一种核动力发动机装置
阅读说明：本技术 一种核动力发动机装置 (Nuclear power engine device ) 是由 赵富龙 宁可为 何宇豪 谭思超 黄笛 卢瑞博 赵佳音 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种核动力发动机装置,包括基座、反应堆系统、一体化发动机及连接管路；反应堆系统包括压力容器、反应堆冷却剂入口和出口、堆芯、控制棒驱动机构等,一体化发动机包括进气口、压缩机、换热器、涡轮、排气口；换热器包括互相隔离的一次侧、二次侧换热室；压缩机包括前端冷却剂压缩段和后端空气压缩段；一次侧换热室通过接管分别连接反应堆冷却剂出口和前端冷却剂压缩段入口,前端冷却剂压缩段出口通过接管连接反应堆冷却剂入口,二次侧换热室通过接管连接后端空气压缩段出口和涡轮。通过优化设计前、后压缩段结构及一、二次侧换热回路,实现了一、二次侧工质的一体压缩与高效换热和核动力发动机装置紧凑小型化且安全高效。(The invention provides a nuclear power engine device, which comprises a base, a reactor system, an integrated engine and a connecting pipeline, wherein the reactor system is arranged on the base; the reactor system comprises a pressure vessel, a reactor coolant inlet, a reactor coolant outlet, a reactor core, a control rod driving mechanism and the like, and the integrated engine comprises an air inlet, a compressor, a heat exchanger, a turbine and an exhaust port; the heat exchanger comprises a primary side heat exchange chamber and a secondary side heat exchange chamber which are isolated from each other; the compressor comprises a front-end coolant compression section and a rear-end air compression section; the primary side heat exchange chamber is respectively connected with a reactor coolant outlet and a front end coolant compression section inlet through connecting pipes, the front end coolant compression section outlet is connected with the reactor coolant inlet through the connecting pipes, and the secondary side heat exchange chamber is connected with a rear end air compression section outlet and a turbine through the connecting pipes. By optimally designing the front and rear compression section structures and the primary and secondary side heat exchange loops, the integrated compression and efficient heat exchange of the primary and secondary side working media and the compact, miniaturized, safe and efficient nuclear power engine device are realized.)
技术领域
本发明涉及属于核反应堆工程技术、动力装置设计领域，特别涉及的是一种核动力发动机装置。
