[发明专利]低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种核热能与动力转换系统，尤其涉及一种低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统。

背景技术

当前采用汽油、柴油、天然气、煤气或者煤炭等高质量化石燃料的汽车碳排放量巨大，已经带来了严重的温室效应和光化学污染，化石能源属于不可再生资源，也造成资源的严重浪费。

我国80％电能来源于燃煤电厂，采用电力作为能源的现有汽车本质依然消耗煤炭等化石能源。采用燃油作为能源的汽车航程较短，一次加油一般不超过700公里；电动汽车一次充电一般不超过300公里。

核电厂采用丰度较高的铀基燃料棒，核反应堆设备庞大，安全等级要求高，难以用于车载动力机。微型低温核反应堆主要用于供热领域，由于温度低于300℃，采用传统水工质循环热机生产动力，其热力设备复杂而庞大，不能够作为车载动力机组为陆地行驶的汽车提供动力。

探月、火星等航天项目中的勘探车辆动力系统采用太阳能电池板供电，核能仅用于车辆内部保温，勘探车辆受限于昼夜而交替工作，工作效率低。月球、火星等其他星球的外表面温度非常低，若采用水作为动力系统的载热工质则存在全系统结冰而无法工作的问题。

因此，在能源危机日益迫近的今天，将核反应堆适用于汽车等的小型化技术不仅能极大缓解能源危机，对日益严重的环境问题也具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统，它具有能量转换效率高、安全性好、体积小、结构简单且易于实现的优点。

本发明是这样来实现的，一种低温核反应堆，它包括压力容器以及位于压力容器内核燃料棒、屏蔽壳、慢化剂和导热元件，其特征在于，所述导热元件采用非重力式高效传热热管，所述导热元件包括用于核燃料棒水平面方向导热的环形热管、用于核燃料棒垂直方向导热的竖直热管、用于将核燃料棒产生的热能向外传递的导热热管以及蛇形环绕布置在导热热管低温端处的主换热器管；

所述环形热管的安装面与核燃料棒轴线垂直，所述竖直热管沿核燃料棒轴向安装；为了保证反应堆的运行安全，强化反应堆散热，本发明采用高效热管作为反应堆内部及向热力系统供热的导热元件。热管选用非重力式导热热管，避免车辆颠簸、爬坡、翻车情况下对反应堆的散热造成不利影响。

所述主换热器管和导热热管低温端均浸没在压力容器内壁与屏蔽壳之间的导热介质中，导热热管的高温端贯穿屏蔽壳，并伸入屏蔽壳内的慢化剂中。所述导热介质采用导热油或水。

所述低温核反应堆采用常规铀质乏燃料棒堆、铀-钍复合反应堆、激光-钍堆反应堆或低温石墨球床反应堆。采用微型低温核反应堆，它依靠自然衰变或激发衰变生产热能，能量密度较高、发热周期长，低温反应堆的可运行周期远高于汽车的使用周期。

所述压力容器的内表面设有由铅构成的屏蔽层，压力容器的外表面采用保温材料覆盖。所述环形热管、竖直热管和导热热管均采用锆系合金制成，所述主换热器管采用铜或钛制成。

一种车载动力系统，它是一种采用低温核反应堆作为能源的车辆的热能与动力转换装置。它包括低温核反应堆、与低温核反应堆通过热力管道连接成闭合回路的动力输出装置和工质分离存储装置，以及与动力输出装置传动连接的储能装置。

所述热力管道的低温端和高温端均贯穿压力容器，与由主换热器管构成的主换热器相接。

所述动力输出装置包括铰接主轴以及位于铰接主轴内的多级汽缸，来自热力管道高温端的工质依次经过上述多级汽缸。

所述多级汽缸包括汽轮机高缸和汽轮机低缸，来自热力管道高温端的工质依次经过汽轮机高缸和汽轮机低缸。

所述多级汽缸采用由螺杆机膨胀动力机与者微型汽轮机构成的两级或多级动力膨胀机组。为了提高热力系统循环效率保证热力系统的安全运行，采用两级或多级动力膨胀机组成蒸汽动力机组。为了缩小动力机组的体积，本发明中的多个动力膨胀机采用相近的膨胀比，各缸体倒置紧密排列组成动力机组模块，安设在车辆的前端或者尾部。

为了提高热力系统循环效率并且简化动力系统，热力系统选择超临界有机朗肯循环或亚临界有机三角闪蒸循环，第一级高缸采用螺杆膨胀机或采用螺杆膨胀机与微型汽轮机复合的混合型膨胀动力机。螺杆膨胀机对工质的不同流态有较强的适应性，能够保证动力机组在动力要求大幅度、高频繁变化时的稳定运行。