CN104392750B - 低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统 - Google Patents

Abstract

一种低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统，该低温核反应堆是一种高效、安全稳定地将核能转换为热能的小型核反应装置；基于上述低温核反应堆的车载动力系统工作原理是：主泵将储液罐中工质加压并泵送至回热器与汽机排汽换热后进入主换热器，主换热器将低温核反应堆发出的热量传递给工质，并将工质加热至高温高压状态，高温高压态工质由热力管道送至高压动力缸，推动高压缸转子转动，高压缸排汽与主换热器中段抽汽进入低压缸推动低压缸转子转动，低压缸排汽经回热器后进入凝汽器被冷却成液态经汽液分离器返回储液罐完成循环；本发明基于有机朗肯循环热机将低温反应堆产生的热能转化为汽车的驱动功，辅助系统保证系统稳定安全运行。

Description

低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统

技术领域

本发明涉及一种核热能与动力转换系统，尤其涉及一种低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统。

背景技术

当前采用汽油、柴油、天然气、煤气或者煤炭等高质量化石燃料的汽车碳排放量巨大，已经带来了严重的温室效应和光化学污染，化石能源属于不可再生资源，也造成资源的严重浪费。

我国80％电能来源于燃煤电厂，采用电力作为能源的现有汽车本质依然消耗煤炭等化石能源。采用燃油作为能源的汽车航程较短，一次加油一般不超过700公里；电动汽车一次充电一般不超过300公里。

核电厂采用丰度较高的铀基燃料棒，核反应堆设备庞大，安全等级要求高，难以用于车载动力机。微型低温核反应堆主要用于供热领域，由于温度低于300℃，采用传统水工质循环热机生产动力，其热力设备复杂而庞大，不能够作为车载动力机组为陆地行驶的汽车提供动力。

探月、火星等航天项目中的勘探车辆动力系统采用太阳能电池板供电，核能仅用于车辆内部保温，勘探车辆受限于昼夜而交替工作，工作效率低。月球、火星等其他星球的外表面温度非常低，若采用水作为动力系统的载热工质则存在全系统结冰而无法工作的问题。

因此，在能源危机日益迫近的今天，将核反应堆适用于汽车等的小型化技术不仅能极大缓解能源危机，对日益严重的环境问题也具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温核反应堆以及基于低温核反应堆的车载动力系统，它具有能量转换效率高、安全性好、体积小、结构简单且易于实现的优点。

本发明是这样来实现的，一种低温核反应堆，它包括压力容器以及位于压力容器内核燃料棒、屏蔽壳、慢化剂和导热元件，其特征在于，所述导热元件采用非重力式高效传热热管，所述导热元件包括用于核燃料棒水平面方向导热的环形热管、用于核燃料棒垂直方向导热的竖直热管、用于将核燃料棒产生的热能向外传递的导热热管以及蛇形环绕布置在导热热管低温端处的主换热器管；

所述环形热管的安装面与核燃料棒轴线垂直，所述竖直热管沿核燃料棒轴向安装；为了保证反应堆的运行安全，强化反应堆散热，本发明采用高效热管作为反应堆内部及向热力系统供热的导热元件。热管选用非重力式导热热管，避免车辆颠簸、爬坡、翻车情况下对反应堆的散热造成不利影响。

所述主换热器管和导热热管低温端均浸没在压力容器内壁与屏蔽壳之间的导热介质中，导热热管的高温端贯穿屏蔽壳，并伸入屏蔽壳内的慢化剂中。所述导热介质采用导热油或水。

所述低温核反应堆采用常规铀质乏燃料棒堆、铀-钍复合反应堆、激光-钍堆反应堆或低温石墨球床反应堆。采用微型低温核反应堆，它依靠自然衰变或激发衰变生产热能，能量密度较高、发热周期长，低温反应堆的可运行周期远高于汽车的使用周期。

