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舰船核动力

2017-06-27 50页 ppt 9MB 72阅读

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舰船核动力NuclearThermohydraulicResearchGroup核科学与技术导论移动核动力秋穗正核工程专业本科生必修课程NuclearThermohydraulicResearchGroup主讲内容舰船核动力装置的基本组成舰船核动力装置的发展舰船核动力系统的特点舰船核动力的应用前景课题组从事的舰船核动力装置的相关科研NuclearThermohydraulicResearchGroup1舰船核动力概述舰船:用于国防、交通、运输、生产、科研和贸易的工具舰船分类:军用舰船战斗舰艇:装有专用武器,担负直接作战任务的舰艇,包括水...
舰船核动力
NuclearThermohydraulicResearchGroup核科学与技术导论移动核动力秋穗正核工程专业本科生必修课程NuclearThermohydraulicResearchGroup主讲内容舰船核动力装置的基本组成舰船核动力装置的发展舰船核动力系统的特点舰船核动力的应用前景课题组从事的舰船核动力装置的相关科研NuclearThermohydraulicResearchGroup1舰船核动力概述舰船:用于国防、交通、运输、生产、科研和贸易的工具舰船分类:军用舰船战斗舰艇:装有专用武器,担负直接作战任务的舰艇,包括水面战斗舰艇和潜艇。  航空母舰、战斗舰、巡洋舰、护卫舰、导弹艇、鱼雷艇、猎潜舰、水雷战舰艇、(布雷舰、反水雷舰、猎雷舰、潜艇(战略导弹潜艇和攻击潜艇,分为常规(动力)潜艇和核(动力)潜艇)。登陆作战舰艇:输送登陆部队的登陆工具、战斗车辆、武器装备和物资,实施由岸到岸或由舰到岸的登陆作战舰艇,包括登陆舰艇、船坞登陆舰、两栖船坞运输舰、两栖攻击舰、两栖火力支援舰、通用攻击舰和两栖指挥舰等。NuclearThermohydraulicResearchGroup军用辅助舰船:(供应舰、补给舰、运输舰等;侦察船、巡逻艇;训练舰、损管船、捞雷船、靶船等;研究试验船、跟踪遥测船、海洋测量船;修理船、消磁船、救生船、交通艇、救火船、医院船;浮桥船、拖船、船坞等。民用船舶类运输船:客船、货船、渡船、驳船海洋开发船:海洋资源开发船、海水资源利用船、海上和还地空间利用船、海洋调查船等工程船:挖泥船、起重船、测量船、打捞船、破冰船、潜水工作船等渔业船舶:渔政船、渔船、渔业辅助船拖带船舶:拖船、推船港务船:港作推船、带缆船、引航船等农用船:排灌船、供电船、水泥农船等NuclearThermohydraulicResearchGroup舰船动力装置通过推进器驱动舰船以一定航速航行的装置。推进器可以是螺旋桨、平旋轮或明轮等。推进器由原动机驱动,原动机有柴油机、蒸汽机、燃气轮机、核动力装置及由它们组成的联合动力装置等。船用动力装置的分类按使用的能源分类 1常规动力装置 2核动力装置*按推进装置的类型动力是核心 1蒸汽动力装置 2船用柴油机动力装置 3船用燃气轮机动力装置 4核动力装置NuclearThermohydraulicResearchGroup舰船核动力装置核动力非常适合于需要长期海上航行而不必更换燃料或者要求有力的水下推进力的舰船。核动力航空母舰核潜艇 民用舰船 NuclearThermohydraulicResearchGroup航空母舰航空母舰是一种以舰载机为主要作战武器的大型水面舰只。是国家军事、工业、科技水平与综合国力的象征。