CN110660497A - 一种利用月球原位能量发电的电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用月球原位能量发电的电源系统，包括核反应发电系统；核反应发电系统包括核反应堆、中间熔盐环、涡轮、高速电机、压气机、回热器以及散热器。本发明通过采集月面富钍克里普岩并进行提炼，实现能量的原位利用，大幅减少初矿运输难度及成本；提出在维持核反应堆中子不逃逸的基础上，将释放的γ射线通过光电反应进一步产生电能，从而进一步提升核反应堆工作效率。发电方案基于闭式氦气循环，相较传统温差发电，其效率可达25‑40％；能够实现循环工质的内循环，与外界无物质交换，环境适应性好；同时由于其旋转工作特性，能量密度较高，易于小型化；基于月球表面昼夜温差大、真空及低重力环境特性，提出了以旋转飞轮作为储能环节的电站储能模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用月球原位能量发电的电源系统，尤其是一种利用月球原位能量发电、管理及储能的电源系统，为人类月面基站建立及深空探测提供能源支撑，属于空间能源领域。
背景技术
月球是环绕地球运行的一颗卫星，是地球的唯一卫星和离地球最近的天体。月球探明的钍元素对于人类而言是一种巨大的资源，通过月球资源原位利用技术开采和生产所需的能源，是比较理想的选择，能够为中长期的月球任务提供保障。随着航天技术的不断进步以及人类对深空探索需求的日益加深，人类未来将在月球上建造空间基地，作为深空探测的出发基站及中转基地(进行航天器发射、检修和燃料补充)，维持月面基本设备不间断运行及人员长期驻扎，同时在月岩、月壤采样及遥测的基础上，发展无人探矿技术，进一步发展月面电厂建设，实现月面能源的自供给。月球主要含能物质包括氦-3、太阳能、钍裂变核素等，3He是He的同位素气体，它是核能聚变发电的理想材料，与目前世界上最为先进的氚核反应相比，它本身不具放射性，反应过程中不会产生中子对反应装置产生放射性损伤，最为关键的是其反应产生的能量巨大，1g的3He燃烧所产生的能量相当于100亿千克化石燃料产生的能量，但由于核聚变对于人类而言还不具备可控性，因此3He发电还需时日；而对于太阳能发电，月球具有比地球更为丰富的太阳能，而且利用太阳能的条件远远超出地球。月球表面没有大气，太阳辐射可长驱直入，但考虑到月球长达14个地球日的月夜过程，太阳能发电将在月夜进入休眠状态，无法持续为空间站提供能量，因此对于较大功率需求的月面电站而言，太阳能发电无法成为主电源。
为了深入了解月球，人类开展了一系列的月球探测活动。在20世纪80年代前，有前苏联的Luna系列月球探测任务和美国的Apollo月球探测任务。到了20世纪90年代之后，ESA、日本等也制定了月球探测计划，如ESA的MORO计划、LEDA计划、EuorMoon2000计划和日本的Hiten计划。克里普岩中稀土元素、钍、铀放射性元素相对较高，是月球上钍资源开发利用的关键对象。人类发射的月球飞行器中，携有钍资源的伽马射线光谱仪的美国“月球勘探者号”、日本月亮女神号、中国的嫦娥1号和嫦娥2号等也对月球钍元素进行了遥测。其中，月球勘探者号遥感结果可知，月球表面钍含量最高的地体是克里普岩，其钍浓度一般是4-7ppm，但有一些地方的钍浓度特别高，达到10ppm，其他探测器也探测到了基本相同的分布情况。同时，美国的阿波罗登月飞船和苏联的月球号自动采样月球探测器先后9次从月球上取回了月岩和月壤样品。NASA“克莱门汀”和“月球勘探者”号获得了铁、钛、钍、铀、钾等元素，月球上克里普岩岩中的稀土总含量估计有2.25～4.5千亿吨。通过以上遥感数据及月球采样可知，月球上面存在数量可观的钍元素聚集，这些具有潜在开发价值的矿物，是人类持续发展和走向太空的重要资源。
为了有效解决太阳能发电必须在月夜进入休眠状态以及同位素电池功率级别低、转化效率低的问题，本发明提出以月球原位钍元素作为核燃料，并在月球表面直接进行燃料处理，形成可进入液态熔盐堆的核燃料，实现连续填料，并向外释放核热能。释放的热能以闭式循环技术将热能转化为机械能，并通过高速电机将机械能转化为电能，输入微电网，向不同的月面负载进行供电，实现月面基站的能源供给。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用月球原位能量发电的电源系统，可有效解决月球表面大功率月面基站的能源供给问题。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种利用月球原位能量发电的电源系统，包括核反应发电系统；核反应发电系统包括核反应堆、中间熔盐环、涡轮、高速电机、压气机、回热器以及散热器；
