核能利用中的靜態能量轉換技術

王心亮，段宗武，陳 虹

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430000)

0 引言

開發可靠的、能量充沛、具有較高安全性的動力裝置是人們一直以來不懈追求的目標。動力裝置一般由能量源、能量傳輸、能量轉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，由液態或氣態流體工質將熱量帶出，通過能量轉換裝置將熱能轉變為電能或機械能，做功冷卻的工質被冷卻后再輸送回能量源，從而形成封閉的熱力循環。其中能量轉換方式分為動態和靜態兩類。在靜態能量轉換裝置中沒有可移動的機械部件，而動態能量轉換裝置利用熱機工作原理通過渦輪機械(布雷頓循環或朗肯循環)或往復式機械(斯特林循環)驅動發電機實現熱能到電能的轉換。

雖然從熱效率角度來看，相較于動態能量轉換方式靜態能量轉換方式不具有明顯優勢，然而由于靜態能量轉換方式所具有的運行維護少、振動噪聲低、系統密封性能好等優點使其在核能應用領域一直受到關注。此外，靜態能量轉換方式還具有尺寸小、重量輕、固有模塊化和負載跟隨特性好等諸多優點，使得在現有的太空核動力裝置中幾乎都采用了靜態能量轉換方式。

當前已經應用的熱電直接轉換方式主要是利用塞貝克(Seeback)效應的溫差發電及利用熱離子發射原理的熱離子轉換。2種熱電直接轉換方式的能量轉換效率一般都低于10%，遠遠低于動態能量轉換方式。此外，采用放射性同位素的溫差發電系統所需要的放射性同位素燃料稀缺且價格昂貴，而熱離子轉換系統所要求的高溫度也對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換效率，且適用于熱源溫度在1000～1500 K的核熱源，能量轉換技術領域開展了大量的研究，并提出了多種新型靜態熱電能量轉換技術。主要包括熱光伏(TPV)發電技術、堿金屬熱電轉換技術(AMTEC)、熱聲能量轉換技術和磁流體發電技術。本文將對這些最主要的靜態能量轉換技術的基本原理進行介紹，對研究狀況進行回顧，并分析各種技術的發展情況，對未來實用化的可能作出評估。

1 熱光伏發電

熱光伏(TPV)能量轉換是通過光伏電池將熱源的熱輻射能轉化為電能輸出，其基本原理與光伏電池完全相同，即利用半導體PN結的光電轉換特性。當PN結受到光子輻照時，能量不低于能隙的光子將在其中產生多余的電子－空穴對，并通過漂移和擴散作用分離至結的兩端，逐漸使N區富余電子，使P區富余空穴，從而在結的兩端形成電勢差。圖1給出了熱光伏能量轉換系統的示意圖。熱光伏系統與光伏系統的最重要區別在于輻射體的溫度和系統的幾何尺寸。光伏系統主要接受來自太陽光或可見光(400～800 nm)，而熱光伏系統主要是利用紅外輻射(800～2000 nm)的能量。熱光伏系統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大于光伏電池，輸出電功率相應較大。隨著新型光伏電池技術的發展，也促進了熱光伏發電技術的應用。

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 等應用在溫度 1000 K 左右的靜態熱電能量轉換系統中。目前只有GaSb電池兼顧了使用性能和加工性能。Woolf［2］計算了GaSb電池溫度300～400 K，輻射源溫度1473 K時的最佳能隙約為0.73 eV，對于波長1500～1600 nm的紅外輻射，GaSb電池可能的轉換效率接近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能量轉換系統的概念設計。采用了類似同位素溫差熱電偶發電系統的設計，只是由TPV電池代替了傳統的SiGe溫差熱電偶發電器。設計熱源溫度1473 K，電池溫度350 K，系統效率12% ～14%，功率密度接近10 W/kg，其中對電池的冷卻采用了熱管技術。對于TPV系統，要獲得較高的系統效率就需要應用窄能隙濾波器使得能隙范圍內的紅外線可以通過而到達TPV電池，并將其他波長全部反射回輻射器。雖然目前用于TPV系統的濾波器研究還處于探索階段，但隨著濾波器材料的發展實際系統效率有望達到20%。將TPV技術應用于核能領域還需要解決熱光伏電池長期保持光學空穴有效性的能力，轉換器元件需要保持高效冷卻以維持在350 K左右。此外，據放射性實驗估算，做為核能量轉換裝置，GaSb電池工作10年將有8% ～10%的功率損失。

