CN102592693A - 一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统 - Google Patents

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周涛
张蕾
洪德训
李精精
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Abstract

本发明公开了属于核能和磁流体发电技术领域的一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统。该系统主要是将磁流体核反应堆冷却剂同时作为磁流体发电机的工作流体，带走反应堆堆芯产生的热量，是一种基于直接循环的方式发电，由此省去了核电站的汽轮机-发电机部分，有效的提高了核电站的发电效率。而且磁流体发电机的发电通道没有运动机械部件，这可以使设计更加简单、减少系统的成本，增加稳定性；省去了对水资源的依赖和浪费；冷却剂为液态金属流体，这样避免了CO2的排放等环境污染。

Description

一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统
技术领域
本发明属于核能和磁流体发电技术领域，具体涉及一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统。
背景技术
磁流体发电机是二十世纪五十年代后期才开始研究的一种新型发电方法，磁流体发电机的原理与普通发电机原理相同，都是电磁感应定律，运动导体切割磁力线而产生感应电动势和感生电流。
磁流体发电机主要有两种形式，高温等离子气体磁流体发电机和液态金属磁流体发电机(Liquid metal MHD简称LMMHD)。前者是以石油、煤、天然气等为热源，以高温电离的导电气体为工质来发电的，通常称之为开环磁流体发电。由于其热源温度通常在3000K左右，它和蒸汽联合循环的发电效率可达50％～60％。后者液态金属相比高温气体，具有导电率高、比热大、热源温度要求不高等优点，通常称之为闭环磁流体发电。
以液态金属为流动工质的磁流体发电系统有以下优点：
(1)省去了汽轮机内水蒸气热能到汽轮机叶片动能的这一做功过程，直接将液态金属内能转化为电能，提高了电站效率。
(2)磁流体发电通道没有运动的机械部件，这可以使设计更加简单，并且减少系统的成本，增加稳定性；
(3)可选择的热源范围很大，可以是普通的煤、石油、天然气等。
鉴于这些特点，许多国家对于液态金属磁流体发电(LMMHD)这种新型发电方式给以高度的重视。最早进行磁流体发电技术研究的是美国，但美国早期以研究短时间军用磁流体发电为主。20世纪60年代以发展军用短时间发电，研制成电功率分别为18MW和32MW、工作时间约1min的机组，证实了大功率发电的可行性。前苏联是世界上对磁流体发电研究投入最多的国家，研究以科学院高温研究所为中心，按照长期研究开发定制工作计划。1971年建成了烧天然气的半工业性试验电站U-25，最高发电功率20.4MW。1983年开始设计建设功率500MW，烧天然气的大型工业磁流体-蒸汽联合电站Y-500，设计净效率为48.3％。以色列建造了ETGAR1-7发电系统，其中ETGAR7是第一个商用液态金属磁流体发电系统，它的设计功率是3.2MW(直流)，并且提供13.4MWth、0.5MPa的蒸汽供应给用户，它的建造资金和运行花费要比相应的汽轮机低。中国是世界上开始磁流体发电研究较早的国家之一。研究于1962年开始，主要从事燃油磁流体发电的研究，也就是开环磁流体发电。由于煤是中国的主要能源，1982年开始转向燃煤磁流体发电的研究。整个工作分8方面进行研究：高温燃煤燃烧室、磁流体发电通道、余热锅炉、逆变系统、超导磁体、电离种子回收、电离种子再生、已有电站磁流体发电改造的概念设计。
核能经过半个多世纪的发展，从最初的单台机组几兆瓦到目前的单台机组一千多万千瓦，技术已经取得了很大的进步。而且，核反应堆堆型经过压水堆、沸水堆、重水堆、气冷堆到快堆等的发展，使得反应堆冷却剂从最开始的水发展为现在的重水、高温气体、钠金属等多种物质，这为核能发电与磁流体发电结合起来提供了条件。然而，这些堆型都保留了普通发电站的汽轮机-发电机部分，使得能量转换要经过内能-机械能-电能的方式，这样就会有大部分能量要消耗在转换过程中，导致核电站的发电效率一直不高。所以采用液态金属磁流体发电机可直接将流体的内能转换为电能，可以大大提高核电站的发电效率，从而提高核电站的经济性和核能与火电、风电等同行业的竞争性。
从上面观察到，国际上对液态金属磁流体发电已经进行了几十年的研究，但进展比较缓慢，国内对这一领域还鲜有研究。而且，还未出现将核电站反应堆冷却剂与液态金属磁流体发电联系起来共同研究，所以这种新型发电系统对上述两者的深入研究提供了一条新的方向，可拓展成为一个新领域，必将引起更广泛的关注。
发明内容
本发明的目的是将液态磁流体发电机与核反应堆结合起来，一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统。
一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统，核反应堆堆芯2置于安全壳1内，核反应堆堆芯2的冷却剂进口处连接液态金属磁流体循环泵3，液态金属磁流体循环泵3连接冷凝器6，冷凝器6置于液态金属磁流体发电机5出口处，冷凝器6外接冷却流体循环泵7，液态金属磁流体发电机5置于核反应堆2冷却剂出口处，外加磁场9垂直通过磁流体发电机5，外负载8通过闭合回路10连接到液态金属磁流体发电机5上，液态金属磁流体4为核反应堆堆芯2的冷却剂。
所述液态金属磁流体4通过液态金属磁流体循环泵3推动作用进入核反应堆堆芯2，带走核反应堆堆芯2的热量，然后进入带有外加磁场9的液态金属磁流体发电机5的发电通道，从而在发电通道内部产生感应电动势，通过闭合回路10接上外负载8后输出电能。
所述液态金属磁流体4为铅锂共晶体材料、锂或氟锂铍；这些金属磁流体在无外加磁场时，呈牛顿流体特性；当施加静态强磁场时，系统中流体的磁矩之和不再等于零而呈现出非牛顿流体的特性，显示出磁性，由此能切割磁感线产生电场，连接成回路后便会在电场方向上产生电流、输出电能。
所述外加磁场9由NbTi和Nb3Sn超导磁体组合而成，它具有较大强度的超导磁体磁场，同时具有极高的均匀度和稳定性，而且基本不消耗电能。
本发明的有益效果：(1)采用液态金属磁流体发电机(LMMHD)，工作流体为冷却反应堆堆芯的单相液态金属，直接用于驱动发电机发电，不需要不同介质间内能的传递，可以显著提高效率。(2)核电站的汽轮机发电效率较低，用金属磁流体发电机可以省去汽轮机和发电机转子的机械部分，大大的提高了核电站的效率。(3)用于冷却高温金属流体的冷凝器部分还可以参与热电联产的项目建设，这对于核电站的经济性有一定的提高。
附图说明
图1为本发明利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统示意图；
其中，1-安全壳、2-核反应堆堆芯、3-液态金属磁流体循环泵、4-液态金属磁流体、5-液态金属磁流体发电机、6-冷凝器、7-冷却流体循环泵、8-外负载、9-外加磁场、10-闭合回路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统(如图1所示)，核反应堆堆芯2置于安全壳1内，核反应堆堆芯2的冷却剂进口处连接液态金属磁流体循环泵3，液态金属磁流体循环泵3连接冷凝器6，冷凝器6置于液态金属磁流体发电机5出口处，冷凝器6外接冷却流体循环泵7，液态金属磁流体发电机5置于核反应堆2冷却剂出口处，外加磁场9垂直通过磁流体发电机5，外负载8通过闭合回路10连接到液态金属磁流体发电机5上，液态金属磁流体4为核反应堆堆芯2的冷却剂。
该系统的运行方式是液态金属磁流体4作为核反应堆堆芯2的冷却剂，吸收核反应堆中核裂变所释放出来热量，然后经过液态金属磁流体循环泵3的驱动作用，把液态金属磁流体4推动进入液态金属磁流体发电机5内切割外加磁场9。一定流速的金属磁流体在发电通道中切割磁场，将在垂直于磁场与流体的方向上产生感应电势，这时通过闭合回路10外界负载8，就会在回路中产生电流，向外界输出电能。发电后的高温金属磁流体经过冷凝器6的冷却后循环进入核反应堆堆芯2。其中，在冷凝器6中用于冷却高温金属磁流体的冷源流体通过冷却流体循环泵7的驱动作用，吸收高温金属流体的热量后用于供暖等热电联产项目，以此来提高核电站的经济效益。
上述系统的核反应堆堆芯2可采用加速器驱动的次临界(ADS)反应堆、聚变堆及其它裂变-嬗变堆型。它们采用常压下液态金属流体作为冷却剂，进口温度在300℃左右、出口温度最高达500℃左右，是一种直接循环的发电方式。同时，金属磁流体4要具有良好的导热性、流动性及磁流体力学特性，目前可采用的材料有铅锂共晶体材料(Pb-17Li)、纯锂(Li)、氟锂铍(FLiBe)等。对于液态金属磁流体发电机5，为了得到较高的发电功率，要求建立一个很强的外加磁场9。普通的电磁铁磁感应强度一般不高于2.5T，但需要消耗大量的电能和配置大功率的整流设备。然而超导磁体的场强可达5T或更高，并且基本不消耗电能。超导磁体可由NbTi和Nb3Sn磁体组合而成。通常，NbTi用于8-9T以下的磁场，而Nb3Sn有更好的高场性能，用于8-9T以上的磁场。例如，采用内径为40mm、外径为158mm、高为140mm的Nb3Sn绕组和内径为168mm、外径为222mm、高为257mm的NbTi绕组可组合成为11.3T的磁场。所以，磁流体发电机组可使用超导磁体。

