布雷頓/朗肯底循環是美、俄發展大功率空間核動力的主要研究方向。一是這種轉換的功率範圍寬，功率可以從數十千瓦（如法國20 KW的空間核電源）到兆瓦級（如俄羅斯熱功率為3 Mw，電功率為0.8 Mw的電推進電源)；二是它可以採用高溫氣冷反應堆，反應堆一迴路也可以採用液態金屬冷卻，二迴路採用氣體布雷頓循環。三是它適於雙模式（核熱推進和發電兩用）反應堆。但它的軸速每分鐘達到3萬～6萬轉，如何防止轉軸磨損、在空間條件下保持系統的正常運行等技術需要突破。
基本介紹
- 中文名：布雷頓/朗肯底循環
- 外文名：Bretton Rankendy cycle
- 所屬領域：大功率空間核動力
- 基礎：布雷頓循環
- 形式：開式循環或閉式循環
- 原理：聚集接收器太陽能傳給發動機
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在空間電源上的套用
布雷頓循環可以是開式循環，也可以是閉式循環。在核反應堆熱源中只能採用閉式循環。有兩種結構形式：一類是氣體工質通過核反應堆的一迴路熱交換器進行熱交換，一般用鋰做核反應堆的冷卻劑。這樣的反應堆結構緊湊，運行溫度在1600K以下（鋰的沸點約1620K），但有兩條主迴路；第二類是氣體工質直接通過核反應堆堆芯，由燃料元件加熱氣體工質。
1)高溫液態金屬冷卻反應堆布雷頓循環
法國於1986年提出以NaK為冷卻劑、UO2為燃料的快中子反應堆，熱電轉換採用雙布雷頓循環，熱管輻射冷卻器散熱。輸出電功率為20kW，熱電轉換效率達21%，設計壽命為7年。由於餘熱排放溫度低(509K)，因此，輻射冷卻器面積大。
2)高溫氣體冷卻反應堆布雷頓循環
氣體工質直接通過反應堆堆芯，被加熱到1123 K以上，這一高溫高壓氣體，直接推動氦氣渦輪機帶動發電機發電，同時也帶動壓氣機壓縮氦氣。渦輪機的尾氣經回熱器低壓側後將餘熱傳輸給高壓側氦氣，然後進入預冷器，降至低溫。低溫氦氣進入有中間冷卻器的（氦氣）機組後被壓縮成高壓氦氣，然後進入回熱器高壓側被加熱至接近渦輪機的排氣溫度，最後進入反應堆堆芯，重複循環過程。
原理
在這種系統中，聚集在接收器上的太陽能被傳遞給布雷頓（Brayton）發動機實現熱電轉換。整個系統包括渦輪發動機、壓縮機以及轉子式交流發電機。工作流體為惰性氣體，氣體從接收器進入渦輪機後膨脹，在熱交換機中降溫後被壓縮，再進入太陽能接收器加熱完成一個循環，其中在熱交換機中由液體冷卻機吸收廢熱。在渦輪和接收機人口之間加裝回熱式熱交換機可以改善熱動力循環效率。旋轉式交流發電機輸出頻率為1kHz三相交流電，以備進一步調製和分配。閉合循環的布雷頓轉換系統的主要優點在於它的轉換效率高（達到40%）、工作壽命長（達到30年）和循環費用低。這些優點對於要求提供大功率和壓縮氣體的系統來說是非常重要的。NASA的Glenn中心已經用氙離子推進器演示了功率為2kW的布雷頓循環機的能量轉換裝置。該項測試是作為核電推進器實驗的一部分進行的。試驗顯示這種轉換器可以提供高電壓，並能把電壓調節到離子推進器要求的範圍。
改進
改善布雷頓（Brayton）循環效率的主要途徑有兩條：一是採取回熱、再熱與間冷等措施，另一個是將多種熱力循環有機結合的聯合循環手段。
高溫氣冷堆採用氦氣作為冷卻劑，反應堆出口氦氣溫度可高達850～1300℃，因而有條件採用多種熱力循環實現能量轉換。
布雷頓閉式循環
高溫氣冷堆布雷頓閉式循環相結合，主要採取回熱和間冷組合的熱力措施，來大幅度提高循環效率和比功。因此，這種系統具有高初溫、高效率、高比功、良好的變工況特性以及改善系統性能的最大潛力。
布雷頓-朗肯底循環
將高循環初溫的布雷頓閉式氦氣循環和低排熱溫度的朗肯閉式蒸汽循環相結合，利用蒸汽循環吸收氦氣循環的高溫排熱，實現能量的梯級利用，進而提高能量的利用水平。
