空間核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)性能分析及參數(shù)優(yōu)化

王志鵬，吉 宇，石 磊

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084)

高溫氣冷堆結(jié)合磁流體發(fā)電是一種高效的空間電源系統(tǒng)，可以滿足未來空間任務(wù)對(duì)于大功率、高效率的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。作為目前理論轉(zhuǎn)換效率最高的發(fā)電方式，磁流體發(fā)電的原理簡(jiǎn)單，即當(dāng)?shù)入x子體穿過磁場(chǎng)時(shí)，切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在等離子體流經(jīng)的通道上安裝電極和外部負(fù)載連接，完成發(fā)電過程[3]。

氦氣由于較好的電離特性和化學(xué)惰性，因此常作為磁流體發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)[4]。氦氣在反應(yīng)堆內(nèi)加熱至約1 800 K，實(shí)現(xiàn)部分電離。然后流入發(fā)電機(jī)入口前的預(yù)電離裝置，通過加入質(zhì)量占比不到1%的電離種子氙氣[5]，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的進(jìn)一步電離并增強(qiáng)磁流體發(fā)電區(qū)的電導(dǎo)率。電離后的工質(zhì)經(jīng)過發(fā)電通道后仍攜帶大量熱能，因此進(jìn)入回?zé)崞骰厥詹糠指邷責(zé)崃?。流出回?zé)崞鞯墓べ|(zhì)經(jīng)過輻射器將廢熱排散到空間，冷卻后的工質(zhì)經(jīng)過多級(jí)壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)增壓，并經(jīng)過回?zé)崞鬟M(jìn)行加熱，然后進(jìn)入核反應(yīng)堆，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的循環(huán)使用[6]。

Holman等[7]給出了以NERVA堆為原型、氦氣作工質(zhì)、結(jié)合磁流體發(fā)電技術(shù)的概念設(shè)計(jì)方案。Litchford等[8-9]在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)循環(huán)效率和比質(zhì)量出發(fā)對(duì)100 MWth熱功率下的空間核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)估，得出在近期可實(shí)現(xiàn)工藝下，系統(tǒng)可在輻射器冷端溫度為500 K時(shí)，實(shí)現(xiàn)40%的熱電轉(zhuǎn)換效率和0.61 kg/kWe的系統(tǒng)比質(zhì)量。Harada等[10-11]沿著Litchford等[8]的推導(dǎo)思路，繼續(xù)開展了5 MWth熱功率下的系統(tǒng)循環(huán)分析工作，得出在熱端溫度為1 800 K時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)到55.2%。同時(shí)，研究結(jié)論表明當(dāng)發(fā)電功率大于3 MWe時(shí)，該系統(tǒng)的比質(zhì)量可小于2 kg/kWe，性能指標(biāo)具有較好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。Miyazaki等[12]對(duì)20 MWth熱功率系統(tǒng)展開了分析研究，以最小比質(zhì)量為目標(biāo)并研究了熱端溫度、冷端溫度、焓提取率對(duì)系統(tǒng)比質(zhì)量的影響。

國(guó)內(nèi)研究大多針對(duì)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)[13-14]，聚焦在空間核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)性能研究并不多見。作者在前期已開展的工作中建立了較完整的熱力學(xué)模型[15]，并開發(fā)了循環(huán)熱力學(xué)分析程序，獲得了與前述文獻(xiàn)中類似的研究結(jié)論。本文在已有熱力學(xué)分析模型的基礎(chǔ)上，建立質(zhì)量計(jì)算分析模型，對(duì)原系統(tǒng)循環(huán)分析程序功能進(jìn)行擴(kuò)展，利用文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上開展熱功率1 MWth的空間核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)綜合性能分析，并給出一套參數(shù)優(yōu)化方案。

