高温气冷堆及系统

技术领域

本发明涉及高温气冷堆技术领域，具体而言，涉及一种高温气冷堆及系统。

背景技术

高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂。堆芯出口温度可达850～1000℃，甚至更高；核燃料一般采用高浓二氧化铀，亦有采用低浓二氧化铀的；根据堆芯形状，高温气冷堆分球床高温气冷堆和棱柱状高温气冷堆。

具体地，现有技术中，燃料球一旦投入堆芯，其在堆内的逗留时间和移动路线完全不在人们的掌控之中，相邻球间的空隙率也完全是随机不可控的，从而使得对于堆芯内某点附近区域而言，其燃料球发热量与氦气导出热量两者不但是不可预计的，而且是随时间改变的；在球床堆内可能出现一些球温非常高的局部区域，即所谓热点，这有可能导致反应堆一回路被与石墨粉尘混在一起的金属裂变产物严重污染。

此外，现有技术中，高温气冷堆的冷却剂通常采用氦气；具体地，该氦气存储在较大体积的管道内。然而，采用氦气/蒸汽循环有可能使水蒸汽进入堆芯，从而导致安全隐患的问题发生；并且，管裂也容易导致氦气泄露的发生概率增加，安全性较差。

因此，如何提供一种高温气冷堆及系统，能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，并有效降低氦气泄露的概率，提高氦风机运行的可靠性和可维护性，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温气冷堆及系统，其能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，并有效降低氦气泄露的概率，提高氦风机运行的可靠性和可维护性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种高温气冷堆，其包括：反应堆容器，以及与所述反应堆容器连通的微通道换热器容器；所述反应堆容器包括外壳，以及设置在所述外壳内的堆芯；所述堆芯包括：多个以固定方式排列的燃料元件，或多个包含燃料元件的燃料盒，所述固定排列方式包括正四面体排列，所述燃料盒采用正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，所述燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；所述燃料盒的侧壁开设有多个通孔；所述微通道换热器容器包括容器壳体，所述容器壳体内设置有微通道换热器芯体；所述微通道换热器芯体具有流通槽，用于流通载热工质；所述微通道换热器芯体包括连接在一起的多个板体，且所述板体上设置有用于形成所述流通槽的凹槽，相邻板片的流通槽内分别流通一次侧载热工质和二次侧载热工质。

多个所述微通道换热器芯体分别连接一次侧主管道的热端和冷端以及二次侧主管道的热端和冷端；所述一次侧主管道的冷端连接氦气风机；所述二次主管道冷端入口设置有阀门。

可选地，载热工质可选用氦气。

可选地，在容器壳体内还可设置有氦气风机。

可选地，多个板体之间通过焊接方式相连。

可选地，所述TRISO包覆颗粒燃料可以包含二氧化铀芯体、二氧化钍芯体、氮化铀芯体或氮化钍芯体。

在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒采用正四边形棱柱体结构，且包括多个燃料元件子盒和/或控制棒套管；所述燃料元件子盒采用圆柱体结构或正四边形棱柱体结构，且所述燃料元件子盒中装载有TRISO燃料的燃料球，且所述燃料球含有作为可燃毒物的中子吸收材料；所述燃料元件子盒的侧壁开设有多个通孔；所述燃料元件子盒内还装载有石墨球。

在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒内还装载有束棒燃料元件，所述束棒燃料元件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒。

在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒内还装载有套筒组件，所述套筒组件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的圆筒形燃料元件；所述圆筒形燃料元件的中心插入有碳化硅包壳的石墨棒或可燃毒物棒，且所述可燃毒物棒包括作为可燃毒物的吸收体材料。

在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒内还装载有蜂窝棱柱式燃料组件，所述蜂窝棱柱式燃料组件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒和碳化硅管组成的阵列填充石墨粉。

在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器设置在所述容器壳体的底部，且通过法兰与所述容器壳体连接。

在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器容器与所述反应堆容器之间设置有阀门，且所述微通道换热器容器的一次侧采用氦气、二次侧采用二氧化碳作为载热工质；

所述容器壳体内设置有氦气风机，所述氦气风机布置在所述微通道换热器的下方。

一种高温气冷堆系统，包括：如上述任一项所述的高温气冷堆。

在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器容器分别与反应堆容器和发电/供蒸汽系统连接，

和/或，所述微通道换热器容器分别与反应堆容器和供暖系统连接；

所述发电/供蒸汽系统包括依次连通的高压涡轮机、低压涡轮机、驱动涡轮机和换热器，且所述驱动涡轮机连通有发电机；所述换热器的另一侧依次连通有预冷器、低压压缩机、中间冷却器和高压压缩机，且所述低压压缩机与所述低压涡轮机连通，所述高压压缩机与所述高压涡轮机连通；