NuclearThermohydraulicResearchGroupNuclearThermohydraulicResearchGroup 目前世界上现役航空母舰共26艘,在建4艘; 建造过的有8个国家,即英国、日本、美国、法国、德国、意大利、西班牙和俄罗斯(前苏联); 拥有过国家达14个,加上正建造的泰国,总计将达15个; 建成服役的各种类型的航空母舰总数,据统计为300余艘; 大型的航空母舰长度可达330米,宽度达80米,高度达70米,相当于两个足球场的面积,20层楼的高度 航母可运载100余架飞机以30-40节的速度航行。 航母是一个武器库,包括各种歼击机、攻击机、反潜机、预警机、侦察机、加油机、直升机等,而且还包括各种导弹、高炮、高射机枪等武器,以及雷达、声纳及卫星通讯等设备。航母是一个小社会,其中的飞行员、船员、机械师等约有5000到6000人,称为“一片流动的国土”。NuclearThermohydraulicResearchGroup常规动力航母之最:“小鹰”级“小鹰”号“星座”号、“美国”号“肯尼迪”号航空母舰发展史上最大、最先进的一级常规动力航母服役日期分别是:1961年4月29日、1961年10月27日、1965年1月28日。该级舰飞行甲板长318.8米,宽76.8米,相当于3个足球场大,可载各型飞机80余架。它从底层到舰桥顶部分为18层,飞行甲板以下有10层。全舰编制人员5480人,其中舰员2930人,航空人员2480人,司令部人员70人。        NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力航空母舰 1958年2月4日,美国第一艘、也是世界上第一艘核动力航空母舰“企业”号开工建造。它于1961年11月25日建成服役。1、没有烟囱。节省空间,降低高温废气和影响飞机的着舰。2、装载更多的航空燃油、武器弹药和补给品。3、近乎无限的机动能力,核燃料更换一次即可连续航行数十万海里。4、工作、生活条件大为改善。NuclearThermohydraulicResearchGroup“企业”号核动力航空母舰全长342.3米,宽40.5米,8座A2W型压水反应堆,总功率205800千瓦,航速33节,标准排水量75700吨,满载排水量94000吨。舰上人员3215人,航空人员2480人,另有司令部人员70人。该舰飞行甲板长331.6米,宽76.8米,机库长223.1米,宽29.3米,高7.6米,设计载机86架。NuclearThermohydraulicResearchGroup核潜艇1、续航力大、续航时间长;2、隐蔽性好;3、航速高;世界上在役核潜艇约247艘,集中在美、俄、英、法、中五国,但主要由美、俄两国拥有,约214艘,其中弹道导弹核潜艇约54艘,攻击核潜艇约160艘。核潜艇的排水量约3000~20000吨,个别的达26500吨,水下航速多为20~35节,下潜深度一般为300~500米,自给力60~90昼夜。1954年9月,美国第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号建成服役。NuclearThermohydraulicResearchGroup2舰船核动力发展1海底蛟龙――核潜艇核动力潜艇与常规潜艇相比不仅隐蔽性、机动性更好,而且水下长期潜航、自持力、续航力和航速大大提高,使潜艇真正成为名符其实的长期潜伏在海底的舰艇了。美国是最早建造核潜艇并且研究多种类型核潜艇的国家。1946年二次世界大战刚结束,美国“核潜艇之父”黎可维尔,他以一个宗教家和苦行僧的精神,为建立世界第一艘核潜艇而奔走呼号,先打通海军部,然后,国防部、原子能委员会直到华盛顿总统府。1948年美国海军和政府正式批准核动力潜艇的建造。1954年第一艘核潜艇“舡鱼”号建成,次年试航成功,并第一次完成横穿北极的冰下探险航行,证明核潜艇的性能十分良好。