一种风光辅助钠冷快堆系统及工作方法

本发明涉及先进能源，具体涉及一种风光辅助钠冷快堆系统及工作方法。

背景技术：

1、福岛核事故发生时，地震导致福岛第一核电厂所有的厂外供电丧失，海啸冲破了福岛第一核电厂的防御设施，海啸浪潮深入到电厂内部，造成除一台应急柴油发电机之外的其它应急柴油发电机电源丧失，核电厂的直流供电系统也由于受水淹而遭受严重损坏，仅存的一些蓄电池最终也由于充电接口损坏而导致电力耗尽。第一核电厂所有交、直流电丧失。最终因各种因素交织而事故升级，导致了严重的事故后果。因此，需要考虑在应急柴油发电机之外，再增加一套备用电源，进一步提高核电系统的安全性。

2、钠冷快中子反应堆(英语：sodium-cooled fast reactor，缩写：sfr)，是一种快中子增殖反应堆，以液态钠做为冷却剂，是快中子增殖反应堆的主流，这种反应堆也是研究中第四代反应堆的形式之一，因其在固有安全性以及可增值核燃料，嬗变长寿命放射性废物等方面的优势，得到了世界各国的重视。

3、钠冷快堆一回路主循环泵(简称主泵)电机由主绕组、辅助绕组构成，在核电厂厂外电源具备供电能力的情况下，一回路主泵靠厂外电源供电给变频器，并用变频器驱动泵电机主绕组在25％～100％额定转速运转；在失去厂外电源的情况下，由应急柴油发电机定频供电给电机辅助绕组，使主泵维持25％额定转速稳定运行，导出堆芯热量。

4、充分汲取事故的经验教训，如何以较低的成本将反应堆系统的安全性再进一步提高，是应该充分思考并加以解决的问题。核电系统的地理位置及自然气候条件可以被充分的利用，风能、太阳能等可再生清洁能源的联合设计使用，是提高能源利用效率，积极推进核电和平利用的一种新思路，新方法。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种风光辅助钠冷快堆系统及工作方法，将核能、风能和太阳能三种能源结合起来，尽可能地利用核反应堆系统周边的风能、太阳能等可再生能源，提高反应堆系统的安全性，同时达到最大的能源利用率。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种风光辅助钠冷快堆系统，包括核反应堆系统、风能储能系统、太阳能储能系统和平衡能量系统；所述核反应堆系统包括核反应堆1、中间热交换器2、一回路钠泵3、蒸汽发生器4、二次钠泵5、涡轮6、给水泵7、冷凝器8和发电机9，所述核反应堆1出口通过一回路钠管道与中间热交换器2一次侧入口连通，一回路钠泵3位于中间热交换器2一次侧最底端位置，中间热交换器2一次侧出口通过一回路钠管道与核反应堆1入口连通，形成闭环一回路；中间热交换器2二次侧出口通过二次钠管道与蒸汽发生器4钠侧入口连通，蒸汽发生器4钠侧出口与二次钠泵5经二次钠管道连通，后连通至中间热交换器2二次侧入口，形成闭环二回路；蒸汽发生器4水侧出口与涡轮6连通，涡轮6与冷凝器8高温侧入口连通，冷凝器8高温侧出口依次连通给水泵7与蒸汽发生器4水侧入口，形成闭环三回路；涡轮6轴连接发电机9，冷凝器8低温侧入口及出口分别与海水管道连通；所述风能储能系统包括风力发电机10、风力发电控制器11和蓄电池组14，风力发电控制器11调节和控制风力发电机10所发的电能对蓄电池组14进行充电，保证蓄电池组14不被过充或过放电；所述太阳能储能系统包括光伏组件12、光伏控制器13和蓄电池组14，所述光伏控制器13是一个微机数据采集和监测控制系统，控制光伏组件12对蓄电池组14充电并防止蓄电池组14过充电和过放电；所述平衡能量系统采用制氢系统15及附属部件或生物质储能系统，所述制氢系统15或生物质储能系统在蓄电池组14充满电后将多余的能量用以制氢或生物质储能以便更好地保存过剩能量；

