[发明专利]基于液态金属自蒸发磁流体发电的核梯级利用系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用核反应堆热源发电、制氢、制热（热水）联合循环系统及方法，尤其涉及一种基于液态金属自蒸发磁流体发电的核能梯级利用系统及方法，其属于核能综合利用领域。

背景技术

常规液态金属磁流体 (Liquid Metal MagnetoHydroDynamics，简称LMMHD)发电系统采用低沸点工质与高温液态金属接触混合，受热汽化推动液态金属流动的方式进入发电通道发电，这种混合方式在流体经过发电通道后要对液态金属和低沸点工质进行两相分离，分离后再经各自的回路重新进入混合器进行混合，增加了系统的复杂性。

核能是一种清洁的能源，利用核能既不产生烟尘、二氧化硫和氮的氧化物，又不产生二氧化碳。就是考虑从采矿到生产燃料、使用燃料的整个燃料链来进行比较，核能产生的有害气体也比化石燃料少得多。核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上，此外核电站可以大大减少燃料的运输量。

超高温反应堆（Very High Temperature Reactor，简称VHTR）是以石墨作慢化剂、氦气作冷却剂、铀作核燃料的反应堆，与高温气冷堆相比，其堆芯温度更高，氦气出口温度达1000℃，VHTR可用于氢能的生产，也可为石油化工或其他工业供热。由于一些液态金属（如钠、钾等）沸点只有800℃左右，冷却剂氦气的出口温度足以将这些金属汽化，生成的气态金属推动液态金属进入发电通道发电，将VHTR的排热作为自蒸发液态金属磁流体发电子系统的热源在理论上是可行的。此外，氦气对中子吸收少，对中子慢化几乎没有影响，也不会被中子活化，而且氦气是惰性气体，不会发生相变而引入正反应性。

电解水制氢是成熟的制氢方法，工艺简单，操作方便，氢气产品纯度高，一般可达99%—99.9%，并且由于其主要杂质是水和氧气，无污染。目前电解水制氢的成本主要部分是电能的消耗，本发明发电系统液态金属单方向切割磁感线，发出的电流不需要整流，可直接用于电解水制氢的电源，这在很大程度上降低了制氢能耗。

发明内容

本发明提供一种基于液态金属自蒸发磁流体发电的核能梯级利用系统及方法，该系统可以将核反应堆热转化为高品位电能、氢能和热能。该系统采用氦气作为核反应堆热源冷却剂，排热温度可达1000℃，足以将一些液态金属汽化，而且氦气对中子吸收少，对中子慢化几乎没有影响，也不会被中子活化，循环过程中不会发生相变而引入正反应性；该系统采用液态金属自身受热汽化这样一种产生气泡的方式来代替低沸点工质产生气泡，推动液态金属流动进入发电通道发电，改进后的系统不再需要对两相流进行气液分离，整个系统只有一条回路，简化了系统的复杂性，省去了混合器、分离器等装备，成本低，更可靠，而且由于没有低沸点工质的掺杂，两相流体的电导率不会明显降低，发电功率和效率均得到保证；该系统产生的直流电可直接用于电解水制氢的电源，避免了将交流电整流成直流电的能量损耗，多余的电能可并入电网作生活用电，满足用户用电需求；该系统使用的核能既不产生烟尘、二氧化硫和氮的氧化物，又不产生二氧化碳，是一种清洁的能源；此外，通过相关的换热器和流程设置，产生的热水可用作生活热水，在很大程度上减少生活热水对能源的消耗。

本发明采用如下技术方案：一种基于液态金属自蒸发磁流体发电的核能梯级利用系统，其特征在于：由惰性气体载热循环加热子系统、自蒸发液态金属磁流体发电子系统、电解水制氢子系统和热水子系统组成；

所述惰性气体载热循环加热子系统由核反应堆热源、风机、液态金属受热蒸发器及循环管路组成，其中所述核反应堆热源的氦气出口和风机氦气入口连接，风机氦气出口和液态金属受热蒸发器氦气入口连接，液态金属受热蒸发器氦气出口和核反应堆热源氦气入口连接；

所述自蒸发液态金属磁流体发电子系统由上述惰性气体载热循环加热子系统中的液态金属受热蒸发器，以及磁流体发电通道、冷凝器、磁流体泵及循环管路组成，其中所述液态金属受热蒸发器的金属气液两相流出口和磁流体发电通道金属气液两相流入口连接，磁流体发电通道金属气液两相流出口和冷凝器金属气液两相流入口连接，冷凝器液态金属出口和磁流体泵液态金属入口连接，磁流体泵液态金属出口和液态金属受热蒸发器液态金属入口连接；

所述电解水制氢子系统由上述自蒸发液态金属磁流体发电子系统中的磁流体发电通道，以及石墨棒、隔膜、铜棒、电解槽组成；隔膜将电解槽分成两部分，石墨棒和铜棒分别浸入电解槽两侧的电解液中；其中所述磁流体发电通道电势高的一侧和石墨棒导线连接，磁流体发电通道电势低的一侧和铜棒导线连接；