[發明專利]基于液態金屬自蒸發磁流體發電的核梯級利用系統及方法

在審

• 申請號: 201710434137.1
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107221370A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 鹿鵬;鄭星文;黃護林
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G21D7/02
• 分類號: G21D7/02;G21D9/00;H02K44/08;F01K25/12;C25B1/04;C25B9/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及一種利用核反應堆熱源發電、制氫、制熱（熱水）聯合循環系統及方法，尤其涉及一種基于液態金屬自蒸發磁流體發電的核能梯級利用系統及方法，其屬于核能綜合利用領域。

背景技術

常規液態金屬磁流體 (Liquid Metal MagnetoHydroDynamics，簡稱LMMHD)發電系統采用低沸點工質與高溫液態金屬接觸混合，受熱汽化推動液態金屬流動的方式進入發電通道發電，這種混合方式在流體經過發電通道后要對液態金屬和低沸點工質進行兩相分離，分離后再經各自的回路重新進入混合器進行混合，增加了系統的復雜性。

核能是一種清潔的能源，利用核能既不產生煙塵、二氧化硫和氮的氧化物，又不產生二氧化碳。就是考慮從采礦到生產燃料、使用燃料的整個燃料鏈來進行比較，核能產生的有害氣體也比化石燃料少得多。核電站只需消耗很少的核燃料，就可以產生大量的電能，每千瓦時電能的成本比火電站要低20%以上，此外核電站可以大大減少燃料的運輸量。

超高溫反應堆（Very High Temperature Reactor，簡稱VHTR）是以石墨作慢化劑、氦氣作冷卻劑、鈾作核燃料的反應堆，與高溫氣冷堆相比，其堆芯溫度更高，氦氣出口溫度達1000℃，VHTR可用于氫能的生產，也可為石油化工或其他工業供熱。由于一些液態金屬（如鈉、鉀等）沸點只有800℃左右，冷卻劑氦氣的出口溫度足以將這些金屬汽化，生成的氣態金屬推動液態金屬進入發電通道發電，將VHTR的排熱作為自蒸發液態金屬磁流體發電子系統的熱源在理論上是可行的。此外，氦氣對中子吸收少，對中子慢化幾乎沒有影響，也不會被中子活化，而且氦氣是惰性氣體，不會發生相變而引入正反應性。

電解水制氫是成熟的制氫方法，工藝簡單，操作方便，氫氣產品純度高，一般可達99%—99.9%，并且由于其主要雜質是水和氧氣，無污染。目前電解水制氫的成本主要部分是電能的消耗，本發明發電系統液態金屬單方向切割磁感線，發出的電流不需要整流，可直接用于電解水制氫的電源，這在很大程度上降低了制氫能耗。

發明內容

本發明提供一種基于液態金屬自蒸發磁流體發電的核能梯級利用系統及方法，該系統可以將核反應堆熱轉化為高品位電能、氫能和熱能。該系統采用氦氣作為核反應堆熱源冷卻劑，排熱溫度可達1000℃，足以將一些液態金屬汽化，而且氦氣對中子吸收少，對中子慢化幾乎沒有影響，也不會被中子活化，循環過程中不會發生相變而引入正反應性；該系統采用液態金屬自身受熱汽化這樣一種產生氣泡的方式來代替低沸點工質產生氣泡，推動液態金屬流動進入發電通道發電，改進后的系統不再需要對兩相流進行氣液分離，整個系統只有一條回路，簡化了系統的復雜性，省去了混合器、分離器等裝備，成本低，更可靠，而且由于沒有低沸點工質的摻雜，兩相流體的電導率不會明顯降低，發電功率和效率均得到保證；該系統產生的直流電可直接用于電解水制氫的電源，避免了將交流電整流成直流電的能量損耗，多余的電能可并入電網作生活用電，滿足用戶用電需求；該系統使用的核能既不產生煙塵、二氧化硫和氮的氧化物，又不產生二氧化碳，是一種清潔的能源；此外，通過相關的換熱器和流程設置，產生的熱水可用作生活熱水，在很大程度上減少生活熱水對能源的消耗。

本發明采用如下技術方案：一種基于液態金屬自蒸發磁流體發電的核能梯級利用系統，其特征在于：由惰性氣體載熱循環加熱子系統、自蒸發液態金屬磁流體發電子系統、電解水制氫子系統和熱水子系統組成；

所述惰性氣體載熱循環加熱子系統由核反應堆熱源、風機、液態金屬受熱蒸發器及循環管路組成，其中所述核反應堆熱源的氦氣出口和風機氦氣入口連接，風機氦氣出口和液態金屬受熱蒸發器氦氣入口連接，液態金屬受熱蒸發器氦氣出口和核反應堆熱源氦氣入口連接；

所述自蒸發液態金屬磁流體發電子系統由上述惰性氣體載熱循環加熱子系統中的液態金屬受熱蒸發器，以及磁流體發電通道、冷凝器、磁流體泵及循環管路組成，其中所述液態金屬受熱蒸發器的金屬氣液兩相流出口和磁流體發電通道金屬氣液兩相流入口連接，磁流體發電通道金屬氣液兩相流出口和冷凝器金屬氣液兩相流入口連接，冷凝器液態金屬出口和磁流體泵液態金屬入口連接，磁流體泵液態金屬出口和液態金屬受熱蒸發器液態金屬入口連接；

所述電解水制氫子系統由上述自蒸發液態金屬磁流體發電子系統中的磁流體發電通道，以及石墨棒、隔膜、銅棒、電解槽組成；隔膜將電解槽分成兩部分，石墨棒和銅棒分別浸入電解槽兩側的電解液中；其中所述磁流體發電通道電勢高的一側和石墨棒導線連接，磁流體發電通道電勢低的一側和銅棒導線連接；