月球基地闭环核能磁流体发电技术初步研究

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1、第２３卷第２期载人航天Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．２２０１７年４月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｐｒ．２０１７月球基地闭环核能磁流体发电技术初步研究刘飞标，朱安文（北京空间飞行器总体设计部，北京１０００９４）摘要：针对未来月球基地能源需求，提出了百千瓦级的月球基地核电源系统方案，并给出了整个核电源系统的设计参数。在此基础上，针对该系统中的盘式磁流体发电机进行了设计和初步性能分析。结果表明：该系统方案可满足百千瓦级月球基地能源需求。盘式磁流体发电机具有结构紧凑、发电效率高、对应磁体系统简单、不涉及旋转部件等优点，采用磁流体发电机的高温气体闭环核能发电系统可为月球表面核反应堆电源设计提供参考。关键词：

2、月球基地；核反应堆电源；盘式磁流体发电机中图分类号：Ｖ４４２文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１７）０２⁃０２０２⁃０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｌｏｓｅｄＣｙｃｌｅｎｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ（ＭＨＤ）ＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＬｕｎａｒＢａｓｅＬＩＵＦｅｉｂｉａｏ，ＺＨＵＡｎｗｅｎ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌｕｎａｒｂａｓｅ，ａｍｕｌｔｉ⁃ｈｕ

3、ｎｄｒｅｄｋｉｌｏｗａｔｔｓｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｉｓｋｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ（ＭＨＤ）ｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｉｍａｒｙａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｍｕｌｔｉ⁃ｈｕｎｄｒｅｄｋｉｌｏｗａｔｔｓＬｕｎａｒｂａｓｅｐｏｗｅｒｒｅｑｕｉｒｅ⁃ｍｅｎｔ．ＩｔｉｓｋｎｏｗｎｔｈａｔｄｉｓｋＭ

4、ＨＤｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｈａｖｅｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｃｏｍｐａｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ⁃ｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｉｍｐｅｒｍａｇｎｅｔ，ａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｗｉｔｈｎｏｍｏｖｉｎｇｐａｒｔｓ．ＴｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇａｓＣＣＭＨＤ（ｃｌｏｓｅｄｃｙｃｌｅＭＨＤ）ｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｌｕｎａｒｂａｓｅｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃ⁃ｔｏｒｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｕｎａｒｂａｓｅ；ｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒｐｏｗｅｒ；ｄｉｓｋｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ（ＭＨＤ

5、）ｇｅｎｅｒａｔｏｒ无人的月球基地供电。用于为月球表面供电的核１引言裂变技术将与地球表面的截然不同，无需建造冷［２］针对未来月球基地能源需求，考虑核能发电却塔等大型设施。功率大、环境适应性好的特点，ＮＡＳＡ于２００６年与传统的郎肯循环、布雷顿循环、斯特林循环启动了ＦＳＰ计划，为月球基地设计了４０ｋＷ级核不同，磁流体发电是一种直接的热电转换过程，没反应堆电源系统ＦＳＰ（ＦｉｓｓｉｏｎＳｕｒｆａｃｅＰｏｗｅｒ），并有旋转部件，转换效率高、能量密度大。而且由于［１］开展地面样机研制工作。ＦＳＰ采用低温出口磁流体发电运行温度高，可大大提高散热温度，减（＜９００Ｋ）反应堆结合斯特林循环进行发电，发小散热

6、器的质量，应用于空间的前景非常广阔，日［３］［４］［５］［６］［７］出的单相交流电需转化为直流电使用。２０１１年本、美国、俄罗斯、印度、意大利等都美国能源部负责人表示，ＮＡＳＡ和能源部将合作开展了基于磁流体发电的核电源技术研究。磁流在月球、火星和其他行星上建立核电站，为有人或体发电采用导电流体代替固体导体，并使导电流收稿日期：２０１６⁃０２⁃２６；修回日期：２０１７⁃０２⁃２３基金项目：载人航天预先研究项目（０６０２０３）第一作者：刘飞标，男，硕士，助理工程师，研究方向为航天器系统总体。Ｅｍａｉｌ：ｆｅｉｂｉａｏ８８１１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ第２期刘飞标，等．月球基地闭环核能磁流体发电技术初步研究

7、２０３体以一定速度通过与流动方向相互垂直的磁场，以完美匹配磁流体发电机工作。［８］切割磁力线而感生电动势，从而产生电能。目前，磁流体发电机主要分为两种：盘式和直线型，［９］其中盘式结构更紧凑、使用的磁体也更简单，更适用于空间应用。经过多年的发展，盘式发电３机的３０％焓提取率及１００ＭＷ／ｍ功率密度已经［１０］得到地面验证。在磁流体发电机设计方面，鲜有详细介绍盘式磁流体发电机的文献。文献［１１］只给