核反应堆采用月球原位钍元素作为核燃料，向中间熔盐环进行热传导；
中间熔盐环为换热结构，采用核反应堆生成的热量加热氦气；获得高温高压的氦气推动涡轮旋转，带动高速电机切割磁感线产生电能向外供电，流经涡轮的氦气经回热器初步放热后进入散热器，经过散热后的氦气进入压气机进行压缩，压气机在涡轮的带动下压缩氦气；压缩后的氦气经回热器由流经回热器的涡轮出口预热后返回中间熔盐环加热。
优选的，核燃料为钍基熔盐堆，采用LiF-BeF2-UF4作为溶液溶解ThF4；LiF-BeF2-UF4封闭在核反应发电系统第一回路内部，ThF4通过月面采集钍元素，处理后获得。
优选的，氦气封闭在核反应发电系统第二回路内部。
优选的，核反应堆外面包裹光电反应包裹层，将核反应过程中泄露的射线能量转化为电能，处理后接入月球原位能量发电的电源系统。
优选的，还包括飞轮，将月球原位能量发电的电源系统多余的电能转换为机械能进行储能。
优选的，飞轮采用磁悬浮轴承连接，使其处于悬浮状态，飞轮不设置外壳和抽真空设备。
优选的，还包括光伏发电系统，将太阳能转换为电能进行供电输出。
优选的，当核反应发电系统供电出现故障时，由飞轮将机械能转换为电能供电。
优选的，核反应发电系统供电功率为100kW～1MW。
优选的，高速电机采用高速开关磁阻电机。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提出了基于月球原位含能物质发电的电源系统，通过采集月面富钍克里普岩并进行提炼，实现能量的原位利用，大幅减少初矿运输难度及成本；
(2)本发明提出了基于放射性分选、磁选的稀土元素筛选方式以及萃取分离方式，实现月面环境下的钍元素的分离、提取及纯化；
(3)本发明的方案基于钍基熔盐堆发电方案，相较传统气冷堆及压水堆，其功率密度较高、与环境物质交换少、更易于小型化；同时一次填装材料工作时间可达8-10年，对于月球人员操作困难的场合更为适宜；
(4)传统核反应堆由于需包裹中子并吸收γ射线而必须具备较为厚重的防辐射层，本方案提出在维持核反应堆中子不逃逸的基础上，将释放的γ射线通过光电反应进一步产生电能，从而进一步提升核反应堆工作效率。
(5)发电方案基于闭式氦气循环，相较传统温差发电，其效率可达25-40％；能够实现循环工质的内循环，与外界无物质交换，环境适应性好；同时由于其旋转工作特性，能量密度较高，易于小型化；
(6)本发明提出了多能源集成、多模块功率匹配技术，考虑到航天电力系统的分散性及高可靠性，提出微电网形式组网方式，将太阳能及核能发电有机结合，同时、利用交、直流并网设计，实现多类型能源及负载的协调应用；
(7)提出了以旋转飞轮作为储能环节的电站储能模式。基于月球表面昼夜温差大、真空及低重力环境特性，首先，利用飞轮机械储能的宽温域适应性，可有效减少温度变化对其工作特性的影响；同时，在低重力环境下，在较低的磁浮支撑强度下，飞轮能够以较小的励磁而悬浮于轴承上，可以有效减少励磁损耗；最后，利用真空环境，将飞轮储能的真空抽气设备及外壳去除，更大限度的提升储能密度。飞轮储能的加入，将为电站系统提供削峰填谷、电能质量控制、断电保护、改善电能质量等功能。
附图说明
图1本发明基本流程图；
图2本发明利用月球原位能量发电的电源系统基本结构图；
图中标号：1为燃料处理电源；2为钍基熔盐堆；3为光电反应包裹层；4为回路1；5为中间熔盐环；6为回路2；7为涡轮；8为高速电机；9为压气机；10为回热器；11为散热器；12为整流逆变器；13为微电网；
图3微电网分布结构；
图4-月球飞轮储能结构图。
具体实施方式
由于潮汐锁定，月球自转一周的时间等于一个恒星月(27天7小时43分11.47秒)，在月球上的任何一个地方，一昼夜时间大约相当于地球的14天，其昼夜温差可达200℃，无论是传统的太阳能发电还是同位素核电池，无法为月面基站提供长期、不间断、大功率电能供给，基于该原因，本发明提出一种基于月面原位能源的电源系统，通过采集月面广泛分布的钍元素，形成核燃料，并以钍基熔盐堆形式实现核裂变反应，提供热能，向氦气循环提供热量，将机械能向电能的转换，为微电网提供能源输入，同时，采用飞轮储能作为能量储存单元，为电源系统提供峰谷平衡、应急供电等电能，实现电源系统的长时间不间断运行。