所述压力容器的内表面设有由铅构成的屏蔽层，压力容器的外表面采用保温材料覆盖。所述环形热管、竖直热管和导热热管均采用锆系合金制成，所述主换热器管采用铜或钛制成。

一种车载动力系统，它是一种采用低温核反应堆作为能源的车辆的热能与动力转换装置。它包括低温核反应堆、与低温核反应堆通过热力管道连接成闭合回路的动力输出装置和工质分离存储装置，以及与动力输出装置传动连接的储能装置。

所述热力管道的低温端和高温端均贯穿压力容器，与由主换热器管构成的主换热器相接。

所述动力输出装置包括铰接主轴以及位于铰接主轴内的多级汽缸，来自热力管道高温端的工质依次经过上述多级汽缸。

所述多级汽缸包括汽轮机高缸和汽轮机低缸，来自热力管道高温端的工质依次经过汽轮机高缸和汽轮机低缸。

所述多级汽缸采用由螺杆机膨胀动力机与者微型汽轮机构成的两级或多级动力膨胀机组。为了提高热力系统循环效率保证热力系统的安全运行，采用两级或多级动力膨胀机组成蒸汽动力机组。为了缩小动力机组的体积，本发明中的多个动力膨胀机采用相近的膨胀比，各缸体倒置紧密排列组成动力机组模块，安设在车辆的前端或者尾部。

为了提高热力系统循环效率并且简化动力系统，热力系统选择超临界有机朗肯循环或亚临界有机三角闪蒸循环，第一级高缸采用螺杆膨胀机或采用螺杆膨胀机与微型汽轮机复合的混合型膨胀动力机。螺杆膨胀机对工质的不同流态有较强的适应性，能够保证动力机组在动力要求大幅度、高频繁变化时的稳定运行。

所述工质分离存储装置包括储液罐、主泵、回热器、凝汽器和汽液分离器，来自汽轮机低缸的工质进入回热器的第一独立腔室中，然后工质经凝汽器进口进入凝汽器进行凝结，而后又经凝汽器出口进入汽液分离器中，从汽液分离器分离的液态工质增压进入到储液罐中，而分离的气态工质重新由凝汽器进口进入凝汽器进行凝结；来自储液罐的液态工质被主泵加压后泵送至回热器的第二独立腔室中，液态工质与第一独立腔室的工质进行热交换后被输送到热力管道的低温端。为了提高热力循环效率，减小凝汽器体积，本发明热力系统末端流程为动力膨胀机的排汽首先进入回热器，用于加热由储液罐流出的过冷液态有机工质，然后排汽进入敷设于车辆底部的凝汽器被冷却成液态，提高热力循环效率，降低凝汽温度，减小凝汽器的换热面积，缩小凝汽器的体积与质量。为了避免车辆震动对热力系统造成不利影响，在凝汽器末端安装离心式汽液分离器，并对气、液分别增压，将液态工质输送至储液罐，未凝结的工质重新回到凝汽器入口。

所述车载动力系统还包括用于凝汽器散热的轴流风机，所述轴流风机动力来源于动力输出装置或储能装置。为了提高凝汽器的冷却出力和汽机停机时低温核反应堆的散热需求，采用与动力机组联动的风机机组强化凝汽器的冷却。动力输出装置停机时，依靠电机和蓄电池为风机机组提供动力。

所述工质采用氟代烷、烷烃、全氟烷、芳香烃或硅醚。为实现在极地、月球、火星等环境寒冷的环境下工作，动力系统采用上述凝固点非常低的有机质作为热力系统载热工质。同时也为了缩小热力系统体积，提高热功转换效率，本发明采用上述低沸点有机物作为动力系统的载热工质。相同温度下有机工质的饱和压力高于水的饱和压力，且有机物蒸汽密度大于同参数下的水蒸气。在相同动力输出情况下，低沸点有机工质的通流横断面积远小于水工质的通流横断面积，缩小了动力机组的体积，降低了整机质量。

所述主泵的动力来源于动力输出装置或储能装置。基于有机工质的车载热力系统特征，本发明采用高压离心泵或者流动较稳定的柱塞泵作为热力系统的主泵，提供主蒸汽压头并维持系统管道内的工质流动，主泵动力来源于电池-逆变器-电机系统(储能装置)和蒸汽动力机的铰接主轴。

