CN113494432B - 核热热声发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热声发电与高温气冷堆技术领域，公开了一种核热热声发电系统，包括反应堆堆芯、回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，调相器包括调相气缸以及设于调相气缸内的调相活塞；反应堆堆芯内的气体流道连接于调相气缸的一端，以形成膨胀腔；调相气缸的另一端、直线电机的缸体与冷端换热器的气体换热侧的进口相互连接，以形成压缩腔；冷端换热器的气体换热侧的出口、回热器和反应堆堆芯内的气体流道顺次连通；反应堆堆芯与调相器间隔布置，且反应堆堆芯与调相器之间、以及反应堆堆芯、膨胀腔、回热器和冷端换热器的外侧均布置有屏蔽层。该核热热声发电系统具有使用寿命长、结构紧凑等优点，可实现百千瓦到兆瓦级的可移动式核电源。

Description

核热热声发电系统

技术领域

本发明涉及热声发电与高温气冷堆技术领域，尤其涉及一种核热热声发电系统。

背景技术

紧凑型热声发电系统在MW级及以下发电功率范围具有效率高、可靠性高、长寿命、免维护、可静音、比体积功率高等优势，在发展移动与分布式电源技术方面具有独特的优势。在水下与空间动力，太阳能发电，家庭热电联供等方面均具有较大应用潜力。热声发电基于可压缩工质在温度梯度的作用下产生并维持声学振荡，从而推动声电换能器最终转换为电能。

热声发电机的热能可通过外部导入，具有广泛的热源适应性。但另一方面，热声发电系统中的换热器主要靠进、出口效应换热，换热长度由工质在换热器中往复运动行程决定，这就决定了系统中的换热器所需有效长度受限，例如壳管式换热器一般在100mm以下，燃烧的管束式换热器虽然可显著增长，但为了达到近百米的高流速，管道根数同样受限，因此对外热源的能量密度和温度要求非常高。另一方面功率的增大主要由横截面积的增大实现，单一方向的尺寸变化较难适应各种热源形式。因此，发动机内部工质对换热器的紧凑性要求决定了其对外热源交界面上的高功率密度要求，这在发展10kW发电功率以上的系统中往往成为关键技术问题。

高温气冷堆是一种具有良好安全特性的堆型，采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础，同时堆芯反应性温度系数(燃料和慢化剂温度系数之和)均为负，具有瞬发效应的燃料温度系数也为负，因此高温气冷堆具有固有安全性。如果结合高温气冷堆的固有安全性与热声发电机的紧凑性，则可获得一种理想的可移动式核电源装置。但如果仅仅是简单将热声发动机中的换热器区域置换为带流道的核燃料，核反应堆一旦启动后，其堆芯的辐射强度非常强，只有少量特殊材料能耐受，而直线电机使用的一些材料如绝缘胶，磁铁等重要功能材料对核辐射强度的耐受力则非常有限，即使常规核电站中采用的核用级材料，也是使用在远离堆芯的低辐照强度下。同时，调相器直面反应堆往复运动，会引起堆内中子的周期性波动，不利于反应堆稳定运行。另一方面，由于热声发电系统属于声学谐振特性，系统的所有部件之间是高度耦合的，任意部件的变化均会显著影响整机系统，这与具有稳定循环的热机系统是完全不同的。这一特点也决定了不同应用场景需要定制化整机设计，而很难采用通用设备或管道连接进行简单组合。

发明内容

本发明实施例提供一种核热热声发电系统，用以解决将核反应堆内置于热声发电系统热端换热器内部时，所产生的辐射防护问题以及核堆稳定运行问题。

本发明实施例提供一种核热热声发电系统，包括反应堆堆芯以及至少一个回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，所述调相器与所述直线电机相对设置，所述调相器包括调相气缸以及设于所述调相气缸内的调相活塞；所述反应堆堆芯内设有气体流道，所述气体流道连接于所述调相气缸的一端，所述调相气缸的另一端、所述直线电机的缸体与所述冷端换热器的气体换热侧的进口相互连接，所述冷端换热器的气体换热侧的出口、所述回热器和所述反应堆堆芯内的气体流道顺次连通；