圖1 熱光伏能量轉換系統示意圖Fig.1 TPV energy conversion system schematic

目前，對熱光伏系統的理論研究遠多于實驗研究，無論國內還是國外，更多的還只是進行TPV理論上的設計或數值模擬，理論效率可達20% ～30%，而實驗效率大多數不到5%。但是隨著光伏材料技術的發展，有理由相信熱光伏系統的能量轉換效率可以接近20%。

2 堿金屬熱電轉換

堿金屬熱電轉換器(AMTEC)的概念最早由美國福特汽車公司科學實驗室于20世紀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(BASE)中導電特性的熱再生化學電池［6］。堿金屬熱電轉換的工作原理如圖2所示，一個閉環容器被分為與熱源相連的高溫高壓區和與熱阱相連的低溫低壓區2個部分。這2個部分由離子導電特性遠好于電子導電特性的BASE所分隔，高溫高壓區中為液態的鈉，而低溫低壓區保持在鈉的飽和壓力，大部分為蒸汽鈉，少部分為液態鈉。BASE的低壓側表面覆蓋著具有優良電子導電性能的多孔電極薄膜，外電路通過引線接在BASE兩側的高溫液態鈉和多孔電極薄膜之間。正常工作時，高溫高壓側液態鈉的鈉原子不斷吸熱電離，電離產生的電子被阻滯在陽極界面的高溫液態鈉一側，而電離產生的鈉離子則進入陽極界面的BASE一側，從而在陽極界面產生了一個方向為BASE→高溫液態鈉的電場。而在低壓側BASE中的鈉離子不斷與陰極多孔薄膜中的自由電子復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鈉原子，從而在陰極界面區產生了方向由多孔薄膜→BASE的電場。在外電路接通時，外電路中是電子流在流通，BASE中是離子流在流通。熱電能量轉換過程，正是鈉離子在BASE中從陽極側向陰極側的遷移過程中實現的。所獲得的電能就等于鈉離子在該遷移過程中的吸熱。在AMTEC中，溫度降幾乎全部發生在低壓蒸氣空間。冷凝后的液態鈉通過電磁泵或毛細力的驅動得以循環使用。

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

AMTEC系統可以應用于核能、太陽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，系統的循環熱效率可達20%左右。過去幾十年的研究在長壽命電極和高轉換效率等關鍵技術問題方面取得了重大進展。W/Pt與W/Rh和過渡金屬氮化物［7］、碳化物［8－9］兩族電極被認定適合在高功率密度條件下長期工作，這兩類材料長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運行時能量轉換效率可接近20%。利用數千小時高溫實驗數據對這些材料的晶粒生長進行模擬分析表明，這些電極可以正常運行不少于10年。

美國福特汽車公司科學實驗室［7］設計開發了單管和多管組合的AMTEC模塊。其36管模塊的總輸出功率達到了550 W，其他大部分的實驗結果是來自輸出功率不大于25 W的單管裝置。美國宇航局噴氣推進實驗室［10］進行的多管模塊實驗已經在高溫下運行超過了1000 h，而其單管實驗在1050 K的溫度下運行了超過1900 h，效率達到13%，在最大效率時輸出功率14 W。在這些實驗裝置中，大部分都采用電磁泵來驅動鈉流動，只有幾個小功率裝置是利用毛細力驅動的。這種利用毛細力驅動的裝置非常適合用做無重力作用的太空能源。

我國AMTEC技術［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，在國內率先開展鈉工質堿金屬熱電能量直接轉換技術的應用研究。單管實驗器件重復運行多次，累計熱運行達17 h，峰值功率達8.85 W，功率密度為0.7 W/cm2，最大電流密度達1.11 A/cm2。

目前對于AMTEC技術來說，大部分的基礎原理性問題已經解決，需要解決的主要是實用化所帶來的系統設計和性能問題，如系統效率的提高、電輸出特性在運行過程中的退化等。當前AMTEC裝置的目標效率接近20%，目標功率密度接近20 W/kg。

