空间核反应堆电源技术概览

空间核反应堆电源具有环境适应性好、功率覆盖范围广、结构紧凑以及大功率条件下质量功率比小等突出优点,在军民航天任务中具有广阔的应用前景,是改变未来航天动力格局的颠覆性技术之一。对空间核反应堆电源的原理、特点、适用范围、应用前景、历史发展情况及现状、典型方案、应用安全等进行了系统介绍,对技术发展趋势进行了分析总结,并就我国该技术发展给出一些见解。     

详细反应机理的航空发动机二维燃烧流场计算

对某航空发动机主燃烧室简化模型进行了基于正庚烷(n-C₇H₁₆)详细反应机理的燃烧流场数值模拟.在二维贴体坐标系下,计算过程采用了k-ε双方程模型来预估湍流特性,用EDC(eddy dissipation con-cept)湍流燃烧模型预估反应速率,用PSR(perfectly stirred reactor)模型的方法处理复杂化学反应项,得出了基于详细反应机理的温度场、组分浓度场,验证了机理文件中反应的某些组分与特定自由基之间的关系,对比了总包反应EBU-SRK(eddy break up-simplified reaction kinetics)的温度场,结果基本相符.      

输入电压不平衡时的12脉冲自耦变压整流器

在含有较多非线性负载的航空供电系统中常存在三相输入电压不平衡的情况。详细分析了输入不平衡对12脉冲自耦变压整流器(ATRU)的输出电压、输入电流的影响,并提出了采用谐波抑制电抗器(HBR)来抑制谐波电流。分析了工作原理,比较了几种HBR构成方案,研制了一台2kW的演示样机。实验结果表明,谐波抑制电抗器有效抑制了三相输入电压不平衡的影响。     

采用不同航空煤油反应机理模拟模型燃烧室两相燃烧流场

基于火焰面模型,采用两个不同的航空煤油化学反应机理(Kundu反应机理和亚琛反应机理),对模型燃烧室内三维两相燃烧流场进行了数值模拟,比较了两个反应机理燃烧流场计算结果的异同,并结合充分搅拌反应器模型进行了分析。通过与实验结果的比较,初步考察了两个反应机理模拟实际燃烧室燃烧流场的能力。结果表明:在给定工况条件下(工况1,马赫数0.160,来流温度537 K,总油气比0.004 8,常压;工况2,马赫数0.155,来流温度523 K,总油气比0.0100,常压),两个反应机理均能准确预测模型燃烧室的温度场和CO2排放量;亚琛反应机理在工况1时,可准确预测NO排放量,在工况2时,预测值高于实验值,而Kundu反应机理预测的NO排放量在两个工况下均与实验值差别较大。     

小型核反应堆自主控制及其深空探测应用设想

针对空间小型模块化核反应堆的自主控制问题，提出自主控制体系结构，降低反应堆控制对人的依赖程度，满足了深空探测任务对空间堆自主控制的需求。首先介绍了核反应堆自主控制技术和空间探测自主技术的发展现状，分析了空间小型堆的自主控制需求，然后阐释了自主控制及核反应堆近自主控制的内涵。最后基于空间堆的运行特点，给出小型堆近自主控制分层体系结构的组成元素，并进一步建立了融合决策层和功能层的小型堆多智能体自主控制体系结构。     

空间核反应堆安全分析

空间核反应堆是空间能源的重要候选方案,其寿命长、功率大、结构紧凑,但其特有的中子学特性、与传统快堆迥异的设计方案对堆芯安全分析提出了挑战。本文以热管型空间堆为例,首先基于蒙特卡洛方法对空间堆在水淹和沙埋事故工况下,进行了稳态中子学计算分析,结果表明:堆芯在事故工况下不会重返临界。同时,基于瞬态多物理分析程序TMACS,进行了单根控制鼓旋转瞬态过程计算。结果表明:空间堆在热工反馈和热膨胀反馈的多物理耦合下,在特定的瞬态过程中能够保持功率稳定,满足安全要求。     

耗氧型惰化反应器操作范围及性能分析

通过CFD方法建立了一个耦合化学反应的多孔介质二维拟均相反应器模型,利用此模型研究了耗氧型惰化系统不同工况下反应器的操作范围及工作性能。以RP-3燃油为研究对象,采用Fluent 170软件的多孔介质单温度模型,通过UDS(user defined scalar)添加固相能量方程,通过源项形式添加化学反应热到固相能能量方程。研究了不同表观气速、RP-3摩尔分数时反应器在不飞温状况下的操作范围,引入耗氧速率作为反应器对惰化系统影响的评价指标,讨论了进口气体温度对反应器操作范围及性能的影响。结果显示:反应器有一定的操作范围,增加反应器进口气体温度会缩小可操作范围;随着进口表观气速增加耗氧速率趋于不变;RP-3摩尔分数、进口气体温度增加都会大幅提升耗氧速率。因此在未来设计耗氧型惰化反应器时应充分考虑这些因素。     

重整制氢反应器的种类和研制进展

介绍了重整制氢的方法和重整制氢反应器的种类及其特点.重整制氢的方法有3种:水蒸汽重整、部分氧化重整、自热重整.重整制氢反应器有3种:管式反应器、板式反应器和微通道反应器.管式反应器结构简单;板式反应器易于拆装和扩大规模,并且传热效率高,其研究受到了广泛关注;微通道反应器在传热、恒温等性能方面的表现明显优于管式反应器和板式反应器,有较好的发展前景.     

核热推进技术发展综述

核热推进具有比冲高、推力大,及工作时间长等特点,在载人深空探测、大型星际货物运输等方面有广阔的应用前景。介绍了美国和俄罗斯/前苏联的核热推进技术研发历程和技术发展状态,归纳总结了发展过程中呈现出的推力水平中等化、堆芯构成模块化、燃料元件高性能化、试验手段非核化和多功能模式化的发展趋势,并初步分析了核热推进研发过程中所涉及的反应堆设计技术、核安全防护设计技术、燃料芯块制备技术、燃料元件成型技术、排气处理技术,及发动机启动技术等关键技术。最后对我国核热推进技术发展提出了核与航天部门合作研发、借鉴美俄经验教训、及早并持续开展研究的发展建议。     

100 kWe月面核电站方案研究

随着太空探索活动的深入开展,在月球表面建立有人基地成为必然选择。与常规化学能或太阳能相比,月面核电源具有诸多优点,是月球基地的最佳能源选择之一。本文提出了电功率100 kWe的核反应堆电源系统方案,给出了该方案的关键系统参数。针对反应堆模块,展开方案选型、参数优化、常规物理参数分析、初步热工分析和特种临界安全分析等工作。计算结果显示:燃料包壳温度小于使用限值,掉落事故工况下有效增值因数均小于0.98。该设计方案满足各项技术指标和设计准则。