所述凝汽器采用管内冷凝方式的管壳式换热器，所述管壳式换热器的换热管外壁设置辐射换热瓦，换热瓦采用百叶窗式或者鳞片式。为了保证热力系统的稳定安全运行，本发明中的凝汽器采用管内冷凝方式的管壳式换热器。管壳式换热器可以制造成任意形状，对安装场合的适应性较强。本发明中的凝汽器整体设计为板状，安设于车辆的底盘，与动力系统联动的风机机组用于强化凝汽器的散热；在无大气环境或者大气非常稀薄的环境中，凝汽器采用辐射换热的方式工作，换热管外壁敷设辐射换热瓦，换热瓦可采用百叶窗式或者鳞片式，可通过启闭调节换热管的辐射换热量，达到调节凝汽器散热量的目的。凝汽器底部敷设一层钢质板栅结构，避免车辆托底时损坏凝汽器，保证热力系统安全。

所述储能装置包括与动力输出装置传动连接的电机以及连接在电机和蓄电池之间的电流逆变器。车辆对动力系统的输出功率要求变动幅度大、变化频率高，为保证热力系统的稳定性及车辆对动力的特殊要求，本发明采用蓄电池、电力逆变器和电机组成调峰稳定系统，可为车辆动力系统提供尖峰负荷以及储存动力系统的富裕动力。

所述储能装置还包括可与外电网连接的电网接入端口。低温反应堆的热能来源于自然衰变或激励衰变。当采用较稳定的自然衰变低温堆时，反应堆发热量恒定，动力输出装置的动力机组处于长时间工作状态。而车辆停运时，反应堆生产的热能通过动力输出装置带动电机转变成电能，并通过电网并网接口将电能输送至电网。

所述车载动力系统还包括应急旁路系统，它包括在热力管道进出压力容器前、后安设的旁路管道，该旁路管道连通凝汽器或者外接循环冷却系统，用于动力系统检修或者故障时反应堆的应急散热或者安全解列低温核反应堆。

所述车载动力系统包括连接在主换热器中段与多级汽缸之间的液态工质抽取装置，它抽取主换热器中的适量液态工质与上级汽缸排汽混合后进入下一级汽缸。为了提高热力循环效率，减小凝汽器体积，本发明采用抽取主换热器管道中段的部分工质经减压后喷入低压缸，可增大低压缸的动力输出，同时降低汽机排汽温度，减小凝汽器换热面积。当采用三级或更多级汽缸时，由主换热器不同段分别抽取适量工质与上级汽缸排汽混合后进入下一级汽缸；

从主换热器中段适当位置抽取部分液态工质，经减压后和处于过热状态的高压缸排汽混合进入低压缸蒸汽氟代烷、烷烃、全氟烷、芳香烃或硅醚等有机物的热力特性为干工质，在螺杆机和汽轮机膨胀做功的过程中过热度逐渐增大，排汽温度较高。采用抽取部分液态工质与过热蒸汽混合再进入低压缸的方法，可有效提高低压缸的动力输出并显著降低蒸汽动力机组的最终排汽温度，提高了全系统的热效率并缩小了动力机组和凝汽器的相对体积，减小了全机的总质量。

所述车载动力系统还包括采集探测车载动力系统中各件运行参数的传感器以及与传感器相连的用于控制车载动力系统运行的控制调节装置。控制调节装置需实时监测和调控反应堆内部燃料棒束侧的热力参数和工质侧的热力参数，以及储液罐内的工质量、系统转速、电池组的电量等动力系统关键设备的运行参数，通过管道阀门组件或电池阀等控制相关部件的开关；控制调节装置中的电器件由蓄电池、电机和电力逆变器供电。

本发明的有益效果为：本发明与现有的核动力汽车动力系统相比，具有转换效率高、安全性好、体积小、结构简单且易于实现，动力输出可自由调节，能够为陆地行驶车辆提供驱动动力，也替代内燃机其他应用领域。

