[科普中国]-布雷顿/朗肯底循环

布雷顿/朗肯底循环是美、俄发展大功率空间核动力的主要研究方向。一是这种转换的功率范围宽，功率可以从数十千瓦（如法国20 KW的空间核电源）到兆瓦级（如俄罗斯热功率为3 Mw，电功率为0.8 Mw的电推进电源)；二是它可以采用高温气冷反应堆，反应堆一回路也可以采用液态金属冷却，二回路采用气体布雷顿循环。三是它适于双模式（核热推进和发电两用）反应堆。但它的轴速每分钟达到3万～6万转，如何防止转轴磨损、在空间条件下保持系统的正常运行等技术需要突破。1

在空间电源上的应用布雷顿循环可以是开式循环，也可以是闭式循环。在核反应堆热源中只能采用闭式循环。有两种结构形式：一类是气体工质通过核反应堆的一回路热交换器进行热交换，一般用锂做核反应堆的冷却剂。这样的反应堆结构紧凑，运行温度在1600K以下（锂的沸点约1620K），但有两条主回路；第二类是气体工质直接通过核反应堆堆芯，由燃料元件加热气体工质。

1)高温液态金属冷却反应堆布雷顿循环

法国于1986年提出以NaK为冷却剂、UO2为燃料的快中子反应堆，热电转换采用双布雷顿循环，热管辐射冷却器散热。输出电功率为20kW，热电转换效率达21%，设计寿命为7年。由于余热排放温度低(509K)，因此，辐射冷却器面积大。

2)高温气体冷却反应堆布雷顿循环

气体工质直接通过反应堆堆芯，被加热到1123 K以上，这一高温高压气体，直接推动氦气涡轮机带动发电机发电，同时也带动压气机压缩氦气。涡轮机的尾气经回热器低压侧后将余热传输给高压侧氦气，然后进入预冷器，降至低温。低温氦气进入有中间冷却器的（氦气）机组后被压缩成高压氦气，然后进入回热器高压侧被加热至接近涡轮机的排气温度，最后进入反应堆堆芯，重复循环过程。1

原理在这种系统中，聚集在接收器上的太阳能被传递给布雷顿（Brayton）发动机实现热电转换。整个系统包括涡轮发动机、压缩机以及转子式交流发电机。工作流体为惰性气体，气体从接收器进入涡轮机后膨胀，在热交换机中降温后被压缩，再进入太阳能接收器加热完成一个循环，其中在热交换机中由液体冷却机吸收废热。在涡轮和接收机人口之间加装回热式热交换机可以改善热动力循环效率。旋转式交流发电机输出频率为1kHz三相交流电，以备进一步调制和分配。闭合循环的布雷顿转换系统的主要优点在于它的转换效率高（达到40%）、工作寿命长（达到30年）和循环费用低。这些优点对于要求提供大功率和压缩气体的系统来说是非常重要的。NASA的Glenn中心已经用氙离子推进器演示了功率为2kW的布雷顿循环机的能量转换装置。该项测试是作为核电推进器实验的一部分进行的。试验显示这种转换器可以提供高电压，并能把电压调节到离子推进器要求的范围。2

改进改善布雷顿（Brayton）循环效率的主要途径有两条：一是采取回热、再热与间冷等措施，另一个是将多种热力循环有机结合的联合循环手段。

高温气冷堆采用氦气作为冷却剂，反应堆出口氦气温度可高达850～1300℃，因而有条件采用多种热力循环实现能量转换。

布雷顿闭式循环高温气冷堆布雷顿闭式循环相结合，主要采取回热和间冷组合的热力措施，来大幅度提高循环效率和比功。因此，这种系统具有高初温、高效率、高比功、良好的变工况特性以及改善系统性能的最大潜力。

布雷顿-朗肯底循环将高循环初温的布雷顿闭式氦气循环和低排热温度的朗肯闭式蒸汽循环相结合，利用蒸汽循环吸收氦气循环的高温排热，实现能量的梯级利用，进而提高能量的利用水平。3

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学