[發明專利]采用多級換熱功率屏蔽換熱器的空間核電系統及循環方法

有效

• 申請號: 202111151398.5
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113871038B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 鹿鵬;楊沁山;閆曉蝶;魏劍;葉啟航;黃護林
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G21C15/28
• 分類號: G21C15/28;G21C15/14;G21C15/12;G21C15/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 秦秋星

本發明公開一種采用多級換熱功率屏蔽換熱器的空間核電系統及循環方法，在該發明的核反應堆發電系統中采用了多級換熱功率屏蔽換熱器。該換熱器由兩部分組成，第一部分為低功率管殼換熱，第二部分為高功率板式換熱。高溫液態金屬鋰從核反應堆流出進入換熱器，在低功率管殼換熱階段，通過屏蔽金屬換熱管與低溫氦氣進行換熱。若不進行第二階段的高功率板式換熱，氦氣則直接進入渦輪機做功。反之，則通過控制系統，使氦氣進入第二階段的高功率板式換熱，通過屏蔽金屬換熱板片與高溫液態鋰進行第二階段換熱，滿足了不同工況，如出艙作業、空間站休眠的使用需要，實現了換熱器低功率和高功率的調節，從而提高了能源利用率和空間站適居性。

技術領域

本發明涉及一種采用多級換熱功率屏蔽換熱器的空間核電系統及循環方法，屬于能源綜合利用領域。

背景技術

面向深空探測和高分辨率對地觀測等重大航天任務的大型航天器已經成為重要的發展趨勢。與太陽電源和化學電源相比，空間核電源在太陽能應用困難的深空探測任務和需要大功率電源的近地軌道航天任務中具有明顯的技術優勢。核能發電是利用核裂變所釋放的熱能來進行發電，核燃料的能量密度比其他化石燃料大出一個數量級，且核能發電過程本身不會產生二氧化碳，因此燃料儲存所占體積小，運輸便利，符合國家空間發展的戰略需求。

基于核能發電的空間核電系統與普通動力系統相比具有重量輕、體積小、輸出功率高等優點，在空間探索任務中起著舉足輕重的作用。空間核電源將核能轉換為電能，為大功率電推進系統供電。核電推進技術結合核能的高能量密度，以及電推進的高比沖優勢，被認為是未來大型空間任務的優先選擇方案。空間核電系統的發展代表著一個國家的軍事能力和高新技術水平，空間核電系統研究對我國搶占空間戰略制高點具有重要意義，因此針對該系統也提出更高的要求，需要更加充分地利用核能，提高能源利用率，確保空間探測過程持久、高效、清潔的電源供應，以保證空間核電系統的安全性，推進我國空間事業的建設和發展。

本文結合多級換熱功率屏蔽換熱器，從提高核電系統的安全性和能源利用率出發，針對這兩點進行了改進。多級換熱功率屏蔽換熱器的材料采用具有屏蔽功能的鎢錸合金，且換熱器有低功率和高功率兩種模式，在低功率下滿足了空間站休眠的使用要求，高功率下滿足了工作人員作業的使用要求，從而提升了空間站的適居性，防止了輻射外泄，減輕了后續輻射散熱系統熱排散的壓力。

發明內容

發明目的：

針對當前核電技術中存在的不足，本發明提出了一種采用多級換熱功率屏蔽換熱器的空間核電系統及循環方法，不僅提高了核電系統的能源利用率，還提高了核電系統的安全穩定性，提升了空間站的適居性，更好的滿足了實際使用要求。

技術方案：

一種采用多級換熱功率屏蔽換熱器的空間核電系統，首先所述系統中，包括兩個回路。

一回路包括核反應堆，壓力緩沖裝置，氣液分離器，多級換熱功率屏蔽換熱器的熱介質通道，電磁泵。液態金屬鋰吸收核熱，從核反應堆出口流出，通過管路，流進壓力緩沖裝置和氣液分離器等輔助裝置，再從氣液分離器的出口流進多級換熱功率屏蔽換熱器的熱介質通道的進口，進入第一階段，即管殼式換熱階段，在此階段，液態金屬鋰通過屏蔽金屬換熱管與氦氣進行熱量交換。熱量交換完畢后，在第二階段，即板式換熱階段，液態金屬鋰通過屏蔽金屬換熱板片與氦氣進行換熱，然后從熱流體通道的出口流出，通過管路流進電磁泵加速，回到核反應堆。

多級換熱功率屏蔽換熱器的主要換熱元件為屏蔽金屬換熱管和屏蔽金屬換熱板片，此換熱器由兩部分組成，第一部分為管殼式部分，第二部分為板式部分，針對此結構，換熱也分為低功率和高功率階段，在低功率階段氦氣只通過換熱器的管殼式部分進行換熱，在高功率階段，氦氣不僅通過管殼式部分進行換熱，還通過板式部分換熱，從而達到了功率調節的作用，提高了能源利用率，滿足了不同情況的使用需要。