所述发电/供蒸汽系统能够与所述中间冷却器连接产生蒸汽；

所述供暖系统与所述预冷器，和/或，所述供暖系统与所述中间冷却器连接提供供暖能量；

所述预冷器和/或所述中间冷却器还用于连接低温发电用的载热工质发电。

在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器容器的一次侧采用氦气、二次侧采用二氧化碳作为载热工质，且采用二氧化碳布雷顿循环作为发电循环；所述微通道换热器容器的三次侧直接连接蒸汽发生器产生高温蒸汽，或经流量分配器的转换阀门连接蒸汽发生器产生高温蒸汽，同时发电。所述微通道换热器容器的三次侧还可以采用压缩空气为载热工质发电。

本发明实施例的有益效果是：由于包括多个以固定排列方式排列的燃料元件或多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料，燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，也即采用有序排列的方式，因此堆芯结构紧凑，便于定期换料，且能够与维修周期同步，从而能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，同时便于运输，节省成本；并且，由于燃料盒的侧壁开设有多个通孔，因此更有利于燃料芯体的充分利用和定期更换。此外，由于微通道换热器容器的容器壳体内设置有微通道换热器；具体地，该所述微通道换热器芯体包括连接在一起的多个板体，且所述板体上设置有用于形成所述流通槽的凹槽，相邻板片的流通槽内分别流通一次侧载热工质和二次侧载热工质，因此能够有效防止氦气泄露、提高密封性能，并提高氦风机运行的可靠性和可维护性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高温气冷堆系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种高温气冷堆系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的高温气冷堆中燃料芯体中燃料盒的一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的高温气冷堆中燃料芯体中燃料盒内装载有束棒燃料元件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的高温气冷堆中燃料芯体中燃料盒内装载有套筒组件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的高温气冷堆中燃料芯体中燃料盒内装载有蜂窝棱柱式燃料组件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的高温气冷堆中微通道换热器容器的结构示意图一；

图8为本发明实施例提供的高温气冷堆中微通道换热器容器中微通道换热器的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的高温气冷堆中微通道换热器容器的结构示意图二。

图中：

1－容器壳体；2－微通道换热器芯体；21－板体；22－凹槽；3－流通槽；4－反应堆容器；41－外壳；42－堆芯；421－燃料元件子盒；422－控制棒套管；5－发电/供蒸汽系统；51－高压涡轮机；52－低压涡轮机；53－驱动涡轮机；54－换热器；55－发电机；56－预冷器；57－低压压缩机；58－中间冷却器；59－高压压缩机；61－一次侧热端阀门；62－一次侧热端主管道；63－一次侧冷端主管道；64－一次侧冷端阀门；65－二次侧冷端阀门；66－二次侧冷端主管道；67－二次侧热端阀门；68－二次侧热端主管道；7－氦气风机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1－图9所示，本实施例提供一种高温气冷堆，其包括：反应堆容器4，以及与反应堆容器4连通的微通道换热器容器；反应堆容器4包括外壳41，以及设置在外壳41内的堆芯42；堆芯42包括：多个以固定排列方式排列的燃烧元件，或者多个包含燃料元件的燃料盒。固定排列方式包括正四面体排列。燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；燃料盒的侧壁开设有多个通孔；微通道换热器容器包括容器壳体1，容器壳体1内设置有一个或多个微通道换热器芯体2；微通道换热器芯体2具有流通槽，用于流通载热工质；微通道换热器芯体包括连接在一起的多个板体21，且板体21上设置有用于形成流通槽3的凹槽22，相邻板片的流通槽内分别流通一次侧载热工质和二次侧载热工质。

多个微通道换热器芯体分别连接一次侧主管道的热端和冷端以及二次侧主管道的热端和冷端；一次侧主管道的冷端连接氦气风机；二次主管道冷端入口设置有阀门。

如图9所示，在图9中，示出了当微通道换热器芯体2的数量为多个时，其在容器壳体1内的设置方式。

在图9中，以在容器壳体1内设置有三个微通道换热器芯体2为例进行举例说明，当然，当微通道换热器芯体2的数量为其他数量时，其设置方式相类似，不一一列举。

具体地，将一次侧主管道的热端为一次侧热端主管道62，一次侧主管道的冷端为一次侧冷端主管道63，二次侧主管道的冷端为二次侧冷端主管道66，二次侧主管道的热端为二次侧热端主管道68。

每个微通道换热器芯体2分别连接一次侧热端主管道62、一次侧冷端主管道63、二次侧热端主管道68和二次侧冷端主管道66。一次侧冷端主管道63连接氦气风机7，一次侧冷端主管道63上设置有一次侧冷端阀门64，一次侧热端主管道62的入口设置有一次侧热端阀门61，二次侧冷端主管道66上设置有二次侧冷端阀门65，二次侧热端主管道68上设置有二次侧热端阀门67。