所述调相活塞的一端与所述气体流道之间形成膨胀腔，所述调相活塞的另一端、所述直线电机的活塞与所述冷端换热器的气体换热侧的进口之间形成压缩腔；所述直线电机的活塞由所述压缩腔内的压力波动带动而往复运动；

所述反应堆堆芯与所述调相器间隔布置，且所述反应堆堆芯与所述调相器之间、以及所述反应堆堆芯、所述膨胀腔、所述回热器和所述冷端换热器的外侧均布置有屏蔽层。

其中，所述反应堆堆芯包括两块间隔且对称设置的燃料元件，两个所述燃料元件之间构成堆芯间隙；所述回热器和所述冷端换热器的数量均为两个，且两个所述回热器和两个所述冷端换热器均沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置；所述调相器的数量为偶数个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机，且每两个所述调相器沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置，构成一组调相组件；所述调相组件中的两个相对的所述调相活塞之间的腔体与所述堆芯间隙相连通，并共同构成膨胀腔。

其中，多个所述调相组件沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述堆芯间隙的中轴面；位于所述堆芯间隙的中轴面的同一侧的所述直线电机的缸体共同连接于同侧的所述冷端换热器的气体换热侧的进口。

其中，所述调相器的数量为多个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机；多个所述调相器沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，且均位于所述膨胀腔的同一侧；所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述膨胀腔的中轴面；所述回热器和所述冷端换热器的数量为一个，多个所述直线电机的缸体共同连接于所述冷端换热器的气体换热侧的进口。

其中，还包括至少一组控制棒，所述控制棒插装于所述反应堆堆芯内。

其中，还包括承压壳，所述反应堆堆芯、所述回热器、所述冷端换热器、所述调相器和所述直线电机均安装于所述承压壳内，所述承压壳内以及所述气体流道内均充入气体工质。

其中，还包括穿设于所述承压壳的冷却剂进出耐压套，所述冷却剂进出耐压套的一端连接于所述冷端换热器的冷却剂换热侧，所述冷却剂进出耐压套的另一端用于连接外部的冷却系统。

其中，所述屏蔽层包括设置于所述反应堆堆芯、所述回热器和所述膨胀腔的外侧的第一屏蔽层以及设置于所述冷端换热器的外侧的第二屏蔽层；所述第一屏蔽层包括依次叠设的高温屏蔽层、保温层和中低温屏蔽层，所述高温屏蔽层贴附于所述反应堆堆芯的中子反射层；所述第二屏蔽层采用常温屏蔽材料。

其中，所述回热器和所述冷端换热器均采用抗辐照金属材料。

其中，所述调相活塞朝向所述膨胀腔的一侧罩设有隔热筒，所述隔热筒采用抗辐照金属材料。

本发明实施例提供的核热热声发电系统，包括反应堆堆芯以及至少一个回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，调相器包括调相气缸以及设于调相气缸内的调相活塞，调相活塞的一端与气体流道之间形成膨胀腔，调相活塞的另一端、直线电机的活塞与冷端换热器的气体换热侧的进口之间形成压缩腔；气体工质通过反应堆堆芯中的气体流道，吸收反应堆中的热量，通过回热器将从冷端换热器中输入的声功放大，放大的声功通过膨胀腔进入调相器，并由调相器传递至压缩腔，压缩腔携带的声功一部分推动直线电机转换为电能输出，从而实现核热到电能的转换，同时另一部分声功从冷端换热器反馈回回热器，构成循环回路。该核热热声发电系统具有使用寿命长、结构紧凑等优点，可实现百千瓦到兆瓦级的高效、可靠的可移动式核电源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种核热热声发电系统的结构示意简图；

