基于氦-氙布雷顿循环的移动核电源系统分析及优化

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中文摘要：在第四代核能技术背景下，开发小型模块化反应堆（SMRs）成为一种新兴战略趋势。与传统大型反应堆相比，SMRs不仅可以装载于车辆上进行运输及部署，还可以作为应急供电系统独立于电网，在未来能源市场中发挥重要作用。然而我国对于对车载核电源的系统设计和性能研究还处于初级阶段。因此，本文主要对研究不深入，技术不全面的氦-氙（He-Xe）布雷顿循环移动核电源进行系统分析及参数优化，对于偏远地区的国防设施或离网地区热电联产更具有发展意义。以电功率8MWe反应堆电源开展总体方案设计，包括车载移动核电源的热电转换方案和热排放系统。首先，基于热力学理论，建立了He-Xe布雷顿循环热电转换系统的数理模型，并验证模拟的可行性。开展了非理想气体状态下He-Xe回热式布雷顿循环系统性能的数值模拟研究，分析了总热导率、热导率分配比、工质热容流率和压比四个参数对系统性能影响规律。获取了系统中各单因素变化下效率、质量比功率和功率密度三个性能指标的变化趋势，为后续优化提供合理数值范围。在确定单因素变化下系统性能稳态变化范围后进一步优化设计移动核电源总体方案。利用响应曲面法（RSM）将模拟所得He-Xe布雷顿循环的数据集回归拟合，并探索多因素共同变化作用下系统性能变化范围，得到效率、质量比功率和功率密度三个性能指标的回归预测模型。以优化系统效率、质量和体积为目标，基于非支配排序鲸鱼优化算法（NSWOA）算法在给定因素的约束下完成迭代优化。利用优劣解距离法（TOPSIS）改变指标的加权系数，判断数据组中各个方案的优劣程度，衡量系统帕累托理想解，完成热电转换方案设计及优化。最后，针对移动核电源运行的特殊性开展热排放系统设计。选取主动冷却中的强制空气冷却，被动冷却技术中蒸发冷却以及两者混合制冷模式与热电转换系统耦合。考虑环境波动因素，分析并对比了耦合系统在环境温度、湿度、冷却剂流量等非设计条件下的热力学性能和经济性能。综合评估不同冷却模式与热电转换系统耦合确定热排放方案。本文通过系统性能分析与优化，综合考虑系统性能和整体尺寸，在方案设计上获取最佳参数预测，为轻质高效移动核电源系统设计和优化提供理论依据。

作者：

赵姝婷

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关键词：

车载核电源氦-氙布雷顿循环热电转换热排放参数优化

授予学位：

硕士

学科专业：

能源动力

导师：

张昊春

学位年度：

2024

学位授予单位：

哈尔滨工业大学

语种：

中文

中图分类号：