移动式反应堆电源

1.本发明涉及核能发电技术领域，具体而言，涉及一种移动式反应堆电源。


背景技术：

2.现运行的大多数核电站为输出电功率大于1gw的传统大型核电站，其建造周期长、建造成本高。新一代的核电技术有朝着小体量、模块化建造的趋势发展，国际原子能机构将输出电功率在300mw以下的反应堆定义为小堆，相比与传统的大型反应堆，小堆可作为分散式的能源供应系统满足传统电网无法到达的偏远地区的电力供应。
3.现有的技术方案将小型反应堆将反应堆划分为反应堆系统模块、辅助系统模块、发电系统模块，并采用三辆卡车将各模块运输到目的地后，用相应连接管路连接后运行发电。但是这样的方案存在以下问题：
4.1、反应堆采用以水作为冷却剂的压水堆堆型，故反应堆系统模块除了包含依靠核裂变释放热量的堆芯外，还需包含控制棒驱动机构、稳压器、蒸汽发生器等设备，用于控制堆芯反应性、稳定系统压力、传递堆芯热量，这使得反应堆系统模块的设备众多、结构复杂，不利于移动式反应堆的维护与控制。
5.2、除一辆卡车运输反应堆系统模块外，还需另两辆卡车分别运输辅助系统模块和发电系统模块，总共三辆卡车运输，机动性较差，占地面积较大。
6.3、三个系统需并排放置，反应堆系统模块置于中间，模块间直接依靠裸漏在外的管道连接，安全性较差。且发电前，需要将反应堆由运输过程终的平放状态调整为立放状态，这就要求反应堆的设计，不但要满足立放状态下的正常使用时的要求，而且还需要满足平放状态下的运输要求。
7.此外，1mw-50mw功率水平的核反应堆，虽然体积和功率均相对较小，用途广泛。现有技术中，此功率水平的核反应堆的结构布置如图4所示，流过堆芯60'的流体被加热后进入内热池110'，内热池110'中的流体经过热交换器200'冷却后进入外热池120'，外热池120'中的冷的流体被堆芯60'加热重新进入内热池110'，整个过程通过自然循环或泵的驱动压头实现循环。
8.但是，现有技术中，1mw-50mw功率水平的核反应堆的体积大、重量大，不便于机动运输，限制了其应用范围及应用多样性。


技术实现要素：

9.本发明的第一个目的在于提供一种移动式反应堆电源，以解决现有移动式反应堆电源的机动性差、占地面积大的技术问题。
10.本发明提供的移动式反应堆电源，包括反应堆系统，所述反应堆系统包括堆芯、冷却剂和透平，所述堆芯通过第一管路与所述透平连通，所述堆芯为气冷反应堆，所述冷却剂为氦氙混合气体。
11.本发明移动式反应堆电源带来的有益效果是：
12.通过在选用氦氙混合气体作为气冷反应堆的冷却剂，可以降低透平的级数，减小了透平的尺寸和重量。而且与压水堆相比，省却了压水堆中的稳压器、蒸汽发生器等设备，显著降低了反应堆系统的尺寸和质量。使得整个核反应堆电源装入一个国际通用的标准集装箱内成为了可能，有利于缩小移动式反应堆电源的占地面积，提高其机动性。
13.优选的技术方案中，所述反应堆系统还包括压气机，所述压气机通过传动主轴与所述透平连接。
14.将压气机通过传动主轴与透平连接，可以利用透平将高温高压气体作用而产生的机械能，部分地用在压缩气体的过程中，转化为进入后续设备的气体的气压能量，提高了气体的流量和/或压力，以利于提高进入到后续设备时的气体的压力，从而使得进入到堆芯的气体的流速和压力得以保证。
15.优选的技术方案中，所述反应堆系统还包括回热器，所述回热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口、冷侧出口，所述热侧入口与所述透平连通，所述冷侧入口与所述压气机连通，所述冷侧出口与所述堆芯连通。
16.通过设置回热器，可以将经过透平之后的高温高压气体的部分能量回收，不但可以减少对经过透平做功之后的气体专门进行冷却的负担，而且可以利用这部分热量来提高进入到堆芯之前的流体的温度，使得堆芯可以处在合适的温度区间，以提高气体经过堆芯时的吸热效率。
17.优选的技术方案中，所述回热器位于所述压气机和所述堆芯之间。
