[科普中國]-閉式循環(huán)磁流體發(fā)電

工作原理

閉式循環(huán)和開式循環(huán)一樣，也分為簡單閉式循環(huán)和閉式聯(lián)合循環(huán)兩種系統(tǒng)。閉式循環(huán)一般是以核燃料作為熱源。圖4—10是簡單閉式循環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)。

閉式循環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)是用惰性氣體(如氦氣)作為工作氣體，以堿金屬銫作為種子添加劑。工作氣體在核反應堆內被加熱后，流過發(fā)電通道發(fā)電，輸出電能。此后，工作氣體并不排入大氣，而是通過冷卻器冷卻后，再經壓縮機升壓，重新回到核反應堆加熱，如此往復循環(huán)。這種簡單閉式循環(huán)系統(tǒng)可用于宇宙航行。1

閉式聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)實際上是在簡單閉式循環(huán)上，再加一個利用排氣余熱的蒸汽動力系統(tǒng)。蒸汽渦輪可以只用來帶動壓縮機，也可既帶動壓縮機又帶動發(fā)電機輸出電能。圖4-11是蒸汽渦輪只用來帶動壓縮機的閉式聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)簡圖。這里又可分為不帶回熱器(圖4-11a)和帶有回熱器(圖4-11 b)兩種系統(tǒng)。圖4-12示出了根據計算繪制的系統(tǒng)總熱效率與磁流體發(fā)電機工質進口溫度的關系。由圖4-12可知，磁流體發(fā)電機進口工質溫度的提高，能顯著地增加循環(huán)效率。另外，比較不帶回熱器和帶有回熱器的兩種循環(huán)系統(tǒng)，當進口工質溫度在2000 K以下時，帶有回熱器的循環(huán)系統(tǒng)具有更高的效率。

優(yōu)點閉式循環(huán)比開式循環(huán)有很多優(yōu)點，由于它的循環(huán)是封閉的，所以可以采用電離電位很低，價格很貴的堿金屬銫作為種子添加劑，由于工作氣體是惰性氣體，它對材料的腐蝕性沒有燃氣那樣嚴重，而且這種惰性氣體和銫的混合物，在達到同樣電導率的情況下，熱電離要求的溫度比燃氣低得多；此外，由于循環(huán)是封閉的，因而沒有大氣污染問題。

發(fā)展研究如上所述，閉式循環(huán)是用核反應堆作為熱源的，從理論上來講，核反應堆有可能獲得很高的溫度，甚至可達K數量級的超高溫。但是，實際上由于種種技術上的原因，目前只能加熱到1000～2000 K左右的溫度。我們知道，在開式循環(huán)中，為了保證工作氣體具有所要求的電導率，必須把氣體加熱到3000K的高溫，使氣體產生熱電離(也稱平德電離)。在閉式循環(huán)中，雖然工作氣體是單原子的惰性氣體，而且又采用電離電位很低的銫作為種子添加劑，但這種混合氣體仍需在相當高的溫度下，才能產生所需的熱電離。

為了彌補核反應堆加熱溫度的不足，在閉式循環(huán)中常采用所謂“非平衡電離”(或稱非熱電離)的方法來提高混合氣體的電導率。氣體的電導率主要取決于電子的溫度。在平衡電離時，氣體處于熱平衡狀態(tài)，電子溫度等于中性粒子的溫度，亦即等于氣體的溫度，因而，氣體的電導率決定于氣體溫度的高低。非平衡電離就是使混合氣體中的電子溫度高于混合氣體的溫度。利用電磁輻射、帶電質點或不帶電質點的入射、外加電場等方法使電子獲得能量，亦即增加了電子的溫度，從而提高了氣體的電導率。采用非平衡電離方法，混合氣體大約在2000K左右的溫度下就能達到燃氣在3000 K時的電導率。這樣，對磁流體發(fā)電機高溫耐火材料的要求可以大大降低，這是其很有利的一個方面。雖然目前非平衡電離的研究和高溫核反應堆技術的發(fā)展還存在著不少問題，但隨著研究工作的進展和高溫核反應堆的發(fā)展，磁流體發(fā)電與核反應堆結合是完全有可能的。閉式循環(huán)系統(tǒng)的磁流體發(fā)電可將核電站的效率從25～30%提高到50--55%，這對于提高核燃料的利用率和降低核能發(fā)電的成本右著很大的經濟意義。

液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)簡圖如下圖4-13所示。液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)實際上也是一種閉式循環(huán)，但它和惰性氣體的閉式循環(huán)在原理上是不同的，它是用液態(tài)金屬或液態(tài)金屬與氣體或蒸汽的混合物作為工作流體，并通過核反應堆獲得高溫(一般在1600K以下。如溫度太高，液態(tài)金屬的揮發(fā)性問題就嚴重了)。這種循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是在所有溫度的情況下，液態(tài)金屬都具有很高的電導率，其數量級要比電離氣體的電導率高一百萬倍以上。不過，要獲得高的輸出功率，僅有高的電導率是不夠的，還必須使液態(tài)金屬以高速流動，而這是比較困難的。

這種系統(tǒng)使用兩種不同沸點的液態(tài)金屬。高沸點的液態(tài)金屬通過核反應堆被加熱，然后與沸點低的液態(tài)金屬混合，使低沸點的液態(tài)金屬發(fā)生氣化，產生一定的蒸汽壓力。這種低沸點金屬的氣液兩相混合物通過噴管，氣相金屬產生膨脹并加速，從而使氣液兩相混合物獲得很高的速度。然后再用分離器使氣相金屬和液相金屬分離。分離出來的高速液態(tài)金屬流過磁流體發(fā)電機的發(fā)電通道，輸出電能。最后，再經過擴壓器，使之冷卻，重復循環(huán)。分離出來的氣相金屬經回熱器和冷卻器放出熱量，冷凝后再回用。2