熔鹽空間堆斯特林加熱器的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

趙 恒 鄒 楊 戴 葉 徐洪杰 張 潔 何 帆,2

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（上海科技大學(xué) 上海 201210）

空間能源是人類進(jìn)行空間探索的必要保障。相比于化學(xué)能源與太陽(yáng)能等其他空間能源，空間核反應(yīng)堆具有不受環(huán)境影響、長(zhǎng)壽命、安全可靠的特點(diǎn)，是未來空間探測(cè)的必然選擇［1］。熔鹽堆作為第四代反應(yīng)堆的重要堆型，以高沸點(diǎn)熔鹽為核燃料，具有功率密度大、輸出溫度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)［2］，其應(yīng)用于空間能源具有極大的優(yōu)勢(shì)，是外星球基地及其他深空探測(cè)任務(wù)的理想能源。中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性國(guó)家先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)裂變核能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”包括火星熔鹽堆 M2SR-1（Mars Molten Salt Reactor）［3］。

在空間堆系統(tǒng)中，熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功能是將堆內(nèi)產(chǎn)生的裂變熱能轉(zhuǎn)換成電能，是空間反應(yīng)堆能源系統(tǒng)的重要組成部分。其中，以斯特林循環(huán)為基礎(chǔ)的斯特林機(jī)具有燃料適應(yīng)性好，質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率以及比功率高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足空間能源的運(yùn)行要求，目前美國(guó)的熱管火星探測(cè)反應(yīng)堆（Heatpipe-Operated Mars Exploration Reactor，HOMER）［4-5］、星球表面經(jīng)濟(jì)裂變能源系統(tǒng)（Affordable Fission Surface Power System，AFSPS）［6-8］、月球革新優(yōu)化反應(yīng)堆-月球表層集群反應(yīng)堆系統(tǒng)（Lunar Evolutionary Growth-Optimized-Lunar Regolith Clustered-Reactor System，LEGOLRCS）［9］等空間堆方案均采用斯特林循環(huán)作為其熱功轉(zhuǎn)換方式。β 型斯特林機(jī)，又稱自由活塞式斯特林機(jī)（Free Piston Stirling Engine，F(xiàn)PSE），相比傳統(tǒng)斯特林機(jī)運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、與直線發(fā)電機(jī)耦合性好、密封性好，在空間運(yùn)行方面具有一定優(yōu)勢(shì)，是目前空間堆熱功轉(zhuǎn)換的研究熱點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。……