技术特征：
1.模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：包括反应堆本体系统(1)、非能动余热排出系统(2)、紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)、二回路系统(4)和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)；所述反应堆本体系统(1)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的热源，包括反应堆容器(1
‑
1)，反应堆容器(1
‑
1)中设置堆芯活性区(1
‑
2)、反应堆控制棒及其驱动机构(1
‑
3)、flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)、flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)、第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)、第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)、第一轴流主泵(1
‑
8)、第二轴流主泵(1
‑
9)、堆芯围筒(1
‑
10)、径向反射层(1
‑
11)和轴向反射层(1
‑
12)；flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)、flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)、第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)和第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)位于反应堆容器(1
‑
1)内上部，在flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)和flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)下部分别设置第一轴流泵(1
‑
8)和第一轴流泵(1
‑
9)；控制棒及驱动机构(1
‑
3)设置在堆芯活性区(1
‑
2)上部；堆芯围筒(1
‑
10)设置在径向反射层外，堆芯活性区周向设置径向反射层(1
‑
11)、堆芯活性区上部和下部设置轴向反射层(1
‑
12)；所述反应堆本体系统(1)工作流程如下：堆本体系统(1)正常运行时，冷却剂经第一轴流泵(1
‑
8)和第二轴流泵(1
‑
9)驱动，从反应堆容器(1
‑
1)底部进入堆芯活性区(1
‑
2)，向上流经堆芯活性区(1
‑
2)吸热后，向下折流并经过第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)和第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)放热，最后进入第一轴流泵(1
‑
8)和第二轴流泵(1
‑
9)增压完成堆芯内冷却剂循环；所述非能动余热排出系统(2)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的专设安全设施，与反应堆本体系统(1)共用第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)和第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)，还包括空冷塔(2
‑
3)、置于空冷塔(2
‑
3)内的第一空气换热器(2
‑
1)、第二空气换热器(2
‑
2)、及相连管道与阀门；第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)出口与第一空气换热器(2
‑
1)入口相连，第一空气换热器(2
‑
1)出口与第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)入口连接；第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)出口与第二空气换热器(2
‑
2)入口相连，第二空气换热器(2
‑
2)出口与第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)入口连接；所述非能动余热排出系统(2)工作流程如下：在反应堆停堆和事故工况下，flinak盐被第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)加热后依靠浮力驱动进入第一空气换热器(2
‑
1)，而后flinak盐被空气冷却流出第一空气换热器(2
‑
1)，进入第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)，完成自然循环；第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)和第二空气换热器(2
‑
2)，与第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)和第一空气换热器(2
‑
1)的工作流程相同；所述紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与反应堆本体系统(1)共用flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)，还包括第一透平(3
‑
1)、第一高温回热器(3
‑
2)、第一低温回热器(3
‑
3)、第一分流阀(3
‑
4)、第一冷端换热器(3
‑
5)、第一主压缩机(3
‑
6)、第一辅压缩机(3
‑
7)、第一合流阀(3
‑
8)及相连管道与阀门；第一flinak
‑
co2换热器(1
‑
4)出口与第一透平(3
‑
1)入口相连，第一透平(3
‑
1)出口与第一高温回热器(3
‑
2)热侧入口相连，第一高温回热器(3
‑
2)热侧出口与第一低温回热器(3
‑
3)热侧入口相连，第一低温回热器(3
‑
3)热侧出口与第一分流阀入口(3.1)相连，第一分
流阀第一出口(3.2)与第一辅压缩机(3
‑
7)入口相连，第一辅压缩机(3
‑
7)出口与第一合流阀第一入口(3.4)相连；第一分流阀第二出口(3.3)与第一冷端换热器(3
