核能利用中的靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)

王心亮，段宗武，陳 虹

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430000)

0 引言

開(kāi)發(fā)可靠的、能量充沛、具有較高安全性的動(dòng)力裝置是人們一直以來(lái)不懈追求的目標(biāo)。動(dòng)力裝置一般由能量源、能量傳輸、能量轉(zhuǎn)換和余熱冷卻等幾部分組成。由能量源提供源源不斷的熱量，由液態(tài)或氣態(tài)流體工質(zhì)將熱量帶出，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換裝置將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑驒C(jī)械能，做功冷卻的工質(zhì)被冷卻后再輸送回能量源，從而形成封閉的熱力循環(huán)。其中能量轉(zhuǎn)換方式分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩類(lèi)。在靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置中沒(méi)有可移動(dòng)的機(jī)械部件，而動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置利用熱機(jī)工作原理通過(guò)渦輪機(jī)械(布雷頓循環(huán)或朗肯循環(huán))或往復(fù)式機(jī)械(斯特林循環(huán))驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換。

雖然從熱效率角度來(lái)看，相較于動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式不具有明顯優(yōu)勢(shì)，然而由于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式所具有的運(yùn)行維護(hù)少、振動(dòng)噪聲低、系統(tǒng)密封性能好等優(yōu)點(diǎn)使其在核能應(yīng)用領(lǐng)域一直受到關(guān)注。此外，靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式還具有尺寸小、重量輕、固有模塊化和負(fù)載跟隨特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得在現(xiàn)有的太空核動(dòng)力裝置中幾乎都采用了靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式。

當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用的熱電直接轉(zhuǎn)換方式主要是利用塞貝克(Seeback)效應(yīng)的溫差發(fā)電及利用熱離子發(fā)射原理的熱離子轉(zhuǎn)換。2種熱電直接轉(zhuǎn)換方式的能量轉(zhuǎn)換效率一般都低于10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式。此外，采用放射性同位素的溫差發(fā)電系統(tǒng)所需要的放射性同位素燃料稀缺且價(jià)格昂貴，而熱離子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所要求的高溫度也對(duì)材料的耐熱性提出了更高的要求。因此為了獲得具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，且適用于熱源溫度在1000～1500 K的核熱源，能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究，并提出了多種新型靜態(tài)熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。主要包括熱光伏(TPV)發(fā)電技術(shù)、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)(AMTEC)、熱聲能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和磁流體發(fā)電技術(shù)。本文將對(duì)這些最主要的靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本原理進(jìn)行介紹，對(duì)研究狀況進(jìn)行回顧，并分析各種技術(shù)的發(fā)展情況，對(duì)未來(lái)實(shí)用化的可能作出評(píng)估。

1 熱光伏發(fā)電

熱光伏(TPV)能量轉(zhuǎn)換是通過(guò)光伏電池將熱源的熱輻射能轉(zhuǎn)化為電能輸出，其基本原理與光伏電池完全相同，即利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電轉(zhuǎn)換特性。當(dāng)PN結(jié)受到光子輻照時(shí)，能量不低于能隙的光子將在其中產(chǎn)生多余的電子－空穴對(duì)，并通過(guò)漂移和擴(kuò)散作用分離至結(jié)的兩端，逐漸使N區(qū)富余電子，使P區(qū)富余空穴，從而在結(jié)的兩端形成電勢(shì)差。圖1給出了熱光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖。熱光伏系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的最重要區(qū)別在于輻射體的溫度和系統(tǒng)的幾何尺寸。光伏系統(tǒng)主要接受來(lái)自太陽(yáng)光或可見(jiàn)光(400～800 nm)，而熱光伏系統(tǒng)主要是利用紅外輻射(800～2000 nm)的能量。熱光伏系統(tǒng)輻射面與電池的距離只有幾厘米，單位面積電池所接受到的輻射功率遠(yuǎn)大于光伏電池，輸出電功率相應(yīng)較大。隨著新型光伏電池技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了熱光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用。

