[發明專利]一種定量注入的堿金屬種子系統

有效

• 申請號: 202110657479.6
• 申請日: 2021-06-12
• 公開（公告）號: CN113346708B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 朱培奇;彭愛武;劉保林;沙次文
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02K44/22
• 分類號: H02K44/22;H02K44/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

一種定量注入的堿金屬種子系統，包括可編程高壓不銹鋼注射泵、液態堿金屬輸送管路系統、惰性氣體供給與輸送管路系統、真空泵和氣動霧化種子注入環。液態堿金屬種子按設定程序定量從高壓注射泵推送輸出，經液態堿金屬輸送管路系統，進入氣動霧化種子注入環的氣動霧化噴槍,直達噴槍的端部混合室內，與從惰性氣體供給與輸送管路系統輸入氣動霧化噴槍的端部混合室的惰性氣體混合，液態堿金屬種子被氣動霧化，從噴口噴出,與注入環內高溫主氣流呈90度角注入到注入環內。本發明可實現堿金屬種子按需定量化注入，為堿金屬種子與主氣流均勻混合和充分電離創造良好條件。

技術領域

本發明涉及一種磁流體發電機的堿金屬種子注入系統。

背景技術

磁流體發電是一種將熱能直接轉換成電能的新型發電方式，基本工作原理是法拉第電磁感應定律。針對使用導電流體工質的不同，磁流體發電可以分成燃燒氣體等離子體磁流體發電，惰性氣體等離子體發電和液態金屬磁流體發電等。在利用核能源作為熱源時，惰性氣體等離子體發電可以使核能產生的高熱被充分利用，惰性氣體總溫總壓升高，磁流體發電通道兩端形成壓力差，進而形成流場。惰性氣體等離子體快速流經發電通道，切割垂直方向磁場的磁力線，通道兩側的電極之間產生感應電動勢，在外加負載情況下發電。

在惰性氣體等離子體發電過程中，為了提高等離子體的電導率，大幅提升磁流體發電的性能，需要在惰性氣體中添加一定量的堿金屬作為電離種子，此時，堿金屬占堿金屬與惰性氣體總混合物的質量分數稱為種子分數。對于核能磁流體發電盤式發電機，要達到高電導率、穩定的非平衡電離，最佳種子分數一般為千分之幾到萬分之幾。要使主氣流工質工作在最佳種子分數工況范圍，需要嚴格控制主氣流工質的種子分數，對于試驗研究裝置，堿金屬的流量可低至每分鐘幾毫克。因此，如何對堿金屬種子進行定量微流量注入是一大難點。

為了使惰性氣體混合物的堿金屬種子快速充分電離，獲得均勻穩定的等離子體主氣流工質，堿金屬種子與主氣流的混合及其注入方式，也是一個關鍵問題。

已有的堿金屬注入多以載氣帶出堿金屬蒸汽或以載氣帶動堿金屬液滴方式，如圖1所示的日本東工大盤式發電機試驗采用的種子注入系統，以及圖2所示的中國專利ZL201910947699.5的堿金屬種子注入裝置，均采用加熱爐加熱液態堿金屬，產生堿金屬蒸汽，再通入載氣攜帶出堿金屬蒸汽，形成載氣與堿金屬蒸汽的混合氣，混合氣經水冷卻筒體和噴嘴，注入主氣流中。載氣與堿金屬蒸汽的混合氣需要經過細長的輸送管，穿過水冷卻的主氣流筒體，這過程中堿金屬蒸汽會冷凝成液體，同時由于氣體的可壓縮性，其流量也必然會受主氣流壓力波動的影響，混合氣中所攜帶堿金屬蒸汽的量與載氣的壓力和汽化過程有關，混合氣體注入主氣流中的流量與注入壓力和主氣流壓力有關，受兩者壓力波動影響，實際注入的流量不易控制、難以確定，嚴重影響種子的電離，以致發電工質的電導率低下，影響發電機的功率輸出和試驗研究。

圖3所示的中國專利ZL20150572329.X惰性氣體等離子體磁流體發電機的純堿金屬種子注入系統，雖然提及應用注射器輸出定量的堿金屬，但是其注入系統是用一個三通混合器將載氣與注射器送來的液態堿金屬混合，帶出堿金屬的液滴，載氣與堿金屬液滴一起經過細長管道，由于需避免磁流體發電機強磁場的影響，管道長度一般需超過1.5米，再穿過水冷卻的主氣流筒體，這種兩相流在輸送管中同樣不可避免會氣液分離，呈現一段液體一段氣體的狀態。而且由于氣體的可壓縮性，在主氣流壓力波動時，也引起種子流量的波動，實際上種子注入的流量是波動的，與注射噐定量推出的流量不相等。

綜上所述，上述現有技術中，注入主氣流的堿金屬種子的量不清楚而且不穩定，無法實現真正的堿金屬精確定量輸送，更無法實現微量定量的液態堿金屬種子注入。所以既要定量又要微流量注入是一技術難題。

發明內容