CN112885494B - 一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源*** - Google Patents

一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，属于核反应堆工程技术领域，其包括一为锥形密闭壳体的锥形保护容器以及设置在锥形保护容器内部的反应堆***和热电转换装置，反应堆***通过支撑结构固定连接在锥形保护容器的尖端，热电转换装置设置在锥形保护容器的底端；反应堆***与热电转换装置之间设置有辐射屏蔽装置；热电转换装置包括导热热管、星型斯特林发动机、传动机构和发电机；导热热管分为第一蒸发段、第一绝热段和第一冷凝段；星型斯特林发动机通过传动机构驱动发电机产生电力。本发明提供了一种能够满足周期长达数年的海洋工作需求的反应堆电源***，为海洋条件下小型核动力装备核动力***的研发和布置提供一定的指导。

Description

一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，更具体的说是涉及一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***。
背景技术
我国海洋国土面积约300万平方公里，海洋不仅蕴含着丰富的资源，而且具有十分重要的战略意义。由于海洋条件的特殊性，不管是深远海的资源勘探开发设备还是海上的军事动力***，均需保证长久的续航能力，常规动力***的续航能力有限，而核能由于其能量密度大、寿命长、比功率高等优点，可极大提高动力***的续航能力，是深海深空探测的理想能源。
因此，急需一种能够满足周期长达数年的海洋工作需求的反应堆电源***。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种能够满足周期长达数年的海洋工作需求的反应堆电源***，采取了如下技术方案：
一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，包括一为锥形密闭壳体的锥形保护容器以及设置在所述锥形保护容器内部的反应堆***和热电转换装置，所述反应堆***通过支撑结构固定连接在所述锥形保护容器的尖端，所述热电转换装置设置在所述锥形保护容器的底端；所述反应堆***与所述热电转换装置之间设置有辐射屏蔽装置；
所述热电转换装置包括导热热管、星型斯特林发动机、传动机构和发电机；
所述导热热管分为第一蒸发段、第一绝热段和第一冷凝段，其中，所述导热热管***所述反应堆***的部分为第一蒸发段，位于所述星型斯特林发动机的加热腔内的部分为第一冷凝段，所述第一蒸发段和第一冷凝段之间的部分为所述第一绝热段；
所述星型斯特林发动机通过所述传动机构驱动所述发电机产生电力。
进一步地，所述反应堆***包括耐压容器和设置在所述耐压容器内的堆芯；所述堆芯外侧设置有控制鼓；所述控制鼓与所述耐压容器之间设置有径向反射层和轴向反射层；所述耐压容器通过支撑结构固定连接在所述锥形保护容器的尖端。
进一步地，所述导热热管的第一蒸发段插置在所述堆芯内。
进一步地，所述锥形保护容器包括容器顶盖和容器本体，所述容器顶盖位于所述反应堆***的一侧；所述容器顶盖与所述容器本体密闭连接。
进一步地，所述支撑结构包括轴向支撑和周向支撑，所述耐压容器通过所述轴向支撑固定连接在所述容器本体的开口侧；所述耐压容器通过所述周向支撑固定连接在所述容器本体的内壁上。
进一步地，还包括散热热管，所述散热热管分为第二蒸发段、第二冷凝段和第二绝热段，所述散热热管与星型斯特林发动机的冷却腔连接部分为第二蒸发段，用于吸收星型斯特林发动机的冷却腔的热量；所述散热热管位于所述容器本体的锥面内部分为第二冷凝段，用于将热量传递至所述容器本体的锥面；所述第二蒸发段与所述第二冷凝段之间为所述第二绝热段；其中，部分第二绝热段设置在所述容器本体的端面内。
进一步地，所述导热热管的传热工质为金属锂，所述散热热管的传热工质为金属钠，所述星型斯特林发动机的运行工质为氦气。
进一步地，所述辐射屏蔽装置包括上下设置的氢化锂屏蔽层和金属钨屏蔽层，所述氢化锂屏蔽层位于所述反应堆***的一侧。
本发明有益效果：
1、本发明提供了一种能够满足周期长达数年的海洋工作需求的反应堆电源***，可为海洋条件下小型核动力装备核动力***的研发和布置提供一定的指导。
2、本发明采用控制鼓控制反应堆的反应性、热管传热、星型斯特林发动机将热能转换为机械能，使得***效率较高，结构较为紧凑，固有安全性提高。
