CN112951464B - 采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法 - Google Patents
采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法，属于能源综合利用领域。在该发明的核反应堆发电系统中除利用氦气发电，还通过利用液态金属的性质来进行发电，在磁流体发电换热器的换热管管内壁上下分别加上永磁铁，使换热管管内形成磁场，液态金属在磁场管道中流动，切割磁感线，在与气体进行换热的同时，也可以进行发电，同时由于管内电磁场和洛伦兹力等的综合影响，使得管内液态金属呈M型流速分布，从而也进一步提高了换热效率。并且在发电机失效，气体供应不足的情况下，也能够单独作为发电机使用，从而提高核反应堆发电系统的稳定性，安全性，并且提高能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法，属于能源综合利用领域。
背景技术
随着现代社会技术的飞快发展，核能发电的需求日益增大，核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及气体发电机来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能，是实现低碳发电的一种重要方式。
核能发电不像通过燃料发电会排出大量污染环境的物质到大气中，因此核能发电不会对空气造成污染，核能发电也不会生成二氧化碳使温室效应加重。核燃料能量密度比起化石燃料大数百万倍，因此核能电厂使用的燃料体积小，运输与储存都十分方便。并且核能发电的成本中，燃料所占成本较低，核能发电的成本还不容易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。随者核能发电的慢慢普及，需要充分的利用核能，增加能源利用率，提高核反应堆的效率和安全稳定性。
液态金属磁流体发电技术(Liquid Metal Magneto-Hydro–Dynamics，简称LMMHD)，是由液态金属沿垂直于磁场方向运动时，在磁场方向和液态金属运动的正交方向上产生感应电场，液态金属不断的切割磁感线发电，这就构成磁流体发电的基本原理。核电装置整合此技术，在空间条件下，能在核反应堆发电系统的发电回路失效的情况下，继续进行发电，从而避免因为出现故障带来的经济损失，并且提高了核反应堆的安全稳定性。
发明内容
发明目的：
针对当前核电技术中存在的不足，本发明提出了一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法，可以增加能源利用率，提高核反应堆的效率和安全稳定性，更好的满足使用要求。
技术方案：
一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及发电方法，首先所述系统中，包括两个回路。
一回路包括核反应堆，压力缓冲装置，气液分离器，磁流体发电换热器的热介质通道，电磁泵。液态金属吸收核热，从核反应堆出口流出，通过管路，流进压力缓冲装置和气液分离器等辅助装置，再从气液分离器的出口流进磁流体发电换热器的热介质通道的进口，经过发电和换热后，从热介质通道的出口流出，通过管路流进电磁泵加速，回到核反应堆。
磁流体发电换热器的主要换热元件为换热管，换热管的内壁面上下分别安装有永磁铁，在永磁铁的作用下，形成磁场。液态金属通过换热器液态金属入口流入，进入带有磁场的管道，由于液态金属的性质，高温液态金属切割磁感线发电，再从换热器液态金属出口流出，流入电磁泵，因此提高能源利用率，也提升系统的发电能力。同时低温氦气从氦气入口进入，走壳程，低温氦气通过折流板，与换热管中的高温液态金属进行对流换热，并且由于高温液态金属在换热管内受到电磁场，洛伦兹力的作用，使得管内液态金属的流速呈M型的速度分布。因此提高换热效率。并且在气体不足，或者发电回路出现故障时，换热器可以单独工作进行发电，从而提高了系统的稳定性，安全性。
二回路包括隔离阀，涡轮机，发电机，压缩机，冷却器，辐射散热器，回热器。高温高压氦气从磁流体发电换热器的低温介质通道出口流出，进入涡轮机做功发电，再从管道流入回热器中，与低温氦气进行热量交换，再流入冷却器中，通过冷却器将废热传给辐射散热器，再从冷却器中流出，流入压缩机，压强升高，再从压缩机流出，流入回热器与高温氦气进行换热，换热后重新流入磁流体发电换热器与高温液态金属进行对流换热。
