本发明属于脉冲电源技术领域，特别是涉及一种核脉冲电源及运行方法。
背景技术
高功率脉冲电源在装备中有着重要应用和现实需求，但常规技术途径的高功率脉冲电源在小型化、快响应或持续可用等方面存在瓶颈。
几十年来，国内外先后采用了电容储能器、电感储能器和惯性储能脉冲发电等途径发展高功率脉冲电源，但受到常规能源的能量密度低、大电流开关等因素的制约，已有的或未来可见的常规高功率脉冲电源不能避免体积大、重量大、需要大功率初级电源等缺点，难以满足装备的需要。
例如使用现今最高储能密度(约1.2mj/m3)的电容器组，要单次输出百兆焦耳量级的电能，仅电容器组的体积就达85m3，加上为电容充电供能的电池组或柴油发电机，以及其它控制和辅助部件，电容储能的脉冲电源系统的总体积不小于170m3，过于庞大并且充电时间较长或者连续使用次数受限，难以适用于对可移动性要求高的装备。以电容器为储能方式的脉冲功能电源受限于电容器较低的储能密度，随着输出电能需求的提高，需要的电容器的总体积和质量也越来越大，使得配套这类电源的装备的应用场景受到了很大的限制。高储能密度的超级电容器也发展迅速，但超级电容器的输出功率还不能满足高功率实际应用的需求。电容储式脉冲功率电源需要大功率的柴油发电机或电池组来供电。
电感储能器具有较高的储能密度，但大容量的短路开关和断路开关尚未研制成功，制约了该概念在实际应用。惯性储能脉冲发电也具有较高的储能密度，但它必须预先启动以积蓄动能，待飞轮转速足够后才能脉冲发电，这种工作模式意味着使用前需要很长的准备时间，也不适用于对响应速度要求快的装备。电感储能器和惯性储能脉冲发电也同样需要一套初级能源系统为其供电，功率15～30mw，保障需求很高。电感储能脉冲功率电源的能量在导出过程中需要关断大电感电流，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关的两端会产生很大的电压应力，超出半导体开关所能承受的范围，开关易损坏。电感储能脉冲功率电源需要大功率的柴油发电机或电池组来供电。
单极发电机的输出电压过低(100～200v)，如果再加入电感线圈储能-放电，虽然可以提高电压，但会极大降低转化效率。补偿式脉冲交流发电机与装备的直流脉冲电能输入需求之间存在相位匹配的问题，同样需要大容量的开关技术来实现，器件易损坏。惯性储能脉冲功率电源必须预先启动以积蓄动能，待飞轮转速足够后才能脉冲发电，这种工作模式意味着使用前需要很长的准备时间，不适用于对响应速度要求快的装备。同时高转速飞轮具有明显的陀螺效应，这对支承轴承要求高，须采用磁悬浮方式的非机械轴承，还需要研发。
开放式核能磁流体发电系统的液氢工质不回收，直接喷射到环境中，由于其直接与核燃料接触，带有放射性，因此不适宜于在地面使用，并且其工作模式决定了该系统为一次性使用。稳态设计的低功率空间核电源不具备输出高功率电脉冲的能力。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种核脉冲电源及运行方法，利用脉冲核反应堆结合磁流体发电机实现裂变能快速转化为电能并直接输出高功率脉冲电流给目标装备，提高储能密度，减小高功率脉冲电源的体积和重量；储备充足能量，能持续输出电脉冲，延长维护周期和使用寿命；构建独立系统，不需要大功率发电机或电池组提供初级能源；提高运行可靠性，基于可实现技术确保器件损坏概率低；具备随时可用的能力，启动后迅速达到额定电输出状态；循环使用气体工质，不对地面人员和环境造成放射性损害。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种核脉冲电源，包括基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆、气体工质电离喷射系统、脉冲磁流体发电机、工质循环及余热排放系统、和屏蔽运载控制装置；所述脉冲核反应堆通过气体工质电离喷射系统连接至脉冲磁流体发电机，所述工质循环及余热排放系统连接脉冲核反应堆和脉冲磁流体发电机与外部构成循环结构；
所述脉冲核反应堆，在启动后形成毫秒至秒量级时间宽度的核功率脉冲，释放千兆焦耳以上的裂变能；
所述气体工质电离喷射系统，接收脉冲核反应堆输出的裂变能，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态，通过喷管将工质气体加速后进入脉冲磁流体发电机切割磁力线发电；
所述脉冲磁流体发电机，将工质气体的动能和内能转化为电能输出；脉冲电磁体在外部电流激励下产生瞬时强磁场，等离子体状态的工质气体在发电通道中快速流动，切割磁力线并通过法拉第效应在垂直于运动方向和磁场的方向上产生感应电动势，在此方向的正负电极上连接外负载形成电流回路，输出能量达百兆焦量级的电脉冲；