图2是本发明实施例中的另一种核热热声发电系统的结构示意简图；

图3是本发明实施例中的又一种核热热声发电系统的结构示意图；

图4是图3中的调相器和直线电机部分的放大示意图；

图5是图3中的核热热声发电系统沿堆芯间隙的中轴面的剖视图。

附图标记说明：

1、反应堆堆芯； 11、气体流道； 12、中子反射层；

2、回热器； 3、冷端换热器； 31、换热气隙；

32、冷却剂进出耐压套；

4、调相器； 41、调相气缸； 42、调相活塞；

43、隔热筒； 44、热端气体弹簧； 45、冷端气体弹簧；

5、直线电机； 51、直线电机的活塞； 52、定子；

6、屏蔽层； 61、第一屏蔽层； 611、高温屏蔽层；

612、保温层； 613、中低温屏蔽层； 62、第二屏蔽层；

7、承压壳； 8、氦气； 9、控制棒；

10、膨胀腔； 101、堆芯间隙； 102、热端气路；

103、调相活塞之间的腔体；

20、压缩腔； 201、主压缩腔； 202、冷端气路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的一种核热热声发电系统，包括反应堆堆芯1以及至少一个回热器2、至少一个冷端换热器3、至少一个调相器4和至少一个直线电机5，调相器4和直线电机5相对设置，每个调相器4均对应一个或者多个直线电机5，当调相器4对应一个直线电机5时，调相器4与直线电机5同轴对置；当调相器4对应多个直线电机5时，调相器4的轴线和多个直线电机5的轴线相互平行，且多个直线电机5的缸体相互连通，以共用一个调相器4。如图4所示，调相器4包括调相气缸41以及可在调相气缸41内自由滑动的调相活塞42。

反应堆堆芯1内设有气体流道11，气体流道11连接于调相气缸41的一端，调相气缸41的另一端、直线电机5的缸体与冷端换热器3的气体换热侧的进口相互连接，冷端换热器3的气体换热侧、回热器2和气体流道11顺次连通。

调相活塞42的一端与气体流道11之间形成膨胀腔10，调相活塞42的另一端、直线电机的活塞51与冷端换热器3的气体换热侧的进口之间形成压缩腔20。直线电机的活塞51由压缩腔20内的压力波动带动而往复运动，进而切割定子52的磁力线，将声功转换为电能输出。

反应堆堆芯1与调相器4间隔布置，反应堆堆芯1与调相器4之间，以及反应堆堆芯1、膨胀腔10、回热器2和冷端换热器3的外侧均布置有屏蔽层6。

具体地，由于在热声发动机中，气体工质在温度梯度的作用下可以产生并维持声学振荡，本实施例中的反应堆堆芯1即作为高温端换热器，反应堆堆芯1中有气体流道11，气体工质流过气体流道11时可以吸收反应堆中的热量。更具体地，如图5所示，反应堆堆芯1可以采用多孔结构，反应堆堆芯1中的孔隙即构成气体流道11。此外，反应堆堆芯1内还可以设置其他形式的孔道，只要能实现气体工质的流通以及与核燃料之间的换热即可，此处不做限制。

声功由冷端换热器3中输入，经回热器2被放大，放大的声功通过膨胀腔10进入调相器4，并由调相器4传递至压缩腔20，压缩腔20携带的声功一部分推动直线电机的活塞51往复运动，进而切割直线电机5内的定子52产生的磁力线，将声能转换为电能输出；另一部分声功则从冷端换热器3反馈回回热器2，重复循环。气体工质与反应堆堆芯1进行热交换而产生的周期性膨胀和压缩，进而通过膨胀腔10和压缩腔20使调相器4和直线电机的活塞51获得机械能，直线电机的活塞51做往复的切割定子52的磁力线的运动，从而将机械能转换为电能，最终实现核热到电能的转换。

反应堆堆芯1可以为柱状结构，两侧分别连接回热器2与调相气缸41，回热器2可以与反应堆堆芯1同轴布置。将调相器4布置到与反应堆堆芯1以及回热器2的轴线平行但间隔开的位置，通过膨胀腔10连接反应堆堆芯内的气体流道11与调相活塞42。直线电机5则布置在与调相器4同轴但靠近冷端换热器3的一侧，直线电机的活塞51与调相活塞42的冷端之间构成主压缩腔201，主压缩腔201通过冷端气路202连通于冷端换热器3的气体换热侧(可以为换热气隙31)，主压缩腔201和冷端气路202共同形成压缩腔20，即压缩腔20由调相活塞42的冷端、直线电机的活塞51与冷端换热器3的气体换热侧的进口之间围设的腔体构成。