早期的研究多集中在能隙高的硅電池［1］，最近的研究集中在低能隙光伏電池，如 GaSb，GaInAs，InAs，AlInAs，InAsP，Ge 等應(yīng)用在溫度 1000 K 左右的靜態(tài)熱電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。目前只有GaSb電池兼顧了使用性能和加工性能。Woolf［2］計(jì)算了GaSb電池溫度300～400 K，輻射源溫度1473 K時(shí)的最佳能隙約為0.73 eV，對(duì)于波長(zhǎng)1500～1600 nm的紅外輻射，GaSb電池可能的轉(zhuǎn)換效率接近35%。Day［3］和Morgan［4］分別基于GaSb給出了放射性同位素核熱源的TPV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。采用了類(lèi)似同位素溫差熱電偶發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只是由TPV電池代替了傳統(tǒng)的SiGe溫差熱電偶發(fā)電器。設(shè)計(jì)熱源溫度1473 K，電池溫度350 K，系統(tǒng)效率12% ～14%，功率密度接近10 W/kg，其中對(duì)電池的冷卻采用了熱管技術(shù)。對(duì)于TPV系統(tǒng)，要獲得較高的系統(tǒng)效率就需要應(yīng)用窄能隙濾波器使得能隙范圍內(nèi)的紅外線可以通過(guò)而到達(dá)TPV電池，并將其他波長(zhǎng)全部反射回輻射器。雖然目前用于TPV系統(tǒng)的濾波器研究還處于探索階段，但隨著濾波器材料的發(fā)展實(shí)際系統(tǒng)效率有望達(dá)到20%。將TPV技術(shù)應(yīng)用于核能領(lǐng)域還需要解決熱光伏電池長(zhǎng)期保持光學(xué)空穴有效性的能力，轉(zhuǎn)換器元件需要保持高效冷卻以維持在350 K左右。此外，據(jù)放射性實(shí)驗(yàn)估算，做為核能量轉(zhuǎn)換裝置，GaSb電池工作10年將有8% ～10%的功率損失。

圖1 熱光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖Fig.1 TPV energy conversion system schematic

目前，對(duì)熱光伏系統(tǒng)的理論研究遠(yuǎn)多于實(shí)驗(yàn)研究，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，更多的還只是進(jìn)行TPV理論上的設(shè)計(jì)或數(shù)值模擬，理論效率可達(dá)20% ～30%，而實(shí)驗(yàn)效率大多數(shù)不到5%。但是隨著光伏材料技術(shù)的發(fā)展，有理由相信熱光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率可以接近20%。

2 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(AMTEC)的概念最早由美國(guó)福特汽車(chē)公司科學(xué)實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)60年代末提出［5］，是一種基于鈉離子在 β″氧化鋁固體電解質(zhì)(BASE)中導(dǎo)電特性的熱再生化學(xué)電池［6］。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的工作原理如圖2所示，一個(gè)閉環(huán)容器被分為與熱源相連的高溫高壓區(qū)和與熱阱相連的低溫低壓區(qū)2個(gè)部分。這2個(gè)部分由離子導(dǎo)電特性遠(yuǎn)好于電子導(dǎo)電特性的BASE所分隔，高溫高壓區(qū)中為液態(tài)的鈉，而低溫低壓區(qū)保持在鈉的飽和壓力，大部分為蒸汽鈉，少部分為液態(tài)鈉。BASE的低壓側(cè)表面覆蓋著具有優(yōu)良電子導(dǎo)電性能的多孔電極薄膜，外電路通過(guò)引線接在BASE兩側(cè)的高溫液態(tài)鈉和多孔電極薄膜之間。正常工作時(shí)，高溫高壓側(cè)液態(tài)鈉的鈉原子不斷吸熱電離，電離產(chǎn)生的電子被阻滯在陽(yáng)極界面的高溫液態(tài)鈉一側(cè)，而電離產(chǎn)生的鈉離子則進(jìn)入陽(yáng)極界面的BASE一側(cè)，從而在陽(yáng)極界面產(chǎn)生了一個(gè)方向?yàn)锽ASE→高溫液態(tài)鈉的電場(chǎng)。而在低壓側(cè)BASE中的鈉離子不斷與陰極多孔薄膜中的自由電子復(fù)合而成為多孔薄膜表面的吸附鈉原子，然后吸熱從多孔薄膜表面脫附成為氣態(tài)鈉原子，從而在陰極界面區(qū)產(chǎn)生了方向由多孔薄膜→BASE的電場(chǎng)。在外電路接通時(shí)，外電路中是電子流在流通，BASE中是離子流在流通。熱電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，正是鈉離子在BASE中從陽(yáng)極側(cè)向陰極側(cè)的遷移過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。所獲得的電能就等于鈉離子在該遷移過(guò)程中的吸熱。在AMTEC中，溫度降幾乎全部發(fā)生在低壓蒸氣空間。冷凝后的液態(tài)鈉通過(guò)電磁泵或毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)得以循環(huán)使用。

圖2 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換工作原理示意圖Fig.2 AMTEC schematic