18.通过将回热器设置在压气机和堆芯之间，不但可以缩短透平与回热器之间的距离，减少了气体从透平流向回热器之间的热损失，提高了回热器的热侧入口的温度，而且可以缩短回热器的冷侧出口与堆芯之间的距离，减少了气体从回热器流动到堆芯的热损失，提高了进入到堆芯的气体的温度。
19.优选的技术方案中，所述反应堆系统还包括前冷器，所述前冷器的入口与所述热侧出口连通，所述前冷器的出口与压气机的进口连通。
20.通过设置前冷器，可以降低经过了回热器的气体的温度，使得进入到回热器的冷侧入口的气体处于适当的温度区间内，利于回热器冷侧出口进入到堆芯的气体在正常的温度区间内。
21.优选的技术方案中，所述反应堆系统还包括承压外壳，所述堆芯、所述透平、所述压气机、所述回热器和所述前冷器均位于所述承压外壳中。
22.堆芯、透平、压气机、回热器、前冷器均设置在承压外壳中，并通过管道连通，不但可以利用承压外壳对上述设备进行屏蔽，减少了移动式反应堆电源的对外辐射，而且与现有技术中三个模块分别设置在一个集装箱中的方案相比，无需利用露天的管道连接各个模块，缩短了管道的总长度，降低了管道破裂发生事故的可能性。
23.本发明的第二个目的在于提供一种移动式反应堆电源，以解决现有技术中存在的核反应堆体积和重量较大，不便于机动运输，限制了其应用的技术问题。
24.本发明提供的移动式反应堆电源，包括承压外壳以及安装于所述承压外壳内的前冷器、压气机、回热器、堆芯和透平，所述透平的动力输出轴伸出至所述承压外壳外；所述承压外壳密闭动。
25.本发明移动式反应堆电源带来的有益效果是：
26.本发明提供的移动式反应堆电源，将前冷器、压气机、回热器、堆芯和透平均设置于承压外壳内，从而大大降低了装置的体积和重量，使得整个装置可以通过多种交通工具进行机动运输，进而实现跨区域、多样化应用。此外，本发明的移动式反应堆电源中，管道较少，从而能够有效降低建造和运行成本以及管道破裂的风险；而运行过程中，由于冷却剂的循环不需要机械泵，所以能够避免由机械泵带来的制造和运输等难题，并且整个装置的噪音也能够降低。
27.优选的技术方案中，所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述透平沿水平方向依次排布。
28.沿水平方向依次排布，移动式反应堆电源的高度降低，进一步提高了搬移运输的便利性，有利于进一步扩大使用区域及使用多样性。
29.优选的技术方案中，所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述透平同轴设置。
30.采用同轴设置上述部件的方式，冷却剂在承压外壳内的循环流动大致呈以各部件的共同轴线为对称轴线的中心对称形，冷却剂受到的各部件的阻力作用小，循环流动顺畅，从而能够提高能量转换率。
31.优选的技术方案中，所述承压外壳的腔体呈圆柱体状，所述腔体与所述承压外壳长度方向一致。
32.该技术方案中，承压外壳的腔体的形状与冷却剂循环流动的形状匹配，腔体内空间的利用率高；此外，腔体壁对冷却剂还起到限位和导向作用，使得冷却剂的流动更加集中和规则，有利于提高能量转换率。
33.优选的技术方案中，所述移动式反应堆电源内的冷却剂进行布雷顿循环。
34.冷却剂进行布雷顿循环，冷却剂可以在每个循环中，均经历压气机的等熵压缩、堆芯的等压加热、透平的等熵膨胀和前冷器的等压排热四个过程，移动式反应堆电源的输出功率范围宽，可以从数十千瓦到兆瓦级。
35.优选的技术方案中，所述前冷器、所述压气机、所述回热器、所述堆芯和所述透平沿所述承压外壳的长度方向依次排布。
36.将前冷器、压气机、回热器、堆芯和透平沿承压外壳的长度方向依次设置，有利于使得反应堆系统的结构更加紧凑，体积进一步缩小，对空间的占用进一步减少，从而更加有利于机动运输。
37.优选的技术方案中，所述承压外壳的外周轮廓呈长方体状或圆柱体状。
