一种用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统

1.本发明属于核能开发和高效能量转换技术领域，尤其涉及一种用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统。


背景技术：

2.自提出建设海洋强国战略以来，我国对海洋资源的探索逐渐从浅海走向深海，能源的长期稳定供应已经成为确保深海探索需要解决的首要问题。水下无人航行器(uuv)是深远海科考及资源开发等领域的重要装备，但目前uuv主要使用电动力推进，无法满足在深远海进行大航程、多任务科考作业的需求。由核裂变反应堆提供能量以供水下装备使用的方式，具有能量密度高、寿命周期长、且不需氧气等核心优势，对海洋探测装备的能源供应有较好的适配性。
3.目前，国内外针对空间应用和海洋应用提出了多种小型反应堆设计方案，但多为采用单一模式的热电转换系统，再以电能完成水下装备的驱动过程，能量转换效率较低。因此，亟需一种能够根据海洋环境下无人航行器的运行特性，采用碱金属热电转换和斯特林发动机热电转换双模式能量转换系统，按需实现用电推进与斯特林发动机推进的自动负荷控制，可提高海洋装备的能量转化效率和最大服役时间的用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统，以解决上述问题，达到按需实现用电推进与斯特林发动机推进的自动负荷控制，可提高海洋装备的能量转化效率和最大服役时间的目的。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统，包括
6.第一壳体；
7.堆芯，所述堆芯固定连接在所述第一壳体内；
8.热电转换装置，所述热电转换装置设置在所述第一壳体内，所述热电转换装置与所述堆芯通过导热热管热传递；
9.驱动装置，所述驱动装置设置在所述第一壳体内，所述驱动装置与所述堆芯通过所述导热热管热传递，所述驱动装置通过热量启动并用于驱动所述第一壳体；
10.散热机构，所述散热机构的热端分别与所述热电转换装置、驱动装置的冷端连接，所述散热机构的冷端通过所述第一壳体与海水连通；
11.第二壳体，所述第二壳体包裹在所述热电转换装置与所述驱动装置的外侧，所述散热机构的冷端通过所述第二壳体与所述海水连通。
12.优选的，所述导热热管设置有若干组，所述堆芯的外侧包裹有屏蔽层，若干所述导热热管的蒸发段穿过所述屏蔽层插入所述堆芯内，若干所述导热热管的冷凝段分别插入所
述热电转换装置与所述驱动装置的热端。
13.优选的，所述热电转换装置与所述驱动装置分别设置有若干组；
14.所述散热机构包括若干散热热管、环形流道，若干所述散热热管的热端分别连接在若干所述热电转换装置与若干所述驱动装置的冷端，若干所述散热热管的冷端接触设置在所述第二壳体的内表面且与所述环形流道对应设置，所述环形流道固定套设在所述第二壳体的外侧壁上且与所述海水连通，所述环形流道内轴向固定连接有若干散热翅片，若干所述散热翅片靠近所述第二壳体外表面设置。
15.优选的，所述环形流道上连通有若干海水进口管路与若干海水出口管路，若干所述海水进口管路的进口与若干所述海水出口管路的出口分别开设在所述第一壳体的表面，若干所述海水进口管路的进口靠近所述第一壳体的行进方向设置，若干所述海水出口管路的出口远离所述第一壳体的行进方向设置。
16.优选的，所述驱动装置包括固定连接在所述第一壳体内的斯特林发动机，所述第一壳体靠近所述斯特林发动机的一端外侧转动连接有螺旋桨，所述斯特林发动机通过曲轴连杆与所述螺旋桨传动连接。
17.优选的，所述堆芯为快中子反应堆，内部采用核燃料的富集度为30％的氮化铀。
18.优选的，所述热电转换装置运行工质为钠。
19.优选的，所述导热热管内的运行工质为钠。
20.优选的，所述散热热管内的运行工质为钠钾合金。
