張怡晨，胡宇鵬，王 澤，朱長(zhǎng)春，胡紹全，李思忠

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621999）

引 言

隨著人類對(duì)太空認(rèn)識(shí)的深入，深空探測(cè)任務(wù)對(duì)大功率（數(shù)十千瓦至數(shù)兆瓦）空間電源的需求也越來越迫切。而傳統(tǒng)太陽能電池陣的功率上限為50 kW，并且難以提供連續(xù)穩(wěn)定的電功率。近年來，空間核反應(yīng)堆電源由于具有不依賴太陽、全天候連續(xù)工作、能量密度高、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)成為大功率空間電源研究的重點(diǎn)[1]?？臻g核反應(yīng)堆電源主要由反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換器和散熱器等分系統(tǒng)組成，如圖1所示，其通過持續(xù)的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，產(chǎn)生連續(xù)、高能量密度的熱量，熱量在熱電轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為電功率，剩余熱量由散熱器排除以保證電源穩(wěn)定工作[2]。

圖1 空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of space nuclear power system

熱電轉(zhuǎn)換器作為空間核反應(yīng)堆電源中的核心部件，工作方式的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，主要包括以下兩種方式：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換和靜態(tài)轉(zhuǎn)換。對(duì)于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式，核裂變所產(chǎn)生的熱能先被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后通過交流發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，目前研究主要集中在朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)和斯特林循環(huán)[3-5]。這類轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%以上，但運(yùn)動(dòng)部件引起的可靠性問題是制約其在空間大規(guī)模應(yīng)用的主要原因[6-7]。靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式不需要機(jī)械部件即可直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能。由于不存在運(yùn)動(dòng)部件，其可靠性較高，并且比體積和比體重小[8]?？捎糜诳臻g的常見靜態(tài)轉(zhuǎn)換主要有溫差發(fā)電器、熱離子熱電轉(zhuǎn)換器和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器。前兩類已經(jīng)成功應(yīng)用于空間電源（SNAP-10A、BUK、Topaz等核反應(yīng)堆電源），但轉(zhuǎn)換效率低（溫差發(fā)電效率為4%～6.8%，熱離子發(fā)電效率為5.5%～10%），若將其用于大功率能量系統(tǒng)，質(zhì)量和體積配額較大，不具備大功率的拓展能力[9]。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（Alkali Metal Thermal to Electric Converter，AMTEC）的熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%～30%，是一種兼具靜態(tài)和高熱電轉(zhuǎn)換效率的發(fā)電器，并且AMTEC熱端工作溫度范圍一般在9 00～1 300 K，與核反應(yīng)堆熱源匹配度較高。基于AMTEC的空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱空間堆電源系統(tǒng)）在深空探測(cè)中有著巨大的應(yīng)用潛力，受到廣泛的關(guān)注[10-11]。

?分析方法兼顧能量“量”“質(zhì)”兩個(gè)特性，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部能量傳遞與轉(zhuǎn)換的不可逆性有效評(píng)估，可準(zhǔn)確理解系統(tǒng)內(nèi)部固有結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換的不可逆性之間相互作用的關(guān)系[15-17]。?分析方法已被廣泛用于診斷火電廠熱力系統(tǒng)中的能量利用效率較低的環(huán)節(jié)，為提升火電機(jī)組性能方面提供了強(qiáng)有力的理論和技術(shù)支撐[18-19]。同樣，作為一個(gè)能量傳遞和轉(zhuǎn)換的復(fù)雜熱力系統(tǒng)，空間堆電源系統(tǒng)運(yùn)行過程中內(nèi)部各環(huán)節(jié)都會(huì)伴隨著能量的消耗，需要予以準(zhǔn)確辨識(shí)，挖掘提升能量利用及轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵優(yōu)化點(diǎn)，但相關(guān)研究目前未見報(bào)道。