1950年以后,以“飞鱼”核潜艇为模式建造了一批鱼雷攻击型的核潜艇。接着,自1959年开始,以“乔治·华盛顿”号为模式建造了一批“北极星”弹道导弹型核潜艇。1964年以后又发展“海神”型导弹核潜艇。到1978年美国海军中已有113艘核潜艇服役。1980年以后进一步发展排水量更大,武器装备更先进的“三叉载”导弹核潜艇。NuclearThermohydraulicResearchGroup根据潜艇的结构特点,核动力装置功率、规模和武器装备不同,核潜艇可以分为鱼雷攻击型,飞航导弹型,弹道导弹型。60年代以后,英国、法国和苏联也相继发展核潜艇。目前英国海军中有十余艘核潜艇在服役。法国也有十余艘核潜艇加入海军。苏联建造核潜艇虽比美国迟,但为了与美国争夺海洋霸权,也大力发展核潜艇。自1963年第一艘潜艇下水以后,70年代几乎每年建造5-7艘。目前苏联海军中核潜艇总数已超过了美国。我国依靠自主开发于1970年建成了第一艘鱼雷攻击型核潜艇,接着又成功地建造了导弹核潜艇,加入世界核潜艇俱乐部。目前世界上在役核潜艇总数达300余艘。NuclearThermohydraulicResearchGroup美国核潜艇发展过程NuclearThermohydraulicResearchGroup世界上第一艘核潜艇“舡鱼”号鱼雷攻击核潜艇的内部布置图NuclearThermohydraulicResearchGroup鱼雷攻击型核潜艇前苏联“N”级核潜艇美“鳐鱼”级核潜艇穿越北极美“洛杉矶”级高速鱼雷攻击型核潜艇NuclearThermohydraulicResearchGroup导弹攻击型核潜艇美“拉菲特”级核潜艇中国海军夏级弹道导弹核潜艇出艇夜色下的国产“汉”级(091型)攻击型核潜艇NuclearThermohydraulicResearchGroup1958年,我国开始设计核潜艇,1968年,中国第—艘攻击型核潜艇开工建造。1970年12月26日,第一艘攻击型核潜艇下水。试航3年多后,1974年8月1日,中央军委发布命令,将第—艘核潜艇命名为“长征一号”,正式编入海军序列。1982年5月我国建成导弹核潜艇,并从水下成功地发射了弹道导弹。1988年核潜艇水下导弹发射成功。09X系列战略核潜艇094弹道导弹核潜艇:低噪音高机动的094型潜艇具有自由出入太平洋中心地带的可能,配上远射程的‘巨浪-2’型导弹,完全可以覆盖地球的任何角落。核潜艇发射导弹NuclearThermohydraulicResearchGroup舰船核动力特殊要求:1、体积小,重量轻;2、高度的机动性;3、耐冲击、耐震动、抗摇摆;4、高度安全可靠;5、高隐蔽性;6、长寿命堆芯设计。NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置民用:原子能破冰船,核动力客商船,海洋考察船军用:核动力航空母舰,巡洋舰,核潜艇NuclearThermohydraulicResearchGroupNuclearThermohydraulicResearchGroup基本组成一回路系统由反应堆、冷却泵、蒸汽发生器、加压器以及相应的管道和阀门等组成。回路中的冷却剂将裂变能转变的热量带出堆外并在蒸汽发生器中将热量传给二回路工质。放出热量后的冷却水温度降低,由冷却泵重新返回反应堆,构成一个闭合的循环回路。一般压水堆动力装置的一回路系统有2条并联的环路,每条环路均由一台冷却泵和一台蒸发器通过主管道与核反应堆相连接。由一台共用的加压器来调节控制回路的压力。整个一回路循环系统的主要设备均集中安装在密封的安全壳体内。船用反应堆安全壳是钢制密闭壳,它能承受一定的压力,可以防止放射物质向外扩散,保护艇员,保护海洋环境。二回路循环系统由汽轮机、发电机、冷凝器、凝结水泵、给水泵、给水加热器和中间加热汽水分离器等设备组成。