3 熱聲能量轉換

熱聲能量轉換系統首先由熱聲驅動器把熱能轉化為聲能，再由發電機將聲能轉化為電能［12］。簡單的熱聲能量轉換系統結構如圖3所示。裝置利用熱聲驅動器，在諧振腔內將熱轉化為駐波，在諧振腔的一端裝有平板板疊。平板板疊的設計對于轉換效率的影響最大，它也是熱聲能量轉換系統中最重要的組件。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。輸出功率水平決定了諧振腔的直徑，也即裝置的尺寸大小。

Ward和Merrigan［13］提出了以 He和液態鈉為工質的1 kW熱聲驅動器設計，對工作特性進行分析并認為:在熱源溫度1100 K和冷源溫度330 K條件下，這種熱聲能量轉換的效率在15% ～21%范圍。總的來說熱聲能量轉換技術的發展還很不成熟，還需解決裝置的可靠性、振動、實際裝置效率等諸多問題。

4 磁流體發電

磁流體發電技術是根據法拉第電磁感應定律，利用導電流體高速通過發電通道切割磁力線產生感生電流。20世紀50年代末期原理性實驗成功，由于其轉換效率高的突出優點，使得之后世界各主要國家均將磁流體發電技術列入國家計劃，進行實用化研究。以核能應用為目的的磁流體發電技術主要是可用于液態金屬冷卻快堆的液態金屬磁流體(LMMHD)和適用于氣冷堆的非平衡態等離子體磁流體2種閉式循環磁流體發電裝置。

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

單相液態金屬被反應堆加熱到部分沸騰狀態，兩相流進入磁流體發電通道，在磁場力的作用下所攜帶的能量被抽取出來，兩相流在通道中發生絕熱膨脹，壓力下降更多液體蒸發，溫度下降。做過功的工質在冷卻裝置中冷卻后由電磁泵送回熱源完成循環。LMMHD循環中還有多種變化，包括提高壓力，在磁流體發電機之前加入第2種液態金屬流體，使其蒸發以加速液體的流動。循環概念的變化還包括是否在磁流體發電機之前設置汽液分離器，如果設置分離器將增加能量損失，而不設置汽液分離器，使汽液兩相流進入磁流體發電機又會使磁流體發電機的效率降低。當前大部分概念設想都集中在磁流體發電機工作在兩相流條件下。核能LMMHD的系統概念從數十千瓦到數百兆瓦，采用的單級磁流體系統效率能達到10%。可以通過設置兩級或三級磁流體發電機使效率超過10%。例如，1個100 MW電功率的三級銫濕蒸汽循環系統預計系統效率可達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。

在磁流體發電機中達到高含汽率時，最高預計效率可達約90%。現在研究的問題是向液態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%)的磁流體發電系統是可行的［15］。然而，至今這些計算分析結論都還沒被實驗所證實。

日本東京工業大學的Fuji-1閉環磁流體發電裝置［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，通過熱源將工質加熱到2000 K以上，形成具有較高電導率的熱電離等離子體進入磁流體通道發電做功。為了使工質具有較高的電導率，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3000 K，如此高的溫度難以用在氣冷堆能量轉換。最近，Princeton大學［17］及國內東南大學［18］分別提出由介質阻擋放電產生非平衡態等離子體射流，非平衡態等離子體射流在磁場作用下將氣體的動能轉變為電能輸出的新型磁流體發電系統。該系統的最大優點是可以在較低溫度(1000 K)形成具有較高電導率的磁流體進行能量轉換，非常適合于氣冷堆磁流體發電。但是該技術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題。

圖4 日本Fuji-1非平衡磁流體發電實驗系統示意圖Fig.4 Fuji-1 blow-down facility schematic

5 結語

眾多適用于核能的靜態能量轉換技術中，只有AMTEC技術以效率(13%)和壽期驗證(幾千小時)而成為最具應用前景的靜態能量轉換技術。其他技術都還存在一些關鍵技術問題沒有解決，需要進行更多的研究。AMTEC技術的實用化還需繼續驗證其中關鍵系統的長期可靠性，并不斷提高系統的性能。因此，未來在核動力裝置靜態能量轉換中最先實現實用化的應該是AMTEC技術，如果TPV系統經過實驗驗證后也可能作為備選被采用，而熱聲及液態金屬或非平衡等離子體磁流體作為可靠能量轉換方式使用還有很長的路要走。

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