在二回路正常运行时，高温液态金属和低温氦气在磁流体发电换热器中进行换热，同时高温液态金属在带磁场的换热管道中流动时，也会切割磁感线进行发电。与高温液态金属结束对流换热的氦气也会进入二回路进行发电。
当二回路出现故障时，隔离阀关闭，切断气体进出，一回路单独运行，高温液态金属通过管道回路流进磁流体发电换热器，在有磁场的换热管道中流动，切割磁感线进行发电。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明可使液态金属在与气体换热的同时进行发电，因此系统的发电效率得到提升，提高能源利用效率，使得核能能够充分被利用。同时由于磁流体发电通道中电磁场，洛伦兹力的影响，使得液态金属的速度呈M型的速度分布，因此能够更好的与气体进行换热，从而换热器的性能也得到了提升，提高了换热效率。
(2)根据系统情况，若无故障，系统正常运行，氦气与液态金属在进行对流换热的同时，也可以进行发电。若在发电回路出现故障时，隔离阀关闭，二回路被屏蔽，一回路可以单独运行，使液态金属在一回路循环，通过磁流体发电换热器中切割磁感线进行发电，从而提高了核反应堆发电系统的安全性和稳定性，避免了出现故障后，带来的一系列经济损失。
附图说明
图1为本发明一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统的结构示意图；
其中：11-核反应堆，12-压力缓冲装置，13-气液分离器，14-隔离阀1，15-涡轮机，16-发电机，17-压缩机，18-冷却器，19-辐射散热器，20-隔离阀2，21-回热器，22-磁流体发电换热器，23-电磁泵。
图2为本发明一种磁流体发电换热器的结构示意图；
其中：1-液态金属入口接口，2-挡板，3-氦气出口接口，4-折流板，5-带永磁铁的换热管，6-液态金属出口接口，7-氦气入口接口。
图3为本发明一种带永磁铁的换热管的结构示意图；
其中：8-发电永磁铁，9-发电永磁铁，10-用电设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的解释。
一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统(如图1)，包含如下装置，11-核反应堆，12-压力缓冲装置，13-气液分离器，14-隔离阀1，15-涡轮机，16-发电机，17-压缩机，18-冷却器，19-辐射散热器，20-隔离阀2，21-回热器，22-磁流体发电换热器，23-电磁泵。系统包括两个回路，一回路包括1核反应堆11，压力缓冲装置12，气液分离器13，磁流体发电换热器22的热介质通道，电磁泵23，液态金属经一回路循环作业。二回路包括隔离阀114，涡轮机15，发电机16，压缩机17，冷却器18，辐射散热器19，隔离阀220，回热器21，磁流体发电换热器22的冷介质通道，氦气经二回路循环作业。
一种磁流体发电换热器(如图2)，包含液态金属入口接口1，挡板2，氦气出口接口3，折流板4，带有永磁铁的换热管5，液态金属出口接口6，氦气入口接口7。液态金属从液态金属入口接口1流入，流入带有永磁铁的换热管5，从液态金属出口接口6流出，从管路流进电磁泵。氦气从氦气入口接口7流入，在壳程中流动，从氦气出口接口3流出
一种带永磁铁的换热管(如图3)，包含有8-发电永磁铁，9-发电永磁铁，10-用电设备。液态金属在换热管中流动，通过管壁与氦气进行换热。
一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统的工作方法，包括如下过程：
步骤一：一回路中，液态金属从11核反应堆11中带出热量，通过管道流入12压力缓冲装置12，13气液分离器13等辅助装置，再经管路从1液态金属入口接口1流入，流进5带有永磁铁的换热管5，由于5带有永磁铁的换热管5内管壁上下分别装有8发电永磁铁8，9发电永磁铁9，从而在管路中形成了磁场，高温液态金属在5带有永磁铁的换热管5流动，切割磁感线发电，并且由于管内电磁场和洛伦兹力的综合影响，使得管内的高液态金属速度呈M型的速度分布，从而在与低温氦气进行对流换热时，有效的增强换热效率，还可以增加发电效率，提高能源利用率。