1 模型建立

1.1 系統(tǒng)循環(huán)過程

用于磁流體發(fā)電的空間核動(dòng)力系統(tǒng)主要包括核反應(yīng)堆、磁流體發(fā)電機(jī)、回?zé)崞?、壓氣機(jī)、熱輻射器等，系統(tǒng)循環(huán)示意圖如圖1a所示，系統(tǒng)熱力循環(huán)溫熵(T-S)圖如圖1b所示。在前期工作中對(duì)熱力學(xué)過程進(jìn)行了建模[15]，通過將各熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)溫度用反應(yīng)堆溫度(對(duì)應(yīng)熱端溫度Tmax)和輻射器運(yùn)行溫度(對(duì)應(yīng)冷端溫度Tmin)及各部件過程參數(shù)表示，可得出各熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)溫度，并推導(dǎo)出空間循環(huán)系統(tǒng)熱效率。特別地，如果假定壓氣機(jī)各級(jí)熱工參數(shù)一致，即每級(jí)壓氣機(jī)的等熵效率ηs,c,i、壓比πc,i和級(jí)間壓損率δ5,i都分別相同，同時(shí)不考慮全程壓力損失，即δ1～δ5均為0，則效率表達(dá)式將簡(jiǎn)化到Litchford等[8]給出的推導(dǎo)結(jié)果。這里磁流體發(fā)電機(jī)焓提取率ηN、壓比πg(shù)、壓氣機(jī)壓比πc存在如下關(guān)系：

(1)

(2)

式中：ηs,g為發(fā)電機(jī)等熵效率；γ為工質(zhì)比熱容比；Nc為壓氣機(jī)級(jí)數(shù)；P8、P9為磁流體發(fā)電機(jī)入口及出口壓力。

圖1 空間核動(dòng)力系統(tǒng)循環(huán)示意圖(a)和系統(tǒng)熱力循環(huán)溫熵圖(b)Fig.1 Schematic of space nuclear power system cycle (a) and thermodynamic cycle temperature-entropy diagram (b)

為方便后續(xù)比質(zhì)量模型估算，這里用各熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)溫度可進(jìn)一步給出系統(tǒng)各部件單位質(zhì)量流量、單位比熱容下的功率，該參數(shù)為溫度量綱，分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(Nc-1)(Tc-Tmin)

(7)

1.2 比質(zhì)量模型

系統(tǒng)比質(zhì)量表示產(chǎn)生單位電功率需要的系統(tǒng)質(zhì)量，是衡量空間動(dòng)力系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。將系統(tǒng)比質(zhì)量αsystem表示成各組件比質(zhì)量的加權(quán)平均形式：

(8)

式中：αi為比質(zhì)量，包括反應(yīng)堆比質(zhì)量αreactor、磁流體發(fā)電機(jī)比質(zhì)量αgen、壓氣機(jī)比質(zhì)量αcomp、回?zé)崞鞅荣|(zhì)量αregen、輻射器比質(zhì)量αrad；Msystem為系統(tǒng)總質(zhì)量；Pe為凈輸出電功率。

本文為方便驗(yàn)證后續(xù)程序開發(fā)的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，對(duì)各部件比質(zhì)量推導(dǎo)思路借鑒了Litchford等[8]給出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及分析方法。

1) 核反應(yīng)堆及屏蔽層

空間核反應(yīng)堆技術(shù)選擇上較為靈活，有氣冷堆、液冷堆、熱管堆、熱離子堆等多種形式。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，通過合理限制，反應(yīng)堆總質(zhì)量可不隨功率量級(jí)而改變，保守考慮下選取了3 000 kg作為反應(yīng)堆總質(zhì)量，這里也包含了屏蔽層。

2) 磁流體發(fā)電系統(tǒng)

磁流體發(fā)電系統(tǒng)在選擇上一般包括直線型磁流體發(fā)電機(jī)及盤式磁流體發(fā)電機(jī)。在空間應(yīng)用中，考慮發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、技術(shù)難度、閉環(huán)使用等因素，盤式磁流體發(fā)電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)[6]。盤式磁流體發(fā)電機(jī)完全依靠霍爾效應(yīng)發(fā)電，文獻(xiàn)[8]認(rèn)為該系統(tǒng)整體質(zhì)量幾乎僅取決于磁體質(zhì)量，磁體質(zhì)量由限制結(jié)構(gòu)及磁體核心兩部分組成。在這些假設(shè)下，比質(zhì)量可定義為：

αgen≈αmagnet=αstruc+αcoil

(9)

式中：αmagnet為磁體比質(zhì)量；αstruc為限制結(jié)構(gòu)比質(zhì)量；αcoil為磁體核心比質(zhì)量。αstruc和αcoil可表示為：