附图说明

图1为发明低温核反应堆的结构剖视图。

图2为发明车载动力系统的结构示意图。

图3为工质分离存储装置的工作原理图。

图4为凝汽器的换热瓦采用百叶窗式的结构示意图。

图5为凝汽器的换热瓦采用鳞片式的结构示意图。

在图中，1、储液罐 2、主泵 3、回热器 4、低温反应堆 5、主换热器 6、抽汽管 7、汽轮机高缸 8、汽轮机低缸 9、凝汽器 10、汽液分离器 11、铰接主轴 12、电机 13、电流逆变器 14、蓄电池 15、轴流风机 16、热力管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，一种低温核反应堆4，它包括压力容器409以及位于压力容器内核燃料棒401、屏蔽壳406、慢化剂402和导热元件，其特征在于，所述导热元件采用非重力式高效传热热管，所述导热元件包括用于核燃料棒401水平面方向导热的环形热管403、用于核燃料棒401垂直方向导热的竖直热管404、用于将核燃料棒401产生的热能向外传递的导热热管405以及蛇形环绕布置在导热热管405低温端处的主换热器管408；核燃料棒401通道内优先选择石墨作为慢化剂进行填充，水、重水也可作为反应堆慢化剂，但是重水价格极其昂贵。反应堆超温时水的体积变化率较大，压力不稳定，安全性较石墨差。

所述环形热管403的安装面与核燃料棒401轴线垂直，平衡反应堆棒束径向的发热不均匀，所述竖直热管404沿核燃料棒401轴向安装，用于平衡反应堆轴向的发热不均匀；为了保证反应堆的运行安全，强化反应堆散热，本发明采用高效热管作为反应堆内部及向热力系统供热的导热元件。热管选用非重力式导热热管，避免车辆颠簸、爬坡、翻车情况下对反应堆的散热造成不利影响。

所述主换热器管408和导热热管405低温端均浸没在压力容器409内壁与屏蔽壳406之间的导热介质407中，导热热管405的高温端贯穿屏蔽壳406，并伸入屏蔽壳406内的慢化剂402中。所述导热介质407采用导热油或水；作为反应堆向外传热导热元件，导热热管405采用高效热管，热管的高温段伸入反应堆内，热管外侧被反应堆内的慢化剂包裹，不与反应堆燃料棒直接接触；热管冷端在钢制压力容器与反应堆屏蔽壳之间悬置，热管将反应堆发出的热量传递至反应堆屏蔽壳406之外。在实施时，导热热管405的冷端浸没在钢制压力容器409与反应堆屏蔽壳406之间的液态流体中，液态流体优先采用高温导热油，也可采用水。高温导热油导热性能好，不燃烧，沸点高，同温下的压力比水低，因此安全性比水好。

所述低温核反应堆4采用常规铀质乏燃料棒堆、铀-钍复合反应堆、激光-钍堆反应堆或低温石墨球床反应堆。采用微型低温核反应堆，它依靠自然衰变或激发衰变生产热能，能量密度较高、发热周期长，低温反应堆的可运行周期远高于汽车的使用周期。实施时，优先选用激光-钍低温核反应堆，该型反应堆辐射剂量小，所需屏蔽壳较薄，质量轻，安全性能好，但是目前技术并不成熟。可采用铀-钍复合堆、常规铀基乏燃料棒堆、石墨球床堆制成低温核反应堆，该类堆型技术较成熟，但辐射剂量高，屏蔽壳非常厚，反应堆质量大，且安全性能相对较差。

所述压力容器409的内表面设有由铅构成的屏蔽层，压力容器409的外表面采用保温材料覆盖。屏蔽层作为第二道屏蔽保护，它能够较好的隔离核辐射，保温材料需要有较高的强度，压力容器的耐压能力有足够的安全裕度。

所述环形热管403、竖直热管404和导热热管405均采用锆系合金制成，环形热管403、竖直热管404和导热热管405采用热管材质与内部流体不发生反应，防止热管在核辐射的影响下其金属原子发生嬗变而脆化。所述主换热器管408采用铜或钛制成，具有很好的导热率和耐腐蚀性能。