二回路的工质也是水,从冷凝器凝结下来的水经过除氧,加热后通过给水泵唧送到蒸汽发生器里,给水在蒸发器中被加热,汽化产生蒸汽,经过汽水分离器,提高蒸汽干度,通过主蒸汽管送向汽轮机,推动汽轮机叶片转动做功。做功后的废汽在冷凝器内再冷却而成凝结水,如此构成第二个闭合循环回路。主汽轮机直接通过齿轮减速箱推动螺旋浆,辅助汽轮机带动发电机发电供舰船中控制仪器、仪表和辅助装置工作,同时供舰船上生活和照明等用电。NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置的布置原则——分散式NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置的布置原则——紧凑组合式NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置的布置原则——一体化式NuclearThermohydraulicResearchGroup一体化核动力装置堆型选择——压水堆各国曾对五种核反应堆进行了试验研究。由于压水堆结构简单、紧凑,体积小、操作灵活,更适合舰船动力的要求。目前舰船用压水堆主要有三种形式。1高富集度铀板状燃料元件反应堆这种反应堆采用富集度为20%以上的铀235的板状元件。板状元件放热面积大,堆芯非常紧凑,体积小,体积输出功率大。这样,反应堆外壳尺小缩小,动力间路设备紧凑,适于潜艇的有限空间。但是核燃料富集度高,建造和运行费用贵。后来设计了冷却水自然循环压水堆,取消了一回路的主泵,使动力回路系统更加紧凑。2低富集度铀分散型压水堆分散型船用压水堆的结构同陆基核电厂的大致相同。采用低富集度的二氧化铀捧:立式筒形反应堆压力容器。分散型船用压水堆的动力系统与陆基压水堆电厂一样,由蒸汽发生器、反应堆、—回路冷却剂泵和稳压器等通过管路连接,构成高温高压密闭回路。二回路系统和设备与常规船舶蒸汽动力装置类似。3一体化压水堆“一体化结构“将一回路系统的蒸汽发生器、主冷却剂泵集中布置在反应堆压力容器内。堆芯设在压力容器的下部,下部设置蒸汽发生器,主循环泵设置在侧面。冷却剂从下而上通过堆芯吸收热量,一体化结构优点是一回路简单,设备紧凑,反应堆尺才小,使舰船更加机动灵活。NuclearThermohydraulicResearchGroup一体化压水堆NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置特殊要求舰船核动力装置的原理与陆上核电站的动力装置相类似,但是由于舰船在海洋上工作环境和军事要求对舰船核动力装置有下列特殊要求: 由于舰船的容积和重量受到一定限制,为了提高舰船的载货量和航速,舰艇的作战性能,要求核动力装置体积小,重量轻、装置布置紧凑。每单位推进马力的重量愈小愈好。以减少动力回路的重量和体积,充分利用舰船的空间,简化系统和设备; 舰船长期在海洋中航行,在风浪中纵、横摇摆,起伏无常,船体经常发生20°左右的摆动和0.5g-1g的振动加速度作用。核动力装置系统、设备联接结构和操纵机构在此工况下应仍能保持稳定可靠的工作,系统和设备的可靠性应比核电站更高。 与陆上发电设备不同,除了主、辅汽机发电机组供电外,无外来电网应急供电,因此当主、辅汽轮机停转时,必须靠备用柴油发电机组快速供电。此外,舰船在航行中运行负荷变化较大,特别是作战舰船负荷变化相当急剧。负荷变动的量可达100%满负荷,变动速度为6-25%/分,排水量为2万-4万吨级的舰船要在5-8分钟内实现核动力装置紧急停车。因此建造舰船核动力装置在某些方面比陆上动力困难得多。 要求潜艇核动力推进装置的回路系统更加集中紧凑。一艘大、中型潜艇其艇体耐压壳直径约为10米。相应要求核动力回路系统的主要设备只能布置在直径为10米以内的耐压壳体内。