步骤二：低温氦气从氦气入口接口7流入，在壳程中流动，与带有永磁铁的换热管5中流动的高温液态金属进行对流换热，然后从氦气出口接口3流出，通过管路流进涡轮机15做功发电，做功完成流进回热器21与低温氦气进行对流换热，换热完毕，流进冷却器18，通过冷却18器，将废热传给辐射散热器19。流入压缩机17经压缩后，流进回热器21中与高温氦气进行对流换热，换热结束后流入磁流体发电换热器22中重新与高温液态金属进行对流换热形成循环。
步骤三：在二回路正常运行时，高温液态金属和低温氦气在磁流体发电换热器22中进行换热，同时高温液态金属在带永磁铁的换热管5中流动时，也会切割磁感线进行发电。与高温液态金属结束对流换热的氦气也会进入二回路进行发电。
当二回路出现故障时，隔离阀114，隔离阀220关闭，切断气体进出，一回路单独运行，高温液态金属通过管道回路流进磁流体发电换热器22，在带有永磁铁的换热管5中流动，通过切割磁感线进行发电。
本发明提出一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统及其工作方法，它通过利用液态金属的性质来进行发电，在磁流体发电换热器换热管管内壁上下分别加上永磁铁，使换热管中形成磁场，使液态金属在磁场管道中流动，切割磁感线，在与气体进行换热的同时，也可以进行发电，同时由于管内电磁场，和洛伦兹力等的综合影响，使得管内液态金属呈M型流速分布，从而也进一步提高了换热效率。并且在发电机失效，气体供应不足的情况下，也能够单独作为发电机使用，从而提高核反应堆发电系统的稳定性，安全性，并且提高了能源利用效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，如在地面使用时，采用水冷的形式代替辐射散热器，在海洋使用时，利用海水进行散热，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种采用液态金属磁流体发电换热器的空间核电系统，包括一回路和二回路，其特征在于，还包括磁流体发电换热器(22)，其热介质通道属于一回路，冷介质通道属于二回路，一回路中的液体金属和二回路中的氦气在磁流体发电换热器(22)内发生热交换；所述磁流体发电换热器(22)内设置于垂直于液体金属流动方向的电磁场，液态金属流动时切割磁感线发电；
所述磁流体发电换热器(22)的换热管的内壁上下分别设有不同极性的永磁铁；
所述一回路包括核反应堆(11)、压力缓冲装置(12)、气液分离器(13)、电磁泵(23)；液体金属依次流经核反应堆(11)的出口、压力缓冲装置(12)、气液分离器(13)、磁流体发电换热器(22)的热介质通道、电磁泵(23)和流经核反应堆(11)的进口；
所述二回路包括隔离阀1(14)、涡轮机(15)、发电机(16)、压缩机(17)、冷却器(18)、辐射散热器(19)、隔离阀2(20)、回热器(21)；氦气依次经过磁流体发电换热器(22)的冷介质通道的出口、隔离阀1(14)、涡轮机(15)、回热器(21)的热介质通道、冷却器(18)、压缩机(17)、隔离阀2(20)、回热器(21)的冷介质通道、磁流体发电换热器(22)的冷介质通道的进口。
2.基于权利要求1所述空间核电系统的发电方法，其特征在于，包括如下步骤：
液态金属通过核反应堆(11)将核热从堆芯带出，依次经过压力缓冲装置(12)和气液分离器(13)，进入磁流体发电换热器(22)的热介质通道，切割磁感线发电，并和氦气交换热量，然后温度降低的液态金属通过电磁泵(23)推动重新进入核反应堆(11)，温度升高的氦气进入一回路发电；当二回路出现故障时，关闭磁流体发电换热器(22)的冷介质通道的进出口，由一回路发电。
3.根据权利要求2所述的发电方法，其特征在于，包括如下步骤：
氦气在磁流体发电换热器(22)与液态金属进行换热后，进入涡轮机(15)做功，然后依次经过回热器(21)的热介质通道、冷却器(18)、压缩机(17)回热器(21)的冷介质通道和磁流体发电换热器(22)的冷介质通道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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