[发明专利]一种能量梯级利用的核反应堆电源系统

说明书

本发明公开了一种能量梯级利用的核反应堆电源系统，属于核反应堆工程技术领域，包括反应堆、高温热管、碱金属热电转换元件、直流蒸汽发生器和蒸汽朗肯循环回路；碱金属热电转换元件的一端为蒸发端，另一端为冷凝端；高温热管分为蒸发段和冷凝段，高温热管插入反应堆部分设定为蒸发段，插入碱金属热电转换元件的蒸发端部分设定为冷凝段；直流蒸汽发生器与碱金属热电转换元件的冷凝端耦合；直流蒸汽发生器与蒸汽朗肯循环回路连通。本发明将蒸汽朗肯循环的直流蒸汽发生器与碱金属热电转换装置的冷凝端结合，利用蒸汽的沸腾换热控制碱金属热电转换装置冷凝端的温度，系统简单、结构紧凑、冷凝效率高。

技术领域

本发明属于核反应堆工程技术领域，具体涉及一种能量梯级利用的核反应堆电源系统。

背景技术

碱金属热电直接转换技术以碱金属为工质，利用BASE材料的选择透过性，通过热力循环完成热能到电能的直接转换，具有热电转换效率高、占空系数小、使用的能源广泛(矿物能源、太阳能、核能、蓄热器热能)、具有模块化结构等优点。

碱金属热电转换元件工作时的高温端温度一般为900-1300K，低温端温度一般为600-800K。在高运行温度下，碱金属热电直接转换可以达到20％以上的热电转换效率。但是在运行的过程中仍然会有大量的高品质能量被排放到环境中，这部分能量的温度为300-450℃，完全可以作为其他低级能量转换系统的热源。

因此，急需一种利用碱金属热电转换后的低品位热能产生过热蒸汽来推动汽轮发电机发电，以实现能量的梯级利用的发电系统。

发明内容

本发明提出一种利用碱金属热电转换后的低品位热能产生过热蒸汽来推动汽轮发电机发电，以实现能量的梯级利用的发电系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种能量梯级利用的核反应堆电源系统，包括反应堆、高温热管、碱金属热电转换元件、直流蒸汽发生器和蒸汽朗肯循环回路；所述碱金属热电转换元件的一端为蒸发端31，另一端为冷凝端；所述高温热管分为蒸发段和冷凝段，所述高温热管插入所述反应堆部分设定为蒸发段，插入所述碱金属热电转换元件的蒸发端部分设定为冷凝段；所述直流蒸汽发生器与所述碱金属热电转换元件的冷凝端耦合；所述直流蒸汽发生器与所述蒸汽朗肯循环回路连通。

进一步地，所述蒸汽朗肯循环回路包括汽轮机、发电机、冷凝器和给水泵；所述直流蒸汽发生器设置有给水腔室和蒸汽腔室；所述汽轮机的进口与所述直流蒸汽发生器的蒸汽腔室连通；所述给水泵的出口与所述直流蒸汽发生器的给水腔室连通。

进一步地，所述反应堆为快中子反应堆，所述反应堆包括金属基体和燃料元件；所述燃料元件是氮化铀或碳化铀燃料。

进一步地，所述燃料元件是氮化铀。

进一步地，所述高温热管的工质为钠或锂碱金属工质。

进一步地，所述高温热管的工质为钠。

进一步地，所述直流蒸汽发生器由多根传热管排列组成，所述传热管与所述碱金属热电转换元件的冷凝端耦合。

进一步地，所述传热管的形式是圆形、矩形或椭圆形中的一种。

本发明的有益效果为：

1、本发明将蒸汽朗肯循环的直流蒸汽发生器与碱金属热电转换装置的冷凝端结合，利用蒸汽的沸腾换热控制碱金属热电转换装置冷凝端的温度，系统简单、结构紧凑、冷凝效率高；

2、本发明中将碱金属热电转换的废热传递给直流蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽可用于推动汽轮机发电、海水淡化、区域供热等多种用途，实现了核裂变能量的梯级利用，提高了系统的整体热效率；

3、本发明中碱金属热电转换元件和直流蒸汽发生器的组合可以有多种不同形式，满足不同功率能源的应用需求。