧出口连接透平C-02入口，透平C-02出口接压缩机C-01入口，压缩机C-01出口连接聚变堆入口，形成闭合回路；
还包括控温系统，所述的控温系统包括压力罐TA-01、压力罐TA-02、泵PB-01和泵PB-02；
所述的压力罐TA-01的入口连接换热器HX-01二次侧出口，低温容器TA-01的出口连接换热器HX-02的二次侧入口；
所述的压力罐TA-02的入口连接换热器HX-02二次侧出口，压力罐TA-02的出口连接换热器HX-01的二次侧入口；
所述的泵PB-01设于压力罐TA-02的出口与换热器HX-01二次侧入口之间的管路上；
所述的泵PB-02设于压力罐TA-01的出口与换热器HX-02二次侧入口之间的管路上。
2.如权利要求1所述的一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于：所述的控温系统还包括开关阀VG-01和开关阀VG-02；
所述的开关阀VG-01设于泵PB-01和压力罐TA-02之间的管路上；
所述的开关阀VG-02设于泵PB-02和压力罐TA-01之间的管路上。
3.如权利要求2所述的一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于：
当聚变堆出口为高温出口时，开关阀VG-01关闭，泵PB-01关闭，开关阀VG-02打开，泵PB-02开启；
当聚变堆出口为低温出口时，开关阀VG-02关闭，泵PB-02关闭，开关阀VG-01打开，泵PB-01开启。
4.如权利要求1所述的一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于：所述聚变堆、换热器、透平和压缩机形成的主回路通入的冷却剂为气体。
5.如权利要求4所述的一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于，所述气体为氦气。
6.如权利要求1所述的一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于：所述控温系统中通入流体，其为液态金属或盐溶液。
7.如权利要求6所述的一种适用于脉冲型聚变堆的布雷登循环发电系统，其特征在于，所述液态金属为金属钠。
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