调相器4与反应堆堆芯1之间，以及膨胀腔10、冷端换热器3、回热器2、反应堆堆芯1的外侧均布置有屏蔽层6。屏蔽层6可以采用多层屏蔽，对γ射线屏蔽，通常选择钢、铅、普通混凝土和重混凝土。钢的强度最好，但价格较高；铅的优点是密度高，因此铅屏蔽厚度较小；混凝土比金属便宜，但密度较小，因而屏蔽层厚度比其他的都大。

将耐辐照特性最为脆弱的直线电机5放置在反应堆堆芯1的屏蔽层6以外，从而大大延长了系统的可靠性与使用寿命。同时，往复运动的调相器4也位于反应堆堆芯1的屏蔽层6外侧，其运动对反应堆堆芯1中的中子分布影响大大减弱，从而保证了反应堆堆芯1的稳定运行。

图1示出了一种单堆单电机的形式，回热器2、冷端换热器3、调相器4和直线电机5的数量均为一个；图2示出了一种单堆对置电机的形式，回热器2、冷端换热器3、调相器4和直线电机5的数量均为两个；图3示出了一种兆瓦级发电量的核热热声发电系统，包括两个回热器2和两个冷端换热器3以及多个调相器4和多个直线电机5。此外，回热器2、冷端换热器3、调相器4和直线电机5的数量均可以根据布置需要设置多个，只要保证彼此之间的气路连接关系即可。

本实施例提供的一种核热热声发电系统，包括反应堆堆芯1以及至少一个回热器2、冷端换热器3、调相器4和直线电机5，调相器4包括调相气缸41以及设于调相气缸41内的调相活塞42，调相活塞42的一端与气体流道11之间形成膨胀腔10，调相活塞42的另一端、直线电机的活塞51与冷端换热器3的气体换热侧的进口之间形成压缩腔20；气体工质通过反应堆堆芯1中的气体流道11，吸收反应堆中的热量，通过回热器2将从冷端换热器3中输入的声功放大，放大的声功通过膨胀腔10进入调相器4，并由调相器4传递至压缩腔20，压缩腔20携带的声功一部分推动直线电机5转换为电能输出，从而实现核热到电能的转换；同时另一部分声功从冷端换热器3反馈回回热器2，构成循环回路。该核热热声发电系统具有使用寿命长、结构紧凑等优点，可实现百千瓦到兆瓦级的高效、可靠的可移动式核电源。

进一步地，如图2至图5所示，反应堆堆芯1包括两块间隔且对称设置的燃料元件，两个燃料元件之间构成堆芯间隙101。回热器2和冷端换热器3数量均为两个，且两个回热器2和两个冷端换热器3均沿堆芯间隙101的中轴面对称布置。

调相器4的数量为偶数个，每个调相器4均对应至少一个直线电机5，且每两个调相器4沿堆芯间隙101的中轴面对称布置，构成一组调相组件；调相组件中的两个相对的调相活塞之间的腔体103与堆芯间隙101通过热端气路102相连通，并共同构成膨胀腔10。

具体地，两个调相器4沿堆芯间隙101的中轴面对称布置，可以共用膨胀腔10，进而可以产生相对往复运动，进而将振动抵消。反应堆堆芯1的反应性由对置的两块燃料元件共同决定，组成一个反应堆整体，只是在反应堆堆芯1的中心留有连接膨胀腔10的气体流道11，从而可实现动子完全对置的发电机系统，可获得无振动的静音核热电源系统。