背景技术
通过人为控制链式裂变反应的速度可以实现核能的和平利用。裂变反应会释放出大量热量，反应堆将裂变时的原子能转化为热能，冷却剂携带走这部分热量，通过能量转换装置传递给动力装置，最终转化为机械能，产生推力驱动飞行器飞行。
传统飞行器发动机使用航空煤油作为燃料，飞行器受燃料携带量限制，航程一般只有数百至数千公里。核动力发动机能量密度极高，数百兆瓦功率的反应堆仅需几立方米的空间，通过论证可知，核动力发动机的重量、体积等参数均能够满足飞行器承载的要求，实现与飞行器的良好适配。并且核燃料寿期长，通过合理设计能够使其维持输出功率达到几个月乃至数年之久，这赋予反应堆长时间的、极大的能量输出能力，因此使用核动力发动机的飞行器可以实现极长的航程。
目前，对于适配于地面、船舶燃气轮机，航空涡扇、涡喷、涡桨、涡轴发动机上的核动力发动机装置，经过实验验证的技术路线有直接循环和间接循环两种方案。直接循环的核动力发动机具有原理直接、循环简单、安装方便的特点。但是直接循环发动机会将放射性物质直接喷射在大气中，造成飞行区域内严重的放射性污染。间接循环发动机将反应堆系统与推进系统分离，克服了放射性污染的问题，但是为了对一回路冷却剂增压，一次侧普遍需要单独设置压缩机。该设计造成反应堆系统整体重量较大，且飞行器舱内核动力发动机装置的布置无法做到紧凑。另外，管路增加意味着泄露概率增大、破口事故发生的可能性增加，一旦连接主泵的管路出现破损，核动力系统的运行将会受到严重影响，甚至造成动力丧失的严重事故，这会导致整个动力装置存在极大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种高效间接循环、安全可靠、高效紧凑的一体化核动力发动机装置，其能够克服常规动力装置续航里程有限、直接循环核动力发动机造成放射性污染、间接循环方案重量体积较大且紧凑性不足的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种核动力发动机装置，包括固定基座以及安装在固定基座上的反应堆系统、一体化发动机以及连接管路；
所述反应堆系统包括压力容器及位于压力容器两侧的反应堆冷却剂入口和反应堆冷却剂出口、堆芯、堆芯围筒、控制棒驱动机构、反射层、堆内仪表、仪表支承结构等，所述堆芯包括燃料棒、燃料限位装置、控制棒、支撑结构等；
所述一体化发动机包括进气口、压缩机、换热器、涡轮、排气口；所述换热器位于压缩机后方、涡轮前方，并与压缩机、涡轮结构直接相连；所述换热器包括互相隔离的一次侧换热室和二次侧换热室两部分；所述压缩机包括结构一体、前后相互隔离的前端冷却剂压缩段和后端空气压缩段；
其中，一次侧换热室分别通过热管段接管连接反应堆冷却剂出口，通过冷管段接管连接前端冷却剂压缩段入口，前端冷却剂压缩段出口通过接管连接反应堆冷却剂入口，即形成换热器一次侧回路，二次侧换热室通过接管分别连接后端空气压缩段出口和涡轮，即形成换热器二次侧通道；所述前端冷却剂压缩段对换热器一次侧回路的冷却剂实施压缩，所述后端空气压缩段对进入换热器二次侧通道的空气实施压缩；
所述反应堆系统作为系统唯一热源，提供一体化发动机启动、升转速、功率输出、变功率、停止过程中的全部热量；所述一体化发动机向外输出功率以驱动飞行器运动，热能最终转化为飞行器前进的动能。
可选地，所述前端冷却剂压缩段对换热器一次侧回路的冷却剂实施压缩，级数较少，包括1-3级；所述后端空气压缩段对进入换热器二次侧通道的空气实施压缩，级数较多，包括2-10级。
可选地，所述前端冷却剂压缩段与所述后端空气压缩段均采用轴流式压缩机结构设计；额定工况下对冷却剂的压比约为2：1，对空气的压比约为10：1。
可选地，所述前端冷却剂压缩段的压缩叶片与所述后端空气压缩段的压缩叶片同轴连接或异轴连接；所述前端冷却剂压缩段和所述后端空气压缩段的压缩叶片旋转的驱动力均来自所述涡轮。
可选地，所述控制棒作为反应堆系统的唯一控制方式，通过所述控制棒驱动机构改变其在堆芯内部的相对位置来实现反应性的引入或消减。
可选地，所述反应堆系统布置方向平行于飞机轴向。
可选地，所述换热器中内置印刷电路板式换热器或管壳式换热器。