如图1所示，本发明的基本结构由钍基熔盐堆、氦气循环单元、高速电机、高速整流逆变器及分布式电网组成。
首先对月面钍元素进行提炼，形成可以进行利用钍核素燃料，并将其置于钍基熔盐堆内，以核裂变形式释放的中子及能量实现核反应堆的持续运转及能量转化，然后将转化后的热能通过热力循环管路将其运输至涡轮侧进行动力循环热力转换，将热量转化为机械能带动高速电机进行旋转，高速电机转子切割磁感线形成电势差，从而带动高速整流逆变器进行发电及整流，输出直流电供分布式电网进行供配电使用。
月球原位钍元素核燃料处理单元通过月面钍元素含量及丰度分析，探寻钍元素富集区，对克里普岩富含区域进行矿物采集，并经过放射性分选、磁选等方式进行钍元素的采集，然后月面机器人采取萃取实现钍元素的分离、提取及纯化，形成燃料颗粒，为月面基站等长期电能供应设备提供核能燃料。处理方法为现有技术。
钍基熔盐堆选用液体熔盐堆，液体熔盐堆如采用LiF-BeF2-UF4作为溶液溶解ThF4，钍基熔盐在核反应堆的循环回路内部，其相较于固体堆及传统的气冷堆、水冷堆以及金属堆具有安全性高，后处理方便以及燃料的供能冷却双效作用，在月球表面应用更为简单，且具备自持能力，能够持续为电网提供能源。钍通过吸收中子从而产生易裂变核素233U，从而实现核裂变，向外释放能量，熔盐堆采用液体燃料，以氟化铍、氟化锂和氟化锆及溶解在其中的钍或铀的氟化物组成的熔合物，便于液体燃料的注入，无需燃料元件的制作；熔盐具有良好的热导性和低的蒸汽压，熔盐堆在高温、低压状态下运行。熔盐堆的慢化剂由上百根均匀排列、无包壳并带有通道的正六棱柱石墨元件组成，熔融的燃料通过石墨堆芯的通道产生超热中子谱。溶解到盐中的裂变产物，可以连续地被移入化学处理厂进行在线处理。熔盐燃料经过核能吸收，并通过循环泵推动形成循环，将核反应堆热量向中间熔盐环进行热传导，中间熔盐环将热量向氦气工质进行热量传递。中间熔盐环为换热结构，采用液体熔盐堆加热氦气。
经过加热后的氦气具有较高的温度和压力，其推动涡轮旋转，从而带动高速电机及压气机进行工作，高速电机通过切割磁感线向外进行电能输送，整流逆变器将电机三相交流电进行整流，从而向外部输送恒压直流电，同时在氦气循环启动过程中通过飞轮储能的能量进行逆变从而驱动高速电机进行转动，拖动涡轮进行起动。
高温高压的氦气推动涡轮旋转做功，做功后的氦气进入回热器，为压缩机压缩后即将进入中间熔盐环的气体进行预热。压气机经过涡轮的拖动，能够有效压缩氦气，经过压缩后的氦气能够吸收回热器内热量，再次进入回路2，从而实现核能热量的充分利用，提升循环热效率，而经过涡轮做功后的氦气则通过回热器向低温氦气释放一部分热量，再经过散热器形成低温气体进入压气机，从而产生闭式循环，实现月球闭式循环，其循环效率可达25％-40％，远大于静态转换如利用赛贝壳效应的核热电池及碱金属热电转换等，具有突出的技术优势。
另一方面，钍基熔盐核心及熔盐回路以及热回路本身具备极高的功率密度，但其使用过程中将会以释放中子及γ射线的形式进行能量释放，中子是核反应维持的推动力，因此需将中子限制在包壳内部，以实现反应的持续进行，同时，其释放的γ射线携带较高能量，原有技术是将核反应堆进行屏蔽设计，外面包裹铅层，防护设备重量极高，通过研究γ射线光电效应以及结合月面使用环境，可以将中子限定在核反应堆内，而γ射线可以一定程度的向外泄露，基于此应用条件，通过设计光电包裹层，光电反应包裹层采用例如硅、硒等光电材料，吸收光子能量转化为电能，将光子能量转化为电能，穿过光电反应包裹层的则可以进入太空，该方案可一定幅度提升钍核反应堆的能量及功率密度。光电反应包裹侧划分为多个发电单元，进行串并联并升压后并入微电网。
经过整流逆变器形成的电能将汇入分布式电网，组成多能源集成、多模块功率匹配微电网，通过综合分析分布式电源提供功率基点，有效跟踪负荷波动，稳定微网的电压频率等，实现能量的综合利用，并可向外部不同基站的微电网进行能量匹配与输送。分布式电网分别由控制层，能量层和供配电层构成，控制层包括光伏发电控制、钍基熔盐堆控制、储能控制及微电网综合控制组成，实现整个微电网的电能发电，储能及利用的综合控制，分析各航天用电设备的用电需求，并实现功率调节、峰谷补偿等电网综合调配。能量层由太阳能发电单元、钍基熔盐堆以及飞轮储能组成，电网消耗能量主要有钍基熔盐堆提供，太阳能发电单元及储能单元则通过对电网的调节，可实现钍基熔盐堆的短期停堆，燃料注入及检修等停机不发电情况下的电网能量供给，实现整个电源系统的不间断运行，其中储能环节采用的飞轮储能可以有效克服月球复杂环境。供配电层则由直流配电、交流配电及控制配电构成，形成多种供电体系向多个航天负载进行供电。
