[发明专利]一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统

说明书

本发明提出了一种有机‑碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统，包括一次循环回路，二次循环回路和三次循环回路，一次循环回路是以碱金属锂为工质的快中子堆，二次循环回路是高效双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，顶循环中引入回热器对进入蒸汽发生器中的工质预热，减小系统吸热量，从而提高系统效率；顶循环中冷凝器为底循环蒸汽发生器，利用沸点较低的有机工质甲苯将热量导出进行二次朗肯循环，降低能量耗损，减少废热排放，实现系统效率提升。三次循环回路是以钠钾合金为工质的热排放子系统，将低温有机朗肯循环废热排放至空间环境，确保系统循环完整性。

技术领域

本发明属于大功率空间核动力热电转换技术领域，具体地，涉及一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统。

背景技术

大力发展深空探测技术是保障我国现代化建设和经济可持续发展的重要战略手段，大功率，轻质化，长寿命的能源供给系统是航天任务的基石。因此具有高能量密度的核能成为空间动力系统初始能量的不二选择。热电转换系统是实现低品位热能向高品位电能转换的重要模块，根据有无做功部件可以分为静态转换和动态转换。动态转换系统的效率较大，可达到20％以上，在复杂多变的空间任务中表现出明显的优势。

动态热电转换包含布雷顿循环，朗肯循环和斯特林循环，其中，朗肯循环系统热电转换效率高(可达30％)，辐射散热器面积较小，结构紧凑且扩展性强，是大功率空间核能热电转换系统重点研发方案。碱金属是一种良好的高温循环工质，它具有高热导率，低粘度，适宜的饱和蒸气压等优势。因此以碱金属为工质的朗肯循环系统效率可以得到进一步的提升。

然而，碱金属朗肯循环系统中部件尺寸优化与系统效率提升之间的矛盾问题不利于朗肯循环系统在先进空间核动力领域的应用广度和深度。因此，有必要提出新的热电转换方式在确保热电转换系统满足基本空间任务需求的同时兼顾系统的适应性与经济性能。

发明内容

本发明为了解决大功率空间核电系统中热电转换模块的废热耗散问题，提出了一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统；通过引入低温有机循环回路回收废热形成有机-碱金属联合的双回路朗肯循环发电系统，实现空间核电系统整体效率的提升。

本发明通过以下技术方案实现：

一种有机-碱金属联合的双回路空间核能朗肯循环发电系统：

所述系统包括：空间核反应堆子系统、双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统；

所述空间核反应堆子系统包括核反应堆1，第一电磁泵2以及位于热交换器中的循环工质的流动管路；

所述双回路朗肯循环热电转换子系统，包括高温碱金属顶循环和低温有机底循环，所述高温碱金属顶循环包括蒸汽发生器3，主蒸汽透平机4，回热器5，主冷凝器6和第二电磁泵7，所述低温有机底循环包括有机工质泵9，副蒸汽透平机10和副冷凝器11；

所述空间热排放子系统包括第四电磁泵12，辐射散热器13以及冷凝器中循环工质流动管路；

所述空间核反应堆子系统和双回路朗肯循环热电转换子系统通过蒸汽发生器3连接；所述双回路朗肯循环热电转换子系统和空间热排放子系统通过副冷凝器11相连接。

进一步地，所述空间核反应堆为以碱金属锂为冷却工质的快中子堆，高温碱金属顶循环工质为碱金属钾，低温有机底循环工质为有机物甲苯。

进一步地，在双回路朗肯循环热电转换子系统中，

所述蒸汽发生器3出口连通主蒸汽透平机4，主蒸汽透平机4出口连通主冷凝器6，主冷凝器6出口连通第二电磁泵7，第二电磁泵7出口连通回热器5，回热器5连通第三电磁泵8，第三电磁泵8出口连通蒸汽发生器3。