3、本发明通过电源***前进与海水相对运动产生的动压力，驱使海水与锥面通过强迫对流进行换热，换热量可随功率变化自动调节，提高了***的可靠性。
附图说明
图1是本发明的整体结构布置示意图；
其中，1、反应堆***；101、堆芯；102、控制鼓；103、径向反射层；104、轴向反射层；105、耐压容器；2、热电转换装置；201、导热热管；202、星型斯特林发动机；203、传动机构；204、发电机；3、辐射屏蔽装置；301、氢化锂屏蔽层；302、金属钨屏蔽层；4、散热热管；5、支撑结构；501、轴向支撑；502、周向支撑；6、锥形保护容器；601、容器顶盖；602、容器本体。
具体实施方式
实施例1
一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***(如图1所示)，包括一为锥形密闭壳体的锥形保护容器6以及设置在锥形保护容器6内部的反应堆***1和热电转换装置2，反应堆***1通过支撑结构5固定连接在锥形保护容器6的尖端，热电转换装置2设置在锥形保护容器6的底端；反应堆***1与热电转换装置2之间设置有辐射屏蔽装置3。
其中，热电转换装置2包括导热热管201、星型斯特林发动机202、传动机构203和发电机204；
在本实施例中，导热热管201用于将反应堆***1产生的热量传递给星型斯特林发动机202；导热热管201分为第一蒸发段、第一绝热段和第一冷凝段，其中，导热热管201***反应堆***1的部分为第一蒸发段，用于吸收反应堆***1产生的热量；位于星型斯特林发动机202的加热腔内的部分为第一冷凝段，用于释放热量给星型斯特林发动机202的加热腔；第一蒸发段和第一冷凝段之间的部分为第一绝热段。
星型斯特林发动机202通过传动机构203驱动发电机204产生电力。
在本实施例中，星型斯特林发动机202的运行工质为氦气，氦气在加热腔内受热膨胀，在冷却腔内冷却收缩，氦气的周期性膨胀和收缩通过活塞带动传动机构将热能转换为机械能。
在本实施例中，反应堆***1包括耐压容器105和设置在耐压容器105内的堆芯101。堆芯101外侧设置有控制鼓102；控制鼓102与耐压容器105之间设置有径向反射层103和轴向反射层104；耐压容器105通过支撑结构5固定连接在锥形保护容器6的尖端。
其中，导热热管201的第一蒸发段插置在堆芯101内。
锥形保护容器6包括容器顶盖601和容器本体602，容器顶盖601位于反应堆***1的一侧；容器顶盖601与容器本体602密闭连接。
支撑结构5包括轴向支撑501和周向支撑502，耐压容器105通过轴向支撑501固定连接在容器本体602的开口侧；耐压容器105通过周向支撑502固定连接在容器本体602的内壁上。
本实施例中提供的一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，还包括散热热管4，散热热管4分为第二蒸发段、第二冷凝段和第二绝热段，散热热管4与星型斯特林发动机202的冷却腔连接部分为第二蒸发段，用于吸收星型斯特林发动机202的冷却腔的热量；散热热管4位于容器本体602的锥面内部分为第二冷凝段，用于将热量传递至容器本体602的锥面；第二蒸发段与第二冷凝段之间为第二绝热段；其中，部分第二绝热段设置在容器本体602的端面内。
在本实施例中，导热热管201的传热工质为金属锂，散热热管4的传热工质为金属钠，星型斯特林发动机202的运行工质为氦气。
其中，导热热管201的工作温度范围为1200—1600K，传热工质金属锂在蒸发段吸收堆芯内核裂变释放出的热量后蒸发，形成锂蒸汽，锂蒸汽在导热热管201的蒸汽腔内从蒸发段经过第一绝热段流至第一冷凝段，在第一冷凝段内凝结放热，将热量传递给星型斯特林发动机202的工质氦气。
散热热管4的工作温度范围为900—1200K，传热工质金属钠在蒸发段吸收星型斯特林发动机202冷却腔内的热量蒸发，形成钠蒸汽，蒸汽在散热热管4的蒸汽腔内从第二蒸发段经过第二绝热段流至第二冷凝段，在散热热管4的第二冷凝段内将热量传递至容器本体602的锥面上，通过海水与锥面之间的强迫对流换热将热量传递至海水中。
在本实施例中，辐射屏蔽装置3包括上下设置的氢化锂屏蔽层301和金属钨屏蔽层302，氢化锂屏蔽层301位于反应堆***1的一侧。
其中，辐射屏蔽装置3由两种材料制成，即氢化锂屏蔽层301和金属钨屏蔽层302的制成材料分别氢化锂和金属钨。其中，氢化锂屏蔽层301作用是吸收中子，使***免受中子辐照的影响；金属钨屏蔽层302作用是吸收伽马射线，使***免受伽马辐照的影响。
