核能利用中的静态能量转换技术

王心亮，段宗武，陈 虹

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430000)

0 引言

开发可靠的、能量充沛、具有较高安全性的动力装置是人们一直以来不懈追求的目标。动力装置一般由能量源、能量传输、能量转换和余热冷却等几部分组成。由能量源提供源源不断的热量，由液态或气态流体工质将热量带出，通过能量转换装置将热能转变为电能或机械能，做功冷却的工质被冷却后再输送回能量源，从而形成封闭的热力循环。其中能量转换方式分为动态和静态两类。在静态能量转换装置中没有可移动的机械部件，而动态能量转换装置利用热机工作原理通过涡轮机械(布雷顿循环或朗肯循环)或往复式机械(斯特林循环)驱动发电机实现热能到电能的转换。

虽然从热效率角度来看，相较于动态能量转换方式静态能量转换方式不具有明显优势，然而由于静态能量转换方式所具有的运行维护少、振动噪声低、系统密封性能好等优点使其在核能应用领域一直受到关注。此外，静态能量转换方式还具有尺寸小、重量轻、固有模块化和负载跟随特性好等诸多优点，使得在现有的太空核动力装置中几乎都采用了静态能量转换方式。

当前已经应用的热电直接转换方式主要是利用塞贝克(Seeback)效应的温差发电及利用热离子发射原理的热离子转换。2种热电直接转换方式的能量转换效率一般都低于10%，远远低于动态能量转换方式。此外，采用放射性同位素的温差发电系统所需要的放射性同位素燃料稀缺且价格昂贵，而热离子转换系统所要求的高温度也对材料的耐热性提出了更高的要求。因此为了获得具有更高的能量转换效率，且适用于热源温度在1000～1500 K的核热源，能量转换技术领域开展了大量的研究，并提出了多种新型静态热电能量转换技术。主要包括热光伏(TPV)发电技术、碱金属热电转换技术(AMTEC)、热声能量转换技术和磁流体发电技术。本文将对这些最主要的静态能量转换技术的基本原理进行介绍，对研究状况进行回顾，并分析各种技术的发展情况，对未来实用化的可能作出评估。

1 热光伏发电

热光伏(TPV)能量转换是通过光伏电池将热源的热辐射能转化为电能输出，其基本原理与光伏电池完全相同，即利用半导体PN结的光电转换特性。当PN结受到光子辐照时，能量不低于能隙的光子将在其中产生多余的电子－空穴对，并通过漂移和扩散作用分离至结的两端，逐渐使N区富余电子，使P区富余空穴，从而在结的两端形成电势差。图1给出了热光伏能量转换系统的示意图。热光伏系统与光伏系统的最重要区别在于辐射体的温度和系统的几何尺寸。光伏系统主要接受来自太阳光或可见光(400～800 nm)，而热光伏系统主要是利用红外辐射(800～2000 nm)的能量。热光伏系统辐射面与电池的距离只有几厘米，单位面积电池所接受到的辐射功率远大于光伏电池，输出电功率相应较大。随着新型光伏电池技术的发展，也促进了热光伏发电技术的应用。

早期的研究多集中在能隙高的硅电池［1］，最近的研究集中在低能隙光伏电池，如 GaSb，GaInAs，InAs，AlInAs，InAsP，Ge 等应用在温度 1000 K 左右的静态热电能量转换系统中。目前只有GaSb电池兼顾了使用性能和加工性能。Woolf［2］计算了GaSb电池温度300～400 K，辐射源温度1473 K时的最佳能隙约为0.73 eV，对于波长1500～1600 nm的红外辐射，GaSb电池可能的转换效率接近35%。Day［3］和Morgan［4］分别基于GaSb给出了放射性同位素核热源的TPV能量转换系统的概念设计。采用了类似同位素温差热电偶发电系统的设计，只是由TPV电池代替了传统的SiGe温差热电偶发电器。设计热源温度1473 K，电池温度350 K，系统效率12% ～14%，功率密度接近10 W/kg，其中对电池的冷却采用了热管技术。对于TPV系统，要获得较高的系统效率就需要应用窄能隙滤波器使得能隙范围内的红外线可以通过而到达TPV电池，并将其他波长全部反射回辐射器。虽然目前用于TPV系统的滤波器研究还处于探索阶段，但随着滤波器材料的发展实际系统效率有望达到20%。将TPV技术应用于核能领域还需要解决热光伏电池长期保持光学空穴有效性的能力，转换器元件需要保持高效冷却以维持在350 K左右。此外，据放射性实验估算，做为核能量转换装置，GaSb电池工作10年将有8% ～10%的功率损失。

图1 热光伏能量转换系统示意图Fig.1 TPV energy conversion system schematic

目前，对热光伏系统的理论研究远多于实验研究，无论国内还是国外，更多的还只是进行TPV理论上的设计或数值模拟，理论效率可达20% ～30%，而实验效率大多数不到5%。但是随着光伏材料技术的发展，有理由相信热光伏系统的能量转换效率可以接近20%。

