[发明专利]一种利用液态金属磁流体为工质的核能发电系统

说明书

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13.4MW_th、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。