因此,在设计建造潜艇核反应堆和蒸发器等主要设备时,应根据潜艇特点,降低高度,充分利用空间,使整个核动力推进装置的管路紧凑。NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置优越性船用核动力装置,使船舶和舰艇的性能大大改善,速度加快,一次装料,航行能力达百万公里以上。对于水下的舰艇来说,它不需要大量空气,可以长期在海底航行,仅受人员和供给限制。所以说,核反应堆的利用使远洋船舶和舰艇动力技术进入新的时代。它的突出优越性表现在:(1)利用核动力作为舰船的推进装置其最大的优点是不需要大量的燃料储备便可长期航行,续航力可以说是没有限制的。以一艘排水量为5万吨级的远洋船舶为例,若采用核反应堆作动力,在不补充核燃料的条件下,连续航行一年,航程可达几万海里,只消耗几十公斤铀-235。而普通远洋船舶一年要烧掉几万吨的煤或重油。非要在各地海港上添加燃料不可。核动力舰船就省去了装载燃料的停泊时间,增加了航行时间。一般一艘核动力舰船反应堆一次装料可连续运行几年,最新设计的船用核动力反应堆从下水投入航运起至舰船退役不须更换核燃料,反应堆与舰船同寿期。对于洲际海区缺乏海港的地带,核动力舰船更显示出其优点。NuclearThermohydraulicResearchGroup(2)采用核动力使舰船的有效载重量提高,有利于提高舰船的航速。普通舰船由于装载了大量储备燃料而减少了有效载重量,舰船的吨位越大相应储备燃料装量也越大,按比例增加。若改用核动力,则所装载的核燃料重量几乎可以忽略不计,而且随舰船的吨位加大,核动力舰船中动力装置重量比例更小。这对民用舰船来说,可以加大装货量,或加大功率,提高航速。对军用舰艇来说,可以加强舰艇的武器装备,或提高舰艇的航速,提高其战斗性能。(3)核动力装置不需要空气助燃,这对于水下舰船特别有利,它可以高速度,长时间在水下航行。因为水下没有空气,常规潜艇在水下无法使用柴油机,必须依靠大量蓄电池作为水下航行的动力。如果全速航行,两小时左右就会把蓄电池的电全部用尽,为此必须浮出水面重新开动柴油机充电,才能继续潜水航行。即使是以每小时5公里速度航行,在水下最多能停留几天。总的续航力约为25000公里左右。极易被敌舰发现遭致攻击。潜艇采用核动力后,情况就大不相同了。反应堆运转时不须消耗空气,潜艇就不必浮出海面,只要携带足够的装备和给养,就可以在深水下连续航行几个月,甚至更长期。水下航速也不受影响。近代快速核潜艇潜水深度可达500米以下,水下航速已经超过大型水面舰只的速度,续航力可达900000公里以上,它可以游弋在地球上各个大洋和终年冰封的北极,围绕地球转十几圈而不须更换核燃料。NuclearThermohydraulicResearchGroup原子能破冰船航行在北极海域上的“列宁”号破冰船“列宁”号破冰船动力回路原子破冰船的成功,打通了终年冰封的北冰洋航线,使商船队航行于摩尔曼斯克和海参威之间,给前苏联海运事业带来显而易见经济利益,又为前苏联在北极的军事设施提供补给。NuclearThermohydraulicResearchGroup周游世界核动力客货船“萨凡娜”号核商船的强大动力是由一座热功率为8万千瓦的核反应堆提供。压水型反应堆,堆内采用平均浓度为4.4%U5的核燃料,32个燃料组件,初始装料7100公斤的铀(含铀-235约312公斤)。一次装料能在时速为20海里航行30万海里。相当于烧地球转12圈。美“萨凡娜”号核动力商船没有常规商船必不可少的冒烟的烟囱NuclearThermohydraulicResearchGroup典型船用核动力装置布置压水型船用动力装置的一回路路系统,就其需要一般有单堆双环路、单堆三环路、单堆四环路等形式。