4、还包括与蓄电池组14连接的应急柴油发电机16，蓄电池组14作为应急柴油发电机16的后备电源，在应急柴油发电机16出现意外的情况下定频供电给电机辅助绕组，应急柴油发电机16连接一回路钠泵3为其供电。

5、优选的，所述蒸汽发生器4内部水侧采用螺旋式管道。

6、优选的，所述风能储能系统在核反应堆系统周边布置风力发电机10，直接转化风能为电能并存储至蓄电池组14。

7、优选的，所述太阳能储能系统在核反应堆系统周边布置多个的光伏组件12，直接吸收太阳能并将其转化为电能存储至蓄电池组14。

8、优选的，所述制氢系统15采用铜-氯循环制氢技术。

9、所述的一种风光辅助钠冷快堆系统的工作方法，一回路钠将核反应堆1产生的堆芯热量导出至中间热交换器2并与二次钠发生热交换，后经由一回路钠泵3重新回到核反应堆1，二次钠将传输到的热量带到蒸汽发生器4并传递给三回路给水，后经由二次钠泵5回到中间热交换器2，三回路给水在蒸汽发生器4中变成高温蒸汽，进入涡轮6做功带动发电机9发电，从涡轮6流出的低压力乏汽在冷凝器8中凝结成水，通过给水泵7的作用再回到蒸汽发生器中，堆芯热量转化为电能即通过三个回路的热传递完成；风力发电机10和光伏组件12在不同的天气条件下进行工作，且工作条件表现为互补状态，能够保证蓄电池组14拥有稳定的电能来源；在核反应堆系统中，蓄电池组14作为应急柴油发电机16的后备电源，在应急柴油发电机16出现意外的情况下定频供电给电机辅助绕组，使一回路钠泵3在设计条件下稳定运行，导出堆芯热量，保障核反应堆系统的安全；风力发电机10和光伏组件12产生的过剩电能用于制氢系统15进行铜-氯循环制氢及储氢，在紧急情况下将存储的氢能转化为电能投入使用。

10、和现有技术相比较，本发明具备以下优点：

11、1、本发明中增加了风能和太阳能协同保障的蓄电池组，汲取事故经验，为应急柴油发电机提供一个后备电源，切实增强了核反应堆系统的安全性。且风能和太阳能的最佳工作条件为互补关系，这就从根本上保证了蓄电池组的稳定性。且风能和太阳能的储电系统位于核岛之外，不用考虑放射性影响问题的同时还可以充分利用反应堆系统周边的风能、太阳能等可再生能源，风、光、核三种新型能源的联合使用，提高了能源的利用效率。

12、2、本发明中提到的制氢具有广泛的应用前景，风能和太阳能所提供的长期稳定的能量超过蓄电池组所需的能量，过剩的电能用于制氢可以保证易存储，易运输，在紧急情况下也可将氢能转化电能并加以利用，提高能量的利用率。

13、3、本发明中平衡能量系统采用的是制氢系统或采用生物质储能系统等其他热能系统，具有灵活性和适应性高的优点。

14、4、本发明中钠水蒸汽发生器内部采用螺旋管道，与已有的直管式相比，增大了换热的接触面积，提高了蒸汽发生器整体的换热性能，增大了换热效率，提高了反应堆系统的经济性。

技术特征：

1.一种风光辅助钠冷快堆系统，其特征在于：包括核反应堆系统、风能储能系统、太阳能储能系统和平衡能量系统；所述核反应堆系统包括核反应堆(1)、中间热交换器(2)、一回路钠泵(3)、蒸汽发生器(4)、二次钠泵(5)、涡轮(6)、给水泵(7)、冷凝器(8)和发电机(9)，所述核反应堆(1)出口通过一回路钠管道与中间热交换器(2)一次侧入口连通，一回路钠泵(3)位于中间热交换器(2)一次侧最底端位置，中间热交换器(2)一次侧出口通过一回路钠管道与核反应堆(1)入口连通，形成闭环一回路；中间热交换器(2)二次侧出口通过二次钠管道与蒸汽发生器(4)钠侧入口连通，蒸汽发生器(4)钠侧出口与二次钠泵(5)经二次钠管道连通，后连通至中间热交换器(2)二次侧入口，形成闭环二回路；蒸汽发生器(4)水侧出口与涡轮(6)连通，涡轮(6)与冷凝器(8)高温侧入口连通，冷凝器(8)高温侧出口依次连通给水泵(7)与蒸汽发生器(4)水侧入口，形成闭环三回路；涡轮(6)轴连接发电机(9)，冷凝器(8)低温侧入口及出口分别与海水管道连通；所述风能储能系统包括风力发电机(10)、风力发电控制器(11)和蓄电池组(14)，风力发电控制器(11)调节和控制风力发电机(10)所发的电能对蓄电池组(14)进行充电，保证蓄电池组(14)不被过充或过放电；所述太阳能储能系统包括光伏组件(12)、光伏控制器(13)和蓄电池组(14)，所述光伏控制器(13)是一个微机数据采集和监测控制系统，控制光伏组件(12)对蓄电池组(14)充电并防止蓄电池组(14)过充电和过放电；所述平衡能量系统采用制氢系统(15)及附属部件或生物质储能系统，所述制氢系统(15)或生物质储能系统在蓄电池组(14)充满电后将多余的能量用以制氢或生物质储能以便更好地保存过剩能量；

