一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法与流程

本发明属于先进核反应堆热工水力研究领域，具体涉及一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统及方法。

背景技术：

聚变能是人类永久解决能源问题的潜在有效途径之一，国际热核聚变实验堆(iter)和中国聚变工程实验堆(cfetr)等的设计建造与运行，为将来建设聚变发电示范反应堆奠定了基础。聚变堆高温等离子体氘氚热核聚变所产生的辐射热和高能中子(14.1mev)，进入堆内面向等离子体部件增殖包层、偏滤器和真空室，不但形成第一壁的高热流和在结构内沉积高功率密度核热，而且中子在包层内与氚增殖材料发生核反应释放出巨大能量，因此针对堆内部件服役条件下的高效冷却和在线排出核热用于发电的关键技术，是聚变示范堆的重要研究内容。

由于iter主要是针对等离子体高约束模式下长脉冲稳态运行物理问题和运行后期开展增殖包层模块(tbm)产氚相关技术演示验证实验，还未涉及堆内核热用于发电问题，但随着聚变能研发的牵引，目前欧盟、中国、日本、美国和韩国等均在设计和研发聚变发电示范堆，有关堆内部件包层、偏滤器和真空室的高效冷却排热和发电等关键技术正处于发展之中。虽然裂变电站大都采用成熟的压力水冷却堆芯与二回路换热形成高温高压水蒸汽驱动透平发电的朗肯循环系统，但聚变堆三种堆内部件包层、偏滤器和真空室产生的核热功率和冷却要求差异较大。其中，依据中子物理性能的要求，包层大多采用8mpa氦气冷却，入口温度大于300℃，载出的核热约占聚变功率的80％以上，现行的设计大多仅利用载出包层核热的氦气与二回路压力水换热的朗肯循环系统发电，热电效率约为30％。由于需要冷却偏滤器第一壁靶板的高热流，选择入口温150℃的5mpa压力水冷却，而真空室需要保温在200℃，采用入口温度190℃的3mpa压力水冷却，形成了不同的热源和不同的冷却工质条件，且偏滤器和真空室形成的核热功率少于20％，现行聚变堆发电方案大多没有利用而排放掉，从而降低了堆热电效率。为了提高聚变堆发电效率，充分利用偏滤器和真空室形成的核热，发展一种综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统对聚变能的研发极其关键。基于以上背景技术，针对国家自然科学基金项目(11975022)研究的任务需求，特提出本发明专利申请。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对聚变堆包层、偏滤器、真空室服役的多热源多工质要求，提供一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法，既解决综合利用聚变堆部件的多同热源，有效地提高发电效率问题，又能解决对堆内部件有效冷却的问题。

本发明采用的技术方案为：一种用于聚变堆的超临界二氧化碳功率循环系统，由s-co2回路1、低温回热器2、控制阀3、流量计4、冷却器5、常温压缩机6、中温压缩机7、第一压力水/s-co2换热器8、偏滤器9、第一水冷回路10、真空室11、第二水冷回路10’、第二压力水/s-co2换热器8’、中温回热器12、高温回热器13、包层14、氦冷回路15、氦/s-co2换热器16、透平17和电网18组成，其中：

低温回热器2低压侧出口段经s-co2回路1通过t形管分为两条支路，一条支路联接于冷却器5入口，控制阀3和流量计4安装于冷却器5入口段，冷却器5出口端联接至常温压缩机6，常温压缩机6出口段通过t形管分别联接于第一压力水/s-co2换热器8的s-co2侧入口和低温回热器2的高压侧入口，s-co2回路1的t形管另一条支路联接于中温压缩机7入口；偏滤器9压力水出口联接于第一水冷回路10，第一水冷回路10出口联接于第一压力水/s-co2换热器8的压力水入口，第一压力水/s-co2换热器8压力水出口联接于偏滤器9的压力水入口；第一压力水/s-co2换热器8的s-co2出口联接于第二压力水/s-co2换热器8’的s-co2入口，第二压力水/s-co2换热器8’的s-co2出口段与低温回热器2高压侧出口段经t形管联接至中温回热器12的高压侧入口；真空室11压力水出口联接于第二水冷回路10’，第二水冷回路10’压力水出口联接于第二压力水/s-co2换热器8’的压力水入口，第二压力水/s-co2换热器8’压力水出口联接于真空室11压力水入口；中温压缩机7出口段与中温回热器12高压侧出口段通过t形管联接于高温回热器13高压侧入口，高温回热器13高压侧出口段联接于氦/s-co2换热器16的s-co2入口，氦/s-co2换热器16的氦出口段联接于氦冷回路15，氦冷回路15的出口联接于包层14的氦气入口，包层14的氦气出口联接于氦/s-co2换热器16的氦气入口；氦/s-co2换热器16的s-co2出口段联接于透平17的入口端，透平17的出口端联接于高温回热器13低压侧入口，高温回热器13低压侧出口联接于中温回热器12的低压侧入口，中温回热器12的低压侧出口联接于低温回热器2低压侧入口，透平17产生的电输送至电网18。