所述工质循环及余热排放系统，通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备；核脉冲电源要持续运行，必须将燃料元件和工质气体中存留的这些热量散发到环境中，并将工质气体循环输送回到脉冲核反应堆内，以使系统恢复到脉冲爆发前的预备状态；
所述屏蔽运载控制装置，用于运载核脉冲电源，并屏蔽核脉冲电源。
进一步的是，所述脉冲核反应堆包括水箱和置于水箱内的多个堆芯模块，所述磁流体发电机包括多个发电通道；每个堆芯模块的工质出口端均通过自身的气体工质电离喷射系统与磁流体发电机中单独的发电通道相连接。能够在短暂的时间内爆发出高脉冲电能。
进一步的是，所述堆芯模块包括多个燃料元件组成，所述燃料元件包括充装有冷却水并连通水箱的盲孔，所述燃料元件之间构成气体工质的堆芯内加热电离通道。
进一步的是，所述气体工质电离喷射系统包括铯电离种子注入部件、堆芯内加热电离通道和喷管；通过铯电离种子注入部件向由堆芯内的加热电离通道喷出的工质气体中充入铯电离种子，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态；并通过喷管加速工质气体后进入脉冲磁流体发电机切割磁力线发电；所述喷管为拉瓦尔喷管。提高气体工质的电子数密度，从而提高等离子体的电导率；能够保证磁流体发电机的发电效率。
进一步的是，所述工质循环及余热排放系统包括气体收集罐、气体循环管路、热交换器、冷却水排放管路、散热片和冷却水循环管路；热交换器可采用气-水热交换器、散热片采用水散热片；
所述气体收集罐，设置在磁流体发电机后端，收集发电后的工质气体；所述气体收集罐连接至热交换器散热侧，所述热交换器散热侧出口通过气体循环管路连接至水箱；
所述水箱通过冷却水排放管路连接至热交换器吸热侧，所述热交换器吸热侧出口通过冷却水循环管路连接至散热片；同时，所述散热片设置在水箱顶部，散热片通过冷却水循环管路回流进入水箱。
工质循环及余热排放系统主要通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态基本恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备。
进一步的是，所述脉冲磁流体发电机包括柱形壳体和至少一个发电通道组件，所述发电通道组件轴向均匀分布在所述柱形壳体内，每个所述发电通道组件与每个脉冲核反应堆的核燃料组件的输出端相连接；所述发电通道组件包括柱体内芯和磁体线圈，所述磁体线圈套于柱体内芯外围；能够配合核反应堆输出高功率脉冲电流给负载，能够实现发电电源的体积小、重量轻、启动快、可持续输出、寿命长和保障需求低。
进一步的是，所述屏蔽运载控制装置包括车厢、驾驶控制室和屏蔽机构，所述核脉冲电源放置在车厢内，在所述屏蔽机构设置在车厢和驾驶控制室之间；所述屏蔽机构包括水箱和吸收层，在所述车厢对于驾驶控制室的连接侧设置所述水箱，在所述驾驶控制室的后侧设置所述吸收层。为核脉冲电源提供了运载工具、屏蔽体结构和电气控制单元，保证核脉冲电源可移动的、安全地、可靠地运行并输出目标功率。
另一方面，本发明还提供了一种核脉冲电源的运行方法，包括步骤：
通过基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆核裂变反应产生的裂变碎片具有较高的能量，将有一部分能量穿出薄膜燃料表面进入工质气体中，与工质气体原子发生碰撞电离，使工质气体成为高温高压的非平衡等离子体；
工质气体转换成高温高压状态后，在自身压力的驱动下，膨胀进入喷管，由喷管加速到高速后进入磁流体发电机切割磁力线发电；
由脉冲磁流体发电机将工质气体的动能和内能转化为电能输出；
工质气体流过磁流体发电机后，从磁流体发电机尾部出口直接流入气体收集罐；
通过工质循环及余热排放系统的非能动方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中；从而将系统的状态基本恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备。
进一步的是，所述工质循环及余热排放系统的运行过程，包括步骤：
燃料元件中沉积的热量将使盲孔内的冷却水发生汽化，进而喷射进入水箱并再次冷凝回流入盲孔，从而将热量传递给水箱中的水；