AMTEC系統(tǒng)可以應(yīng)用于核能、太陽(yáng)能及化石能等多種形式熱源，適用的熱源溫度范圍為900～1200 K，系統(tǒng)的循環(huán)熱效率可達(dá)20%左右。過(guò)去幾十年的研究在長(zhǎng)壽命電極和高轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題方面取得了重大進(jìn)展。W/Pt與W/Rh和過(guò)渡金屬氮化物［7］、碳化物［8－9］兩族電極被認(rèn)定適合在高功率密度條件下長(zhǎng)期工作，這兩類(lèi)材料長(zhǎng)期工作都可獲得接近0.5 W/cm2的功率密度。這一突破使得在1100～1300 K運(yùn)行時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率可接近20%。利用數(shù)千小時(shí)高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)這些材料的晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行模擬分析表明，這些電極可以正常運(yùn)行不少于10年。

美國(guó)福特汽車(chē)公司科學(xué)實(shí)驗(yàn)室［7］設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了單管和多管組合的AMTEC模塊。其36管模塊的總輸出功率達(dá)到了550 W，其他大部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是來(lái)自輸出功率不大于25 W的單管裝置。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室［10］進(jìn)行的多管模塊實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在高溫下運(yùn)行超過(guò)了1000 h，而其單管實(shí)驗(yàn)在1050 K的溫度下運(yùn)行了超過(guò)1900 h，效率達(dá)到13%，在最大效率時(shí)輸出功率14 W。在這些實(shí)驗(yàn)裝置中，大部分都采用電磁泵來(lái)驅(qū)動(dòng)鈉流動(dòng)，只有幾個(gè)小功率裝置是利用毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的。這種利用毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的裝置非常適合用做無(wú)重力作用的太空能源。

我國(guó)AMTEC技術(shù)［11］研究是從1994年起步的，中科院電工所與中科院上海硅酸鹽研究所合作，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展鈉工質(zhì)堿金屬熱電能量直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用研究。單管實(shí)驗(yàn)器件重復(fù)運(yùn)行多次，累計(jì)熱運(yùn)行達(dá)17 h，峰值功率達(dá)8.85 W，功率密度為0.7 W/cm2，最大電流密度達(dá)1.11 A/cm2。

目前對(duì)于AMTEC技術(shù)來(lái)說(shuō)，大部分的基礎(chǔ)原理性問(wèn)題已經(jīng)解決，需要解決的主要是實(shí)用化所帶來(lái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能問(wèn)題，如系統(tǒng)效率的提高、電輸出特性在運(yùn)行過(guò)程中的退化等。當(dāng)前AMTEC裝置的目標(biāo)效率接近20%，目標(biāo)功率密度接近20 W/kg。

3 熱聲能量轉(zhuǎn)換

熱聲能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)首先由熱聲驅(qū)動(dòng)器把熱能轉(zhuǎn)化為聲能，再由發(fā)電機(jī)將聲能轉(zhuǎn)化為電能［12］。簡(jiǎn)單的熱聲能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝置利用熱聲驅(qū)動(dòng)器，在諧振腔內(nèi)將熱轉(zhuǎn)化為駐波，在諧振腔的一端裝有平板板疊。平板板疊的設(shè)計(jì)對(duì)于轉(zhuǎn)換效率的影響最大，它也是熱聲能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的組件。板疊中板與板的間距取決于流體的熱穿透深度，而穿透深度由工作溫度決定。輸出功率水平?jīng)Q定了諧振腔的直徑，也即裝置的尺寸大小。

Ward和Merrigan［13］提出了以 He和液態(tài)鈉為工質(zhì)的1 kW熱聲驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，對(duì)工作特性進(jìn)行分析并認(rèn)為:在熱源溫度1100 K和冷源溫度330 K條件下，這種熱聲能量轉(zhuǎn)換的效率在15% ～21%范圍。總的來(lái)說(shuō)熱聲能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展還很不成熟，還需解決裝置的可靠性、振動(dòng)、實(shí)際裝置效率等諸多問(wèn)題。

4 磁流體發(fā)電

磁流體發(fā)電技術(shù)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，利用導(dǎo)電流體高速通過(guò)發(fā)電通道切割磁力線產(chǎn)生感生電流。20世紀(jì)50年代末期原理性實(shí)驗(yàn)成功，由于其轉(zhuǎn)換效率高的突出優(yōu)點(diǎn)，使得之后世界各主要國(guó)家均將磁流體發(fā)電技術(shù)列入國(guó)家計(jì)劃，進(jìn)行實(shí)用化研究。以核能應(yīng)用為目的的磁流體發(fā)電技術(shù)主要是可用于液態(tài)金屬冷卻快堆的液態(tài)金屬磁流體(LMMHD)和適用于氣冷堆的非平衡態(tài)等離子體磁流體2種閉式循環(huán)磁流體發(fā)電裝置。

