空间锂冷堆He-Xe布雷顿循环发电系统优化设计与运行特性分析

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中文摘要：空间探测技术已经成为国家综合实力的重要象征，随着我国航天事业的稳步推进，中国在太空探索领域正迈入世界先进水平。空间应用能力和太空探索技术的迅速发展，使得深空探测任务对能源的需求急剧增加。液态金属锂冷却反应堆与氦-氙(He-Xe)布雷顿循环耦合是兆瓦级核动力深空探测系统的理想方案，能够满足空间任务对高循环效率、大输出比功、轻系统质量以及长使用寿命的要求，是未来大功率空间能源利用的热门研究领域。本研究以空间锂冷堆He-Xe布雷顿循环发电系统为研究对象，开展大功率深空探测核反应堆热电转换系统的优化设计与运行特性研究。首先，构建非理想气体特征下的空间锂冷堆He-Xe布雷顿循环发电系统的热力学模型及质量模型。针对He-Xe气体的非理想气体特性，建立了非理想气体状态下的He-Xe气体热物性模型，明确并总结了非理想气体特性导致的物性参数偏差以及偏差对循环关键参数的影响。通过开展换热器的一维设计，将透平机进口端温度、压缩机进口端温度以及换热器通道内压损率等六个参数作为迭代参数，构建了系统部件耦合性更高的热力学模型与质量模型。在此基础之上，通过研究关键参数对循环效率、输出比功以及系统质量等性能指标的影响，明确了决策参数的敏感性以及系统优化的具体方向。结果显示，不同的系统性能指标之间存在明显的相互冲突与制约关系，不存在某个运行工况使得系统多个性能指标同时达到最佳期望状态。其次，针对多个系统性能指标之间存在相互制约与冲突的问题，采用改进后保留精英策略的非支配排序遗传算法，以最大化循环效率、最高化输出比功和最小化系统质量为优化目标，利用Python语言开展兆瓦级空间锂冷堆He-Xe布雷顿循环发电系统的多目标优化分析，获取约束条件下的帕累托(Pareto)最优解集。通过采用LINMAP、TOPSIS以及香农熵三种决策算法，确定了多目标优化后的系统最优解，获得了约束条件下的系统最佳运行工况，解决了多个系统性能指标优化过程中相互冲突与制约的问题，为相关多决策参数、多性能目标的系统优化分析提供了参考。最后，基于太空探索过程中系统的仿真需求，以Matlab/Simulink为研究平台，开发了兆瓦级空间锂冷堆He-Xe布雷顿循环发电系统仿真程序MSLRB-SIM，对系统在不同工况下的仿真运行以及动态响应过程进行了分析，包括启动工况、变转速工况、变负载工况以及反应性引入等。研究表明，系统仿真结果符合理论预期，能够实现对兆瓦级空间锂冷堆发电系统的动态过程仿真分析。该程序可以为后续液态金属冷却反应堆热电转换系统的仿真研究提供参考与支持。

作者：

徐驰

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关键词：

空间核电源锂冷堆布雷顿循环热电转换系统优化设计运行特性

授予学位：

博士

学科专业：

核能科学与工程

导师：

郁杰；余大利

学位年度：

2022

学位授予单位：

中国科学技术大学

语种：

中文

中图分类号：