[发明专利]小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统

说明书

本发明公开了小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统，包括反应堆本体系统、熔盐储能系统、布雷顿动力循环系统和各系统之间管道等其他连接设备构成的循环回路；反应堆本体系统作为自适应布雷顿循环能量转换系统的热源，熔盐储能系统作为自适应布雷顿循环能量转换系统的储能和中间输热子系统，布雷顿动力循环系统用于实现热动转换；根据不同的任务需求和空间需求，该自适应布雷顿循环能量转换系统具有八种不同的布雷顿循环构型，它们在体积、控制和热效率上各有优势；本发明为小型氟盐冷却高温堆提供了多模式、自适应的布雷顿循环能量转换系统方案，有助于推动我国自主掌握反应堆布雷顿循环系统设计技术的进程。

技术领域

本发明属于先进核能开发与高效能源转换技术领域，具体涉及一种小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统。

背景技术

氟盐冷却高温堆结合了第四代先进核反应堆：高温气冷反应堆和钠冷快堆的优势，具有高温低压、无水冷却、固有安全和结构紧凑等优点。在氟盐冷却高温堆的基础上，模块化的小型氟盐冷却高温反应堆具有体积小、重量轻、成本低等优势，可以实现在偏远、干旱地区高效发电，同时可输出700℃以上的高温工艺热，用于制氢、盐水淡化和矿产开发等，为偏远地区提供一体化的能源解决方案。此外小型氟盐冷却高温堆适合建在地下设施中，具有良好的隐蔽性和集约性。为匹配小型氟盐冷却高温堆的优势，亟待开发相应的高效能量转换系统，为上述应用场景提供稳定、安全、高功率的热电等能源。目前，部分反应堆采用了温差发电系统等静默式能量转换系统，但考虑到经济性和技术成熟性，大多数的陆基反应堆仍然采用效率更高的动力循环系统。

根据循环过程中能量的不同传输过程和工质的物理性质差异，主要的大功率动力循环系统为朗肯循环和布雷顿循环。对于朗肯循环，根据工质是否为有机物可将其分为无机朗肯循环(如水、汞等)和有机朗肯循环。考虑到小型氟盐冷却高温堆的应用场景，水蒸气朗肯循环难以发挥小型化和高效控制等优势：水蒸汽的相变特性和低密度直接导致汽机和冷凝系统的体积庞大、设计流程复杂且控制过程相对迟滞；而汞蒸汽或其他液态金属蒸汽朗肯循环在技术上并不成熟；另外对于有机朗肯循环，大多数工质都难以承受小型氟盐冷却高温堆堆芯出口700℃以上的高温。对于布雷顿循环，考虑到其结构简单、控制灵活，可优先考虑作为小型氟盐冷却高温堆的能量转换系统。采用不同工质(如空气、二氧化碳和稀有气体等)的布雷顿循环在核反应堆系统中已有部分研究和工程应用，如空气布雷顿循环以及在此基础上研发的核-布雷顿联合循环、超临界二氧化碳布雷顿循环和稀有气体布雷顿循环等。

针对小型氟盐冷却高温堆的应用场景，如我国西部偏远干旱地区、矿产开发区、军事基地和大型地下设施等，尚未有较为详细的能量转换系统方案。考虑到布雷顿动力循环系统的设计、优化和评估工作十分复杂，尽管已有一些应用在其他反应堆上的初步方案，却很难直接决定它们能否直接应用于小型氟盐冷却高温堆及其特殊的应用场景，因此研发适用于小型氟盐冷却高温堆的布雷顿能量转换系统，既是整个反应堆系统工程的必要环节，有助于推动我国自主掌握反应堆布雷顿循环系统设计技术的进程，也是为其应用地区提供能量供给方案、助力经济建设和贯彻节能减排战略的必然要求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明公开了小型氟盐冷却高温堆多模式、自适应的布雷顿循环能量转换系统方案，为系统优化和详细设计提供基础。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

小型氟盐冷却高温堆自适应布雷顿循环能量转换系统，包括反应堆本体系统1、熔盐储能系统2和布雷顿动力循环系统3；