38.承压外壳的外周轮廓采用长方体状，可以有利于和平面的运输承载面和安装承载面配合，提高了反应堆系统的整体稳定性。而采用圆柱体状的承压外壳，在承压外壳的内部空腔为圆柱体时，有利于维持承压外壳的厚度一致性，降低了承压外壳的应力集中，提高了承压外壳的强度。
39.优选的技术方案中，还包括发电机，所述发电机与所述透平通过传动主轴连接。
40.将透平通过传动主轴与发电机相连，可以使透平的机械能转化为发电机产生的电能，为传统电网无法到达的偏远地区供应电力。
41.优选的技术方案中，还包括集装箱，所述发电机与所述承压外壳都安装在同一集装箱中。
42.通过将发电机和承压外壳都安装在同一集装箱中，有利于提高移动式反应堆电源的机动性，不但减少了运输成本，而且缩短了运输之后的组装时间，此外，还可以减少安放移动式反应堆电源所需的场地面积，提高了使用的灵活性。另外，相比于采用三个集装箱的方案，本方案在运输状态和发电状态下，移动式反应堆电源都可以始终保持在平放状态，无需在发电前对集装箱进行旋转，无需既满足立放状态下的正常使用时的要求，又满足平放状态下的运输要求，降低了移动式反应堆电源的设计、制造和运输难度。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例一提供的移动式反应堆电源的结构示意图；
45.图2为本发明实施例一提供的移动式反应堆电源的立体示意图，其中将集装箱的部分表皮卷起，且省略了承压外壳的壁厚部分，仅仅画出了承压外壳的骨架。
46.图3为实施例二提供的移动式反应堆电源中的反应堆系统的结构示意图；
47.图4为现有技术中核反应堆的简化结构示意图。
48.附图标记说明：
49.10、集装箱；20、承压外壳；30、前冷器；40、压气机；50、回热器；60、堆芯；70、透平；80、传动主轴；90、发电机。
具体实施方式
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.实施例一：
52.图1为本发明实施例一提供的移动式反应堆电源的结构示意图；图2为本发明实施例一提供的移动式反应堆电源的立体示意图，其中将集装箱的部分表皮卷起，且省略了承压外壳的壁厚部分，仅仅画出了承压外壳的骨架。如图1和图2所示，本实施例提供的移动式反应堆电源，包括堆芯60和透平70，堆芯60通过第一管路与透平70连通，堆芯60为气冷反应堆，气冷反应堆选用氦氙混合气体作为冷却剂。
53.通过选用氦氙混合气体作为气冷反应堆的冷却剂，可以降低透平70的级数，减小了透平70的尺寸和重量。而且与压水堆相比，省却了压水堆中的稳压器、蒸汽发生器等设备，显著降低了反应堆系统的尺寸和质量。使得整个核反应堆电源装入一个国际通用的标准集装箱内成为了可能，有利于缩小移动式反应堆电源的占地面积，提高其机动性。
54.如图1和图2所示，优选的技术方案中，还包括压气机40，压气机40通过传动主轴80与透平70连接。
55.将压气机40通过传动主轴80与透平70连接，可以利用透平70将高温高压气体作用而产生的机械能，部分地用在压缩气体的过程中，转化为进入后续设备的气体的气压能量，
提高了气体的流量和/或压力，以利于提高进入到后续设备时的气体的压力，从而使得进入到堆芯60的气体的流速和压力得以保证。
56.需要说明的是，虽然传动主轴80穿过堆芯60，但是由于本方案是将前冷器30、压气机40、回热器50、堆芯60和透平70共同设置在承压外壳20中，进行屏蔽，所以也不会造成堆芯60对外产生核泄漏。
57.如图1和图2所示，优选的技术方案中，还包括回热器50，回热器50包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口、冷侧出口，热侧入口与透平70连通，冷侧入口与压气机40连通，冷侧出口与堆芯60连通。
