閉式循環磁流體發電

閉式循環磁流體發電是磁流體發電的一種，與開式循環發電相對應。

閉式循環磁流體發電閉式循環妁工質是摻入銫、鎵等“種子”的惰性氣體(氬或氮)，加熱工質的熱源一般是核燃料。惰性氣體工質通過核反應堆加熱成高溫導電氣體進入發電通道．發電後的排氣通過冷卻器冷卻後由壓氣機打回到核反應堆往復循環使用。利用排氣的餘熱也能在蒸汽發生器(餘熱鍋爐)中產生蒸汽送至汽輪發電機，成為聯合循環系統。閉式循環磁流體發電與核電結合，可將核電廠的效率從25%～30%提高到50%～55%．

閉式循環的工質也能夠使用液態金屬或液態金屬與氣體的混合物作為工質。由於液態金屬有很高的電導率，這種系統能達到很高的效率。

基本介紹

• 中文名：閉式循環磁流體發電
• 外文名：closed cycle magnetohydrodynamic generation
• 類別：磁流體發電
• 工質：惰性氣體
• 優點：污染小，封閉性好
• 學科：電力工程

工作原理

閉式循環和開式循環一樣，也分為簡單閉式循環和閉式聯合循環兩種系統。閉式循環一般是以核燃料作為熱源。如《簡單閉式循環磁流體發電系統簡圖》所示：

簡單閉式循環磁流體發電系統簡圖

閉式循環磁流體發電系統是用惰性氣體(如氦氣)作為工作氣體，以鹼金屬銫作為種子添加劑。工作氣體在核反應堆內被加熱後，流過發電通道發電，輸出電能。此後，工作氣體並不排入大氣，而是通過冷卻器冷卻後，再經壓縮機升壓，重新回到核反應堆加熱，如此往復循環。這種簡單閉式循環系統可用於宇宙航行。

閉式聯合循環系統實際上是在簡單閉式循環上，再加一個利用排氣餘熱的蒸汽動力系統。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電機輸出電能。如《閉式磁體流-蒸汽動力聯合循環系統簡圖》所示，是蒸汽渦輪只用來帶動壓縮機的閉式聯合循環系統簡圖。這裡又可分為不帶回熱器(a)和帶有回熱器(b)兩種系統。如圖《閉式聯合循環總效率與磁流體發電機工質進口溫度的關係》所示，示出了根據計算繪製的系統總熱效率與磁流體發電機工質進口溫度的關係。可知，磁流體發電機進口工質溫度的提高，能顯著地增加循環效率。另外，比較不帶回熱器和帶有回熱器的兩種循環系統，當進口工質溫度在2000 K以下時，帶有回熱器的循環系統具有更高的效率。

閉式聯合循環總效率與磁流體發電機工質進口溫度的關係

閉式磁體流-蒸汽動力聯合循環系統簡圖

優點

閉式循環比開式循環有很多優點，由於它的循環是封閉的，所以可以採用電離電位很低，價格很貴的鹼金屬銫作為種子添加劑，由於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，由於循環是封閉的，因而沒有大氣污染問題。

發展研究

如上所述，閉式循環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，實際上由於種種技術上的原因，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)。在閉式循環中，雖然工作氣體是單原子的惰性氣體，而且又採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，在閉式循環中常採用所謂“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於電子的溫度。在平衡電離時，氣體處於熱平衡狀態，電子溫度等於中性粒子的溫度，亦即等於氣體的溫度，因而，氣體的電導率決定於氣體溫度的高低。非平衡電離就是使混合氣體中的電子溫度高於混合氣體的溫度。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。採用非平衡電離方法，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展，磁流體發電與核反應堆結合是完全有可能的。閉式循環系統的磁流體發電可將核電站的效率從25～30%提高到50--55%，這對於提高核燃料的利用率和降低核能發電的成本右著很大的經濟意義。

液態金屬循環系統

如《液態金屬循環系統簡圖》所示。液態金屬循環系統實際上也是一種閉式循環，但它和惰性氣體的閉式循環在原理上是不同的，它是用液態金屬或液態金屬與氣體或蒸汽的混合物作為工作流體，並通過核反應堆獲得高溫(一般在1600K以下。如溫度太高，液態金屬的揮發性問題就嚴重了)。這種循環系統的優點是在所有溫度的情況下，液態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，還必須使液態金屬以高速流動，而這是比較困難的。

液態金屬循環系統簡圖

這種系統使用兩種不同沸點的液態金屬。高沸點的液態金屬通過核反應堆被加熱，然後與沸點低的液態金屬混合，使低沸點的液態金屬發生氣化，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，氣相金屬產生膨脹並加速，從而使氣液兩相混合物獲得很高的速度。然後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金屬流過磁流體發電機的發電通道，輸出電能。最後，再經過擴壓器，使之冷卻，重複循環。分離出來的氣相金屬經回熱器和冷卻器放出熱量，冷凝後再回用。