[發明專利]一種核脈沖電源及運行方法

有效

• 申請號: 201810614609.6
• 申請日: 2018-06-14
• 公開（公告）號: CN108806813B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 李正宏;李兵;胡永波;范曉強;唐建;郭海兵;馬紀敏
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院核物理與化學研究所
• 主分類號: G21D1/02
• 分類號: G21D1/02
• 代理公司: 成都帝鵬知識產權代理事務所(普通合伙) 51265
• 代理人: 黎照西

本發明公開一種核脈沖電源及運行方法，利用特殊設計的脈沖核反應堆產生高密度裂變碎片加熱電離工質氣體，形成高溫高壓等離子體并超聲速噴射，驅動磁流體發電機直接發電，在毫秒至秒量級的時間內輸出百兆焦耳量級的脈沖電能，直接向裝備輸出的裝置。該系統利用具有超高能量密度的核裂變作為能量源泉，結合磁流體發電機可輸出吉瓦級電脈沖的特性，以攜帶銫電離種子的工質氣體作為能量傳遞和轉換的工作介質，實現核能向電能的轉變并高功率快脈沖輸出。

技術領域

本發明屬于脈沖電源技術領域，特別是涉及一種核脈沖電源及運行方法。

背景技術

高功率脈沖電源在裝備中有著重要應用和現實需求，但常規技術途徑的高功率脈沖電源在小型化、快響應或持續可用等方面存在瓶頸。

幾十年來，國內外先后采用了電容儲能器、電感儲能器和慣性儲能脈沖發電等途徑發展高功率脈沖電源，但受到常規能源的能量密度低、大電流開關等因素的制約，已有的或未來可見的常規高功率脈沖電源不能避免體積大、重量大、需要大功率初級電源等缺點，難以滿足裝備的需要。

例如使用現今最高儲能密度(約1.2MJ/m³)的電容器組，要單次輸出百兆焦耳量級的電能，僅電容器組的體積就達85m³，加上為電容充電供能的電池組或柴油發電機，以及其它控制和輔助部件，電容儲能的脈沖電源系統的總體積不小于170m³，過于龐大并且充電時間較長或者連續使用次數受限，難以適用于對可移動性要求高的裝備。以電容器為儲能方式的脈沖功能電源受限于電容器較低的儲能密度，隨著輸出電能需求的提高，需要的電容器的總體積和質量也越來越大，使得配套這類電源的裝備的應用場景受到了很大的限制。高儲能密度的超級電容器也發展迅速，但超級電容器的輸出功率還不能滿足高功率實際應用的需求。電容儲式脈沖功率電源需要大功率的柴油發電機或電池組來供電。

電感儲能器具有較高的儲能密度，但大容量的短路開關和斷路開關尚未研制成功，制約了該概念在實際應用。慣性儲能脈沖發電也具有較高的儲能密度，但它必須預先啟動以積蓄動能，待飛輪轉速足夠后才能脈沖發電，這種工作模式意味著使用前需要很長的準備時間，也不適用于對響應速度要求快的裝備。電感儲能器和慣性儲能脈沖發電也同樣需要一套初級能源系統為其供電，功率15～30MW，保障需求很高。電感儲能脈沖功率電源的能量在導出過程中需要關斷大電感電流，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場能量，使得在關斷開關的兩端會產生很大的電壓應力，超出半導體開關所能承受的范圍，開關易損壞。電感儲能脈沖功率電源需要大功率的柴油發電機或電池組來供電。

單極發電機的輸出電壓過低(100～200V)，如果再加入電感線圈儲能-放電，雖然可以提高電壓，但會極大降低轉化效率。補償式脈沖交流發電機與裝備的直流脈沖電能輸入需求之間存在相位匹配的問題，同樣需要大容量的開關技術來實現，器件易損壞。慣性儲能脈沖功率電源必須預先啟動以積蓄動能，待飛輪轉速足夠后才能脈沖發電，這種工作模式意味著使用前需要很長的準備時間，不適用于對響應速度要求快的裝備。同時高轉速飛輪具有明顯的陀螺效應，這對支承軸承要求高，須采用磁懸浮方式的非機械軸承，還需要研發。

開放式核能磁流體發電系統的液氫工質不回收，直接噴射到環境中，由于其直接與核燃料接觸，帶有放射性，因此不適宜于在地面使用，并且其工作模式決定了該系統為一次性使用。穩態設計的低功率空間核電源不具備輸出高功率電脈沖的能力。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種核脈沖電源及運行方法，利用脈沖核反應堆結合磁流體發電機實現裂變能快速轉化為電能并直接輸出高功率脈沖電流給目標裝備，提高儲能密度，減小高功率脈沖電源的體積和重量；儲備充足能量，能持續輸出電脈沖，延長維護周期和使用壽命；構建獨立系統，不需要大功率發電機或電池組提供初級能源；提高運行可靠性，基于可實現技術確保器件損壞概率低；具備隨時可用的能力，啟動后迅速達到額定電輸出狀態；循環使用氣體工質，不對地面人員和環境造成放射性損害。