而完成喷射并通过磁流体发电机发电后的工质气体，由气体收集罐收集；工质气体从气体收集罐中流经热交换器散热，将热量传递给从水箱中引出的水，水在吸收热量后，逐渐有部分发生汽化产生水蒸汽，水蒸汽上升在顶部的散热片中流动，将热量散发到环境中，同时通过冷却水循环管路回流进入水箱；可以使燃料元件和工质气体迅速冷却恢复到工作状态；
工质循环及余热排放系统完全依靠气体自身的压力和浮力驱动，不需要外部能动设备。
采用本技术方案的有益效果：
本发明提出的核脉冲电源是以脉冲核反应堆结合磁流体发电机直接发电，输出高功率脉冲电流给目标装备，具有体积小、重量轻、启动快、可持续输出、寿命长和保障需求低等特点，在实际应用方面具有显著的优势。
本发明提出的核脉冲电源，是利用特殊设计的脉冲核反应堆产生高密度裂变碎片加热电离工质气体，形成高温高压等离子体并超声速喷射，驱动磁流体发电机直接发电，在毫秒至秒量级的时间内输出百兆焦耳量级的脉冲电能，直接向装备输出的装置。该系统利用具有超高能量密度的核裂变作为能量源泉，结合磁流体发电机可输出吉瓦级电脉冲的特性，以携带铯电离种子的氩气体作为能量传递和转换的工作介质，实现核能向电能的转变并高功率快脉冲输出。
本发明相对于常规脉冲功率电源，它没有电储能装置，由核材料中释放的裂变能转化为脉冲电能后直接向装备输出，不需要大功率发电机或电池组提供初级能源，因而核脉冲电源系统可独立长期运行。
本发明气体工质和冷却剂闭式循环使用，不会对地面人员和环境造成放射性损害；通过较优的非能动余热载出设计，使气体工质和冷却剂循环系统不需要使用外部动力设备，具有较低的系统复杂度和较高的可靠性。工质循环及余热排放系统使核脉冲电源要持续运行，将燃料元件和工质气体中存留的这些热量散发到环境中，并将工质气体通过气体收集罐收集后经过热交换器，将热量循环输送回到脉冲核反应堆内，以使系统恢复到脉冲爆发前的预备状态,不需要使用外部动力设备；使脉冲电能输出后，可在10秒时间内快速恢复到预备状态，能持续输出电脉冲，能够快速恢复到预备状态；具备随时可用的能力，启动后迅速达到额定电高功率输出状态。
附图说明
图1为本发明的一种核脉冲电源的结构示意图；
图2为本发明实施例中脉冲核反应堆和体工质电离喷射系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中工质循环及余热排放系统的结构示意图；
图4为本发明实施例中脉冲磁流体发电机的结构示意图；
图5为本发明实施例中发电通道组件的结构示意图；
图6为本发明实施例中屏蔽运载控制装置的结构示意图；
其中，1是脉冲核反应堆，2是气体工质电离喷射系统，3是脉冲磁流体发电机，5屏蔽运载控制装置；11是水箱，12是堆芯模块；是铯电离种子注入部件，21是喷管；31是柱形壳体，32是发电通道组件，3柱体内芯，321磁体线圈；41是气体收集罐，42是气体循环管路，43是热交换器，44是冷却水排放管路，45是冷却水循环管路；51是车厢，52是驾驶控制室，53是水箱，54是吸收层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种核脉冲电源，包括基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆1、气体工质电离喷射系统2、脉冲磁流体发电机3、工质循环及余热排放系统、和屏蔽运载控制装置5；所述脉冲核反应堆1通过气体工质电离喷射系统2连接至脉冲磁流体发电机3，所述工质循环及余热排放系统连接脉冲核反应堆1和脉冲磁流体发电机3与外部构成循环结构；
所述脉冲核反应堆1，在启动后形成毫秒至秒量级时间宽度的核功率脉冲，释放千兆焦耳以上的裂变能；
所述气体工质电离喷射系统2，接收脉冲核反应堆1输出的裂变能，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态，通过喷管21将工质气体加速到高速后进入脉冲磁流体发电机3切割磁力线发电；
所述脉冲磁流体发电机3，将工质气体的动能和内能转化为电能输出；脉冲电磁体在外部电流激励下产生瞬时强磁场，等离子体状态的工质气体在发电通道中快速流动，切割磁力线并通过法拉第效应在垂直于运动方向和磁场的方向上产生感应电动势，在此方向的正负电极上连接外负载形成电流回路，输出能量达百兆焦量级的电脉冲；
所述工质循环及余热排放系统，通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆1内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备；