21.本发明具有如下技术效果：堆芯中核燃料发生核裂变反应产生热量，反应堆的温度升高，通过导热热管将热量传递至热电转换装置和斯特林发动机；热电转换装置以热再生浓度差电池过程为工作原理将热能转换为电能，用于供电设备以及电力驱动第一壳体；来自导热热管的热量用于驱动斯特林发动机，从而驱动第一壳体行进；散热机构能够将热电转换装置和斯特林发动机表面的热量传递至海水中，利用海水的自循环能力，快速降温；整体上，本技术通过核反应堆双模式能量转换系统，可以提高深远海装备的研发水平和缩短研制周期；能够实现用电推进以及斯特林发动机推进的自动负荷控制，提高了能量转换效率和机动性能，有利于提高核动力无人航行器的续航时间和探索能力，利用自然循环流动的海水导出废热，使系统具有较高的固有安全性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明的一种用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统布置示意图；
24.图2是本发明的一种环形流道及散热翅片结构示意图；
25.其中，1、堆芯；2、导热热管；3、热电转换装置；4、斯特林发动机；5、散热热管；6、第二壳体；7、螺旋桨；8、曲轴连杆；9、屏蔽层；10、散热热管；11、散热翅片；12、环形流道；13、海水进口管路；14、海水出口管路；15、第一壳体；16、密闭隔断。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.参照图1-2所示，本发明提供了一种用于水下无人航行器的核反应堆双模式能量转换系统，包括
29.第一壳体15；
30.堆芯1，堆芯1固定连接在第一壳体15内；
31.热电转换装置3，热电转换装置3设置在第一壳体15内，热电转换装置3与堆芯1通过导热热管2热传递；
32.驱动装置，驱动装置设置在第一壳体15内，驱动装置与堆芯1通过导热热管2热传递，驱动装置通过热量启动并用于驱动第一壳体15；
33.散热机构，散热机构的热端分别与热电转换装置3、驱动装置的冷端连接，散热机构的冷端通过第一壳体15与海水连通；
34.第二壳体6，第二壳体6包裹在热电转换装置3与驱动装置的外侧，散热机构的冷端通过第二壳体6与海水连通。
35.堆芯1中核燃料发生核裂变反应产生热量，反应堆的温度升高，通过导热热管2将热量传递至热电转换装置3和斯特林发动机4；热电转换装置3以热再生浓度差电池过程为工作原理将热能转换为电能，用于供电设备以及电力驱动第一壳体15；来自导热热管2的热量用于驱动斯特林发动机4，从而驱动第一壳体15行进；散热机构能够将热电转换装置3和斯特林发动机4表面的热量传递至海水中，利用海水的自循环能力，快速降温；整体上，本技术通过核反应堆双模式能量转换系统，可以提高深远海装备的研发水平和缩短研制周期；能够实现用电推进以及斯特林发动机4推进的自动负荷控制，提高了能量转换效率和机动性能，有利于提高核动力无人航行器的续航时间和探索能力，利用自然循环流动的海水导出废热，使系统具有较高的固有安全性。
36.进一步优化方案，导热热管2设置有若干组，堆芯1的外侧包裹有屏蔽层9，若干导热热管2的蒸发段穿过屏蔽层9插入堆芯1内，若干导热热管2的冷凝段分别插入热电转换装置3与驱动装置的热端。
37.堆芯1产生的热量通过导热热管2传递给斯特林发动机3和热电转换装置4；热电转换装置3与斯特林发动机4分组设置，依据堆芯1最大功率和推进动力、电力需求比例调整位置和数量；屏蔽层9用于保护热电转换装置3、斯特林发动机4和海洋环境避免受到堆芯1的辐射影响。
38.第二壳体6可以保护驱动装置与热电转换装置3，避免受到海水压力而影响正常运行，辅助散热机构进行散热。
39.进一步优化方案，热电转换装置3与驱动装置分别设置有若干组；
40.散热机构包括若干散热热管5、环形流道12，若干散热热管5的热端分别连接在若
干热电转换装置3与若干斯特林发动机4的冷端，若干散热热管5的冷端接触设置在第二壳体6的内表面且与环形流道12对应设置，环形流道12固定套设在第二壳体6的外侧壁上且与海水连通，环形流道12内沿轴向固定连接有若干散热翅片11，若干散热翅片11靠近第二壳体6外表面设置。
41.通过若干散热热管5能够将热量导出第二壳体6，再通过环形流道12将热量传递至海水中，从而使热电转换装置3和斯特林发动机4冷端和热端保持稳定的温差；若干散热翅片11将环形流道12划分为多个独立流道，用于提高海水的自然循环能力和增大第二壳体6壁面的换热面积；其中，散热翅片11的数量和布置方式根据堆芯1的最大功率、热电转换装置3以及斯特林发动机4的能量转换效率、散热热管4的工作温度以及海水温度确定。
