[发明专利]一种核脉冲电源及运行方法

说明书

本发明公开一种核脉冲电源及运行方法，利用特殊设计的脉冲核反应堆产生高密度裂变碎片加热电离工质气体，形成高温高压等离子体并超声速喷射，驱动磁流体发电机直接发电，在毫秒至秒量级的时间内输出百兆焦耳量级的脉冲电能，直接向装备输出的装置。该系统利用具有超高能量密度的核裂变作为能量源泉，结合磁流体发电机可输出吉瓦级电脉冲的特性，以携带铯电离种子的工质气体作为能量传递和转换的工作介质，实现核能向电能的转变并高功率快脉冲输出。

技术领域

本发明属于脉冲电源技术领域，特别是涉及一种核脉冲电源及运行方法。

背景技术

高功率脉冲电源在装备中有着重要应用和现实需求，但常规技术途径的高功率脉冲电源在小型化、快响应或持续可用等方面存在瓶颈。

几十年来，国内外先后采用了电容储能器、电感储能器和惯性储能脉冲发电等途径发展高功率脉冲电源，但受到常规能源的能量密度低、大电流开关等因素的制约，已有的或未来可见的常规高功率脉冲电源不能避免体积大、重量大、需要大功率初级电源等缺点，难以满足装备的需要。

例如使用现今最高储能密度(约1.2MJ/m³)的电容器组，要单次输出百兆焦耳量级的电能，仅电容器组的体积就达85m³，加上为电容充电供能的电池组或柴油发电机，以及其它控制和辅助部件，电容储能的脉冲电源系统的总体积不小于170m³，过于庞大并且充电时间较长或者连续使用次数受限，难以适用于对可移动性要求高的装备。以电容器为储能方式的脉冲功能电源受限于电容器较低的储能密度，随着输出电能需求的提高，需要的电容器的总体积和质量也越来越大，使得配套这类电源的装备的应用场景受到了很大的限制。高储能密度的超级电容器也发展迅速，但超级电容器的输出功率还不能满足高功率实际应用的需求。电容储式脉冲功率电源需要大功率的柴油发电机或电池组来供电。

电感储能器具有较高的储能密度，但大容量的短路开关和断路开关尚未研制成功，制约了该概念在实际应用。惯性储能脉冲发电也具有较高的储能密度，但它必须预先启动以积蓄动能，待飞轮转速足够后才能脉冲发电，这种工作模式意味着使用前需要很长的准备时间，也不适用于对响应速度要求快的装备。电感储能器和惯性储能脉冲发电也同样需要一套初级能源系统为其供电，功率15～30MW，保障需求很高。电感储能脉冲功率电源的能量在导出过程中需要关断大电感电流，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关的两端会产生很大的电压应力，超出半导体开关所能承受的范围，开关易损坏。电感储能脉冲功率电源需要大功率的柴油发电机或电池组来供电。

单极发电机的输出电压过低(100～200V)，如果再加入电感线圈储能-放电，虽然可以提高电压，但会极大降低转化效率。补偿式脉冲交流发电机与装备的直流脉冲电能输入需求之间存在相位匹配的问题，同样需要大容量的开关技术来实现，器件易损坏。惯性储能脉冲功率电源必须预先启动以积蓄动能，待飞轮转速足够后才能脉冲发电，这种工作模式意味着使用前需要很长的准备时间，不适用于对响应速度要求快的装备。同时高转速飞轮具有明显的陀螺效应，这对支承轴承要求高，须采用磁悬浮方式的非机械轴承，还需要研发。

开放式核能磁流体发电系统的液氢工质不回收，直接喷射到环境中，由于其直接与核燃料接触，带有放射性，因此不适宜于在地面使用，并且其工作模式决定了该系统为一次性使用。稳态设计的低功率空间核电源不具备输出高功率电脉冲的能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种核脉冲电源及运行方法，利用脉冲核反应堆结合磁流体发电机实现裂变能快速转化为电能并直接输出高功率脉冲电流给目标装备，提高储能密度，减小高功率脉冲电源的体积和重量；储备充足能量，能持续输出电脉冲，延长维护周期和使用寿命；构建独立系统，不需要大功率发电机或电池组提供初级能源；提高运行可靠性，基于可实现技术确保器件损坏概率低；具备随时可用的能力，启动后迅速达到额定电输出状态；循环使用气体工质，不对地面人员和环境造成放射性损害。