[发明专利]激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法

权利要求书

1.激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统，其特征在于：所述循环系统为多级简单回热循环或多级再回热循环，适用于不同应用环境下的激光聚变反应堆；多级简单回热循环为激光聚变反应堆提供占用体积小、结构简单的动态热电转换；多级再回热循环在相对复杂的结构设计下，为激光聚变反应堆提供更高的能量转换效率；

多级简单回热循环系统包括第一中间换热器(3)、第二中间换热器(4)、低温换热器(5)、高温回热器(6)、高温换热器(7)、透平(8)、低温回热器(9)、冷却器(10)和主压缩机(11)；低温回热器(9)冷侧出口连接低温换热器(5)冷侧，之后连接高温回热器(6)冷侧入口，高温回热器(6)冷侧出口连接高温换热器(7)冷侧，之后连接透平(8)入口，透平(8)出口依次连接高温回热器(6)热侧和低温回热器(9)热侧，低温回热器(9)热侧出口连接冷却器(10)入口，冷却器(10)出口连接主压缩机(11)，主压缩机(11)出口连接低温回热器(9)冷侧入口形成回路；低温换热器(5)热侧连接第一中间换热器(3)冷侧形成第一中间回路，第一中间换热器(3)热侧连接聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路(1)；高温换热器(7)热侧连接第二中间换热器(4)冷侧形成第二中间回路，第二中间换热器(4)热侧连接聚变腔室包层内高温锂铅合金冷却回路(2)；所述多级简单回热循环系统中，高温换热器(7)和低温换热器(5)分散布置，耦合激光聚变堆一回路不同温度范围的热源；通过第一中间换热器(3)和低温换热器(5)负责导出聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路(1)的热量，温度范围为620K到690K；第二中间换热器(4)和高温换热器(7)负责导出聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路(2)的热量，温度范围为770K到970K；第一中间换热器(3)和第二中间换热器(4)用于防止激光聚变堆内氚泄露；

多级简单回热循环系统中，超临界二氧化碳工质依次流经高温换热器(7)热侧、透平(8)、高温回热器(6)热侧、低温回热器(9)热侧、冷却器(10)、主压缩机(11)，再经由低温回热器(9)冷侧、低温换热器(5)冷侧、高温回热器(6)冷侧回到高温换热器7热侧完成循环；

多级再回热循环系统比多级简单回热循环系统结构复杂，在多级简单回热循环系统基础上增加第一分流器(12)、第二分流器(14)和辅压缩机(13)，能够为激光聚变反应堆提供更高的动态热电转换效率；所述辅压缩机(13)进出口分别连接第一分流器(12)和第二分流器(14)，第一分流器(12)设置在低温回热器(9)热侧出口，第二分流器(14)设置在低温换热器(5)冷侧出口；

所述多级再回热循环系统中，高温换热器(7)和低温换热器(5)分散布置，耦合激光聚变堆一回路不同温度范围的热源；通过第一中间换热器(3)和低温换热器(5)负责导出聚变腔室包层内超临界二氧化碳冷却回路(1)的热量，温度范围为620K到690K；第二中间换热器(4)和高温换热器(7)负责导出聚变腔室包层内液态锂铅合金冷却回路(2)的热量，温度范围为770K到970K；第一中间换热器(3)和第二中间换热器(4)用于防止激光聚变堆内氚泄露；

多级再回热循环系统中，超临界二氧化碳工质依次流经高温换热器(7)热侧、透平(8)、高温回热器(6)热侧、低温回热器(9)热侧，之后经过第一分流器(12)，大部分工质在主回路中流经冷却器(10)、主压缩机(11)，再经由低温回热器(9)冷侧、低温换热器(5)冷侧；少部分工质被分流到辅压缩机(13)，和主回路工质在低温换热器(5)冷侧出口处经由第二分流器(14)汇合；汇合后工质流经高温回热器(6)冷侧回到高温换热器(7)热侧完成循环；

所述循环系统将激光聚变反应堆聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路(1)和聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路(2)两种温度范围相差大的热源进行耦合，通过超临界二氧化碳工质将堆芯产生的热量转化为电能；多级简单回热循环系统满足建造空间小的聚变堆设计需求，多级再回热循环系统满足热电转化效率高的聚变堆设计需求。

2.权利要求1所述的激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确认超临界二氧化碳循环系统热力学参数

确认激光聚变反应堆和超临界二氧化碳循环系统的热力学参数，包括激光聚变反应堆额定输出功率，聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路(1)和聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路(2)的进口、出口温度，循环系统中各装置压降，压缩机绝热效率及透平等熵效率，换热器最小端差，循环系统内超临界二氧化碳压力范围、温度范围；

步骤2：建立超临界二氧化碳循环系统热力学模型

基于所述循环系统具体结构建立热力学模型，包括：对高温换热器(7)、低温换热器(5)、高温回热器(6)、低温回热器(9)和冷却器(10)建立换热器夹点温差模型，换热器内部温差最小的点为夹点，夹点温差模型对换热器热侧和冷侧焓场分为n个单元，使用每个单元两侧的进出口压力计算温度，计算两侧对应的温差，并将最小温差与设定值进行比较，保证换热器正向换热；对透平(8)、主压缩机(11)、辅压缩机(13)建立不可逆定压模型；建立循环系统内各装置的热平衡方程；

步骤3：超临界二氧化碳循环系统的热力学参数计算

结合步骤1中超临界二氧化碳循环压力和循环温度范围，首先确定冷却器(10)出口处的超临界二氧化碳的温度、压力；系统最大压力作为主压缩机(11出口处压力；结合步骤2建立的主压缩机不可逆定压模型，得出主压缩机(11)出口处超临界二氧化碳的焓值和温度；其次，考虑步骤1确定的循环系统各装置压降，得到所述超临界二氧化碳循环系统的热力学模型中所有节点的压力；

结合CoolProp物性库提供的超临界二氧化碳状态方程、以及步骤1确定的系统热力学参数，采用非线性方程组求解器对步骤2所建立的热力学模型进行计算；非线性方程组求解器在多次迭代后，给出循环系统热效率以及循环系统热力学模型各节点的热力学参数，包括压力、温度、焓值、工质流量、透平和压缩机做功；

步骤4：系统设计优化

影响循环系统最优热效率的决策变量，包括循环系统的最低压力、最高压力以及最低温度；采用粒子群优化算法，随机选取决定性参数附近的值，通过非线性方程组求解器对步骤2中构建的循环系统热力学模型进行反复的迭代计算，寻求全局最优解，直至获得最优循环效率；最优循环热效率对应的参数为决策变量的最佳值，结合激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统设计标准，确定具有最优循环效率的超临界二氧化碳循环系统。