飞轮储能作为储能环节，其具有良好的月面适应性，基于月球表面昼夜温差大、真空及低重力环境特性，首先，利用飞轮机械储能的宽温域适应性，可有效减少温度变化对其工作特性的影响；同时，在低重力环境下，在较低的磁浮支撑强度下，飞轮能够以较小的励磁而悬浮于轴承上，可以有效减少励磁损耗；最后，利用真空环境，将飞轮储能的真空抽气设备去除，将机械密封外壳更换为碳纤维防护外壳，且设置多孔结构，减轻重量，更大限度的提升储能密度。
月球使用的飞轮相较地面应用飞轮具有除具有相同的磁悬浮轴承，旋转电机、储能飞轮以及整流逆变器以外，其无需安装厚重的真空外壳及抽真空设备，同时，考虑月球重力只是地球重力的六分之一，磁悬浮轴承的消耗功率远小于地球使用环境，因此采用飞轮储能作为月球基站能量储存单元具有突出优势。
本发明的技术方案经地面模拟月面环境试验验证，能够满足供电功率为100kW～1MW，不间断供电1年，飞轮能够储存200kWh的电能。
与现有国内外现有方案相比，可实现月球原位能量的利用，减少由地球向太空携带核素燃料，同时，由于采用核能发电，可保证月夜条件下依旧具备能量输出，使基站电能用户无需进入休眠模式。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，包括核反应发电系统；核反应发电系统包括核反应堆、中间熔盐环、涡轮、高速电机、压气机、回热器以及散热器；
核反应堆采用月球原位钍元素作为核燃料，向中间熔盐环进行热传导；
中间熔盐环为换热结构，利用核反应堆生成的热量加热氦气；获得高温高压的氦气推动涡轮旋转，带动高速电机切割磁感线产生电能供电，流经涡轮的氦气经回热器初步放热后进入散热器，经过散热后的氦气进入压气机进行压缩，压气机在涡轮的带动下压缩氦气；压缩后的氦气经回热器由流经回热器的涡轮出口预热后返回中间熔盐环加热。
2.如权利要求1所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，核燃料为钍基熔盐堆，采用LiF-BeF2-UF4作为溶液溶解ThF4；LiF-BeF2-UF4封闭在核反应发电系统第一回路内部，ThF4通过月面采集钍元素，处理后获得。
3.如权利要求2所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，氦气封闭在核反应发电系统第二回路内部。
4.如权利要求2所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，核反应堆外面包裹光电反应包裹层，将核反应过程中泄露的射线能量转化为电能，处理后接入月球原位能量发电的电源系统。
5.如权利要求1所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，还包括飞轮，将月球原位能量发电的电源系统多余的电能转换为机械能进行储能。
6.如权利要求5所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，飞轮采用磁悬浮轴承连接，使其处于悬浮状态，飞轮不设置外壳和抽真空设备。
7.如权利要求1所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，还包括光伏发电系统，将太阳能转换为电能进行供电输出。
8.如权利要求6所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，当核反应发电系统供电出现故障时，由飞轮将机械能转换为电能供电。
9.如权利要求1所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，核反应发电系统供电功率为100kW～1MW。
10.如权利要求1所述的利用月球原位能量发电的电源系统，其特征在于，高速电机采用高速开关磁阻电机。
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