42.进一步优化方案，环形流道12上连通有若干海水进口管路13与若干海水出口管路14，若干海水进口管路13的进口与若干海水出口管路14的出口分别开设在第一壳体15的表面，若干海水进口管路13的进口靠近第一壳体15的行进方向设置，若干海水出口管路14的出口远离第一壳体15的行进方向设置。
43.在行进的过程中，海水不断从海水进口管路13内进入第一壳体15和环形流道12内，吸收来自散热热管5的热量后，从海水出口管路14重新汇入海水中，有效对热电转换装置3和斯特林发动机4进行散热；
44.进一步优化方案，驱动装置包括固定连接在第一壳体15内的斯特林发动机4，第一壳体15靠近斯特林发动机4的一端外侧转动连接有螺旋桨7，斯特林发动机4通过曲轴连杆8与螺旋桨7传动连接；斯特林发动机4为自由活塞式斯特林发动机，其运行工质为氦气，工作过程中利用氦气的体积随温度的反复变化，推动活塞，进而带动曲轴连杆8转动，通过曲轴连杆8带动螺旋桨7转动，为装置提供推进动力。
45.进一步优化方案，堆芯1为快中子反应堆，内部采用核燃料的富集度为30％的氮化铀。
46.进一步优化方案，热电转换装置3运行工质为钠。工作过程中利用利用al2o3固体电解质的离子导电性，以热再生浓度差电池过程为工作原理将热能转换为电能。
47.进一步优化方案，导热热管2内的运行工质为钠。
48.进一步优化方案，散热热管5内的运行工质为钠钾合金。
49.进一步优化方案，第一壳体15为航行器的装置外壳。
50.进一步优化方案，第二壳体6采用高强度耐压壳体。
51.进一步优化方案，热电转换装置3采用碱金属热电转换装置。
52.导热热管2中的工质为液态金属钠，工作温度为800-1200k，散热热管5的工质为钠钾合金，工作温度为600-800k。导热热管2和散热热管5配合运行，可以在热电转换装置3和斯特林发动机4的热端和冷端成稳定的温差，保证装置的平稳运行。
53.进一步优化方案，反应堆电源系统正常工作时完全浸没在海水中，利用海水作为最终热阱，导出废热；核反应堆停堆后，可以利用海水自然循环流动冷却第二壳体6壁面，导出堆芯衰变热。能量转换系统可将核反应堆裂变能转换为共计百千瓦级别的推进动力和电力供应，为海洋探测活动提供长期稳定的动力。
54.进一步优化方案，第一壳体15内侧固定连接有密闭隔断16，能量转换系统设置在密闭隔断16的一侧，密闭隔断16的另一侧设置有声呐，回声测深仪，调制解调器，导航控制
系统、数据通信系统等。
55.本实施例的工作过程如下：
56.堆芯1中核燃料发生核裂变反应产生热量，反应堆的温度升高，导热热管2被加热后，内部蒸发段工质吸热相变产生钠蒸汽，流动到热电转换装置3和斯特林发动机4的热端被冷凝，液态钠在吸液芯的毛细力的作用下回流到蒸发段并再次吸热相变。以此循环，导热热管2不断将堆芯1的热量传递到热电转换装置3和斯特林发动机4的热端。与导热热管2同理，散热热管5持续将冷端的热量传递到第二壳体6壁面，并通过环形流道12以及壁面外侧海水的自然循环流动导出到环境中。具体的，海水自海水进口管路13流入，经过环形流道12、第二壳体6被加热，海水受热温度升高从海水出口管路14流出。
57.本发明的有益效果是：
58.1、本技术方案提供了一种应用于海洋环境的核反应堆双模式能量转换系统，可以提高深远海装备的研发水平并缩短相关设备的研制周期；
59.2、本技术方案针对无人航行器采用双模式能量转换系统保证装置的推进动力和电力供应，能够实现用电推进以及斯特林发动机4推进的自动负荷控制，提高了能量转换效率和机动性能，有利于提高核动力无人航行器的续航时间和海洋探索能力；
60.3、本技术方案中将反应堆和能量转换系统都封闭在第二壳体6内部，利用第二壳体6外自然循环流动的海水导出废热，并用可靠性高的导热热管2作为传热元件，系统具有较高的固有安全性。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。