如图2所示，一种车载动力系统，它是一种采用低温核反应堆作为能源的车辆的热能与动力转换装置。它包括低温核反应堆4、与低温核反应堆4通过热力管道16连接成闭合回路的动力输出装置和工质分离存储装置，以及与动力输出装置传动连接的储能装置。

所述热力管道16的低温端和高温端均贯穿压力容器409，与由主换热器管408构成的主换热器5相接。在实施时，由热力管道16的高温端连接主换热器出口409，热力管道16的低温端连接主换热器入口410。同时，为了保持低温核反应堆4内的压力平衡，需要向低温核反应堆4内接通一抽汽管6。

所述动力输出装置包括铰接主轴11以及位于铰接主轴11内的多级汽缸，来自热力管道16高温端的工质依次经过上述多级汽缸。

所述多级汽缸包括汽轮机高缸7和汽轮机低缸8，来自热力管道16高温端的工质依次经过汽轮机高缸7和汽轮机低缸8。

所述多级汽缸采用由螺杆机膨胀动力机与者微型汽轮机构成的两级或多级动力膨胀机组。为了提高热力系统循环效率保证热力系统的安全运行，采用两级或多级动力膨胀机组成蒸汽动力机组。为了缩小动力机组的体积，本发明中的多个动力膨胀机采用相近的膨胀比，各缸体倒置紧密排列组成动力机组模块，安设在车辆的前端或者尾部。

为了提高热力系统循环效率并且简化动力系统，热力系统选择超临界有机朗肯循环或亚临界有机三角闪蒸循环，第一级高缸采用螺杆膨胀机或采用螺杆膨胀机与微型汽轮机复合的混合型膨胀动力机。螺杆膨胀机对工质的不同流态有较强的适应性，可用于缓冲汽机入口处的工质流动不稳定对汽机稳定运行的不利影响；能够保证动力机组在动力要求大幅度、高频繁变化时的稳定运行。

如图3所示，所述工质分离存储装置包括储液罐1、主泵2、回热器3、凝汽器9和汽液分离器10，来自汽轮机低缸8的工质进入回热器3的第一独立腔室中，然后工质经凝汽器9进口进入凝汽器9进行凝结，而后又经凝汽器9出口进入汽液分离器10中，从汽液分离器10分离的液态工质增压进入到储液罐中，而分离的气态工质重新由凝汽器9进口进入凝汽器9进行凝结；来自储液罐1的液态工质被主泵2加压后泵送至回热器3的第二独立腔室中，液态工质与第一独立腔室的工质进行热交换后被输送到热力管道16的低温端。为了提高热力循环效率，减小凝汽器体积，本发明热力系统末端流程为动力膨胀机的排汽首先进入回热器3，用于加热由储液罐1流出的过冷液态有机工质，然后排汽进入敷设于车辆底部的凝汽器9被冷却成液态，提高热力循环效率，降低凝汽温度，减小凝汽器9的换热面积，缩小凝汽器的体积与质量。为了避免车辆震动对热力系统造成不利影响，在凝汽器9末端安装离心式汽液分离器10，并对气、液分别增压，将液态工质输送至储液罐1，未凝结的工质重新回到凝汽器9入口。

所述车载动力系统还包括用于凝汽器9散热的轴流风机15，所述轴流风机15动力来源于动力输出装置或储能装置。为了提高凝汽器的冷却出力和汽机停机时低温核反应堆的散热需求，采用与动力机组联动的风机机组15强化凝汽器的冷却。动力输出装置停机时，依靠电机12和蓄电池14为风机机组15提供动力。

所述工质采用氟代烷、烷烃、全氟烷、芳香烃、硅醚、苯或甲苯。为实现在极地、月球、火星等环境寒冷的环境下工作，动力系统采用上述凝固点非常低的有机质作为热力系统载热工质。同时也为了缩小热力系统体积，提高热功转换效率，本发明采用上述低沸点有机物作为动力系统的载热工质。相同温度下有机工质的饱和压力高于水的饱和压力，且有机物蒸汽密度大于同参数下的水蒸气。在相同动力输出情况下，低沸点有机工质的通流横断面积远小于水工质的通流横断面积，缩小了动力机组的体积，降低了整机质量；