NuclearThermohydraulicResearchGroupNuclearThermohydraulicResearchGroup‘列宁’号破冰船的反应堆燃料组件和燃料元件组件:包壳管(外径54mm,壁厚1mm)星形架36根棒状元件燃料元件:锆包壳(外径6.1mm,壁厚0.75mm)燃料芯块(直径4.5mm)NuclearThermohydraulicResearchGroup其它结构形式的燃料元件NuclearThermohydraulicResearchGroup3船用核动力装置的特点船用核动力装置与陆基核电厂相比,具有其特殊性: 舰船的空间和质量有限,为提高船的有效载荷、航速和机动性能,要求核动力装置的体积小而轻,动力设备布置紧凑。 动力系统、设备和控制系统能够在摇摆、沉浮、振动等恶劣海洋条件下稳定可靠的工作。 与陆地动力装置相比,舰船核动力装置需频繁地改变功率,同时由于舰船工作人员、活动场所较小,运行条件恶劣,对整个运行管理增加了难度,此外,舰船可能会遭到碰撞、触礁、着火、爆炸等意外事件,舰船核动力必须设置有效的安全防护措施.确保安全。船用核反应堆动力装置具有比一般陆地核动力装置更苛刻的要求,把这些要求归结为以下几个指标来衡量船用核动力装置的性能特点。1)质量指标2)尺寸指标3)船舶有效功率4)机动性指标5)隐蔽性6)生命力NuclearThermohydraulicResearchGroup质量指标相对质量:核动力装置的质量相对于舰船的吨位。(小)相对功率:也称动力强度,每吨排水量对应的功率。(大)单位质量:装置发出单位功率所占的质量。(小)尺寸指标比质量指标更为严格面积饱和度:装置发出的有效功率与动力舱室的横截面积之比体积饱和度:装置发出的有效功率与动力舱室的容积之比相对长度:动力舱室长度与舰船总长度比NuclearThermohydraulicResearchGroup船舶有效功率也称阻功率:船舶航行时,克服水、风对船体阻力所消耗功率船舶有效功率仅是动力装置有效功率的一部分,两者之比用推进系数C表示,推进系数是一个综合性指标,它表示了整个推进系统及船舶的全面性能。机动性指标航速:核潜艇水下航速远远超过常规动力潜艇续航能力:一次装载燃料后,所能连续航行的距离机动响应:快速升降功率以及快速倒车NuclearThermohydraulicResearchGroup隐蔽性战争时期,尤为明显。噪音是影响隐蔽性的一个极其重要的因素.核动力装置的噪音要比常’规舰艇上的柴油机运行时的噪音小的多。自然循环,取消主泵,进一步提高隐蔽性。生命力(安全性,可靠性)舰船核动力采用压水堆,具有自稳自调(负温度反馈系数)能力。双环路、三环路和四环路布置可保证单一环路故障时安全运行。配备有两套独立而又可以互换的电源系统在关键性的设备上采用两套或两套以上的设备,一套工作,一套备用NuclearThermohydraulicResearchGroup核动力装置存在的问题放射性废物的处理核动力装置设备的维修等具有一定的局限性造价比较昂贵有待于进一步改进和提高NuclearThermohydraulicResearchGroup4核动力-开发海底资源的动力世界海洋下都蕴藏着大量石油和矿藏。估计海底石油总共储量达三千二百五十亿吨,占整个地球石油储藏量的三分之一浅海海底还有煤、铁、金刚石、锡、金、银、硫和铀等种类繁多的矿砂。就以大陆架海底来说蕴藏量都很丰富。如铁矿的可采储量就有二万五十四亿吨,为陆地总储量的十分之一。铜的可采储量两亿吨,铬五百七十万吨,金三万吨,银十六万吨,硫二十亿吨,铀十三万吨。深海海底还蕴藏着更多的矿藏,仅就锰结核矿瘤来说,每平方公里约有4400吨。整个海底储藏为一万五千亿吨,它所含的金属是陆上的几十到上千倍。如铜储量为88亿吨,为陆上四十倍。钴储量58亿吨为陆上1300倍。