58.通过设置回热器50，可以将经过透平70之后的高温高压气体的部分能量回收，不但可以减少对经过透平70做功之后的气体专门进行冷却的负担，而且可以利用这部分热量来提高进入到堆芯60之前的流体的温度，使得堆芯60可以处在合适的温度区间，以提高气体经过堆芯60时的吸热效率。而且，将经过压气机40压缩的气体，输入到回热器50的冷侧，在满足输入到回热器50的物质的量相同的情况下，可以降低气体的流量，进而减小回热器50的体积，从而有利于缩小反应堆系统乃至于移动式反应堆电源的体积。
59.如图1和图2所示，优选的技术方案中，回热器50位于压气机40和堆芯60之间。
60.通过将回热器50设置在压气机40和堆芯60之间，不但可以缩短透平70与回热器50之间的距离，减少了气体从透平70流向回热器50之间的热损失，提高了回热器50的热侧入口的温度，而且可以缩短回热器50的冷侧出口与堆芯60之间的距离，减少了气体从回热器50流动到堆芯60的热损失，提高了进入到堆芯60的气体的温度。
61.需要说明的是，虽然回热器50设置在压气机40和堆芯60之间，会导致回热器50的中部被传动主轴80穿过，可能会因此造成热损失。但是考虑到缩短管路的长度的带来的热损失减小，使得转动主轴穿过回热器50，还是值得的。特别是，由于传动主轴80是与透平70中的叶轮连接的，叶轮受到高温高压的液体的冲击，温度很高，通向堆芯60和回热器50一侧的传动主轴80温度也不低。即使回热器50中穿过温度较高的传动主轴80，也不会产生很大的热损失。
62.如图1和图2所示，优选的技术方案中，还包括前冷器30，前冷器30的入口与热侧出口连通，前冷器30的出口与压气机40的进口连通。
63.通过设置前冷器30，可以降低经过了回热器50的气体的温度，使得进入到回热器50的冷侧入口的气体处于适当的温度区间内，利于回热器50冷侧出口进入到堆芯60的气体在正常的温度区间内。
64.如图1和图2所示，优选的技术方案中，还包括承压外壳20，堆芯60、透平70、压气机40、回热器50和前冷器30均位于承压外壳20中。
65.堆芯60、透平70、压气机40、回热器50、前冷器30均设置在承压外壳20中，并通过管道连通，不但可以利用承压外壳20对上述设备进行屏蔽，减少了移动式反应堆电源的对外辐射，而且与现有技术中三个模块分别设置在一个集装箱10中的方案相比，无需利用露天的管道连接各个模块，缩短了管道的总长度，降低了管道破裂发生事故的可能性。
66.如图1和图2所示，优选的技术方案中，前冷器30、压气机40、回热器50、堆芯60和透平70沿水平方向依次排布。此种设置形式下，移动式反应堆电源的高度低，进一步提高了搬移运输的便利性，有利于进一步扩大使用区域及使用多样性。
67.如图1和图2所示，优选的技术方案中，前冷器30、压气机40、回热器50、堆芯60和透平70同轴设置。如此设置，冷却剂在承压外壳20内的循环流动大致呈以各部件的共同轴线为对称轴线的中心对称形，冷却剂受到的各部件的阻力作用小，循环流动顺畅，从而能够提高能量转换率。
68.如图1和图2所示，优选的技术方案中，承压外壳20呈长条状，前冷器30、压气机40、回热器50、堆芯60和透平70沿承压外壳20的长度方向排布。如此设置，移动式反应堆电源的结构更加紧凑，体积进一步缩小，对空间的占用进一步减小，从而更加有利于机动运输。
69.优选的技术方案中，承压外壳20的腔体呈圆柱体状，腔体与承压外壳20长度方向一致。此种设置形式下，承压外壳20的腔体的形状与冷却剂循环流动的形状匹配，腔体内空间的利用率高；此外，腔体壁对冷却剂还起到限位和导向作用，使得冷却剂的流动更加集中和规则，有利于提高能量转换率。
70.优选的技术方案中，移动式反应堆电源内的冷却剂进行布雷顿循环。更具体地，冷却剂可以在每个循环中，均经历压气机40的等熵压缩、堆芯60的等压加热、透平70的等熵膨胀和前冷器30的等压排热四个过程，此种设置形式下，移动式反应堆电源的输出功率范围宽，可以从数十千瓦到兆瓦级。
71.如图1和图2所示，优选的技术方案中，前冷器30、压气机40、回热器50、堆芯60和透平70沿承压外壳20的长度方向依次排布。
