随着太空探索的不断深入,对航天器的功率密度、运行寿命等方面提出了更高的要求,传统能源已不再适用于大功率的动力系统,核反应堆电源系统成为当下世界各国的研究热点。在大功率空间核电源系统中,布雷顿循环能量转换系统是能满足兆瓦级核电系统的理想热电转换技术。本文以技术相对成熟且优势明显的空间布雷顿循环作为研究对象,合理设计堆芯结构,以氦氙混合气体为工质,建立布雷顿循环的热力学模型。选取关键参数对循环特性进行热力学分析,并采用遗传算法对循环特性进行优化。选择几种特定成分的工质进行具体性能分析,从多方面探讨不同成分的工质对实际应用的可行性。本文选择了液态金属冷却快中子堆的反应堆方案。燃料元件采用棒状结构,燃料为二氧化铀芯块,包壳材料为锆-4合金,芯块两端存在Be O反射层,并在上端装有压紧弹簧。堆芯内部为正六边形结构,装有360根燃料棒,冷却方式为液态金属钠冷却,采用控制鼓控制。堆芯等效直径为43.8cm,高48.18cm。对比不同惰性气体物性,选择氦氙混合气体作为循环工质,分析了氦氙混合工质的热力学性能和输运性质在不同压力和温度下随摩尔质量的变化情况。在此基础上,建立了空间布雷顿循环的热力学模型,根据各主要部件的数学模型推导出效率和比功的函数模型。在影响循环效率和比功的几个参数变量中,绝热系数、回热度、压损系数会随工质成分的改变而改变,因此选择以上三个参数作为循环的关键参数,而其余参数作为固有参数通过已知条件给出。以压气机压比为变量,分析了关键参数对循环效率和比功的影响。绝热系数对效率和比功影响不大,回热度对效率和比功有积极影响,而压损系数会大幅降低效率和比功。利用遗传算法对循环进行双目标优化,得到帕累托最优解集,可根据不同任务需求选择合适的工况参数。最后,对纯氦气体、15.5g/mol的氦氙混合气体和40.9g/mol的氦氙混合气体从多方面比较其性能,表明40.9g/mol的氦氙混合气体最适合作为空间布雷顿循环的工作流体。