而且这种矿瘤生长很快,每年增加的锰金属可供全世界用三年,加上原有储量,可以说是取之不尽,用之不竭。丰富的海洋资源NuclearThermohydraulicResearchGroup两大技术难题1)深潜操作设备水把空气隔绝,人要在水下长期操作须要创造人员呼吸环境条件。同时水有压力,随着水深度的增加,作用在设备和人员身上的压力也愈来愈大。每增加10米水深,在每平方厘米上就要增加1公斤压力。因此在水深1000米-2000米下的人和设备将要承受100-200大气压力。要解决工作人员安全自如的生活条件的深海开采设备。2)深海动力现在设计建造固定定式的海上采油平台仪供水深在200米的浅海。对于水深超过200米的海域,把结构装置放在海床而动力设备在海面上的做法是行不通了。解决是把所有钻探装置、冶炼和加工设备以及人员生活设施等全部设置在海床上。在这样环境下只有核动力装置才能提供可靠和有效的动力源。NuclearThermohydraulicResearchGroup英国罗尔斯-罗伊斯公司等三家公司,正在研究一种海底核动力装置,它可以为500-1000米甚至更深的海底采油设施供电。每个采油综合设施配套有两个反应堆舱,以便在一个反应堆舱停堆换料或维修时,另一个反应堆仍能继续供电。理想情况下若干座反应堆动力舱组成水下服务站,为几个采油综合设施共用。这种海底核动力装置,不仅能像陆上核动力装置一样提供廉价的电力,而且将为开发深海资源的唯一动力源。NuclearThermohydraulicResearchGroup5.空间堆和核电源 在军用与民用空间动力的应用方面,核能比太阳能有更广阔的应用领域。空间堆热离子反应堆是将其核热能在反应堆内直接转换为电能,其电能可以直接作为动力。其基本特点是,核燃料的外侧装备着可以控制核反应速度的转动式反射体/控制棒,利用热电子发电的方式从核热能直接获得电力。热离子堆在美俄作为宇宙空间站的电源而设计的,故又称空间反应堆。NuclearThermohydraulicResearchGroup为了使空间反应堆的堆芯具有最小尺寸,燃料芯块使用的是95%的高浓缩铀。另外,为了保证从高温的核燃料中直接获取直流电力,在燃料芯块的外侧,布置了装备发射极和集电极的核热燃料单元体。核热燃料发电单元是由核燃料芯块、发射极和集电极等组成。为了获取直流电力,沿圆周方向分成8个等面积区域,每4个核热燃料单元体并联连接起来形成一组,然后再把2组核热燃料单元体并联来,沿着轴向进行排某些单元体出现性能故障,仍不至引起 总体发电性能的降低,从而使空间堆的运行可靠性得到保证,核热燃料单元体的中心部位是带有孔洞的UO2或UN燃料芯块。把燃料芯块制成带有孔洞的形式,以防止燃料发生熔融事故。另外,为了对核燃料消耗引起的反应速度降低进行补偿控制以及对反应堆的启动、停堆和运行进行控制,采用了转动式控制棒。在反应堆的外侧,沿圆周方向设置了十多个转动式控制棒,在转动式控制棒的局部,留有一部分扇形区,这些扇形区是中子吸收体,其余的部分是反射体。利用反射体的转动实现对核反应速度的控制。中子吸收体采用的是碳硼(B4C),反射体采用的则是氧化铍(BeO)。NuclearThermohydraulicResearchGroup空间堆的优点体积小、重量轻、结构紧凑无需热力动力机械布置非常灵活和方便避免高温、高压的环境,使得对装置的材料苛求程度降低空间堆的缺点产生的功率小热电转换效率低(大约在6%~7%左右)NuclearThermohydraulicResearchGroup迄今俄罗斯托巴斯热离子空间堆可以说是世界最先进的核动力电源系统。现在俄罗斯正在发展第二代、第三代托帕斯空间反应堆其功率可达10至上百千瓦,工作寿命达5年。俄罗斯已有30多颗由反应堆供电的“宇宙”空间系列卫星在太空运行,具有400多空间堆年的运行经验。