[发明专利]一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统

说明书

本发明提供一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，包括热离子转换模块、中间热交换器和布雷顿循环模块；热离子转换模块内部设有热离子热电转换元件和碱金属热管，外部包覆有反射层和屏蔽层；布雷顿能量转换系统由透平、回热器、预冷器、压缩机及发电机组成；热离子转换模块和中间热交换器之间设置有贯通的热管；热管在热离子转换模块内部分设定为蒸发段，在所述中间热交换器内部分设定为冷凝段；所述布雷顿能量转换系统的进口与所述中间热交换器壳侧出口相连；所述布雷顿能量转换系统的出口与所述中间热交换器壳侧进口相连。本发明采用热管冷却固体堆芯以及热离子转换和布雷顿循环联合发电设计，实现核裂变能量的热量多级利用。

技术领域

本发明涉及一种热离子转换与布雷顿循环联合发电反应堆系统，具体涉及一种热离子转换与布雷顿循环联合发电，可以实现能量梯级利用的核反应堆系统，属于核反应堆工程技术领域。

背景技术

热离子转换是利用金属在高温下发射电子的现象将热能直接转换为电能。热离子能量转换系统能够利用太阳能、化石能、核能等不同形式的热源，相关技术已应用于俄罗斯TOPAZ系列空间反应堆，具备运动部件少、冗余性好、散热表面积小、质量功率比低及功率范围大等优势。但是热离子反应堆的热电转换效率比较低，目前工程可实现的转换效率不足15％，因此在反应堆运行过程中会有大量的热量散失到环境中，而热离子热电转换元件接收端的温度仍高达1000K，这部分高品质的热量完全可用做其他能量转换系统的热量输入。

布雷顿循环是一种以气体为工质的热力循环，与燃气轮机的工作原理相同，具有热电转换效率高、系统安全性强、功率范围宽等优势。特别是以超临界二氧化碳为流动换热工质时，能够实现能量转换系统微型化，满足特殊环境应用需求，而且其运行温度范围为1000K以下，完全可以利用热离子反应堆的废热作为布雷顿循环的热源。

因此，如何结合上述两种技术优势进行反应堆系统设计，以满足如深空探索等特殊应用环境中的能源动力供应需求是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够实现能量的梯级利用，结合热离子转换与布雷顿循环的特点，实现联合发电的反应堆系统。

本发明的目的是这样实现的：一种热离子转换与布雷顿循环联合发电核反应堆系统，包括热离子转换模块、中间热交换器和布雷顿循环模块；所述热离子转换模块内部设有热离子热电转换元件和碱金属热管，外部包覆有反射层和屏蔽层；所述布雷顿能量转换系统由透平、回热器、预冷器、压缩机及发电机组成；所述热离子转换模块和中间热交换器之间设置有贯通的热管；所述热管分为蒸发段和冷凝段，所述热管在所述热离子转换模块内部分设定为蒸发段，所述热管在所述中间热交换器内部分设定为冷凝段；所述布雷顿能量转换系统的进口与所述中间热交换器壳侧出口相连；所述布雷顿能量转换系统的出口与所述中间热交换器壳侧进口相连。

进一步地，所述热离子转换模块内设置有六边形蜂窝状慢化剂基体；所述慢化剂基体内设置有热离子热电转换元件；所述慢化剂基体内还设置有碱金属热管；所述碱金属热管与所述热离子热电转换元件间隔布置。

进一步地，所述热离子热电转换元件采用圆柱状设计，由核燃料、热离子发电元件及不锈钢包壳组成，用于将核裂变产生的热量转换为电能，并用于负载。

进一步地，所述热离子发电元件位于所述核燃料外围，由内至外依次包括发射极、铯气腔、接收极及绝缘体，所述不锈钢包壳包覆于所述绝缘体外侧，与所述绝缘体之间留有氦气腔。

进一步地，所述碱金属热管包括不锈钢金属壁面以及内部流动换热碱金属工质钠，用于将堆芯热量导出，并保证所述接收极处于较低的温度。

进一步地，所述中间热交换器由换热器壳体和所述热管的冷凝段组成，用于将所述热离子转换模块的废热传递给布雷顿能量转换系统，实现能量的二次利用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：