更进一步地，如图3至图5所示，多个调相组件沿反应堆堆芯1的中心线呈周向均匀布置，反应堆堆芯1的中心线垂直于堆芯间隙101的中轴面。位于堆芯间隙101的中轴面的同一侧的直线电机5的缸体共同连接于同侧的冷端换热器3的气体换热侧的进口，即图3中位于堆芯间隙101的中轴面的左侧的直线电机5的缸体共同通过冷端气路202连接于左侧的冷端换热器3的换热气隙31。直线电机的活塞51与调相活塞42的冷端之间构成主压缩腔201，主压缩腔201和冷端气路202共同形成压缩腔20。

具体地，调相组件的具体数量根据反应堆堆芯1的功率与直线电机5的功率的匹配决定。由于反应堆堆芯1的功率很容易做大，但直线电机5的功率则相比而言较难做大，因此采用多组对置直线电机5的方式更易实现大功率核热热声发电系统。

更具体地，如图4所示，本实施例中的调相器4包括调相活塞42和调相气缸41，调相活塞42包括依次连接的热端活塞块、中间连杆和冷端活塞块，调相气缸41的中部设有圆形挡板，以将调相气缸41分隔为热端缸体和冷端缸体，冷端缸体用于形成压缩腔20，热端缸体用于形成膨胀腔10。中间连杆穿设于圆形挡板，热端活塞块与热端缸体间隙配合，热端活塞块与圆形挡板之间的间隙形成热端气体弹簧44。冷端活塞块与冷端缸体间隙配合，冷端活塞块与圆形挡板之间的间隙形成冷端气体弹簧45。

更进一步地，如图4所示，调相活塞42朝向膨胀腔10的一侧罩设有隔热筒43，隔热筒43可以采用抗辐照金属材料制成，如高温镍基合金，用于抗辐射，提高调相活塞42的使用寿命。更具体地，还可以在隔热筒43内部放置薄金属片，降低热辐射损失。

进一步地，调相器4的数量为多个，每个调相器4均对应至少一个直线电机5；多个调相器4沿反应堆堆芯1的中心线呈周向均匀布置，且均位于所述膨胀腔10的同一侧；反应堆堆芯1的中心线垂直于膨胀腔10的中轴面；回热器2和冷端换热器3的数量为一个，多个直线电机5的缸体共同连接于冷端换热器3的气体换热侧的进口。相当于将图1中的单堆单电机的结构沿反应堆堆芯1的中心线呈周向均匀对称设置多组。

在上述实施例的基础上，如图1至图5所示，还包括承压壳7，反应堆堆芯1、回热器2、冷端换热器3、调相器4和直线电机5均安装于承压壳7内，承压壳7内、气体流道11内以及回热器2、冷端换热器3、调相器4、膨胀腔10和压缩腔20中的气路均充入气体工质，且气体工质的压力均相同。气体工质可以为惰性气体，本实施例中采用氦气8。

通过设置单独的承压壳7可以解决系统中热应力与静压耦合时带来的应力问题，特别是在大功率情况下，因截面积增大这一问题更为显著。尤其是对于回热器2而言，由于回热器2处于反应堆堆芯1和冷端换热器3之间，温差较大(例如高温650摄氏度，低温30摄氏度)，且回热器很短(一般小于100mm)，因此温度梯度很大。一个物体两端的温度梯度越大，其两端的变形差异就越大，其产生的热应力问题甚至会导致结构失效。通常为了减小这一热应力的影响，要求结构件在横向尺寸上越薄越好，即回热器2的外套筒壁面要做薄；但回热器2内部要与外界隔绝，内部如果通有高压气体工质，由于静压承载则要求外套筒壁面越厚越好，二者相互矛盾。本实施例将核热热声发电系统中的所有流道壁面置于高压环境中，将静压承载转移到最外面的承压壳7，使得回热器2的外套筒壁面无需承受气体工作压力的静压差，从而该热声发电系统各部件的流道壁面只需要承受压力波动的影响，从而解决了大功率下的复杂应力问题。

在上述实施例的基础上，如图1至图5所示，还包括至少一组控制棒9，控制棒9插装于反应堆堆芯1内。控制棒9的套管可从承压壳7的两侧贯通，连为一体，控制棒9则可在常压下工作。通过控制棒9来控制反应堆的反应性。

