[发明专利]激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法

说明书

本发明公开了激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法，用以建立适用于激光聚变反应堆一回路多热源大温差情况下的高效动力循环系统；循环系统包括连接不同温度范围热源的换热器、透平、回热器、压缩机和冷却装置；高温换热器和低温换热器分别布置，用以导出激光聚变反应堆内高温锂铅合金回路和低温超临界二氧化碳回路的热量；所述设计方法首先基于热力学系统参数和循环系统具体构型，建立多级热力学模型；之后结合各装置的热力学方程进行计算，得到循环系统热效率和各设备热力学参数；最后采用粒子群算法进行优化。本发明提供适用于激光聚变反应堆一回路大温差情况的两种循环系统和实现系统循环热效率最优的设计方法。

技术领域

本发明专利涉及激光惯性约束聚变反应堆循环系统设计技术领域，具体涉及两种聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法

背景技术

激光聚变反应堆的关键问题之一是热电转换系统的设计，当前主流设计采用超临界二氧化碳作为动态热点转换系统的主要工质，超临界二氧化碳的工作区间通常为300℃～400℃；液态锂铅作为聚变反应堆的氚增殖和局部冷却工质，工作区间通常为500℃～700℃；两者循环温度范围相差较大，需要针对该循环特性提供解决方案。

超临界二氧化碳动力循环是以二氧化碳为工质的布雷顿循环。该循环的关键是将超临界二氧化碳在临界点附近压缩，极大地降低压缩功耗，使得超临界二氧化碳布雷顿循环能够实现较高的热效率。为了提高循环热效率，提出了再回热循环；再回热循环中，低温回热器两侧的工质具有几乎恒定的温度差，同时高温回热器保持在温度相对较高的环境下工作，再回热循环通过分流的方式降低了循环系统内回热器两端的传热温差，改善回热器的传热性能，提高系统的循环热效率；尽管再回热循环可以达到很高的效率，但是需要系统热源保持在低温差状态。

由于激光聚变反应堆一回路存在多种热源，温度范围相差较大，使得再回热循环系统热效率随之下降。因此，如何有效地耦合激光聚变反应堆一回路不同温度范围的热源，并保持高效的循环效率是激光聚变反应堆循环系统设计的重要问题。

发明内容

为解决上述激光聚变反应堆循环系统设计存在的问题，本发明的目的在于提供激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法，设计多级简单回热超临界二氧化碳循环系统，适用于占地空间小、结构简单的激光聚变堆；针对不同的应用需求，本发明在多级简单回热循环系统上增加装置，获得结构相对复杂但循环效率更高的多级再回热循环系统；提供使得系统有最优循环效率的设计方法；弥补现有激光聚变反应堆循环系统设计上的不足。

本发明采取以下技术方案达到上述目的：

激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统，所述循环系统为多级简单回热循环或多级再回热循环，适用于不同应用环境下的激光聚变反应堆；多级简单回热循环为激光聚变反应堆提供占用体积小、结构简单的动态热电转换；多级再回热循环在相对复杂的结构设计下，为激光聚变反应堆提供更高的能量转换效率；

多级简单回热循环系统包括第一中间换热器3、第二中间换热器4、低温换热器5、高温回热器6、高温换热器7、透平8、低温回热器9、冷却器10和主压缩机11；低温回热器9冷侧出口连接低温换热器5冷侧，之后连接高温回热器6冷侧入口，高温回热器6冷侧出口连接高温换热器7冷侧，之后连接透平8入口，透平8出口依次连接高温回热器6热侧和低温回热器9热侧，低温回热器9热侧出口连接冷却器10入口，冷却器10出口连接主压缩机11，主压缩机11出口连接低温回热器9冷侧入口形成回路；低温换热器5热侧连接第一中间换热器3冷侧形成第一中间回路，第一中间换热器3热侧连接聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1；高温换热器7热侧连接第二中间换热器4冷侧形成第二中间回路，第二中间换热器4热侧连接聚变腔室包层内高温锂铅合金冷却回路2；