一种核脉冲电源及运行方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种核脉冲电源及运行方法
本专利技术属于脉冲电源
，特别是涉及一种核脉冲电源及运行方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术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。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种核脉冲电源，包括基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆、气体工质电离喷射系统、脉冲磁流体发电机、工质循环及余热排放系统、和屏蔽运载控制装置；所述脉冲核反应堆通过气体工质电离喷射系统连接至脉冲磁流体发电机，所述工质循环及余热排放系统连接脉冲核反应堆和脉冲磁流体发电机与外部构成循环结构；所述脉冲核反应堆，在启动后形成毫秒至秒量级时间宽度的核功率脉冲，释放千兆焦耳以上的裂变能；所述气体工质电离喷射系统，接收脉冲核反应堆输出的裂变能，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态，通过喷管将工质气体加速后进入脉冲磁流体发电机切割磁力线发电；所述脉冲磁流体发电机，将工质气体的动能和内能转化为电能输出；脉冲电磁体在外部电流激励下产生瞬时强磁场，等离子体状态的工质气体在发电通道中快速流动，切割磁力线并通过法拉第效应在垂直于运动方向和磁场的方向上产生感应电动势，在此方向的正负电极上连接外负载形成电流回路，输出能量达百兆焦量级的电脉冲；所述工质循环及余热排放系统，通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备；核脉冲电源要持续运行，必须将燃料元件和工质气体中存留的这些热量散发到环境中，并将工质气体循环输送回到脉冲核反应堆内，以使系统恢复到脉冲爆发前的预备状态；所述屏蔽运载控制装置，用于运载核脉冲电源，并屏蔽核脉冲电源。进一步的是，所述脉冲核反应堆包括水箱和置于水箱内的多个堆芯模块，所述磁流体发电机包括多个发电通道；每个堆芯模块的工质出口端均通过自身的气体工质电离喷射系统与磁流体发电机中单独的发电通道相连接。能够在短暂的时间内爆发出高脉冲电能。进一步的是，所述堆芯模块包括多个燃料元件组成，所述燃料元件包括充装有冷却水并连通水箱的盲孔，所述燃料元件之间构成气体工质的堆芯内加热电离通道。进一步的是，所述气体工质电离喷射系统包括铯电离种子注入部件、堆芯内加热电离通道和喷管；通过铯电离种子注入部件向由堆芯内的加热电离通道喷出的工质气体中充入铯电离种子，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态；并通过喷管加速工质气体后进入脉冲磁流体发电机切割磁力线发电；所述喷管为拉瓦尔喷管。提高气体工质的电子数密度，从而提高等离子体的电导率；能够保证磁流体发电机的发电效率。进一步的是，所述工质循环及余热排放系统包括气体收集罐、气体循环管路、热交换器、冷却水排放管路、散热片和冷却水循环管路；热交换器可采用气-水热交换器、散热片采用水散热片；所述气体收集罐，设置在磁流体发电机后端，收集发电后的工质气体；所述气体收集罐连接至热交换器散热侧，所述热交换器散热侧出口通过气体循环管路连接至水箱；所述水箱通过冷却水排放管路连接至热交换器吸热侧，所述热交换器吸热侧出口通过冷却水循环管路连接至散热片；同时，所述散热片设置在水箱顶部，散热片通过冷却水循环管路回流进入水箱。工质循环及余热排放系统主要通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态基本恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备。进一步的是，所述脉冲磁流体发电机包括柱形壳体和至少一个发电通道组件，所述发电通道组件轴向均匀分布在所述柱形壳体内，每个所述发电通道组件与每个脉冲核反应堆的核燃料组件的输出端相连接；所述发电通道组件包括柱体内芯和磁体线圈，所述磁体线圈套于柱体内芯外围；能够配合核反应堆输出高功率脉冲电流给负载，能够实现发电电源的体积小、重量轻、启动快、可持续输出、寿命长和保障需求低。进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种核脉冲电源，其特征在于，包括基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆(1)、气体工质电离喷射系统(2)、脉冲磁流体发电机(3)、工质循环及余热排放系统、和屏蔽运载控制装置(5)；所述脉冲核反应堆(1)通过气体工质电离喷射系统(2)连接至脉冲磁流体发电机(3)，所述工质循环及余热排放系统连接脉冲核反应堆(1)和脉冲磁流体发电机(3)与外部构成循环结构；所述脉冲核反应堆(1)，在启动后形成毫秒至秒量级时间宽度的核功率脉冲，释放千兆焦耳以上的裂变能；所述气体工质电离喷射系统(2)，接收脉冲核反应堆(1)输出的裂变能，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态，通过喷管(21)将工质气体加速后进入脉冲磁流体发电机(3)切割磁力线发电；所述脉冲磁流体发电机(3)，将工质气体的动能和内能转化为电能输出；脉冲电磁体在外部电流激励下产生瞬时强磁场，等离子体状态的工质气体在发电通道中快速流动，切割磁力线并通过法拉第效应在垂直于运动方向和磁场的方向上产生感应电动势，在此方向的正负电极上连接外负载形成电流回路，输出能量达百兆焦量级的电脉冲；所述工质循环及余热排放系统，通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆(1)内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备；所述屏蔽运载控制装置(5)，用于运载核脉冲电源，并屏蔽核脉冲电源。...

