一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统,属于核反应堆工程技术领域，包括堆芯、导热热管、斯特林发动机、散热热管、耐压壳体和保护容器；堆芯和斯特林发动机对应设置，并设置于耐压壳体内；堆芯外侧包覆有屏蔽层；导热热管分为蒸发端和冷凝端，导热热管穿过屏蔽层插入堆芯内部部分设定为蒸发端，插入斯特林发动机的热端部分设定为冷凝端；散热热管设置于斯特林发动机冷端与耐压壳体之间；保护容器套设于耐压壳体外侧形成环形流道，保护容器顶端设置有海水出口，海水出口与环形流道连通。本发明专利技术提供了一种应用于海洋环境的、能够提供长期水下电力供应的核反应堆电源系统，可以提高深远海装备的研发水平和缩短研制周期。

【技术实现步骤摘要】
一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统
本专利技术属于核反应堆工程
，具体涉及一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统。
技术介绍
我国幅员辽阔，海洋资源尤为丰富，但随着我国海洋战略逐渐从浅海走向深海，对能源需求量的加大以及现有能源在深海环境下的局限性已成为影响我国海洋装备发展的重要因素。核裂变不需要氧气，能量密度高，可以长期运行，是深海、深空探测的理想能源选择。目前，国内外针对空间应用提出了多种小型反应堆设计方案，但针对海洋应用特别是深海环境下使用的小型核电源系统，相关研究还很少。斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，能量转换的效率可以达到30％以上。而且，斯特林发动机是一种外燃发动机，可以使用多种燃料作为能源，如工厂余热、地热、太阳能、核能等。根据海洋环境应用特性，结合核能以及斯特林热机的高效能量转换系统，可为深海装备提供长时间电力供应的发电系统。
技术实现思路
本专利技术提出一种能够根据海洋环境应用特性并结合核能以及斯特林热机的高效能量转换系统、且可为深海装备提供长时间电力供应的发电系统。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统，包括堆芯、导热热管、斯特林发动机、散热热管、耐压壳体和保护容器；所述堆芯和所述斯特林发动机对应设置，并设置于所述耐压壳体内；所述堆芯外侧包覆有屏蔽层，用于保护所述斯特林发动机和海洋环境免受所述堆芯的辐射损伤；r>所述导热热管分为蒸发端和冷凝端，所述导热热管穿过所述屏蔽层插入堆芯内部部分设定为蒸发端，插入斯特林发动机的热端部分设定为冷凝端，用于将所述堆芯产生的热量传递给斯特林发动机；所述散热热管设置于所述斯特林发动机冷端与所述耐压壳体之间，用于将述斯特林发动机冷端的热量导出至所述耐压壳体的壁面，以保证所述斯特林发动机冷端温度恒定；所述保护容器套设于所述耐压壳体外侧并形成环形流道，所述保护容器顶端设置有海水出口，所述海水出口与所述环形流道连通。进一步地，所述环形流道内设置有散热翅片，所述散热翅片将所述环形流道划分为多个独立流道，用于提高海水的自然循环能力和增大所述耐压壳体壁面的换热面积。进一步地，所述散热翅片的数量和布置方式根据堆芯的最大功率、斯特林发动机能量转换效率、散热热管的工作温度以及海水温度确定。进一步地，所述堆芯为热管冷却快中子反应堆；所述堆芯包括堆芯燃料，所述堆芯燃料采用氮化铀。进一步地，所述导热热管中的工质为液态金属钠。进一步地，所述斯特林发动机为自由活塞式斯特林发动机，其运行工质为氦气，工作过程中利用氦气的体积随温度的反复变化，推动活塞，带动发电机发电。进一步地，所述散热热管的工质为钾。进一步地，所述海水出口管道的高度根据冷却海水或空气流量计算。进一步地，所述核反应堆电源系统可提供10kW级别的电力供应，为海洋探测活动提供电力。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供了一种应用于海洋环境的、能够提供长期水下电力供应的核反应堆电源系统，可以提高深远海装备的研发水平和缩短研制周期；2、本专利技术中将自由活塞斯特林热机和热管冷却反应堆相结合，能量密度高，运行时间长，热电转换效率高，可以在海洋环境下自主工作，具有广泛的应用前景；3、本专利技术中将反应堆和热电转换系统都密封在耐压壳体内部，利用耐压壳体外自然循环流动的海水导出废热或堆芯衰变热，不受海洋条件的限制，反应堆具有较高的固有安全性。附图说明图1是本专利技术的海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统布置示意图；图2是本专利技术的一种散热翅片结构示意图。其中，1、堆芯；2、导热热管；3、斯特林发动机；4、散热热管；5、耐压壳体；6、保护容器；7、海水进口；8、海水出口；9、散热翅片；10、堆芯燃料；11、屏蔽层。具体实施方式本专利技术提供了一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统。以下结合附图对本专利技术技术方案进行详细描述，以使其更易于理解和掌握。