进一步地，还包括穿设于承压壳7的冷却剂进出耐压套32，冷却剂进出耐压套32的一端连接于冷端换热器3的冷却剂换热侧，冷却剂进出耐压套32的另一端用于连接外部的冷却系统。冷却剂可以采用水或者其他冷却剂。

更进一步地，回热器2和冷端换热器3均采用抗辐照金属材料，能起到较好的辐射屏蔽作用。回热器2可以采用层叠的不锈钢丝网结构。冷端换热器3可以采用管壳式换热器，也可采用3D打印或者印刷电路板式换热器构造复杂结构，只要能实现气体换热侧和冷却剂换热侧的有效换热即可。因此，通过屏蔽层6以及冷端换热器3可以将直线电机5与调相器4处的辐射剂量大幅度降低，而处在强辐射场的系统部件只有纯金属组建，采用耐辐射特性好的金属材料即可解决，从而大大延长了系统的可靠性与使用寿命。

在上述实施例的基础上，如图3所示，屏蔽层6包括设置于反应堆堆芯1、回热器2和膨胀腔10的外侧的第一屏蔽层61以及设置于冷端换热器3的外侧的第二屏蔽层62。第一屏蔽层61包括依次叠设的高温屏蔽层611、保温层612和中低温屏蔽层613，高温屏蔽层611贴附于反应堆堆芯1的中子反射层12。第二屏蔽层62采用常温屏蔽材料。

中子反射层12是指包在裂变装料外层、中子吸收截面很小的、能把核装料中逸出的部分中子反射回裂变装料的壳层，通常由铍、石墨等材料制成。第一屏蔽层61由高温屏蔽层611、保温层612和中低温屏蔽层613组成一个整体结构，但是会设置不同温区材料，并在其中增加隔热材料。屏蔽材料有很多，高温屏蔽层611主要采用可以耐高温的屏蔽材料，例如金属材料或氢化锆；中低温屏蔽层613采用耐温特性较弱的屏蔽材料，例如采用含氢高的材料如氢化锂；中间的保温层612则采用隔热性能良好的材料，将高温屏蔽层611和中低温屏蔽层613进行区分。通过设置多层不同温区的屏蔽层，提高屏蔽层6的屏蔽效果，同时降低高温对热声发电系统中的其他部件的热力影响。

在一个具体地实施例中，以图3所示实施例中的核热热声发电系统作为1MWe发电量输出时，其主要参数如下：氦气8的工作压力为15MPa，反应堆堆芯1的发热量为4MWe，发动机工作温区为315K～773K，发电机的热电效率25％，按八对直线电机5对置布置(即包括八对调相器4，十六台直线电机5)，每台直线电机5的发电功率为62.5kW。承压壳7的最外直径为2.3m，承压壳7内的发电机系统轴向长度小于3m，承压壳7的轴向最大长度可小于5m，总重量小于20吨，该结构的尺寸和重量小于现有的20英寸标准罐式集装箱的尺寸与载重，因而可以做到真正的可移动式高效核电源。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的核热热声发电系统，包括反应堆堆芯1以及至少一个回热器2、冷端换热器3、调相器4和直线电机5，调相器4包括调相气缸41以及设于调相气缸41内的调相活塞42，调相活塞42的一端与气体流道11之间形成膨胀腔10，调相活塞42的另一端、直线电机的活塞51与冷端换热器3的气体换热侧的进口之间形成压缩腔20；气体工质通过反应堆堆芯1中的气体流道11，吸收反应堆中的热量，通过回热器2将从冷端换热器3中输入的声功放大，放大的声功通过膨胀腔10进入调相器4，并由调相器4传递至压缩腔20，压缩腔20携带的声功一部分推动直线电机5转换为电能输出，从而实现核热到电能的转换；同时另一部分声功从冷端换热器3反馈回回热器2，构成循环回路。该核热热声发电系统具有使用寿命长、结构紧凑等优点，可实现百千瓦到兆瓦级的高效、可靠的可移动式核电源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种核热热声发电系统，其特征在于，包括反应堆堆芯以及至少一个回热器、冷端换热器、调相器和直线电机，所述调相器与所述直线电机相对设置，所述调相器包括调相气缸以及设于所述调相气缸内的调相活塞；所述反应堆堆芯内设有气体流道，所述气体流道连接于所述调相气缸的一端，所述调相气缸的另一端、所述直线电机的缸体与所述冷端换热器的气体换热侧的进口相互连接，所述冷端换热器的气体换热侧的出口、所述回热器和所述反应堆堆芯内的气体流道顺次连通；