【技术特征摘要】
1.一种核脉冲电源，其特征在于，包括基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆(1)、气体工质电离喷射系统(2)、脉冲磁流体发电机(3)、工质循环及余热排放系统、和屏蔽运载控制装置(5)；所述脉冲核反应堆(1)通过气体工质电离喷射系统(2)连接至脉冲磁流体发电机(3)，所述工质循环及余热排放系统连接脉冲核反应堆(1)和脉冲磁流体发电机(3)与外部构成循环结构；所述脉冲核反应堆(1)，在启动后形成毫秒至秒量级时间宽度的核功率脉冲，释放千兆焦耳以上的裂变能；所述气体工质电离喷射系统(2)，接收脉冲核反应堆(1)输出的裂变能，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态，通过喷管(21)将工质气体加速后进入脉冲磁流体发电机(3)切割磁力线发电；所述脉冲磁流体发电机(3)，将工质气体的动能和内能转化为电能输出；脉冲电磁体在外部电流激励下产生瞬时强磁场，等离子体状态的工质气体在发电通道中快速流动，切割磁力线并通过法拉第效应在垂直于运动方向和磁场的方向上产生感应电动势，在此方向的正负电极上连接外负载形成电流回路，输出能量达百兆焦量级的电脉冲；所述工质循环及余热排放系统，通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆(1)内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备；所述屏蔽运载控制装置(5)，用于运载核脉冲电源，并屏蔽核脉冲电源。2.根据权利要求1所述的一种核脉冲电源，其特征在于，所述脉冲核反应堆(1)包括水箱(11)和置于水箱(11)内的多个堆芯模块(12)，所述磁流体发电机包括多个发电通道；每个堆芯模块(12)的工质出口端均通过自身的气体工质电离喷射系统(2)与磁流体发电机中单独的发电通道相连接。3.根据权利要求2所述的一种核脉冲电源，其特征在于，所述堆芯模块(12)包括多个燃料元件组成，所述燃料元件包括充装有冷却水并连通水箱(11)的盲孔，所述燃料元件之间构成气体工质的堆芯内加热电离通道。4.根据权利要求3所述的一种核脉冲电源，其特征在于，所述气体工质电离喷射系统(2)包括铯电离种子注入部件、堆芯内加热电离通道和喷管(21)；通过铯电离种子注入部件向由堆芯内的加热电离通道喷出的工质气体中充入铯电离种子，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态；并通过喷管(21)加速工质气体到高速后进入脉冲磁流体发电机(3)切割磁力线发电；所述喷管(21)为拉瓦尔喷管。5.根据权利要求3或4所述的一种核脉冲电源，其特征在于，所述工质循环及余热排放系统包括气体收集罐(41)、气体循环管路(42)、热交换器(43)、冷却水排放管路(44)、散热片和冷却水循环管路(45)；所述气体收集罐(41)，设置在磁流体发电机后端，收集发电后的工质气体；所述气体收集罐(41)连接至热交换器(43)散热侧，所述热交换器(43)散热侧出口通过气体循环管路...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正宏，李兵，胡永波，范晓强，唐建，郭海兵，马纪敏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51