具体实现步骤如下：

s1：s-co2由低温回热器2降温后由低压侧流入s-co2回路1，通过t形管分为两条支路，一条支路流入冷却器5，由控制阀3和流量计4控制和显示质量流率，通过冷却器5进一步降温后流入常温压缩机6，由其升高温度和压力至预定值后通过t形管分别流入低温回热器2高压侧和第一压力水/s-co2换热器8，低温回热器2内高、低压两侧s-co2换热，第一压力水/s-co2换热器8内低温s-co2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热；

s2：由第一压力水/s-co2热器8升温后的s-co2流入第二压力水/s-co2换热器8’，在其内s-co2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热；

s3：低温回热器2高压侧和第二压力水/s-co2换热器8’升温后的s-co2经t形管汇合后流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧s-co2换热；

s4：s-co2回路1经t形管的另一条支路中的s-co2流入中温压缩机7，由其升高温度和压力至预定值后与中温回热器12高压侧升温后的s-co2通过t形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧s-co2换热；

s5：高温回热器13高压侧s-co2流入氦/s-co2换热器16，在其内s-co2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦/s-co2换热器16流出升至高温的s-co2进入透平17发电，产生的电力输送至电网18；

s6：通过透平17发电后的s-co2降温、降压后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温后由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温后由低温回热器2低压侧出口输出，形成s-co2循环。

所述步骤s1中，聚变堆氘氚聚变反应所产生的功率为2gw，包层产生的功率为1760mw，偏滤器产生的功率为200mw，真空室产生的功率为60mw，由低温回热器2低压侧流出的s-co2降温至85℃(t1)，压力为25mpa，总质量流率为7730kg/s，经t形管分为两条支路，由控制阀3控制其中一条支路的质量流率为1500kg/s，进入冷却器5降温至33℃(t2)后流入常温压缩机6，经压缩机6升温升压至70℃(t3)和30pma后分为两部分，一部分进入低温回热器2高压侧与低压侧s-co2换热升温，另一部分进入第一压力水/s-co2换热器8，在其内低温s-co2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热，第一水冷回路10的压力水的进、出口温度分别为150℃和158℃，运行压力为5mpa，可实现对偏滤器的实时冷却。

所述步骤s2中，由第一压力水/s-co2换热器8升温后的s-co2流入第二压力水/s-co2换热器8’，在其内s-co2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热，第二水冷回路10’的压力水的进、出口温度分别为190℃和200℃，运行压力为3mpa，可实现对真空室的实时冷却。

所述步骤s3中，低温回热器2高压侧和第二压力水/s-co2换热器8’升温后的s-co2经t形管汇合后温度为190℃(t4)、质量流率为1500kg/s流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧s-co2换热。

所述步骤s4中，s-co2回路1经t形管的另一条支路中的s-co2，温度为85℃，压力为25mpa，质量流率为6230kg/s进入中温压缩机7，由其升高温度和压力至210℃(t5)和30mpa后与中温回热器12升温至210℃的s-co2通过t形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧s-co2换热，高压侧出口温度升至305℃(t6)，低压侧出口温度降至220℃(t9)；