在实施时，有机工质优先采用低沸点氟代烷，次优选烷烃、全氟烷、苯和甲苯作为工质。氟代烷与烷烃相比不燃烧不爆炸，安全性好，且热力学性能优于全氟烷，且凝固点非常低，适应酷寒环境；苯和甲苯的热力性能好，但是毒性较高，存在燃烧和爆炸的风险，且汽机排汽温度过高，降低了全机热效率，且凝固点较高难以适应酷寒环境。

所述主泵2的动力来源于动力输出装置或储能装置。基于有机工质的车载热力系统特征，本发明采用高压离心泵或者流动较稳定的柱塞泵作为热力系统的主泵2，提供主蒸汽压头并维持系统管道内的工质流动，主泵2动力来源于电池-逆变器-电机系统(储能装置)和蒸汽动力机的铰接主轴11。

如图4和图5所示，所述凝汽器9采用管内冷凝方式的管壳式换热器，所述管壳式换热器的换热管901外壁设置辐射换热瓦902，换热瓦902采用百叶窗式或者鳞片式。为了保证热力系统的稳定安全运行，本发明中的凝汽器9采用管内冷凝方式的管壳式换热器。管壳式换热器可以制造成任意形状，例如，可弯曲成蛇形弯管以增加散热扩展表面，增强散热；但扩展表面的结构不能对冷却风的流动造成较大的风压损失。本发明中的凝汽器整体设计为多层板状，安设于车辆的底盘，与动力系统联动的风机机组15用于强化凝汽器9的散热，由风机机组吹动空气在管束中间的缝隙中强制流动，增强凝汽器的凝结效率；

在月球、火星等无大气或大气非常稀薄且非常寒冷的环境下，凝汽器9采用辐射换热的方式工作，换热管外壁敷设辐射换热瓦，换热瓦可采用百叶窗式或者鳞片式，可通过启闭调节换热管的辐射换热量，达到调节凝汽器散热量的目的。凝汽器9底部敷设一层钢质板栅结构，避免车辆托底时损坏凝汽器，保证热力系统安全。凝汽器应用在勘探车时的实施是这样的，凝汽器采用辐射换热的方式进行散热；凝汽器的管道外表面可采用特殊处理，如高辐射率的涂层涂覆，采用可启闭的百叶窗式或鳞片式低辐射瓦覆盖，用于调节凝汽器的辐射换热。辐射式凝汽器的管道外表面可采用低辐射涂层涂覆，可启闭的百叶窗式或鳞片式高辐射率瓦覆盖在换热管表面，辐射瓦与换热管之间采用热传导方式传热。

所述储能装置包括与动力输出装置传动连接的电机12以及连接在电机12和蓄电池14之间的电流逆变器13。车辆对动力系统的输出功率要求变动幅度大、变化频率高，为保证热力系统的稳定性及车辆对动力的特殊要求，本发明采用蓄电池14、电力逆变器13和电机12组成调峰稳定系统，可为车辆动力系统提供尖峰负荷以及储存动力系统的富裕动力。

所述储能装置还包括可与外电网连接的电网接入端口。低温反应堆的热能来源于自然衰变或激励衰变。当采用较稳定的自然衰变低温堆时，反应堆发热量恒定，动力输出装置的动力机组处于长时间工作状态。而车辆停运时，反应堆生产的热能通过动力输出装置带动电机12转变成电能，并通过电网并网接口将电能输送至电网。

所述车载动力系统还包括应急旁路系统，它包括在热力管道16进出压力容器409前、后安设的旁路管道，该旁路管道连通凝汽器或者外接循环冷却系统，用于动力系统检修或者故障时反应堆的应急散热或者安全解列低温核反应堆。