该核动力发动机装置工作时，被堆芯加热后的冷却剂自反应堆冷却剂出口输出并进入一次侧换热室，流经换热器时将热量传递给二次侧换热室的空气后经引气机引入前端冷却剂压缩段，在其中完成增压加速后经接管再次流回反应堆系统；与此同时，外部冷空气进入二次侧换热室时首先流入后端空气压缩段完成压缩，继而进入换热器，与一次侧换热室进行热量交换后进入涡轮做功，膨胀产生推力，并通过排气口喷出，推动飞行器前进。其中，一次侧的反应堆管路、一次侧换热室、前端冷却剂压缩段构成一条循环回路，二次侧的后端空气压缩段、换热器、涡轮以及大气构成另外一条循环回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过发动机压缩机与反应堆压缩机的高度整合，巧妙设计压缩机的前端为冷却剂压缩段，级数较少，后端为空气压缩段，级数较多，实现了对一次侧冷却剂回路、二次侧空气的同时压缩，且压缩回路相互隔离，相比传统核动力系统，免去了反应堆一次侧冷却剂回路压缩机，缩小了反应堆系统体积，使核动力发动机系统整体更加紧凑、高效，并且确保了放射性物质包容，能够更好实现核动力发动机与飞行器适配，提高系统运行便利性和安全可靠性；
2、本发明中，通过合理设计换热器一次侧冷却剂循环管路和换热器二次侧空气循环管路，以及高能量密度堆芯结构，既保证了反应堆冷却剂循环回路与空气循环回路两者间的相互隔离、安全可靠无污，同时实现了两换热回路间接循环结构紧凑、体积小且高能量转换效率高的目的；
3、本发明中，一体化发动机功率调节不借助燃油系统介入，反应堆系统作为系统唯一热源，提供发动机启动、升转速、功率输出、变功率、停止过程中的全部热量，通过反应堆与一体化发动机密切配合，反应堆单独作为系统整体的能量输入和控制终端，构成完整的核动力飞行器动力系统；
4、本发明中，通过控制棒移动改变整堆反应性从而控制系统功率输出、一体化发动机的压缩机为冷却剂强迫循环提供驱动力、压力容器及管路作为放射性边界，以上共同构成紧凑型机载气冷小堆。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的有利理解，并且构成说明书的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的核动力发动机装置的结构示意图。
其中，图1中附图标记与部件名称之间的关系为：
1进气口，2压缩机，21前端冷却剂压缩段，211前端冷却剂压缩段的入口，212前端冷却剂压缩段的出口，22后端空气压缩段，3换热器，31热管段接管，32冷管段接管，4涡轮，5排气口，6控制棒及控制棒驱动机构，7压力容器，8反应堆冷却剂剂入口，9燃料棒，10堆芯围筒，11燃料限位装置，12反应堆冷却剂出口。
具体实施方式
下面结合实施例示例及附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种紧凑型高效间接循环核动力发动机装置，具体实施例如图1所示，包括固定基座以及安装在固定基座上的反应堆系统、一体化发动机以及连接管路；反应堆系统包括压力容器7、堆芯、堆芯围筒10、控制棒驱动机构6、反射层、堆内仪表、仪表支承结构等，压力容器7的两端分别设置有反应堆冷却剂入口8和反应堆冷却剂出口12，堆芯包括燃料棒9、燃料限位装置11、控制棒6、支撑结构等。其中，反射层位于压力容器7外部的区域，用于反射堆芯中逃逸出来的中子。控制棒及控制棒驱动机构6位于反应堆压力容器7的端部，正常工作时控制棒驱动机构通过电力驱动控制棒移动。燃料棒9位于压力容器7内部，其位置被堆芯围筒10以及限位装置11所固定。为节约机内空间，反应堆系统布置方向平行于飞机轴向。
一体化发动机包括进气口1、压缩机2、换热器3、涡轮4、排气口5；换热器3位于压缩机2后方、涡轮4前方，并与压缩机2、涡轮4结构直接相连；换热器3由互相隔离的一次侧换热室和二次侧换热室两部分组成；压缩机2包括结构一体、前后相互隔离的前端冷却剂压缩段21和后端空气压缩段22；其中，一次侧换热室分别通过热管段接管31连接反应堆冷却剂出口12，通过冷管段接管32连接前端冷却剂压缩段的入口211，前端冷却剂压缩段的出口212通过连接管路连接反应堆冷却剂入口8，二次侧换热室通过连接管路分别连接后端空气压缩段22的空气出口和涡轮4；前端冷却剂压缩段21对换热器一次侧回路的冷却剂实施压缩，级数较少，包括1-3级，后端空气压缩段22对进入换热器二次侧通道，即流入一体化发动机的空气实施压缩，级数较多，包括2-10级。
其中，后端空气压缩段22、二次侧换热室、涡轮4以及外部空气形成位于换热器3中心的二次侧空气回路，一次侧的反应堆管路、一次侧换热室、前端冷却剂压缩段21在二次侧空气回路外围形成一次侧冷却剂循环回路。一次侧冷却剂回路和二次侧空气回路二者逆向流动且相互隔离，通过逆向流动交换热量完成能量转换。