所述步骤s5中，高温回热器13高压侧s-co2流入氦/s-co2换热器16，在其内s-co2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦冷回路15的氦气进、出口温度分别为310℃和500℃，运行压力为8mpa，可实现对包层的实时冷却，氦/s-co2换热器16流出的s-co2升至高490℃(t7)进入透平17发电；

所述步骤s6中，通过透平17发电后的s-co2降温、降压为330℃(t8)和26mpa后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温至220℃(t9)后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温至190℃(t10)由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温至85℃(t1)由低温回热器2低压侧出口输出，形成s-co2循环。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)该发明针对聚变堆包层、偏滤器和真空室不同的热源和不同的冷却工质条件，采用s-co2经低温回热器、中温回热器和高温回热器的三级高压侧逐级回热升温和低压侧逐级回热降温，既满足了对堆内三类部件不同热源的不同冷却工质运行要求，避免了回热时的负温度效应，又有效地利用了所有堆内部件的热源，极大地提高了热能利用效率，与现行的设计大多仅利用载出包层核热的氦气与二回路压力水换热的朗肯循环系统发电相比，聚变堆的热电效率由30％提高到41％。

(2)由于仅需要20％的s-co2进行冷却后升压升温用于低温加热器的回热和偏滤器、真空室的冷却，从而避免采用全部s-co2进行冷却时需要的设备和能源，因此具有结构简单、成本低、热效率高等显著优点，可有效解决聚变堆堆内不同部件不同冷却条件下热源高效利用的难题。

附图说明

图1为本发明中采用的一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法原理图；

图2为本发明中采用的聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统t-s图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。

本发明具体实施方式是采用图1所示的一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法原理图，图2为本发明中采用的聚变堆的综合利用多热淅多工质的超临界二氧化碳功率循环系统t-s图。

如图1所示，本发明采用的一种用于聚变堆的综合利用多热源多工质的超临界二氧化碳功率循环系统及方法由s-co2回路1、低温回热器2、控制阀3、流量计4、冷却器5、常温压缩机6、中温压缩机7、第一压力水/s-co2换热器8、偏滤器9、第一水冷回路10、真空室11、第二水冷回路10’、第二压力水/s-co2换热器8’、中温回热器12、高温回热器13、包层14、氦冷回路15、氦/s-co2换热器16、透平17和电网18组成。

低温回热器2低压侧出口段经s-co2回路1通过t形管分为两条支路，一条支路联接于冷却器5入口，控制阀3和流量计4安装于冷却器5入口段，冷却器5出口端联接至常温压缩机6，常温压缩机6出口段通过t形管分别联接于第一压力水/s-co2换热器8的s-co2侧入口和低温回热器2的高压侧入口，s-co2回路1t形管的另一条支路联接于中温压缩机7入口；偏滤器9压力水出口联接于第一水冷回路10，第一水冷回路10出口联接于第一压力水/s-co2换热器8的压力水入口，第一压力水/s-co2换热器8压力水出口联接于偏滤器9的压力水入口；第一压力水/s-co2换热器8的s-co2出口联接于第二压力水/s-co2换热器8’的s-co2入口，第二压力水/s-co2换热器8’的s-co2出口段与低温回热器2高压侧出口段经t形管联接至中温回热器12的高压侧入口；真空室11压力水出口联接于第二水冷回路10’，第二水冷回路10’压力水出口联接于第二压力水/s-co2换热器8’的压力水入口，第二压力水/s-co2换热器8’压力水出口联接于真空室11压力水入口；中温压缩机7出口段与中温回热器12高压侧出口段通过t形管联接于高温回热器13高压侧入口，高温回热器13高压侧出口段联接于氦/s-co2换热器16的s-co2入口，氦/s-co2换热器16的氦出口段联接于氦冷回路15，氦冷回路15的出口联接于包层14的氦气入口，包层14的氦气出口联接于氦/s-co2换热器16的氦气入口；氦/s-co2换热器16的s-co2出口段联接于透平17的入口端，透平17的出口端联接于高温回热器13低压侧入口，高温回热器13低压侧出口联接于中温回热器12的低压侧入口，中温回热器12的低压侧出口联接于低温回热器2低压侧入口，透平17产生的电输送至电网18。