可选地，多个板体21之间可通过焊接方式相连。

可选地，TRISO包覆颗粒燃料可以包含二氧化铀芯体、二氧化钍芯体、氮化铀芯体或氮化钍芯体。

请参照图3所示，在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒采用正四边形棱柱体结构，且包括多个燃料元件子盒421和/或控制棒套管422；燃料元件子盒421采用圆柱体结构或正四边形棱柱体结构，且燃料元件子盒421中装载有TRISO燃料的燃料球，且燃料球含有作为可燃毒物的中子吸收材料；具体地，燃料元件子盒421的侧壁开设有多个通孔；进一步地，燃料元件子盒421内还装载有石墨球。

请参照图4所示，在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒内还装载有束棒燃料元件，束棒燃料元件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒；也即束棒燃料元件可以包含单个或复数个碳化硅套管用来容纳可燃毒物棒或者控制棒。

请参照图5所示，在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒内还装载有套筒组件，套筒组件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的圆筒形燃料元件，且圆筒形燃料元件可以有多个；圆筒形燃料元件的中心插入有碳化硅包壳的石墨棒或可燃毒物棒，且可燃毒物棒包括作为可燃毒物的吸收体材料。

请参照图6所示，在本发明较佳的实施例中，上述燃料盒内还装载有蜂窝棱柱式燃料组件，蜂窝棱柱式燃料组件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒和碳化硅管组成的阵列填充石墨粉；其中，上述蜂窝棱柱式燃料组件可以是正四棱柱或正六棱柱。

请参照图8所示，在本发明较佳的实施例中，上述凹槽22设置在板体21的表面，相邻两个板体21上相对应(相同)位置的凹槽22围成所述流通槽3。

请参照图7所示，在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器芯体2设置在容器壳体1的底部，且通过法兰与该容器壳体1连接，从而便于维修。

请参照图1－图2所示，在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器容器与反应堆容器4之间设置有阀门，且微通道换热器容器的一次侧采用氦气、二次侧采用二氧化碳作为载热工质。

可选地，容器壳体1内还设置有氦气风机，氦气风机布置在微通道换热器芯体2的下方。

一种高温气冷堆系统，包括：如上述任一项所述的高温气冷堆。

请参照图1所示，在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器容器分别与反应堆容器4和发电/供蒸汽系统5连接；具体地，发电/供蒸汽系统5包括依次连通的高压涡轮机51、低压涡轮机52、驱动涡轮机53和换热器54，且驱动涡轮机53连通有发电机55；进一步地，换热器54的另一侧依次连通有预冷器56、低压压缩机57、中间冷却器58和高压压缩机59，且低压压缩机57与低压涡轮机52连通，高压压缩机59与高压涡轮机51连通。发电/供蒸汽系统5能够与中间冷却器连接产生蒸汽。

或者，在另一种实施方式中，上述微通道换热器容器还可分别与反应堆容器和供暖系统连接。

供暖系统与预冷器连接提供供暖能量，和/或，供暖系统与中间冷却器连接提供供暖能力。

进一步地，在无需提供供暖能量时，预冷器和/或中间冷却器还可以连接低温发电用的载热工质发电，进一步提高系统的发电效率。

设置微通道换热器容器分别与反应堆容器4和发电/供蒸汽系统5连接，有效隔离了反应堆系统和发电/供蒸汽系统，从而能够降低氦气泄漏的概率，并提高氦风机运行的可靠性和可维护性。此外，还能够有效避免发电/供蒸汽系统中的水蒸汽进入反应堆容器。

请参照图2所示，在本发明较佳的实施例中，上述微通道换热器容器的一次侧采用氦气、二次侧采用二氧化碳作为载热工质，且采用二氧化碳布雷顿循环作为发电循环，从而发电加海水淡化，以适用于海岛，发电加供暖，以适用于西北边远地区；此外，微通道换热器容器的三次侧直接或经转换阀门产生高温蒸汽，以适用于工业园区，并实现热能利用最大化。

或者，在另一种实施方式中，上述微通道换热器容器的三次侧采用压缩空气作为载热工质发电，消除了对于冷却水源的需求。

本发明实施例的有益效果是：由于包括多个按照固定排列方式排列的燃料元件，或者多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料，燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，也即采用有序排列的方式，因此堆芯结构紧凑，便于定期换料，且能够与维修周期同步，从而能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，同时便于运输，节省成本；并且，由于燃料盒的侧壁开设有多个通孔，因此更有利于燃料芯体的充分利用和定期更换。此外，由于微通道换热器容器壳体内设置有一或多个微通道换热器芯体；具体地，该微通道换热器芯体具有流通槽，用于流通载热工质，相邻板片的流通槽内分别流通一次侧载热工质和二次侧载热工质；微通道换热器芯体包括连接在一起的多个板体，且板体上设置有用于形成流通槽的凹槽。多个微通道换热器芯体分别连接一次侧主管道的热端和冷端以及二次侧主管道的热端和冷端；一次侧主管道的冷端连接氦气风机；二次主管道冷端入口设置有阀门，因此能够有效防止氦气泄露、提高密封性能，并提高氦风机运行的可靠性和可维护性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。