2.根据权利要求1所述的一种风光辅助钠冷快堆系统，其特征在于：所述蒸汽发生器(4)内部水侧采用螺旋式管道。

3.根据权利要求1所述的一种风光辅助钠冷快堆系统，其特征在于：所述风能储能系统在核反应堆系统周边布置风力发电机(10)，直接转化风能为电能并存储至蓄电池组(14)。

4.根据权利要求1所述的一种风光辅助钠冷快堆系统，其特征为：所述太阳能储能系统在核反应堆系统周边布置多个的光伏组件(12)，直接吸收太阳能并将其转化为电能存储至蓄电池组(14)。

5.根据权利要求1所述的一种风光辅助钠冷快堆系统，其特征为：所述制氢系统(15)采用铜-氯循环制氢技术。

6.权利要求1-5任一项所述的一种风光辅助钠冷快堆系统的工作方法，其特征在于：一回路钠将核反应堆(1)产生的堆芯热量导出至中间热交换器(2)并与二次钠发生热交换，后经由一回路钠泵(3)重新回到核反应堆(1)，二次钠将传输到的热量带到蒸汽发生器(4)并传递给三回路给水，后经由二次钠泵(5)回到中间热交换器(2)，三回路给水在蒸汽发生器(4)中变成高温蒸汽，进入涡轮(6)做功带动发电机(9)发电，从涡轮(6)流出的低压力乏汽在冷凝器(8)中凝结成水，通过给水泵(7)的作用再回到蒸汽发生器中，堆芯热量转化为电能即通过三个回路的热传递完成；风力发电机(10)和光伏组件(12)在不同的天气条件下进行工作，且工作条件表现为互补状态，能够保证蓄电池组(14)拥有稳定的电能来源；在核反应堆系统中，蓄电池组(14)作为应急柴油发电机(16)的后备电源，在应急柴油发电机(16)出现意外的情况下定频供电给电机辅助绕组，使一回路钠泵(3)在设计条件下稳定运行，导出堆芯热量，保障核反应堆系统的安全；风力发电机(10)和光伏组件(12)产生的过剩电能用于制氢系统(15)进行铜-氯循环制氢及储氢，在紧急情况下将存储的氢能转化为电能投入使用。

技术总结
一种风光辅助钠冷快堆系统及工作方法，包括核反应堆系统、风能储能系统、太阳能储能系统和能量平衡系统，核反应堆系统为回路式钠冷快堆，风能储能系统将风力发电机产生的电能直接存储进蓄电池，太阳能储能系统采用光伏组件直接将吸收的太阳能转化为电能进行存储，能量平衡系统则将过剩的电能转化为易存储运输的物质氢，同时也可将氢在应急时刻发电。太阳能和风能互为补充，保证了蓄电池电量的长期稳定，蓄电池作为核反应堆系统应急柴油发电机的后备电源，为系统的安全性提供保障。本发明将核能、风能和太阳能三种能源结合起来，尽可能地利用核反应堆系统周边的风能、太阳能等可再生能源，提高核反应堆系统的安全性，同时达到最大的能源利用率。

技术研发人员：苏光辉,杨一鸣,张魁,田文喜,秋穗正
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29