72.将前冷器30、压气机40、回热器50、堆芯60和透平70沿承压外壳20的长度方向依次设置，有利于使得反应堆系统的结构更加紧凑，体积进一步缩小，对空间的占用进一步减少，从而更加有利于机动运输。
73.如图1和图2所示，优选的技术方案中，承压外壳20的外周轮廓呈长方体状或圆柱体状。
74.承压外壳20的外周轮廓采用长方体状，可以有利于和平面的运输承载面和安装承载面配合，提高了反应堆系统的整体稳定性，特别适用于本实施例中承压外壳20安装在集装箱10中时的情形。而采用圆柱体状的承压外壳20，在承压外壳20的内部空腔为圆柱体时，有利于维持承压外壳20的厚度一致性，降低了承压外壳20的应力集中，提高了承压外壳20的强度。
75.实施例二：
76.图3为实施例二提供的移动式反应堆电源中的反应堆系统的结构示意图；如图3所示，优选的技术方案中，还包括发电机90，发电机90与透平70通过传动主轴80连接。
77.将透平70通过传动主轴80与发电机90相连，可以使透平70的机械能转化为发电机90产生的电能，为传统电网无法到达的偏远地区供应电力。
78.如图3所示，优选的技术方案中，还包括集装箱10，发电机90与承压外壳20都安装在同一集装箱10中。
79.通过将发电机90和承压外壳20都安装在同一集装箱10中，有利于提高移动式反应堆电源的机动性，不但减少了运输成本，而且缩短了运输之后的组装时间，此外，还可以减少安放移动式反应堆电源所需的场地面积，提高了使用的灵活性。另外，相比于采用三个集装箱的方案，本方案在运输状态和发电状态下，移动式反应堆电源都可以始终保持在平放状态，无需在发电前对集装箱10进行旋转，无需既满足立放状态下的正常使用时的要求，又
满足平放状态下的运输要求，降低了移动式反应堆电源的设计、制造和运输难度。
80.现有的国际通用的标准集装箱分为a、b、c、d四个系列，宽度均为8ft(约2438.4mm),长度最小为d系列10ft(约3048mm左右)，高度最小为8ft左右，陆运最常用的集装箱为c系列的icc型和a系列中的iaa型。前者的尺寸为20*8*8ft，后者的尺寸为40*8*8ft6in。其中，ft，指的是feet，即英尺。in，指的是inch，即英寸。而本实施例移动式反应堆电源的额定质量均为30.48t。整个移动电源的尺寸和重量均在国际通用的标准集装箱可容纳的范围内，装入集装箱10后，可借由卡车、火车、轮船、飞机等设备运输到指定地点供电。
81.本实施例的动作原理为：
82.如图3所示，氦氙混合气体流经堆芯60，带走堆芯60的燃料裂变释放的热量，受热后的冷却剂气体进入透平70膨胀做功，透平70叶轮旋转，带动发电机90传动主轴80转动，通过发电机90将部分能量转化为电能，不但可以为偏远地区供电，还可以用于灾区救援、区域供电供热、海水淡化以及制氢等。同时，透平70还通过传动主轴80带动压气机40旋转，为气体的压缩提供动力。从透平70出来的冷却剂气体进入回热器50的热侧入口，为进入堆芯60前的回热器50冷侧入口的冷却剂气体提供热量。而后，从回热器50的热侧出口流出的冷却剂经由前冷器30的进一步冷却后，进入压气机40压缩体积，被压气机40压缩后，从压气机40出口的冷却剂进入回热器50的冷侧入口，吸收回热器50的热侧的气体的热量，温度升高后，流入堆芯60，形成一个闭合的回路。
83.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
84.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
85.上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。
86.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
87.因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。