如图1中实施例所示，该核动力发动机装置正常运行时，经压缩后的冷却剂通过冷管段接管32、反应堆冷却剂入口8流入反应堆堆芯，经过燃料元件加热后流出堆芯，经热管段接管31进入一次侧换热室，流经换热器3中心换热室时将热量传递给二次侧换热室的空气后经冷管段接管32引入前端冷却剂压缩段21，在其中完成增压加速后经接管再次流回反应堆系统，一次侧回路完成强迫循环；与此同时，压缩机2吸入空气，在后端空气压缩段22对空气完成压缩，高压空气流入二次侧换热室，与一次侧冷却剂实现热量交换，加热到一定温度后流入涡轮4做功，膨胀产生推力，并通过排气口5喷出，推动飞行器前进。
本发明实施例中，一方面，一体化发动机将发动机压缩机部分与反应堆压缩机部分高度整合在一起，巧妙设计压缩机的前端为冷却剂压缩段21，级数较少，后端为空气压缩段22，级数较多，同时对换热器一次侧冷却剂工质和换热器二次侧空气工质提供压缩，且两者压缩回路相互隔离，相比传统核动力系统，免去了反应堆一次侧冷却剂回路压缩机，缩小了反应堆系统结构体积，使核动力发动机系统整体结构更加紧凑、高效，同时，确保了放射性物质包容，能够更好实现核动力发动机与飞行器适配，系统运行更加简单方便且安全可靠。另一方面，一体化发动机中换热器结合压缩机前、后压缩段一机两用结构设计，合理设计一次侧冷却剂循环回路和二次侧空气循环回路，以及高能量密度堆芯结构，既保证了反应堆冷却剂与空气两者间的相互隔离、安全可靠无污，同时以相互分隔的物理边界即作为间接循环一、二次侧的边界，进一步实现了两换热回路间的间接循环结构紧凑、体积小且高能量转换效率高的目的。
并且，本发明实施例中，反应堆系统作为系统唯一热源，提供发动机启动、升转速、功率输出、变功率、停止过程中的全部热量。通过一体化发动机内结构部件的配合，驱动一次侧冷却剂完成强迫循环，一、二次侧工质在换热器完成高效换热、二次侧空气压缩并膨胀做功，提供飞行器运动的动力。一体化发动机功率调节不借助燃油系统介入，而由反应堆控制系统动作实现，通过反应堆与一体化发动机密切配合，反应堆单独作为系统整体的能量输入和控制终端，构成完整的核动力飞行器动力系统，发动机向外输出功率以驱动飞行器运动，热能最终转化为飞行器前进的动能。本方案避免了传统核动力发电装置中发动机内部设置换热器及燃烧室结构，导致整体结构相较冗杂，空气流通阻力大，未完全实现核能动力系统对常规能源的替代作用的问题。
此外，反应堆堆芯采取燃料棒三角形或六边形密集排布型式，燃料棒9采取包壳-芯块的型式，燃料棒9之间无连接结构。其中，燃料棒包壳选用耐高温合金如钼铼合金或钼镍合金制造，包壳厚度控制为1mm。反应堆燃料采用高丰度低浓缩铀(HALEU)，燃料中U-235的富集度在5％-20％之间；燃料芯块由UO2或UN或添加金属元素的陶瓷燃料制成，芯块型式为长径比约等于1的圆柱体。控制棒6采取包壳-吸收体芯块的型式，控制棒6包壳选用耐高温合金如钼铼合金或钼镍合金制造，包壳厚度控制为1mm；控制棒6吸收体芯块由碳化硼(10B4C)构成，单个控制棒吸收体芯块直径略小于控制棒包壳内径，长度约5-10cm。
反应堆系统运行过程中，反应堆堆芯保持固定，利用控制棒驱动机构6控制控制棒6在控制棒导向管中移动；控制棒6作为反应堆系统的唯一控制方式，通过控制棒驱动机构6改变其在堆芯内部的相对位置来实现反应性的引入或消减。并且，堆芯燃料及控制棒6均沿飞机轴向布置，最终达到通过控制棒6移动改变整堆反应性从而控制系统功率输出、一体化发动机的压缩机2为冷却剂强迫循环提供驱动力、压力容器7及管路作为放射性边界，以上共同构成紧凑型机载气冷小堆的技术效果。
优选地，换热器3中内置印刷电路板式换热器或管壳式换热器。印刷电路板式换热器或管壳式换热器结构体积小且换热效率高，因此有利于提高核动力发动机装置的紧凑高效性。
优选地，前端冷却剂压缩段21与后端空气压缩段22均采用轴流式压缩机结构设计，额定工况下对冷却剂的压比约为2：1，对空气的压比约为10：1。前端冷却剂压缩段21的压缩叶片与后端空气压缩段22的压缩叶片同轴连接或异轴连接；前端冷却剂压缩段21和后端空气压缩段22的压缩叶片的旋转的驱动力均来自涡轮。采用上述结构设计，一方面方便前、后端压缩段结构的布置，有利于发动机压缩机部分与反应堆压缩机部分的高度整合，缩小压缩机整体结构体积，提高核动力发动机与飞行器间的适配性；另一方面，有利于减小换热过程中的热损耗，起到增加涡轮前缘进气温度、降低反应堆入口冷却剂温度的作用，从而增加发动机推力、提高反应堆系统的能量利用效率，最终实现核动力发动机装置的紧凑小型化和高效运转。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。
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