所述车载动力系统包括连接在主换热器5中段与多级汽缸之间的液态工质抽取装置，它抽取主换热器5中的适量液态工质与上级汽缸排汽混合后进入下一级汽缸。为了提高热力循环效率，减小凝汽器体积，本发明采用抽取主换热器5管道中段的部分工质经减压后喷入低压缸，可增大低压缸的动力输出，同时降低汽机排汽温度，减小凝汽器换热面积。当采用三级或更多级汽缸时，由主换热器不同段分别抽取适量工质与上级汽缸排汽混合后进入下一级汽缸；

从主换热器中段适当位置抽取部分液态工质，经减压后和处于过热状态的高压缸排汽混合进入低压缸蒸汽。氟代烷、烷烃、全氟烷、芳香烃或硅醚等有机物的热力特性为干工质，在螺杆机和汽轮机膨胀做功的过程中过热度逐渐增大，排汽温度较高。采用抽取部分液态工质与过热蒸汽混合再进入低压缸的方法，可有效提高低压缸的动力输出并显著降低蒸汽动力机组的最终排汽温度，提高了全系统的热效率并缩小了动力机组和凝汽器的相对体积，减小了全机的总质量。

所述车载动力系统还包括采集探测车载动力系统中各件运行参数的传感器以及与传感器相连的用于控制车载动力系统运行的控制调节装置。控制调节装置需实时监测和调控反应堆内部燃料棒束侧的热力参数和工质侧的热力参数，以及储液罐内的工质量、系统转速、电池组的电量等动力系统关键设备的运行参数，通过管道阀门组件或电池阀等控制相关部件的开关；控制调节装置等电器件由蓄电池、电机和电力逆变器供电。控制调节装置需设置多种工作模式，保证有人驾驶与无人停车时核动力系统的安全。控制系统对核动力机组及其散热系统的运行与调节设置最高管理权限及相应的安保措施，在人为干扰的情况下能够保证核反应堆以及动力系统的安全。

本发明的工作原理是这样的，主泵将储液罐中的有机工质加压并泵送至回热器与汽机排汽换热后进入主换热器，主换热器将低温核反应堆发出的热量传递给工质，并将工质加热至高温高压状态，高温高压的工质由热力管道16送至高压动力缸，推动高压缸转子转动，高压缸排汽进入低压缸推动低压缸转子转动，低压缸排汽经回热器后进入凝汽器被冷却成液态返回储液罐，有机工质由主泵从储液罐中吸出并增压后进入回热器，在回热器中吸收汽机排汽的热量，之后进入安装有低温核反应堆的钢制压力容器内，在布置于钢制压力容器与屏蔽壳之间的蛇形管内吸收管外高温导热油的热量，达到额定参数后引至高压缸进气口，即完成一个循环。

蓄电池组、电机与蒸汽机联动。蓄电池组、蒸汽动力机组与轴流风机组联动。车载电机、蓄电池组和电力逆变器可将车载动力系统与电网连接，便于车辆充放电。参数采集器(传感器)、控制调节装置与阀门组件组成系统控制系统。在控制调节装置的控制下蒸汽动力机组将车载低温反应堆的热能转化为汽车的驱动功并保证系统稳定安全运行。

当车辆所需功率降低至热力机组的额定功率时，电力逆变器将电机所产生的电能输送至蓄电池中储存，消耗动力机组所产生的多余动力。即电力逆变器可以通过提高电机电压的方式辅助车辆减速并将车辆动能通过与主轴铰接的电机转换成电能储存在蓄电池中。

由于车辆行驶过程中对动力机的动力要求波动幅度大且波动频繁，所以需设置大容量蓄电池、电力逆变器和电机组成动力调节系统，电机的主轴与动力系统主轴铰接，可将蓄电池中的电能转化为车辆动力主轴的轴功，提供车辆行驶中的动力需求的峰负荷。即当车辆在行驶过程中需要加大动力机组输出功率时，采用电机将蓄电池中的电能输出为轴功，并通过与热力机组主轴铰接达到将电机轴功转变成驱动车辆的轴功。

当车辆减速和临时停车时，电力逆变器通过调频调电压将电机转换至发电机状态并将发出的电能输送至蓄电池中储存。由于可作为动力机组的动力负荷，蓄电池、电力逆变器和电机组成的系统对车辆有一定的辅助减速作用。