所述调相活塞的一端与所述气体流道之间形成膨胀腔，所述调相活塞的另一端、所述直线电机的活塞与所述冷端换热器的气体换热侧的进口之间形成压缩腔；所述直线电机的活塞由所述压缩腔内的压力波动带动而往复运动；

所述反应堆堆芯与所述调相器间隔布置，且所述反应堆堆芯与所述调相器之间、以及所述反应堆堆芯、所述膨胀腔、所述回热器和所述冷端换热器的外侧均布置有屏蔽层。

2.根据权利要求1所述的核热热声发电系统，其特征在于，所述反应堆堆芯包括两块间隔且对称设置的燃料元件，两个所述燃料元件之间构成堆芯间隙；所述回热器和所述冷端换热器的数量均为两个，且两个所述回热器和两个所述冷端换热器均沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置；

所述调相器的数量为偶数个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机，且每两个所述调相器沿所述堆芯间隙的中轴面对称布置，构成一组调相组件；所述调相组件中的两个相对的所述调相活塞之间的腔体与所述堆芯间隙相连通，并共同构成膨胀腔。

3.根据权利要求2所述的核热热声发电系统，其特征在于，多个所述调相组件沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述堆芯间隙的中轴面；位于所述堆芯间隙的中轴面的同一侧的所述直线电机的缸体共同连接于同侧的所述冷端换热器的气体换热侧的进口。

4.根据权利要求1所述的核热热声发电系统，其特征在于，所述调相器的数量为多个，每个所述调相器均对应至少一个所述直线电机；多个所述调相器沿所述反应堆堆芯的中心线呈周向均匀布置，且均位于所述膨胀腔的同一侧；所述反应堆堆芯的中心线垂直于所述膨胀腔的中轴面；所述回热器和所述冷端换热器的数量为一个，多个所述直线电机的缸体共同连接于所述冷端换热器的气体换热侧的进口。

5.根据权利要求1所述的核热热声发电系统，其特征在于，还包括至少一组控制棒，所述控制棒插装于所述反应堆堆芯内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的核热热声发电系统，其特征在于，还包括承压壳，所述反应堆堆芯、所述回热器、所述冷端换热器、所述调相器和所述直线电机均安装于所述承压壳内，所述承压壳内以及所述气体流道内均充入气体工质。

7.根据权利要求6所述的核热热声发电系统，其特征在于，还包括穿设于所述承压壳的冷却剂进出耐压套，所述冷却剂进出耐压套的一端连接于所述冷端换热器的冷却剂换热侧，所述冷却剂进出耐压套的另一端用于连接外部的冷却系统。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的核热热声发电系统，其特征在于，所述屏蔽层包括设置于所述反应堆堆芯、所述回热器和所述膨胀腔的外侧的第一屏蔽层以及设置于所述冷端换热器的外侧的第二屏蔽层；

所述第一屏蔽层包括依次叠设的高温屏蔽层、保温层和中低温屏蔽层，所述高温屏蔽层贴附于所述反应堆堆芯的中子反射层；

所述第二屏蔽层采用常温屏蔽材料。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的核热热声发电系统，其特征在于，所述回热器和所述冷端换热器均采用抗辐照金属材料。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的核热热声发电系统，其特征在于，所述调相活塞朝向所述膨胀腔的一侧罩设有隔热筒，所述隔热筒采用抗辐照金属材料。

Images