(10)

(11)

3) 回?zé)崞?/p>

根據(jù)文獻(xiàn)[8]思路，假定回?zé)崞鞑捎玫氖堑湫途o致管殼式換熱器，比質(zhì)量可表示為：

(12)

式中：βregen、Uregen為該回?zé)崞鲉挝幻娣e質(zhì)量及總傳熱系數(shù)；ΔTLMD為回?zé)崞鲀蓚?cè)的對(duì)數(shù)平均溫差，即：

(13)

(14)

式中，ΔTa、ΔTb為回?zé)崞鳠醾?cè)入口與冷側(cè)出口溫差及熱側(cè)出口與冷側(cè)入口溫差。

4) 熱輻射器

太空中只能通過輻射排出系統(tǒng)廢熱，因此需要采用高性能熱輻射器。根據(jù)文獻(xiàn)[8]思路，通過引入空間輻射器重要的設(shè)計(jì)參數(shù)βrad，結(jié)合斯蒂芬-玻爾茲曼定律可推出輻射器比質(zhì)量αrad為：

(15)

式中：βrad為輻射器單位面積質(zhì)量，取值上限代表傳統(tǒng)輻射器設(shè)計(jì)，下限代表液滴輻射器概念下的推測(cè)值；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；εrad為發(fā)射率。

5) 壓氣機(jī)

根據(jù)文獻(xiàn)[8]思路，壓氣機(jī)比質(zhì)量可根據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)較為準(zhǔn)確地估算，這里取為2×10-5kg/We。

2 數(shù)值計(jì)算與模擬驗(yàn)證

根據(jù)空間循環(huán)熱力學(xué)模型及比質(zhì)量分析模型，采用MATLAB軟件開發(fā)了空間循環(huán)熱力學(xué)分析程序，基本流程如圖2所示。當(dāng)給定系統(tǒng)熱功率及其他設(shè)計(jì)參數(shù)后，該程序可得到系統(tǒng)熱效率及系統(tǒng)比質(zhì)量。通過敏感性分析可獲得設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可確定最佳壓比及對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率，并得到系統(tǒng)各部件質(zhì)量及熱輻射器面積等。

圖2 程序基本計(jì)算流程Fig.2 Basic calculation process of program

Litchford等[8]提出了1套100 MWth的空間磁流體核動(dòng)力系統(tǒng)循環(huán)方案，主要設(shè)計(jì)參數(shù)與子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)列于表1。本文利用開發(fā)的分析程序，選擇相同的系統(tǒng)循環(huán)方案設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算及比質(zhì)量計(jì)算，并與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 100 MWth系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)與子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 1 Main design parameter and subsystem technical parameter of 100 MWth system

圖3為熱效率ηth隨焓提取率及冷端溫度的變化，圖4給出循環(huán)效率及比質(zhì)量隨冷端溫度的變化。圖4中，αplant為動(dòng)力裝置的比質(zhì)量。由圖3、4可見，本文程序計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]結(jié)果完全吻合，從而驗(yàn)證了本文開發(fā)程序的正確性。

a——文獻(xiàn)；b——本文程序圖3 系統(tǒng)熱效率隨焓提取率及冷端溫度的變化Fig.3 Variation of system thermal efficiency with enthalpy extraction rate and minimum cycle temperature

a——文獻(xiàn)；b——本文程序圖4 系統(tǒng)熱效率及比質(zhì)量隨冷端溫度的變化Fig.4 Variation of system thermal efficiency and specific mass with minimum cycle temperature

3 1 MWth系統(tǒng)綜合性能分析及參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)開發(fā)的分析程序，給定系統(tǒng)熱功率為1 MWth。根據(jù)磁流體發(fā)電要求取進(jìn)入磁流體通道前的氦氣運(yùn)行壓力為0.4 MPa，保守估計(jì)下取發(fā)電機(jī)及壓氣機(jī)等熵效率為72%。