蓄电池和电动机发出的电能通过逆变器可输送至反应堆用电设备、电网、蓄电池、车辆控制系统。当热源采用激光-钍低温反应堆时，电力逆变器与反应堆激光器相连接，将蓄电池的电能用于反应堆的激光器启动反应堆。

动力输出装置配备一块储能蓄电池，该电池用于临时储存车辆停运且暂时无法并联电网时所产生的富余电力。

Claims (9)

1.一种低温核反应堆(4)，它包括压力容器(409)以及位于压力容器内核燃料棒(401)、屏蔽壳(406)、慢化剂(402)和导热元件，其特征在于，所述导热元件采用非重力式高效传热热管，所述导热元件包括用于核燃料棒(401)水平面方向导热的环形热管(403)、用于核燃料棒(401)垂直方向导热的竖直热管(404)、用于将核燃料棒(401)产生的热能向外传递的导热热管(405)以及蛇形环绕布置在导热热管(405)低温端处的主换热器管(408)；

所述环形热管(403)的安装面与核燃料棒(401)轴线垂直，所述竖直热管(404)沿核燃料棒(401)轴向安装；

所述主换热器管(408)和导热热管(405)低温端均浸没在压力容器(409)内壁与屏蔽壳(406)之间的导热介质(407)中，导热热管(405)的高温端贯穿屏蔽壳(406)，并伸入屏蔽壳(406)内的慢化剂(402)中。

2.一种车载动力系统，其特征在于，它包括权利要求1所述的低温核反应堆(4)、与低温核反应堆(4)通过热力管道(16)连接成闭合回路的动力输出装置和工质分离存储装置，以及与动力输出装置传动连接的储能装置。

3.如权利要求2所述的车载动力系统，其特征在于，所述热力管道(16)的低温端和高温端均贯穿压力容器(409)，与由主换热器管(408)构成的主换热器(5)相接，热力管道(16)内的工质为氟代烷、烷烃、全氟烷、芳香烃或硅醚。

4.如权利要求3所述的车载动力系统，其特征在于，所述动力输出装置包括铰接主轴(11)以及位于铰接主轴(11)内的多级汽缸，来自热力管道(16)高温端的工质依次经过上述多级汽缸。

5.如权利要求2所述的车载动力系统，其特征在于，所述工质分离存储装置包括储液罐(1)、主泵(2)、回热器(3)、凝汽器(9)和汽液分离器(10)，来自汽轮机低缸(8)的工质进入回热器(3)的第一独立腔室中，然后工质经凝汽器(9)进口进入凝汽器(9)进行凝结，而后又经凝汽器(9)出口进入汽液分离器(10)中，从汽液分离器(10)分离的液态工质增压进入到储液罐中，而分离的气态工质重新由凝汽器(9)进口进入凝汽器(9)进行凝结；来自储液罐(1)的液态工质被主泵(2)加压后泵送至回热器(3)的第二独立腔室中，液态工质与第一独立腔室的工质进行热交换后被输送到热力管道(16)的低温端。

6.如权利要求5所述的车载动力系统，其特征在于，所述凝汽器采用管内冷凝方式的管壳式换热器，所述管壳式换热器采用轴流风机(15)强制对流散热，并采用在换热管外壁设置辐射换热瓦的辐射式散热方式。

7.如权利要求2所述的车载动力系统，其特征在于，所述储能装置包括与外电网连接的电网接入端口、与动力输出装置传动连接的电机(12)以及连接在电机(12)和蓄电池(14)之间的电流逆变器(13)。

8.如权利要求3或4所述的车载动力系统，其特征在于，所述车载动力系统包括连接在主换热器(5)中段与多级汽缸之间的液态工质抽取装置，它抽取主换热器(5)中的适量液态工质与上级汽缸排汽混合后进入下一级汽缸。

9.如权利要求8所述的车载动力系统，其特征在于，所述车载动力系统还包括采集探测车载动力系统中各件运行参数的传感器以及与传感器相连的用于控制车载动力系统运行的控制调节装置。