具体实现步骤如下：

s1：s-co2由低温回热器2降温后由低压侧流入s-co2回路1，通过t形管分为两条支路，一条支路流入冷却器5，由控制阀3和流量计4控制和显示质量流率，通过冷却器5进一步降温后流入常温压缩机6，由其升高温度和压力至预定值后通过t形管分别流入低温回热器2高压侧和第一压力水/s-co2换热器8，低温回热器2内高、低压两侧s-co2换热，第一压力水/s-co2换热器8内低温s-co2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热；

s2：由第一压力水/s-co2热器8升温后的s-co2流入第二压力水/s-co2换热器8’，在其内s-co2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热；

s3：低温回热器2和第二压力水/s-co2换热器8’升温后的s-co2经t形管汇合后流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧s-co2换热；

s4：s-co2回路1经t形管的另一条支路中的s-co2流入中温压缩机7，由其升高温度和压力至预定值后与中温回热器12升温后的s-co2通过t形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧s-co2换热；

s5：高温回热器13高压侧s-co2流入氦/s-co2换热器16，在其内s-co2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦/s-co2换热器16流出升至高温的s-co2进入透平17发电，产生的电力输送至电网18；

s6：通过透平17发电后的s-co2降温、降压后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温后由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温后由低温回热器2低压侧出口输出，形成s-co2循环。

参见图1和图2，所述步骤s1中，聚变堆氘氚聚变反应所产生的功率为2gw，包层产生的功率为1760mw，偏滤器产生的功率为200mw，真空室产生的功率为60mw，由低温回热器2低压侧流出的s-co2降温至85℃(t1)，压力为25mpa，总质量流率为7730kg/s，经t形管分为两条支路，由控制阀3控制其中一条支路的质量流率为1500kg/s，进入冷却器5降温至33℃(t2)后流入常温压缩机6，经压缩机6升温升压至70℃(t3)和30pma后分为两部分，一部分进入低温回热器2高压侧与低压侧s-co2换热升温，另一部分进入第一压力水/s-co2换热器8，在其内低温s-co2与经第一水冷回路10的冷却偏滤器9核热产生的高温水换热，第一水冷回路10的压力水的进、出口温度分别为150℃和158℃，运行压力为5mpa，可实现对偏滤器的实时冷却。

所述步骤s2中，由第一压力水/s-co2换热器8升温后的s-co2流入第二压力水/s-co2换热器8’，在其内s-co2与经第二水冷回路10’的冷却真空室11核热产生的高温水换热，第二水冷回路10’的压力水的进、出口温度分别为190℃和200℃，运行压力为3mpa，可实现对真空室的实时冷却。

所述步骤s3中，低温回热器2和第二压力水/s-co2换热器8’升温后的s-co2经t形管汇合后温度为190℃(t4)、质量流率为1500kg/s流入中温回热器12高压侧，在其内高、低压两侧s-co2换热。

所述步骤s4中，s-co2回路1经t形管的另一条支路中的s-co2，温度为85℃，压力为25mpa，质量流率为6230kg/s进入中温压缩机7，由其升高温度和压力至210℃(t5)和30mpa后与中温回热器12升温至210℃的s-co2通过t形管汇合后流入高温回热器13，在其内高、低压两侧s-co2换热，高压侧出口温度升至305℃(t6)，低压侧出口温度降至220℃(t9)；

所述步骤s5中，高温回热器13高压侧s-co2流入氦/s-co2换热器16，在其内s-co2与经氦冷回路15的冷却包层14核热产生的高温氦气换热，氦冷回路15的氦气进、出口温度分别为310℃和500℃，运行压力为8mpa，可实现对包层的实时冷却，氦/s-co2换热器16流出的s-co2升至高490℃(t7)进入透平17发电；

所述步骤s6中，通过透平17发电后的s-co2降温、降压为330℃(t8)和26mpa后流入高温回热器13低压侧入口，换热降温至220℃(t9)后由高温回热器13低压侧出口流入中温回热器12的低压侧入口，再次换热降温至190℃(t10)由中温回热器12的低压侧出口流入低温回热器2低压侧入口，第三次换热降温至85℃(t1)由低温回热器2低压侧出口输出，形成s-co2循环。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。