圖3 熱聲能量轉(zhuǎn)換裝置示意圖Fig.3 Thermoacoustic converter schematic

單相液態(tài)金屬被反應(yīng)堆加熱到部分沸騰狀態(tài)，兩相流進(jìn)入磁流體發(fā)電通道，在磁場(chǎng)力的作用下所攜帶的能量被抽取出來(lái)，兩相流在通道中發(fā)生絕熱膨脹，壓力下降更多液體蒸發(fā)，溫度下降。做過(guò)功的工質(zhì)在冷卻裝置中冷卻后由電磁泵送回?zé)嵩赐瓿裳h(huán)。LMMHD循環(huán)中還有多種變化，包括提高壓力，在磁流體發(fā)電機(jī)之前加入第2種液態(tài)金屬流體，使其蒸發(fā)以加速液體的流動(dòng)。循環(huán)概念的變化還包括是否在磁流體發(fā)電機(jī)之前設(shè)置汽液分離器，如果設(shè)置分離器將增加能量損失，而不設(shè)置汽液分離器，使汽液兩相流進(jìn)入磁流體發(fā)電機(jī)又會(huì)使磁流體發(fā)電機(jī)的效率降低。當(dāng)前大部分概念設(shè)想都集中在磁流體發(fā)電機(jī)工作在兩相流條件下。核能LMMHD的系統(tǒng)概念從數(shù)十千瓦到數(shù)百兆瓦，采用的單級(jí)磁流體系統(tǒng)效率能達(dá)到10%?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置兩級(jí)或三級(jí)磁流體發(fā)電機(jī)使效率超過(guò)10%。例如，1個(gè)100 MW電功率的三級(jí)銫濕蒸汽循環(huán)系統(tǒng)預(yù)計(jì)系統(tǒng)效率可達(dá)11.6%。此外，由于散熱溫度約為850℃(熱源溫度約為1400℃)，從而使得其所需散熱面積也較小。

在磁流體發(fā)電機(jī)中達(dá)到高含汽率時(shí)，最高預(yù)計(jì)效率可達(dá)約90%?，F(xiàn)在研究的問(wèn)題是向液態(tài)金屬中加入表面活性劑以提高其汽化水平的可行性［14］。研究表明，高效率(70%以上)、高含汽率(92%)的磁流體發(fā)電系統(tǒng)是可行的［15］。然而，至今這些計(jì)算分析結(jié)論都還沒(méi)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

日本東京工業(yè)大學(xué)的Fuji-1閉環(huán)磁流體發(fā)電裝置［16］(圖4)采用添加少量堿金屬種子的氦氣或氬氣等惰性氣體作為工質(zhì)，通過(guò)熱源將工質(zhì)加熱到2000 K以上，形成具有較高電導(dǎo)率的熱電離等離子體進(jìn)入磁流體通道發(fā)電做功。為了使工質(zhì)具有較高的電導(dǎo)率，該裝置采用天然氣與純氧的混合燃燒作為熱源，其燃燒熱源溫度可達(dá)3000 K，如此高的溫度難以用在氣冷堆能量轉(zhuǎn)換。最近，Princeton大學(xué)［17］及國(guó)內(nèi)東南大學(xué)［18］分別提出由介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生非平衡態(tài)等離子體射流，非平衡態(tài)等離子體射流在磁場(chǎng)作用下將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵龅男滦痛帕黧w發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在較低溫度(1000 K)形成具有較高電導(dǎo)率的磁流體進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，非常適合于氣冷堆磁流體發(fā)電。但是該技術(shù)還需解決非平衡等離子體生成的均勻性、高壓高頻電源及電磁兼容等諸多問(wèn)題。

圖4 日本Fuji-1非平衡磁流體發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Fuji-1 blow-down facility schematic

5 結(jié)語(yǔ)

眾多適用于核能的靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)中，只有AMTEC技術(shù)以效率(13%)和壽期驗(yàn)證(幾千小時(shí))而成為最具應(yīng)用前景的靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。其他技術(shù)都還存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，需要進(jìn)行更多的研究。AMTEC技術(shù)的實(shí)用化還需繼續(xù)驗(yàn)證其中關(guān)鍵系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，并不斷提高系統(tǒng)的性能。因此，未來(lái)在核動(dòng)力裝置靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換中最先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的應(yīng)該是AMTEC技術(shù)，如果TPV系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后也可能作為備選被采用，而熱聲及液態(tài)金屬或非平衡等離子體磁流體作為可靠能量轉(zhuǎn)換方式使用還有很長(zhǎng)的路要走。

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