本文采用?分析方法，對(duì)基于AMTEC的空間堆電源系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)熱力學(xué)分析研究，通過建立系統(tǒng)整體的?分析模型，研究不同反應(yīng)堆堆芯溫度和輸出電流密度下，系統(tǒng)輸出電功率和?效率的變化規(guī)律。為深度剖析系統(tǒng)內(nèi)部能量利用情況，根據(jù)空間堆電源系統(tǒng)熱力過程的特點(diǎn)，將其劃分為6個(gè)控制單元，通過建立每個(gè)控制單元的?平衡方程，研究各部分?損情況，并計(jì)算出各控制單元?損失占比，找到?損失最大的部件，進(jìn)一步討論減少?損失的方法，從而為空間堆電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

空間堆電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。核反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫的熱量，在熱管的傳遞下用于驅(qū)動(dòng)AMTEC工作產(chǎn)生電能，未被利用的熱量通過散熱器被排放到環(huán)境中。關(guān)鍵部件AMTEC主要由蒸發(fā)器、冷凝器、BASE（β"?Al2O3固體電解質(zhì)）和毛細(xì)吸液芯組成，BASE將整個(gè)AMTEC分隔成壓力不同的兩個(gè)部分：高溫、高壓和低溫、低壓區(qū)，其內(nèi)部熱力過程如圖3所示。采用堿金屬鈉作為循環(huán)工質(zhì)，假設(shè)從冷凝器出來的工質(zhì)處于飽和狀態(tài)。低溫低壓的飽和液態(tài)鈉在毛細(xì)力的作用下從冷凝器到蒸發(fā)器的過程中溫度和壓力增加變成過冷狀態(tài)（f→g）；過冷液態(tài)鈉在蒸發(fā)器表面吸熱變成飽和液態(tài)（g→a）；反應(yīng)堆的不斷供熱使得飽和液態(tài)鈉吸熱發(fā)生等溫相變，成為飽和蒸汽狀態(tài)（a→b）；飽和蒸汽鈉在到達(dá)BASE之前在高溫高壓區(qū)域持續(xù)被加熱，在到達(dá)BASE/陽極時(shí)變成過熱狀態(tài)（b→c）；過熱鈉蒸汽在BASE/陽極處發(fā)生電離產(chǎn)生Na+和e-；由于BASE的選擇透過性（只允許離子通過而不允許電子通過），Na+通過BASE直接從陽極側(cè)到達(dá)陰極側(cè)（c→d），而電子則從外電路通過，這一過程中產(chǎn)生電能；Na+和e-在BASE/陰極處重新結(jié)合成鈉原子；重新結(jié)合的鈉原子在離開BASE/陰極前往冷凝器的過程中溫度壓力減小熵增加，變成低溫飽和蒸汽（d→e）；在冷凝器中冷凝（e→f），下一個(gè)循環(huán)開始。堿金屬鈉工質(zhì)在內(nèi)部不斷循環(huán)，反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱能被源源不斷的轉(zhuǎn)換成電能[12]。

圖2 空間堆電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the space nuclear power system

圖3 AMTEC內(nèi)部熱力過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the thermal process in AMTEC

1.2 數(shù)學(xué)模型

?表征的是在給定的環(huán)境狀態(tài)下，任何品質(zhì)的能量被有效利用的最大份額。任何熱力過程都具有方向性和不可逆性，在不可逆過程中，不可避免地有一部分?減少而變成?損失。?分析方法采用?平衡方程對(duì)熱力系統(tǒng)中?量進(jìn)出情況進(jìn)行衡量。在空間堆電源系統(tǒng)中，進(jìn)入系統(tǒng)的?應(yīng)該等于離開系統(tǒng)的各種?與系統(tǒng)?損失之和，即

其中：Ein表示進(jìn)入系統(tǒng)的?；Eout表示離開系統(tǒng)的無效?；ΣExi表示系統(tǒng)由于發(fā)生不可逆過程產(chǎn)生的?損失；P表示系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，屬于離開系統(tǒng)的有效?，即

其中：J和V分別為電源的輸出電流密度和輸出電壓。

?是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)環(huán)境狀態(tài)給定之后，其大小就只與狀態(tài)有關(guān)。忽略宏觀動(dòng)能和位能時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)的工質(zhì)從任意狀態(tài)（p，T）可逆變化到給定的不完全平衡環(huán)境狀態(tài)（p0，T0）時(shí)所能做出的最大有用功稱為穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的物理?Ew，可表示為