本实施例的工作原理为：
反应堆堆芯101中的核燃料发生裂变反应释放大量热能，导热热管201的蒸发段被加热，通过锂蒸汽将热量由蒸发段经绝热段传递至冷凝段，冷凝后金属锂在毛细作用下回流至蒸发段；冷凝释放的热量在星型斯特林发动机202加热腔内用于加热斯特林循环工质氦气，维持斯特林循环热端温度恒定。散热热管4的蒸发段吸收星型斯特林发动机202冷却腔的热量，维持斯特林循环冷端温度恒定。
工质氦气的周期性膨胀和收缩通过活塞带动传动机构203将热能转化为机械能，传动机构203带动发电机204产生电力。
散热热管4的冷凝段位于容器本体602的锥面内，将热量传递至锥面。电源***在前进时与海水相对运动产生的动压力会驱使海水与锥面进行强迫对流换热，换热量可随功率变化自动调节，提高了***的可靠性。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，其特征在于，包括一为锥形密闭壳体的锥形保护容器(6)以及设置在所述锥形保护容器(6)内部的反应堆***(1)和热电转换装置(2)，所述反应堆***(1)通过支撑结构(5)固定连接在所述锥形保护容器(6)的尖端，所述热电转换装置(2)设置在所述锥形保护容器(6)的底端；所述反应堆***(1)与所述热电转换装置(2)之间设置有辐射屏蔽装置(3)；
所述热电转换装置(2)包括导热热管(201)、散热热管(4)、星型斯特林发动机(202)、传动机构(203)和发电机(204)；
所述导热热管(201)分为第一蒸发段、第一绝热段和第一冷凝段，其中，所述导热热管(201)***所述反应堆***(1)的部分为第一蒸发段，位于所述星型斯特林发动机(202)的加热腔内的部分为第一冷凝段，所述第一蒸发段和第一冷凝段之间的部分为所述第一绝热段；
所述星型斯特林发动机(202)通过所述传动机构(203)驱动所述发电机(204)产生电力；
所述反应堆***(1)包括耐压容器(105)和设置在所述耐压容器(105)内的堆芯(101)；所述堆芯(101)外侧设置有控制鼓(102)；所述控制鼓(102)与所述耐压容器(105)之间设置有径向反射层(103)和轴向反射层(104)；所述耐压容器(105)通过支撑结构(5)固定连接在所述锥形保护容器(6)的尖端；
所述锥形保护容器(6)包括容器顶盖(601)和容器本体(602)，所述容器顶盖(601)位于所述反应堆***(1)的一侧；所述容器顶盖(601)与所述容器本体(602)密闭连接；
所述散热热管(4)分为第二蒸发段、第二冷凝段和第二绝热段，所述散热热管(4)与星型斯特林发动机(202)的冷却腔连接部分为第二蒸发段，用于吸收星型斯特林发动机(202)的冷却腔的热量；所述散热热管(4)位于所述容器本体(602)的锥面内部分为第二冷凝段，用于将热量传递至所述容器本体(602)的锥面；所述第二蒸发段与所述第二冷凝段之间为所述第二绝热段；其中，部分第二绝热段设置在所述容器本体(602)的端面内。
2.根据权利要求1所述的基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，其特征在于，所述导热热管(201)的第一蒸发段插置在所述堆芯(101)内。
3.根据权利要求1所述的基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，其特征在于，所述支撑结构(5)包括轴向支撑(501)和周向支撑(502)，所述耐压容器(105)通过所述轴向支撑(501)固定连接在所述容器本体(602)的开口侧；所述耐压容器(105)通过所述周向支撑(502)固定连接在所述容器本体(602)的内壁上。
4.根据权利要求1所述的基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，其特征在于，所述导热热管(201)的传热工质为金属锂，所述散热热管(4)的传热工质为金属钠，所述星型斯特林发动机(202)的运行工质为氦气。
5.根据权利要求1所述的基于星型斯特林发动机的反应堆电源***，其特征在于，所述辐射屏蔽装置(3)包括上下设置的氢化锂屏蔽层(301)和金属钨屏蔽层(302)，所述氢化锂屏蔽层(301)位于所述反应堆***(1)的一侧。
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