本發(fā)明涉及發(fā)電領(lǐng)域，具體地說涉及一種采用超臨界CO₂工質(zhì)液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

如何安全高效的利用核能是發(fā)展先進核能技術(shù)的重要目標。液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆具有功率密度大、溫度高，體積小等特點，現(xiàn)在世界正在開展液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆小型化發(fā)展，并提出集裝箱大小的反應(yīng)堆系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的水郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)體積較大，效率較低的問題，不能完全滿足液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆發(fā)電需求。同時采用水作為發(fā)電工質(zhì)，其與高溫液態(tài)重金屬接觸容易發(fā)生蒸汽爆炸，影響反應(yīng)堆運行安全，造成安全事故；另一方面，高溫高壓的蒸汽或者水進入堆芯，對堆內(nèi)快中子起到慢化作用，引起反應(yīng)堆超瞬發(fā)臨界事故，使得堆芯功率快速增加，引起反應(yīng)堆堆芯損毀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種發(fā)電效率優(yōu)良、安全性高的采用超臨界CO₂工質(zhì)液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆發(fā)電裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：采用超臨界CO₂工質(zhì)液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆發(fā)電裝置，包括用于提供熱源的液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)、用于將液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量傳遞給超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)的能量輸運器，以及用于采用熱量進行發(fā)電的超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)；

所述超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)包括膨脹透平機、發(fā)電機、冷卻器、液壓循環(huán)泵以及CO₂工質(zhì)，所述發(fā)電機與膨脹透平機連接，所述膨脹透平機的進口與能量輸運器連通，所述膨脹透平機的出口與冷卻器的進口連通，所述冷卻器的出口與液壓循環(huán)泵的進口連通，所述液壓循環(huán)泵的出口與能量輸運器連通，所述CO₂工質(zhì)在能量輸運器、膨脹透平機、發(fā)電機、冷卻器和液壓循環(huán)泵間循環(huán)流動。

進一步地，所述液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)包括反應(yīng)堆本體以及流過反應(yīng)堆本體的液態(tài)重金屬傳熱流體，CO₂工質(zhì)直接通過能量輸運器與液態(tài)重金屬傳熱流體進行換熱。

進一步地，所述液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)為池式、半池式、回路式反應(yīng)堆中的一種。

進一步地，所述液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)為一回路。

進一步地，所述液態(tài)重金屬傳熱流體為鉛、鋅、錫、鎳、銻、汞、鎘和鉍中的一種或者兩種以上的金屬合金。

進一步地，所述能量輸運器的內(nèi)部傳熱介質(zhì)是所述液態(tài)重金屬傳熱流體，傳熱對象是所述超臨界CO₂工質(zhì)，所述能量輸運器的結(jié)構(gòu)為管殼式、翅片管式、板式換熱器中的一種。

進一步地，所述超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)還包括省熱器，所述膨脹透平機的出口經(jīng)過省熱器與冷卻器的進口連通，所述液壓循環(huán)泵的出口經(jīng)過省熱器與能量輸運器連通。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1.本發(fā)明具有良好的發(fā)電效率，可以實現(xiàn)核能高效轉(zhuǎn)化為電能，提高反應(yīng)堆經(jīng)濟性；

2.本發(fā)明具有簡化系統(tǒng)、減小體積，能夠為反應(yīng)堆提供多種形式的固定式、移動時發(fā)電系統(tǒng)，尤其適合小型化功率密度高的液態(tài)重金屬冷卻核反應(yīng)堆系統(tǒng)，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化和模塊化；

3.本發(fā)明具有良好的安全性，避免了傳統(tǒng)水發(fā)電系統(tǒng)中蒸汽爆炸和超瞬發(fā)臨界的安全事故，提高反應(yīng)堆運行的安全性；

4.本發(fā)明根據(jù)液態(tài)重金屬的特點，實現(xiàn)發(fā)電效率優(yōu)化，同時簡化系統(tǒng)、減小體積、提高經(jīng)濟性。避免了傳統(tǒng)液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆水發(fā)電系統(tǒng)蒸汽爆炸和超瞬發(fā)臨界事故。

5.本發(fā)明一方面提高熱力循環(huán)效率、簡化系統(tǒng)、降低投資，減小占地面積，增加經(jīng)濟性；另一方面避免了水發(fā)電系統(tǒng)中液態(tài)重金屬與水發(fā)生蒸汽爆炸和反應(yīng)堆超瞬發(fā)臨界危險事故，解決了液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆安全問題。

6.本發(fā)明具有明顯高于水蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電效率，不僅能夠簡化整體發(fā)電系統(tǒng)，減小占地面積和體積，尤其是適合功率密度高、體積小的液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化和模塊化；同時還能夠避免傳統(tǒng)水發(fā)電工質(zhì)在堆芯循環(huán)中的安全問題。

附圖說明

圖1為符合發(fā)明優(yōu)先實例的液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)回路式堆超臨界CO₂發(fā)電裝置示意圖。

