人類進(jìn)行太空探索需要能源的支持,空間核反應(yīng)堆作為空間能源類型之一,具有不受環(huán)境影響、長(zhǎng)壽命、安全可靠等特點(diǎn),已成為空間能源的發(fā)展趨勢(shì)。熔鹽反應(yīng)堆作為第四代反應(yīng)堆的六種堆型之一,具有高燃料沸點(diǎn),高功率密度,高輸出溫度,高轉(zhuǎn)換效率,高安全性及可靠性,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可常壓操作等特點(diǎn),在空間應(yīng)用方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì),是深空探測(cè)任務(wù)以及外星球基地的理想能源之一。在空間反應(yīng)堆系統(tǒng)中,熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的作用是將反應(yīng)堆中產(chǎn)生的裂變熱能轉(zhuǎn)換成電能,是空間堆電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。自由活塞式斯特林機(jī)作為一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式具有許多優(yōu)勢(shì),是空間電源系統(tǒng)的理想設(shè)備。本文以熔鹽空間堆動(dòng)態(tài)熱功轉(zhuǎn)換方式為研究對(duì)象,分析比較了斯特林及布雷頓循環(huán)在熔鹽空間堆的適用性,并對(duì)斯特林機(jī)加熱器開展了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與研究。論文根據(jù)熔鹽空間堆對(duì)動(dòng)態(tài)熱功轉(zhuǎn)換方式的各項(xiàng)需求,對(duì)斯特林循環(huán)以及布雷頓循環(huán)建立了熱力學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行了分析與比較,得到結(jié)論:斯特林機(jī)輸出功率隨吸熱溫度的上升先增后降,隨放熱溫度的上升而增加;循環(huán)效率隨吸熱溫度的上升而增加,隨放熱溫度的上升而減小;在相同的吸、放熱溫度下,使用氦氣作為工質(zhì)的斯特林機(jī)的循環(huán)效率高于使用空氣或氫氣作為工... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)上海市

【文章頁(yè)數(shù)】：95 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

空間能源的運(yùn)行特性

熔鹽空間堆斯特林換熱器的熱工水力設(shè)計(jì)與研究4終，由于特殊年代及我國(guó)的綜合國(guó)力的原因，該項(xiàng)目目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)行秦山一期壓水堆。中國(guó)科學(xué)院于2011年成立釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)中心（ThoriumMoltenSaltReactorSystemCenter,TMSR中心）[21]，最終目標(biāo)是以熔鹽堆為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)釷燃料的高效利用，目前正在系統(tǒng)地進(jìn)行熔鹽堆的研發(fā)工作，其面向我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，計(jì)劃用20年的時(shí)間，研發(fā)新一代釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)。小型模塊化釷基熔鹽堆作為第二階段的重要堆型，可用于熔鹽堆的商業(yè)示范，包括模塊化、多用途、經(jīng)濟(jì)性、安全性等的示范。熔鹽空間反應(yīng)堆是眾多小型模塊化釷基熔鹽堆型中的一種，可布置于太空及星球表面，用于空間探測(cè)與開發(fā)，其系統(tǒng)組成示意圖如圖1-2所示。圖1-2熔鹽空間堆系統(tǒng)示意圖Figure1-2Schematicdiagramofmoltensaltspacereactorsystem在空間核反應(yīng)堆方面，第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)軍方致力于開發(fā)一種可為偵察衛(wèi)星供能的設(shè)備，期間蘭德公司建議采用空間核能裝置。1955年，美國(guó)成立了空軍-原子能委員會(huì)（AFAEC）聯(lián)合工作組，隨即整合了空間核電源項(xiàng)目并更名為“核電輔助系統(tǒng)”（SystemforNuclearAuxiliaryPower，SNAP）計(jì)劃[22]。SNAPSHOT衛(wèi)星于1965年4月發(fā)射，該衛(wèi)星用于驗(yàn)證空間核反應(yīng)堆電

第1章緒論7動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式主要包含朗肯、布雷頓以及斯特林循環(huán)等。如圖1-3所示，在空間堆系統(tǒng)中，這幾種動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式有著不同的峰值溫度區(qū)間并且其效率各不相同[36]。圖1-3不同熱功轉(zhuǎn)換方式的效率與峰值溫度關(guān)系曲線圖Figure1-3Relationshipbetweenefficiencyandpeaktemperatureofdifferentenergyconversionmodes在靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式中，熱電偶轉(zhuǎn)換質(zhì)量尺寸小，可靠性高，然而其轉(zhuǎn)換效率較低；熱離子轉(zhuǎn)換和堿金屬轉(zhuǎn)換效率較高，但工作壽命短，不能滿足需求。在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式中，朗肯循環(huán)涉及工質(zhì)相變，不適合空間運(yùn)行。布雷頓以及斯特林循環(huán)系統(tǒng)具有效率高、壽命長(zhǎng)、功率可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)。為減少空間堆系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量以及必須排放的剩余廢熱，效率是空間核能系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。由于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換循環(huán)接近于理想的卡諾循環(huán)，故效率可以達(dá)到25%以上。一般情況下，閉式布雷頓熱機(jī)在循環(huán)溫度比為3~4時(shí)能達(dá)到40%的卡諾循環(huán)效率，而自由活塞式斯特林熱機(jī)在循環(huán)溫度比為2~3時(shí)能達(dá)到60%的卡諾循環(huán)效率。而在溫度比為1.5和2之間時(shí)，空間熱電偶轉(zhuǎn)換的卡諾循環(huán)效率小于20%。此外，布雷頓和斯特林轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可在相對(duì)較低的熱端工作溫度下提供高效率，這允許了傳統(tǒng)材料的使用，并避免了開發(fā)先進(jìn)材料的需要。相應(yīng)的冷端溫度范圍為300~450K，可以使用不銹鋼、鈦、鋁等材料。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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