NuclearThermohydraulicResearchGroup下图为俄罗斯托巴斯-2型热离子反应堆剖面图NuclearThermohydraulicResearchGroupNuclearThermohydraulicResearchGroup核电源航天使用的核电源有放射性同位素温差发电器﹑核反应堆温差发电器和热离子发电器。一般均由热源﹑换能器(热电转换器)和散热器三部分组成。核电源和太阳能电源相比的优势 为了获得足够的功率,太阳能电池板面积要做的相当大。这增加了其出故障或被撞击损坏的机率,而且导致飞行器在改变飞行姿态时困难增大。 在远离太阳的行星如天王星、海王星处,单位面积处的太阳能只有地球处的几十分之一,能量密度太低NuclearThermohydraulicResearchGroup核电源的热电转换方式NuclearThermohydraulicResearchGroup 放射性同位素温差发电器同位素温差发电器的常用热源(又称燃料)为放射性同位素钚238或它的氧化物﹐它衰变时产生粒子﹐不需要厚的屏蔽物。为防止发电器再入大气层时烧毁而造成污染﹐热源外盒由特种石墨材料制成。换能器的主要部分是温差电偶﹐由碲化铅﹑碲锑锗银四元合金或锗硅合金的p型和n型等半导体组件组成。多对电偶经串联和并联构成电堆﹐热端靠近热源盒﹐冷端连接散热器。散热器由导热良好的金属制成﹐使冷端温度尽量低﹐以增大温差﹐提高热电转换效率。发电系统总的热电转换效率为4.2%~6.6%﹐比功率为1.3~4.2瓦/千克。这种发电器系统简单﹑可靠﹑热源工作期长﹐但钸238难于大量生产﹐价格高﹐电功率小(1千瓦以下)﹐比功率和热电转换效率都低。1961年美国发射“子午仪”号导航卫星首次使用同位素温差发电器电功率为2.7瓦﹐比功率约为1.3瓦/千克NuclearThermohydraulicResearchGroup下图即为放射性同位素温差发电器的示意图NuclearThermohydraulicResearchGroup 核反应堆温差发电器核反应堆温差发电器的热源为铀235﹐衰变产生的热用钠钼热管导至温差电堆的热端。铀235衰变后产生大量快中子和γ射线﹐会严重影响航天器上电子器件的功能﹐须用厚铅层屏蔽。1965年发射的SNAP-10A卫星上采用了这种电源﹐电功率为560瓦﹐燃料11千克﹐工作43天。NuclearThermohydraulicResearchGroup 热离子发电器热离子发电器将铀235衰变产生的热传到热离子二极管的发射极﹐使之加热产生热离子﹐这些热离子通过电极间的铯蒸汽传至收集极而得到电能。一种实用的热离子发电器的发射极温度为1773K﹐收集极温度为773K。每台发电器备燃料50千克﹐功率3~5千瓦。这类发电器使用的铀235价格较低﹐供应容易﹐但发电器的可靠性较差。NuclearThermohydraulicResearchGroup下图为热离子能量转换器的示意图NuclearThermohydraulicResearchGroup核电源的优点 功率大,寿命长 体积小,重量轻 安全性好,可靠性高 现有的核技术成熟,风险低 作为军用空间电源,在对抗中的生存能力远远高于太阳能电源NuclearThermohydraulicResearchGroup核电源的缺点 最大问题是安全解决办法: 把核电源推至800KM以上的高空 当把核电源送至高空的装置出现故障导致不能完成预定操作时,自毁系统启动,把核电源炸成粉末,使其放射剂量低于太阳自然光的辐射安全值NuclearThermohydraulicResearchGroup同舟共济渡彼岸!NuclearThermohydraulicResearchGroup
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