為了更好的分析曲殼厚度對(duì)質(zhì)量的影響，我們采集了大曲樣品的曲殼部分進(jìn)行基因測(cè)序（5#曲殼樣品5 g），但由于提取的DNA濃度較低，無法進(jìn)行擴(kuò)增和相關(guān)測(cè)序工作?？梢娗鷫K的曲殼、火圈、斷面、曲心等部分中，曲殼的微生物含量最低。曲塊的主要功能是為釀酒提供酶類、菌源和香味成分，為了對(duì)曲殼進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)曲塊各部分進(jìn)行了分析，結(jié)果見表6、表7。

其中：H和H0分別為工質(zhì)和環(huán)境的焓；S和S0分別為工質(zhì)和環(huán)境的熵。

除了物理?，空間堆電源系統(tǒng)中還包括熱量?。當(dāng)溫度高于環(huán)境溫度T0的系統(tǒng)在給定環(huán)境條件下發(fā)生可逆變化時(shí)，傳遞的溫度為T、熱量為Q的工質(zhì)所能做出的最大有用功稱為熱量?EQ，可表示為

通過建立?平衡方式可以推導(dǎo)出?損失的大小，但?損失是一個(gè)絕對(duì)量，要評(píng)價(jià)熱力過程中?的利用程度要采用?效率。?效率定義為系統(tǒng)對(duì)外輸出的有效?與獲得的有效?之比[20]，空間堆電源系統(tǒng)的有效?為產(chǎn)生的電能P，獲得的?量表示為空間核反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生核裂變釋放出的熱能?，當(dāng)輸入能量已經(jīng)確定時(shí)，?效率是輸出電功率和反應(yīng)堆輸出?的比值，即

空間堆電源系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率是電功率與反應(yīng)堆輸出熱量的比值?？梢?，常規(guī)能量轉(zhuǎn)換效率只反映了能量傳遞過程中的數(shù)量關(guān)系，而?效率進(jìn)一步體現(xiàn)了能量傳遞過程中質(zhì)量變化。

為揭示系統(tǒng)?損失的內(nèi)在原因，對(duì)空間堆電源系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)進(jìn)行?分析，采用?分析單元法，按照熱力系統(tǒng)的運(yùn)行過程，將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)控制單元。首先，將反應(yīng)堆與熱管看作一個(gè)控制單元；其次，進(jìn)入AMTEC的熱量一部分提供給蒸發(fā)器，一部分用于金屬鈉離子通過BASE時(shí)等溫膨脹所需能量，還有一部分變成蒸發(fā)器和冷凝器之間的輻射熱損失，這個(gè)過程可看作3個(gè)控制單元：蒸發(fā)器、BASE和內(nèi)部熱損失，在BASE/陰極到冷凝器入口這一段，工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生較大變化，將這一部分單獨(dú)作為一個(gè)控制單元進(jìn)行分析；最后，冷凝器也看作一個(gè)控制單元。因此，在空間堆電源系統(tǒng)中，依據(jù)內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，可分為反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、BASE、冷凝器入口段、冷凝器和內(nèi)部熱損失等6個(gè)控制單元，各控制單元?分析模型如表1所示。