实施例1一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统(如图1)，包括堆芯1、导热热管2、斯特林发动机3、散热热管4、耐压壳体5和保护容器6；堆芯1和斯特林发动机3对应设置，并设置于耐压壳体5内；堆芯1外侧包覆有屏蔽层11，用于保护斯特林发动机3和海洋环境免受堆芯1的辐射损伤；导热热管2分为蒸发端和冷凝端，导热热管2穿过屏蔽层11插入堆芯1内部部分设定为蒸发端，插入斯特林发动机3的热端部分设定为冷凝端，用于将堆芯1产生的热量传递给斯特林发动机3；散热热管4设置于斯特林发动机3冷端与耐压壳体5之间，用于将斯特林发动机3冷端的热量导出至耐压壳体5的壁面，以保证斯特林发动机3冷端温度恒定；环形流道内设置有散热翅片9，散热翅片9将环形流道划分为多个独立流道，用于提高海水的自然循环能力和增大耐压壳体5壁面的换热面积。其中，散热翅片9的数量和布置方式根据堆芯1的最大功率、斯特林发动机3能量转换效率、散热热管4的工作温度以及海水温度确定。本实施例中，堆芯1为热管冷却快中子反应堆；堆芯1包括堆芯燃料10，堆芯燃料10采用氮化铀。斯特林发动机3为自由活塞式斯特林发动机，其运行工质为氦气，工作过程中利用氦气的体积随温度的反复变化，推动活塞，带动发电机发电。在本实施例中，导热热管2中的工质为液态金属钠，工作温度为900-1200K，散热热管4的工质为钾，工作温度为400-800K。导热热管2和散热热管4配合运行，可以在斯特林发动机3的热端和冷凝形成稳定的温差。保护容器6套设于耐压壳体5外侧并形成环形流道(如图2)，保护容器6顶端设置有海水出口8，海水出口8与环形流道连通。其中，海水从底部的海水进口7进入，被耐压壳体5壁面加热后温度升高，形成自然循环流动驱动压头，由保护容器6顶部的海水出口8流出；海水出口8管道的高度根据冷却海水或空气流量计算。本实施的反应堆电源系统正常工作时完全浸没在海水中，利用海水冷却耐压壳体5壁面，导出废热；核反应堆停堆后，可以利用海水，也可以利用空气的自然对流冷却耐压壳体5壁面，导出堆芯衰变热。本实施例提供的核反应堆电源系统可提供10kW级别的电力供应，为海洋探测活动提供电力。本实施例的工作原理为：堆芯1中核燃料发生核裂变反应产生热量，反应堆的温度升高，导热热管2被加热后，内部工质蒸发吸热变成钠蒸汽，钠蒸汽流动到斯特林发动机3的热端被冷凝，液态钠重新流回堆芯1内吸热。这样导热热管2不断将堆芯的热量传递到斯特林热机3的热端，散热热管4持续将冷端的热量传递到压力容器壁面，并通过壁面外侧海水的自然循环导出到环境中。斯特林热机中的工质不断被加热膨胀或冷却收缩，推动活塞做功，活塞推动发电机发电。海水自然循环流过耐压壳体5和保护容器6之间的环形流道，耐压壳体5被冷却，海水受热温度升高从海水出口8流出。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统，其特征在于：包括堆芯(1)、导热热管(2)、斯特林发动机(3)、散热热管(4)、耐压壳体(5)和保护容器(6)；/n所述堆芯(1)和所述斯特林发动机(3)对应设置，并设置于所述耐压壳体(5)内；/n所述堆芯(1)外侧包覆有屏蔽层(11)，用于保护所述斯特林发动机(3)和海洋环境免受所述堆芯(1)的辐射损伤；/n所述导热热管(2)分为蒸发端和冷凝端，所述导热热管(2)穿过所述屏蔽层(11)插入堆芯(1)内部部分设定为蒸发端，插入斯特林发动机(3)的热端部分设定为冷凝端，用于将所述堆芯(1)产生的热量传递给斯特林发动机(3)；/n所述散热热管(4)设置于所述斯特林发动机(3)冷端与所述耐压壳体(5)之间，用于将所述斯特林发动机(3)冷端的热量导出至所述耐压壳体(5)的壁面，以保证所述斯特林发动机(3)冷端温度恒定；/n所述保护容器(6)套设于所述耐压壳体(5)外侧并形成环形流道，所述保护容器(6)顶端设置有海水出口(8)，所述海水出口(8)与所述环形流道连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统，其特征在于：包括堆芯(1)、导热热管(2)、斯特林发动机(3)、散热热管(4)、耐压壳体(5)和保护容器(6)；
所述堆芯(1)和所述斯特林发动机(3)对应设置，并设置于所述耐压壳体(5)内；
所述堆芯(1)外侧包覆有屏蔽层(11)，用于保护所述斯特林发动机(3)和海洋环境免受所述堆芯(1)的辐射损伤；
所述导热热管(2)分为蒸发端和冷凝端，所述导热热管(2)穿过所述屏蔽层(11)插入堆芯(1)内部部分设定为蒸发端，插入斯特林发动机(3)的热端部分设定为冷凝端，用于将所述堆芯(1)产生的热量传递给斯特林发动机(3)；
所述散热热管(4)设置于所述斯特林发动机(3)冷端与所述耐压壳体(5)之间，用于将所述斯特林发动机(3)冷端的热量导出至所述耐压壳体(5)的壁面，以保证所述斯特林发动机(3)冷端温度恒定；
所述保护容器(6)套设于所述耐压壳体(5)外侧并形成环形流道，所述保护容器(6)顶端设置有海水出口(8)，所述海水出口(8)与所述环形流道连通。


2.根据权利要求1所述的海洋应用斯特林发电核反应堆电源系统，其特征在于，所述环形流道内设置有散热翅片(9)，所述散热翅片(9)将所述环形流道划分为多个独立流道，用于提高海水的自然循环能力和增大所述耐压壳体(5)壁面的换热面积。


3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏庚磊，焦广慧，彭敏俊，朱海山，杜雪，薛若军，王航，成守宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23