所述屏蔽运载控制装置5，用于运载核脉冲电源，并屏蔽核脉冲电源。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述脉冲核反应堆1包括水箱11和置于水箱11内的多个堆芯模块12，所述磁流体发电机包括多个发电通道；每个堆芯模块12的工质出口端均通过自身的气体工质电离喷射系统2与磁流体发电机中单独的发电通道相连接。能够在短暂的时间内爆发出高脉冲电能。
所述堆芯模块12包括多个燃料元件组成，所述燃料元件包括充装有冷却水并连通水箱11的盲孔，所述燃料元件之间构成气体工质的堆芯内加热电离通道。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述气体工质电离喷射系统2包括铯电离种子注入部件、堆芯内加热电离通道和喷管21；通过铯电离种子注入部件向由堆芯内的加热电离通道喷出的工质气体中充入铯电离种子，依靠铯电离种子的作用使气体工质达到高电导率的高温等离子体状态；并通过喷管21加速工质气体到高速后进入脉冲磁流体发电机3切割磁力线发电；所述喷管21为拉瓦尔喷管。
作为上述实施例的优化方案，如图1和图3所示，所述工质循环及余热排放系统包括气体收集罐41、气体循环管路42、热交换器43、冷却水排放管路44、散热片和冷却水循环管路45；
所述气体收集罐41，设置在磁流体发电机后端，收集发电后的工质气体；所述气体收集罐41连接至热交换器43散热侧，所述热交换器43散热侧出口通过气体循环管路42连接至水箱11；
所述水箱11通过冷却水排放管路44连接至热交换器43吸热侧，所述热交换器43吸热侧出口通过冷却水循环管路45连接至水箱11；同时，所述散热片设置在水箱11顶部，散热片通过冷却水循环管路45回流进入水箱11。
工质循环及余热排放系统主要通过非能动的方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆1内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中，将系统的状态基本恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备。
作为上述实施例的优化方案，如图4和图5所示，所述脉冲磁流体发电机3包括柱形壳体31和至少一个发电通道组件32，所述发电通道组件32轴向均匀分布在所述柱形壳体31内，每个所述发电通道组件32与每个脉冲核反应堆核燃料组件12的输出端相连接；所述发电通道组件32包括柱体内芯3和磁体线圈321，所述磁体线圈321套于柱体内芯3外围。
作为上述实施例的优化方案，如图6所示，所述屏蔽运载控制装置5包括车厢51、驾驶控制室52和屏蔽机构，所述核脉冲电源放置在车厢51内，在所述屏蔽机构设置在车厢51和驾驶控制室52之间；所述屏蔽机构包括水箱53和吸收层54，在所述车厢51对于驾驶控制室52的连接侧设置所述水箱53，在所述驾驶控制室52的后侧设置所述吸收层54。保证核脉冲电源可移动的、安全地、可靠地运行并输出目标功率。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种核脉冲电源的运行方法，包括步骤：
通过基于薄膜型燃料的脉冲核反应堆1核裂变反应产生的裂变碎片具有较高的能量，将有一部分能量穿出薄膜燃料表面进入工质气体中，与工质气体原子发生碰撞电离，使工质气体成为高温高压的非平衡等离子体；
工质气体转换成高温高压状态后，在自身压力的驱动下，膨胀进入喷管21，由喷管21加速到高速后进入磁流体发电机切割磁力线发电；
由脉冲磁流体发电机3将工质气体的动能和内能转化为电能输出；
工质气体流过磁流体发电机后，从磁流体发电机尾部出口直接流入气体收集罐41；
通过工质循环及余热排放系统的非能动方式将喷射的工质气体再循环注入到脉冲核反应堆1内部，同时将没有转化为电能的热量以非能动的方式散发到环境中；从而将系统的状态基本恢复到脉冲爆发之前的条件，为下一发脉冲的爆发做准备。
作为上述实施例的优化方案，所述工质循环及余热排放系统的运行过程，包括步骤：
燃料元件中沉积的热量将使盲孔内的冷却水发生汽化，进而喷射进入水箱11并再次冷凝回流入盲孔，从而将热量传递给水箱11中的水；
而完成喷射并通过磁流体发电机发电后的工质气体，将热量传递给从水箱11中抽出的水，这些水有部分发生汽化产生水蒸汽，水蒸汽上升在顶部的散热片中流动，蒸汽进一步通过冷却水循环管路45将热量传递给散热器44，最终通过散热器将余热释放到环境空气中；
流过散热器44的水被冷凝后，同时通过冷却水循环管路45回流进入水箱11。
工质循环及余热排放系统完全依靠气体自身的压力和浮力驱动，不需要外部能动设备。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。