表1 各控制單元的?分析方法表Table 1 Each control volume of energy analysis table

為了揭示內(nèi)部各控制單元間?損失的相對(duì)大小，引入?損失占比這一概念，表征各控制單元間?損失所占的比例，即

2 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)特征和傳換熱方式建立的整個(gè)系統(tǒng)及反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、冷凝器等6個(gè)控制單元的熱力學(xué)分析模型，綜合整個(gè)空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)能量傳遞路徑、能量轉(zhuǎn)換模式、能量耗散情況等工作特性，通過編程進(jìn)行聯(lián)立數(shù)值求解，以能量守恒原則為判據(jù)，最終確定各控制單元進(jìn)出口溫度，進(jìn)一步結(jié)合各節(jié)點(diǎn)處溫度分布情況最終確定系統(tǒng)?效率和各控制單元?損失及?損失占比情況。計(jì)算過程中，主要參數(shù)設(shè)置如下：反應(yīng)堆熱功率為500 kW，環(huán)境溫度為4 K，熱管換熱系數(shù)為5 000 W/m2，表面發(fā)射率為0.4，有效換熱面積為1.1 m2。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器：BAES表面發(fā)射率為0.9，無量綱壓力損失系數(shù)為22，交換電流系數(shù)為120 AK1/2/（Pa﹒m2），其他一些基本參數(shù)的設(shè)置參考文獻(xiàn)[12]。

2.1 堆芯溫度與電流密度對(duì)電源輸出電功率的影響

針對(duì)深空探測(cè)所需的大功率需求，提出用于深空4 K環(huán)境下的空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)反應(yīng)堆熱功率Qin為500 kW，熱源的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是堆芯溫度Tin。堆芯溫度的大小一方面決定了驅(qū)動(dòng)做功的熱能的品位；另一方面也影響著AMTEC的輸出電功率，是電源設(shè)計(jì)必須要提前考慮的問題。圖4討論了堆芯溫度1 100～1 300 K范圍內(nèi)變化時(shí)，空間堆電源系統(tǒng)輸出電功率的變化：反應(yīng)堆堆芯溫度越高，輸出電功率越大，即空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)對(duì)外做功能力越強(qiáng)。輸出電流密度為6 000 A/m2不變時(shí)，當(dāng)堆芯溫度從1 100 K提升到1 300 K，輸出電功率從57.8 kW增加到111.7 kW，提高了近1倍。

圖4 堆芯溫度和輸出電流密度對(duì)輸出電功率的影響Fig.4 Variations of output power with core temperature and electrode current density

在恒定堆芯溫度下，空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)的輸出電流密度J是一個(gè)與面積和工質(zhì)鈉循環(huán)質(zhì)量流量有關(guān)的參數(shù)，從本質(zhì)上來說也是一個(gè)變量，圖4同時(shí)也討論了不同熱源參數(shù)設(shè)置下系統(tǒng)輸出電功率與電流密度4 000～10 000 A/m2之間的關(guān)系：隨電流密度的增加，輸出電功率出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)堆芯溫度為1 300 K時(shí)，空間堆電源系統(tǒng)的輸出功率達(dá)到最大值約129.4 kW，此時(shí)電流密度的取值為9 000 A/m2。值得注意的是，不同堆芯溫度下取得最大值時(shí)的輸出電流密度值不同，堆芯溫度越大，最大功率時(shí)的電流密度越大。Tin=1 100 K時(shí)，輸出功率在6 000 A/m2處取得最大值約為57.8 kW；當(dāng)Tin=1 200 K時(shí)，輸出功率在7 000 A/m2處取得最大值約95.0 kW。這說明從輸出電功率角度考慮，空間堆電源系統(tǒng)中堆芯溫度越高功率越大，不同堆芯溫度下分別對(duì)應(yīng)了一個(gè)使功率最大的電流密度。因此，電源系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，可配合考慮堆芯溫度和輸出電流密度這兩個(gè)參數(shù)取值，以便獲得最大的輸出功率。

2.2 堆芯溫度與電流密度對(duì)電源?效率的影響

為了更深入地了解空間堆電源系統(tǒng)的性能，還應(yīng)從?分析的角度進(jìn)行分析。不同堆芯溫度下，空間堆電源系統(tǒng)?效率變化如圖5所示。同一條件下，堆芯溫度越高，系統(tǒng)?效率越高。J=6 000 A/m2時(shí)，堆芯溫度從1 100 K提升到1 300 K，做功能力顯著提升，?效率從12.9%增加到約26.2%。由式（4）可知，熱源的做功能力與其溫度和環(huán)境溫度之間的溫差有關(guān)，溫差越大，做功能力越強(qiáng)，即能量品味越高。例如，海洋中蘊(yùn)藏著數(shù)量巨大的熱能，但是很難找到比其溫度更低的環(huán)境，因此這部分熱能幾乎不能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械功加以利用。同樣，空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)中熱源溫度越高，與深空環(huán)境之間的溫差就越大，做功能力就越強(qiáng)。因此，對(duì)反應(yīng)堆熱源的設(shè)計(jì)來說，應(yīng)盡量提高堆芯溫度，以便提高整個(gè)空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)的?效率，但高堆芯溫度對(duì)堆芯選材也提出了更高的要求。而且隨著熱源溫度的增加，BASE的強(qiáng)度降低，考慮BASE的可靠性，熱源溫度也不宜過大。