‑
5)入口相连，第一冷端换热器(3
‑
5)出口与第一主压缩机(3
‑
6)入口相连，第一主压缩机(3
‑
6)出口与第一低温回热器(3
‑
3)冷侧入口相连，第一低温回热器(3
‑
3)冷侧出口与第一合流阀第二入口(3.5)相连；第一合流阀出口(3.6)与第一高温回热器(3
‑
2)冷侧入口相连，第一高温回热器(3
‑
2)冷侧出口与第一flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)入口相连；所述紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)工作流程如下：在第一flinak
‑
co2换热器(1
‑
4)中，co2被主冷却剂盐加热后进入第一透平(3
‑
1)做功，随后进入第一高温回热器(3
‑
2)热侧放热，离开第一高温回热器(3
‑
2)热侧的co2进入第一低温回热器(3
‑
3)热侧继续放热，经过第一分流阀(3
‑
4)分流：一部分co2进入第一辅压缩机(3
‑
7)被压缩后进入第一合流阀(3
‑
8)；另一部分co2经第一冷端换热器(3
‑
5)冷却后，被第一主压缩机(3
‑
6)压缩，随后在第一低温回热器(3
‑
3)吸热后进入第一合流阀(3
‑
8)，来自第一低温回热器(3
‑
3)和第一辅压缩机(3
‑
7)的co2在第一合流阀(3
‑
8)汇流，经第一高温回热器(3
‑
2)吸热后进入第一flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)再次被加热，形成循环；所述二回路系统(4)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的中间换热和储能系统，为综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)提供热能，二回路系统(4)与反应堆本体系统(1)共用flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)，还包括二回路熔盐泵(4
‑
1)和熔盐池(4
‑
2)，熔盐池(4
‑
2)中设置高温工艺热接口(4
‑
3)、第一flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)、第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)、第三flinak
‑
co2换热器(5
‑
3)及相连管道与阀门；flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)出口与熔盐池(4
‑
2)入口相连，熔盐池(4
‑
2)出口与二回路熔盐泵(4
‑
1)入口相连，二回路熔盐泵(4
‑
1)出口与flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)入口相连；所述二回路系统(4)工作流程如下：flinak盐在flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)中被加热后进入熔盐池(4
‑
2)，在熔盐池(4
‑
2)中，高温flinak盐通过高温工艺热接口(4
‑
3)向外界输出高温热量，热量用于高温制氢、矿藏开采和熔盐储能；第一flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)、第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)和第三flinak
‑
co2换热器(5
‑
3)吸收熔盐池(4
‑
2)热量加热co2，flinak盐在熔盐池(4
‑
2)放热后，经二回路熔盐泵(4
‑
1)增压后进入flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)，形成循环；所述综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)作为模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统的能量转换模块，与二回路系统(4)的熔盐池(4
‑
2)共用第一flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)、第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)和第三flinak
‑
co2换热器(5
‑
3)，还包括第二透平(5
‑
4)、第三透平(5
‑
5)、第四透平(5
‑
6)、第二低温回热器(5
‑
7)、第一中温回热器(5
‑
8)、第二高温回热器(5
‑
9)、第二辅压缩机(5
‑
10)、第二主压缩机(5
‑
11)、第三主压缩机(5
‑
12)、第二冷端换热器(5
‑
13)、第三冷端换热器(5
‑
14)、第二分流阀(5
‑
15)、第二合流阀(5
‑
16)、第三分流阀(5
‑
17)、第三合流阀(5
‑
18)及相连管道与阀门；第二分流阀第一出口(5.2)与第二高温回热器(5
‑
9)冷侧入口相连，第二高温回热器(5
‑
9)冷侧出口与第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)入口相连，第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)出口与第一透平(5
‑
4)入口相连，第一透平(5
‑
4)出口与第三flinak
‑
co2换热器入口(5
‑
3)相连，第三flinak
‑
co2换热器出口与第二透平(5
‑
5)入口相连，第二透平(5
‑
5)出口与第二高温回热器(5
‑
9)热侧入口相连，第二高温回热器(5
‑
9)热侧出口与第二合流阀第一入口(5.4)相连；第二分流阀第二出口(5.3)与第一
flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)入口相连，第一flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)出口与第四透平(5
‑
6)入口相连，第四透平(5
‑
6)出口与第二合流阀第二入口(5.5)相连；第二合流阀出口(5.6)与第一中温回热器(5
‑
8)热侧入口相连，第一中温回热器(5