Claims (4)

1.一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统，其特征在于，核反应堆堆芯(2)置于安全壳(1)内，核反应堆堆芯(2)的冷却剂进口处连接液态金属磁流体循环泵(3)，液态金属磁流体循环泵(3)连接冷凝器(6)，冷凝器(6)置于液态金属磁流体发电机(5)出口处，冷凝器(6)外接冷却流体循环泵(7)，液态金属磁流体发电机(5)置于核反应堆(2)冷却剂出口处，外加磁场(9)垂直通过磁流体发电机(5)，外负载(8)通过闭合回路(10)连接到液态金属磁流体发电机(5)上，液态金属磁流体(4)为核反应堆堆芯(2)的冷却剂。
2.根据权利要求1所述一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统，其特征在于，所述液态金属磁流体(4)通过液态金属磁流体循环泵(3)推动作用进入核反应堆堆芯(2)，带走核反应堆堆芯(2)的热量，然后进入带有外加磁场(9)的液态金属磁流体发电机(5)的发电通道，从而在发电通道内部产生感应电动势，通过闭合回路(10)接上外负载(8)后输出电能。
3.根据权利要求1所述一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统，其特征在于，所述液态金属磁流体(4)为铅锂共晶体材料、锂或氟锂铍。
4.根据权利要求1所述一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统，其特征在于，所述外加磁场(9)由NbTi和Nb3Sn超导磁体组合而成。
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