圖5 堆芯溫度和輸出電流密度對(duì)空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)?效率的影響Fig.5 Variations of exergy efficiency with core temperature and electrode current density

當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行在某一恒定溫度時(shí)，?效率受電流密度的影響出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，取得最大值時(shí)的電流密度與輸出電功率最大時(shí)的電流密度相同。當(dāng)堆芯溫度為1 300 K時(shí)，空間堆電源系統(tǒng)的?效率在J=9 000 A/m2時(shí)達(dá)到最大值約為28.0%；當(dāng)Tin=1 200 K時(shí)，在J=7 000 A/m2處?效率取得最大值約為20.7%。Tin=1 100 K時(shí)，?效率在J=6 000 A/m2處取得最大值約為12.9%。

2.3 電源內(nèi)部?損失占比分析

由前面分析可知，當(dāng)J=9 000 A/m2，Tin=1 300 K時(shí)，空間堆電源系統(tǒng)輸出電功率和?效率最大，但是?效率也僅有28%，仍有大量的余熱未被利用，這部分余熱的溫度在500～700 K范圍，品味也較高，從“量”和“質(zhì)”的角度分析系統(tǒng)性能都還有提升空間。為了深入剖析系統(tǒng)能量傳遞和轉(zhuǎn)換的規(guī)律，提高系統(tǒng)做功能力，在該狀態(tài)下對(duì)空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)內(nèi)部6個(gè)控制單元的?損失占比進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示，空間堆電源系統(tǒng)中的?損失主要發(fā)生在冷凝器和蒸發(fā)器處。最大?損失出現(xiàn)在冷凝器處，占整個(gè)系統(tǒng)?損失的46%左右，這是因?yàn)樵诶淠魈幣欧诺挠酂崛克阕?損失。這部分熱量的品位較反應(yīng)堆的品味有降低但是量大，可以設(shè)法再加以利用。提出可采用所能利用的低品位熱能，并且與AMTEC同屬靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換的溫差發(fā)電器來回收這部分余熱，以減少這部分?損失。

圖6 系統(tǒng)各控制單元的?損失占比Fig.6 The ratio of exergy loss to total exergy loss in each control volume

圖6顯示蒸發(fā)器?損失占整個(gè)空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)?損的30%左右，是除冷凝器外?損失最大的控制單元。從AMTEC內(nèi)部熱力循環(huán)過程可知，蒸發(fā)器?損失主要是因?yàn)閺睦淠魈幊鰜淼牡蜏匾簯B(tài)鈉工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱發(fā)生狀態(tài)變化的過程中，傳熱溫差造成的不可逆損失，導(dǎo)致?損失產(chǎn)生。

2.4 堆芯溫度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部控制體?損失的影響

為了認(rèn)識(shí)冷凝器和蒸發(fā)器處?損失變化的規(guī)律，圖7采用控制變量法討論了堆芯溫度對(duì)空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)內(nèi)部6個(gè)控制單元?損失的影響。由圖7可知，增加堆芯溫度可同時(shí)減小蒸發(fā)器和冷凝器的?損失。當(dāng)堆芯溫度從1 100 K增加到1 300 K時(shí)，蒸發(fā)器?損失降低了約28%。冷凝器處?損失在堆芯溫度1 100 K時(shí)約為193 kW，到堆芯溫度1 300 K時(shí)降低到152 kW，但依然是整個(gè)系統(tǒng)中?損失占比最大的控制單元。隨著堆芯溫度的增加，?損失降低的還有BASE。對(duì)BASE來說，?損失主要來自于：工質(zhì)鈉在BASE中等溫膨脹吸熱、BASE電阻率、電極極化現(xiàn)象產(chǎn)生的?損。由于BASE是空間堆電源系統(tǒng)中產(chǎn)生電能的關(guān)鍵控制單元，BASE處?損失的減小也表示BASE的做功能力增強(qiáng)，電源輸出電功率增大。