‑
8)热侧出口与第二低温回热器(5
‑
7)热侧入口相连，第二低温回热器(5
‑
7)热侧出口与第三分流阀入口(5.7)相连，第三分流阀第一出口(5.8)与第二辅压缩机(5
‑
10)入口相连，第二辅压缩机(5
‑
10)出口与第三合流阀第一入口(5.10)相连；第三分流阀第二出口(5.9)与第二冷端换热器(5
‑
13)入口相连，第二冷端换热器(5
‑
13)出口与第二主压缩机(5
‑
11)入口相连，第二主压缩机(5
‑
11)出口与第三冷端换热器(5
‑
14)入口相连，第三冷端换热器(5
‑
14)出口与第三主压缩机(5
‑
12)入口相连，第三主压缩机(5
‑
12)出口与第二低温回热器(5
‑
7)冷侧入口相连，第二低温回热器(5
‑
7)冷侧出口与第三合流阀第二入口(5.11)相连；第三合流阀出口(5.12)与第一中温回热器(5
‑
8)冷侧入口相连，第一中温回热器(5
‑
8)冷侧出口与第二分流阀入口(5.1)相连；所述综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)工作流程如下：经过co2在第二分流阀(5
‑
15)的分流：来自第一中温回热器(5
‑
8)冷侧的一部分co2进入第二高温回热器(5
‑
9)冷侧吸热，随后进入第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)被加热，进入第二透平(5
‑
4)做功，做功后的co2进入第三flinak
‑
co2换热器(5
‑
3)中被加热，随后进入第三透平(5
‑
5)做功，再次做功后的co2进入第二高温回热器(5
‑
9)热侧放热；来自第一中温回热器(5
‑
8)冷侧的另一部分co2进入第一flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)中被吸热后，进入第四透平(5
‑
6)做功；来自第四透平(5
‑
5)和第二高温回热器(5
‑
9)热侧的co2在第二合流阀(5
‑
16)汇流后进入第一中温回热器(5
‑
8)热侧放热，随后进入第一中温回热器(5
‑
7)热侧放热，随后经过第三分流阀(5
‑
17)的分流：一部分co2经第二辅压缩机(5
‑
10)压缩升压；另一部分co2经第二冷端换热器(5
‑
13)的冷却后，进入第二主压缩机(5
‑
11)压缩升压，随后进入第三冷端换热器(5
‑
14)，冷却后再次进入第三主压缩机(5
‑
12)压缩升压；两股co2经第三合流阀(5
‑
18)汇流，进入第一中温回热器(5
‑
8)冷侧吸热后进入第二分流阀(5
‑
15)，形成循环。2.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的堆芯活性区(1
‑
2)热功率为125mw、堆芯入口温度为650℃、堆芯出口温度为700℃，采用flibe盐作为冷却剂，lif和bef2摩尔数分别为67％和33％；非能动余热排出系统(2)和二回路系统(4)采用flinak盐作为冷却工质，lif，naf和kf的摩尔分数分别为46.5％，11.5％和42％。3.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的堆芯活性区(1
‑
2)采用螺旋十字型燃料元件，triso核燃料以50％填充率弥散在基体中；核燃料
235
u富集度分别为15％和17.5％；单组件内燃料棒呈三角形排列，组件间呈三角形排布。4.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的flibe
‑
co2主换热器(1
‑
4)，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)的第一flinak
‑
co2换热器(5
‑
1)、第二flinak
‑
co2换热器(5
‑
2)和第三flinak
‑
co2换热器(5
‑
3)，均为印刷电路板式换热器；反应堆本体系统(1)的flibe
‑
flinak主换热器(1
‑
5)，非能动余热排出系统(2)的第一flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
6)和第二flibe
‑
flinak余热排出换热器(1
‑
7)，均为管壳式换热器。5.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：紧
凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)的热效率超过48％，综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)的热效率超过54％。6.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：反应堆本体系统(1)的反应堆容器(1
‑
1)直径小于3.5米，高度小于3米。7.根据权利要求1所述的模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统，其特征在于：紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(3)以及二回路系统(4)和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统(5)组成的能量转换系统不同时投入使用，根据需求切换系统。
技术总结
本发明公开了模块化多用途小型氟盐冷却高温堆能量系统：包括反应堆本体系统、非能动余热排出系统、紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统、二回路系统和综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环系统；反应堆核燃料采用TRISO+石墨基体材料和螺旋十字型式，可以提高传热性能及固有安全性；紧凑型超临界二氧化碳布雷顿循环系统热效率超过48％，可以应用于空间有限的场所；综合利用型超临界二氧化碳布雷顿循环热效率超过54％，可以应用于资源丰富的场所；本发明既能实现能量的高效紧凑利用，也能满足能源多用途、一体化的生产、储存和转化需求。储存和转化需求。储存和转化需求。
技术研发人员：张大林 姜殿强 李新宇 闵鑫 王成龙 田文喜 秋穗正 苏光辉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2021/12/7