3.1 反應(yīng)堆出口溫度

不同反應(yīng)堆出口溫度(熱端溫度)下循環(huán)效率隨焓提取率的變化如圖5所示，循環(huán)效率、比質(zhì)量、總質(zhì)量、輻射器面積隨熱端溫度的變化如圖6所示。增大熱端溫度有利于提高最大循環(huán)效率，同時(shí)也會(huì)增大對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率及最佳壓比。圖6表明，隨著熱端溫度的升高，系統(tǒng)總質(zhì)量、比質(zhì)量、輻射器面積都會(huì)降低。這是因?yàn)樘岣邿岫藴囟?，一方面可以減少循環(huán)廢熱，另一方面可以提高平均輻射溫度，從而大幅降低輻射器面積。然而，熱端溫度的提高也會(huì)相應(yīng)增加其他節(jié)點(diǎn)溫度，從而對(duì)各部件材料性能和運(yùn)行安全帶來極大考驗(yàn)，在選擇熱端溫度時(shí)應(yīng)考慮現(xiàn)有制造能力和技術(shù)水平。本文在綜合考慮了各優(yōu)化指標(biāo)、磁流體發(fā)電工質(zhì)需滿足的入口條件及制造能力后，選擇1 800 K作為熱端溫度。

圖5 不同熱端溫度下循環(huán)效率隨焓提取率的變化Fig.5 Variation of cycle efficiency with enthalpy extraction rate at different maximum cycle temperatures

圖6 循環(huán)效率、比質(zhì)量(a)與總質(zhì)量、輻射器面積(b)隨熱端溫度的變化Fig.6 Cycle efficiency, specific mass (a) and total mass, radiator area (b) as a function of maximum cycle temperature

3.2 輻射器溫度

不同輻射器溫度(冷端溫度)下循環(huán)效率隨焓提取率的變化如圖7所示，循環(huán)效率、比質(zhì)量、總質(zhì)量、輻射器面積隨冷端溫度的變化如圖8所示。降低冷端溫度有利于提高最大循環(huán)效率，同時(shí)也會(huì)增大對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率及最佳壓比。當(dāng)冷端溫度由600 K降到200 K時(shí)，最大循環(huán)效率由20%大幅升高至60%。但圖8表明，循環(huán)效率升高的同時(shí)系統(tǒng)總質(zhì)量也會(huì)增大。這是因?yàn)榻档屠涠藴囟葘⒅苯邮馆椛淦餍枰纳崦娣e變大，從而大幅增加輻射器質(zhì)量?？梢钥吹皆诶涠藴囟扔?50 K降到200 K時(shí)，系統(tǒng)總質(zhì)量由3 500 kg升至近8 000 kg，對(duì)應(yīng)的輻射器面積由250 m2增大到4 900 m2。因此，隨冷端溫度降低，在循環(huán)效率提高和系統(tǒng)質(zhì)量增加的共同作用下，系統(tǒng)比質(zhì)量呈先減小后增大的趨勢(shì)。在本文模型下可發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)位置為300 K，所以選取300 K作為系統(tǒng)冷端溫度。

圖7 不同冷端溫度下循環(huán)效率隨焓提取率的變化Fig.7 Variation of cycle efficiency with enthalpy extraction rate at different minimum cycle temperatures

圖8 循環(huán)效率、比質(zhì)量(a)與總質(zhì)量、輻射器面積(b)隨冷端溫度的變化Fig.8 Cycle efficiency, specific mass (a) and total mass, radiator area (b) as a function of minimum cycle temperature

3.3 壓氣機(jī)級(jí)數(shù)

不同壓氣機(jī)級(jí)數(shù)下循環(huán)效率隨焓提取率的變化如圖9所示，循環(huán)效率、比質(zhì)量、總質(zhì)量、輻射器面積隨壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的變化如圖10所示。增大壓氣機(jī)級(jí)數(shù)有利于提高最大循環(huán)效率，同時(shí)也會(huì)增大對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率及最佳壓比。圖10表明，隨著級(jí)數(shù)增加，系統(tǒng)總質(zhì)量、比質(zhì)量、輻射器面積都會(huì)降低。這是因?yàn)樵跓峁β室欢〞r(shí)，循環(huán)效率的增加表明系統(tǒng)排放的廢熱減少，有利于減小輻射器面積，從而使系統(tǒng)總質(zhì)量降低，并減小比質(zhì)量。然而由圖10也可看出，級(jí)數(shù)增大對(duì)各指標(biāo)而言，邊際效應(yīng)都會(huì)隨之遞減，同時(shí)級(jí)數(shù)增大也會(huì)帶來系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，可靠性下降。綜合考慮后本文選擇壓氣機(jī)級(jí)數(shù)為3級(jí)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖9 不同壓氣機(jī)級(jí)數(shù)下循環(huán)效率隨焓提取率的變化Fig.9 Variation of cycle efficiency with enthalpy extraction rate under different compressor stages