圖7 堆芯溫度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各控制單元?損失的影響Fig.7 Variations of exergy loss in each control volume with core temperature

相反地，空間核反應(yīng)堆、內(nèi)部熱損失和冷凝器入口段的?損失隨堆芯溫度的增加而有不同量的增加，增加幅度分別約為25%、79%和22%。內(nèi)部熱損失產(chǎn)生的?損對(duì)堆芯溫度更敏感、幅度最大，這是因?yàn)檎舭l(fā)器溫度增加導(dǎo)致BASE表面溫度增大，BASE表面向低溫、低壓區(qū)輻射熱損失增大，所以這部分?損失增大。反應(yīng)堆處?損失與傳熱溫差有關(guān)，堆芯溫度增大使得反應(yīng)堆與AMTEC之間的傳熱溫差增大，不可逆損失增加。冷凝器入口段?損失主要來自于工質(zhì)從BASE/陰極流動(dòng)到冷凝器入口這一過程中壓降的變化，堆芯溫度增加導(dǎo)致沿程壓降損失增大，?損失增大。

2.5 電流密度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部控制體?損失的影響

圖8給出了輸出電流密度對(duì)各控制單元的?損失的影響。?損失占比最大的依然還是冷凝器和蒸發(fā)器，隨著電流密度的增加，冷凝器?損失減小而蒸發(fā)器?損失增加，但是相比于堆芯溫度來說，電流密度變化時(shí)二者的變化幅度不大，反而是反應(yīng)堆和內(nèi)部熱損失導(dǎo)致的?損失有較大幅度的降低，但這種變化是非線性的。降低的幅度隨著電流密度的增加是逐漸降低的，當(dāng)電流密度增加到7 000 A/m2時(shí)，繼續(xù)增大電流密度對(duì)降低反應(yīng)堆和內(nèi)部熱損失產(chǎn)生的?損失效果不大。因此，在工程設(shè)計(jì)上，電流密度在不超過7 000 A/m2時(shí)，可通過增大電流密度對(duì)減小反應(yīng)堆和內(nèi)部熱損失導(dǎo)致的?損失帶來顯著效果。

圖8 輸出電流密度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各控制單元?損失的影響Fig.8 Variations of exergy loss in each control volume with electrode current density

3 結(jié) 論

本文建立了熱功率為500 kW，用于深空4 K環(huán)境的空間堆電源系統(tǒng)的熱力學(xué)分析模型，重點(diǎn)探討了堆芯溫度和輸出電流密度對(duì)系統(tǒng)?效率和輸出電功率的影響。通過將空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)內(nèi)部劃分為6個(gè)控制單元，明確了?損失最大的部位，并通過改變堆芯溫度和輸出電流密度獲得各控制單元?損失變化趨勢(shì)，主要結(jié)論如下：

1）反應(yīng)堆堆芯溫度越高，?效率越大，系統(tǒng)做功能力越強(qiáng)，輸出電功率越大；

2）系統(tǒng)?效率和輸出電功率隨輸出電流密度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；

3）堆芯溫度增加可有效減小冷凝器、蒸發(fā)器和BASE的?損失，電流密度增加不但對(duì)降低冷凝器的?損失有限，而且還會(huì)增大蒸發(fā)器和BASE的?損失，但是反應(yīng)堆和內(nèi)部熱損失導(dǎo)致的?損失有較大幅度的降低，超過7 000 A/m2這種降低效果減弱；

4）空間堆電源系統(tǒng)內(nèi)?損失主要發(fā)生在冷凝器和蒸發(fā)器，因此，提高系統(tǒng)的性能應(yīng)該重點(diǎn)提高蒸發(fā)器和冷凝器的能量利用率。