圖2為符合發(fā)明優(yōu)先實例的液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)池式堆超臨界CO₂發(fā)電裝置示意圖。

圖3為符合發(fā)明優(yōu)先實例的液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)半池式堆超臨界CO₂發(fā)電裝置示意圖。

附圖中各部件的標記為：1液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)、2能量輸裝置、3膨脹透平機、4發(fā)電機、5省熱器、6冷卻器、7液壓循環(huán)泵。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發(fā)明一實施例的采用超臨界CO₂工質(zhì)液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆發(fā)電裝置，包括用于提供熱源的液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)1、用于將液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)1產(chǎn)生的熱量傳遞給超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)的能量輸運器2，以及用于采用熱量進行發(fā)電的超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)；

所述超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)包括膨脹透平機3、發(fā)電機4、冷卻器6、液壓循環(huán)泵7以及CO₂工質(zhì)，所述發(fā)電機4與膨脹透平機3連接，所述膨脹透平機3的進口與能量輸運器2連通，所述膨脹透平機3的出口與冷卻器6的進口連通，所述冷卻器6的出口與液壓循環(huán)泵7的進口連通，所述液壓循環(huán)泵7的出口與能量輸運器2連通，所述CO₂工質(zhì)在能量輸運器2、膨脹透平機3、發(fā)電機4、冷卻器6和液壓循環(huán)泵7間循環(huán)流動。

上述發(fā)電裝置，通過能量輸運器2將液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)1產(chǎn)生的熱源傳遞給CO₂工質(zhì)，CO₂工質(zhì)攜帶熱量進入膨脹透平機3膨脹做工并通過與其連接的發(fā)電機4發(fā)電，而CO₂工質(zhì)從膨脹透平機3流出后，進入冷卻器6進行冷卻，之后被冷卻的CO₂工質(zhì)通過管道進入液壓循環(huán)泵7，在液態(tài)循環(huán)泵7的作用下，CO₂工質(zhì)重新進入能量輸運器2。

液態(tài)的CO₂進入液壓循環(huán)泵升壓后進入能量輸運器中被加熱后達到超臨界狀態(tài)，進入膨脹透平機中進行做功和發(fā)電，進入省熱器和冷卻器凝結(jié)成液態(tài)CO₂，并再次進入液壓循環(huán)泵中，完成一個循環(huán)。

在一實施例中，所述超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)還包括省熱器5，所述膨脹透平機3的出口經(jīng)過省熱器5與冷卻器6的進口連通，所述液壓循環(huán)泵7的出口經(jīng)過省熱器5與能量輸運器2連通。省熱器5為管式換熱器，管內(nèi)和殼層內(nèi)分別為從膨脹透平機3流出的CO₂工質(zhì)和從液壓循環(huán)泵7流出的CO₂工質(zhì)。

通過設(shè)置省熱器5，可以對從膨脹透平機3流出的CO₂工質(zhì)進行預(yù)冷，也可以對從液態(tài)循環(huán)泵7流出的CO₂工質(zhì)進行預(yù)熱，而且不需要額外提供相應(yīng)設(shè)備，達到節(jié)省熱量的目的。

在一實施例中，所述液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)1包括反應(yīng)堆本體以及流過反應(yīng)堆本體的液態(tài)重金屬傳熱流體，CO₂工質(zhì)直接通過能量輸運器2與液態(tài)重金屬傳熱流體進行換熱。液態(tài)重金屬傳熱流體流過反應(yīng)堆本體，將熱量帶走進入能量輸運器2的熱側(cè)，所述能量輸運器2的內(nèi)部傳熱介質(zhì)是所述液態(tài)重金屬傳熱流體，傳熱對象是所述超臨界CO₂工質(zhì)，熱量通過傳熱管傳遞給超臨界CO₂發(fā)電工質(zhì)，進入超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)。所述能量輸運器2的結(jié)構(gòu)為管殼式、翅片管式、板式換熱器中的一種。

在一實施例中，如圖1-3所示，所述液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)1為池式、半池式、回路式反應(yīng)堆中的一種。

在一實施例中，所述液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)為一回路。

在一實施例中，所述液態(tài)重金屬傳熱流體為鉛、鋅、錫、鎳、銻、汞、鎘和鉍中的一種或者兩種以上的金屬合金。

CO₂是一種無毒、無污染、化學惰性、價格便宜優(yōu)秀工質(zhì)，其臨界點的壓力和溫度遠遠低于水，這樣其作為透平介質(zhì)溫度具有極大的優(yōu)勢。超臨界CO₂發(fā)電系統(tǒng)具有的具有效率高、占地面積小等優(yōu)點能夠滿足液態(tài)重金屬冷卻反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng)需求，尤其適合小型化功率密度高的液態(tài)重金屬冷卻核反應(yīng)堆系統(tǒng)，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化和模塊化；同時避免了傳統(tǒng)水工質(zhì)熱力系統(tǒng)的蒸汽進入堆芯的反應(yīng)堆安全事故。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應(yīng)認為超出本發(fā)明的范圍。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。