圖10 循環(huán)效率、比質(zhì)量(a)與總質(zhì)量、輻射器面積(b)隨壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的變化Fig.10 Cycle efficiency, specific mass (a) and total mass, radiator area (b) as a function of compressor stage

3.4 回?zé)崞骰責(zé)岫?/h3>

不同回?zé)岫认卵h(huán)效率隨焓提取率的變化如圖11所示，循環(huán)效率、比質(zhì)量、總質(zhì)量、輻射器面積隨回?zé)岫鹊淖兓鐖D12所示。增大回?zé)岫扔欣谔岣咦畲笱h(huán)效率，同時(shí)會(huì)降低對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率及最佳壓比。當(dāng)回?zé)岫仍龃髸r(shí)，隨循環(huán)效率提升，廢熱量排放會(huì)減少，同時(shí)平均輻射溫度會(huì)升高，這導(dǎo)致輻射器面積減小從而降低輻射器質(zhì)量。但另一方面隨回?zé)岫鹊脑黾?，回?zé)崞髻|(zhì)量帶來的影響會(huì)更明顯，使得系統(tǒng)總質(zhì)量及比質(zhì)量都大幅升高，如圖12所示。本文模型下回?zé)岫冗_(dá)到0.95后，再提升回?zé)岫染蜁?huì)使系統(tǒng)總質(zhì)量大幅上升，經(jīng)過綜合考慮選取0.93作為回?zé)崞骰責(zé)岫取?/p>

圖11 不同回?zé)岫认卵h(huán)效率隨焓提取率的變化Fig.11 Variation of cycle efficiency with enthalpy extraction rate at different recuperation degrees

圖12 循環(huán)效率、比質(zhì)量(a)與總質(zhì)量、輻射器面積(b)隨回?zé)岫鹊淖兓疐ig.12 Cycle efficiency, specific mass (a) and total mass, radiator area (b) as a function of recuperation

3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及主要性能指標(biāo)

根據(jù)上述綜合分析結(jié)果，1 MWth系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)列于表2，系統(tǒng)性能指標(biāo)列于表3。由表3可見，磁流體發(fā)電空間核動(dòng)力系統(tǒng)在未來太空應(yīng)用中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

表2 1 MWth系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 1 MWth system design parameter

表3 系統(tǒng)性能指標(biāo)Table 3 System performance index

4 結(jié)論

本文對(duì)用于磁流體發(fā)電的空間核動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在前期已開發(fā)效率分析程序基礎(chǔ)上對(duì)程序功能進(jìn)行擴(kuò)充，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)比質(zhì)量分析功能。在已驗(yàn)證程序準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展開了1 MWth熱功率下該動(dòng)力系統(tǒng)的綜合性能分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究表明，增大熱端溫度、降低冷端溫度、增大壓氣機(jī)級(jí)數(shù)有利于提高最大循環(huán)效率，同時(shí)也會(huì)增大對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率及最佳壓比。增大回?zé)崞骰責(zé)岫扔欣谔岣咦畲笱h(huán)效率，但同時(shí)會(huì)降低對(duì)應(yīng)的最佳焓提取率及最佳壓比。

綜合考慮循環(huán)效率、系統(tǒng)比質(zhì)量、輻射器面積、系統(tǒng)復(fù)雜度、現(xiàn)有制造能力和技術(shù)水平等眾多因素后，最終給出了1套適用于1 MWth熱功率下的設(shè)計(jì)參數(shù)。該系統(tǒng)循環(huán)效率為46.15%，總質(zhì)量為4 375 kg，比質(zhì)量為9.48 kg/kWe，輻射器面積為1 302.7 m2。本文為后續(xù)開展反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)層面的優(yōu)化參數(shù)。