2 碱金属热电转换

碱金属热电转换器(AMTEC)的概念最早由美国福特汽车公司科学实验室于20世纪60年代末提出［5］，是一种基于钠离子在 β″氧化铝固体电解质(BASE)中导电特性的热再生化学电池［6］。碱金属热电转换的工作原理如图2所示，一个闭环容器被分为与热源相连的高温高压区和与热阱相连的低温低压区2个部分。这2个部分由离子导电特性远好于电子导电特性的BASE所分隔，高温高压区中为液态的钠，而低温低压区保持在钠的饱和压力，大部分为蒸汽钠，少部分为液态钠。BASE的低压侧表面覆盖着具有优良电子导电性能的多孔电极薄膜，外电路通过引线接在BASE两侧的高温液态钠和多孔电极薄膜之间。正常工作时，高温高压侧液态钠的钠原子不断吸热电离，电离产生的电子被阻滞在阳极界面的高温液态钠一侧，而电离产生的钠离子则进入阳极界面的BASE一侧，从而在阳极界面产生了一个方向为BASE→高温液态钠的电场。而在低压侧BASE中的钠离子不断与阴极多孔薄膜中的自由电子复合而成为多孔薄膜表面的吸附钠原子，然后吸热从多孔薄膜表面脱附成为气态钠原子，从而在阴极界面区产生了方向由多孔薄膜→BASE的电场。在外电路接通时，外电路中是电子流在流通，BASE中是离子流在流通。热电能量转换过程，正是钠离子在BASE中从阳极侧向阴极侧的迁移过程中实现的。所获得的电能就等于钠离子在该迁移过程中的吸热。在AMTEC中，温度降几乎全部发生在低压蒸气空间。冷凝后的液态钠通过电磁泵或毛细力的驱动得以循环使用。

图2 碱金属热电转换工作原理示意图Fig.2 AMTEC schematic

AMTEC系统可以应用于核能、太阳能及化石能等多种形式热源，适用的热源温度范围为900～1200 K，系统的循环热效率可达20%左右。过去几十年的研究在长寿命电极和高转换效率等关键技术问题方面取得了重大进展。W/Pt与W/Rh和过渡金属氮化物［7］、碳化物［8－9］两族电极被认定适合在高功率密度条件下长期工作，这两类材料长期工作都可获得接近0.5 W/cm2的功率密度。这一突破使得在1100～1300 K运行时能量转换效率可接近20%。利用数千小时高温实验数据对这些材料的晶粒生长进行模拟分析表明，这些电极可以正常运行不少于10年。

美国福特汽车公司科学实验室［7］设计开发了单管和多管组合的AMTEC模块。其36管模块的总输出功率达到了550 W，其他大部分的实验结果是来自输出功率不大于25 W的单管装置。美国宇航局喷气推进实验室［10］进行的多管模块实验已经在高温下运行超过了1000 h，而其单管实验在1050 K的温度下运行了超过1900 h，效率达到13%，在最大效率时输出功率14 W。在这些实验装置中，大部分都采用电磁泵来驱动钠流动，只有几个小功率装置是利用毛细力驱动的。这种利用毛细力驱动的装置非常适合用做无重力作用的太空能源。

我国AMTEC技术［11］研究是从1994年起步的，中科院电工所与中科院上海硅酸盐研究所合作，在国内率先开展钠工质碱金属热电能量直接转换技术的应用研究。单管实验器件重复运行多次，累计热运行达17 h，峰值功率达8.85 W，功率密度为0.7 W/cm2，最大电流密度达1.11 A/cm2。

目前对于AMTEC技术来说，大部分的基础原理性问题已经解决，需要解决的主要是实用化所带来的系统设计和性能问题，如系统效率的提高、电输出特性在运行过程中的退化等。当前AMTEC装置的目标效率接近20%，目标功率密度接近20 W/kg。

3 热声能量转换

热声能量转换系统首先由热声驱动器把热能转化为声能，再由发电机将声能转化为电能［12］。简单的热声能量转换系统结构如图3所示。装置利用热声驱动器，在谐振腔内将热转化为驻波，在谐振腔的一端装有平板板叠。平板板叠的设计对于转换效率的影响最大，它也是热声能量转换系统中最重要的组件。板叠中板与板的间距取决于流体的热穿透深度，而穿透深度由工作温度决定。输出功率水平决定了谐振腔的直径，也即装置的尺寸大小。

Ward和Merrigan［13］提出了以 He和液态钠为工质的1 kW热声驱动器设计，对工作特性进行分析并认为:在热源温度1100 K和冷源温度330 K条件下，这种热声能量转换的效率在15% ～21%范围。总的来说热声能量转换技术的发展还很不成熟，还需解决装置的可靠性、振动、实际装置效率等诸多问题。

4 磁流体发电

磁流体发电技术是根据法拉第电磁感应定律，利用导电流体高速通过发电通道切割磁力线产生感生电流。20世纪50年代末期原理性实验成功，由于其转换效率高的突出优点，使得之后世界各主要国家均将磁流体发电技术列入国家计划，进行实用化研究。以核能应用为目的的磁流体发电技术主要是可用于液态金属冷却快堆的液态金属磁流体(LMMHD)和适用于气冷堆的非平衡态等离子体磁流体2种闭式循环磁流体发电装置。

图3 热声能量转换装置示意图Fig.3 Thermoacoustic converter schematic

单相液态金属被反应堆加热到部分沸腾状态，两相流进入磁流体发电通道，在磁场力的作用下所携带的能量被抽取出来，两相流在通道中发生绝热膨胀，压力下降更多液体蒸发，温度下降。做过功的工质在冷却装置中冷却后由电磁泵送回热源完成循环。LMMHD循环中还有多种变化，包括提高压力，在磁流体发电机之前加入第2种液态金属流体，使其蒸发以加速液体的流动。循环概念的变化还包括是否在磁流体发电机之前设置汽液分离器，如果设置分离器将增加能量损失，而不设置汽液分离器，使汽液两相流进入磁流体发电机又会使磁流体发电机的效率降低。当前大部分概念设想都集中在磁流体发电机工作在两相流条件下。核能LMMHD的系统概念从数十千瓦到数百兆瓦，采用的单级磁流体系统效率能达到10%。可以通过设置两级或三级磁流体发电机使效率超过10%。例如，1个100 MW电功率的三级铯湿蒸汽循环系统预计系统效率可达11.6%。此外，由于散热温度约为850℃(热源温度约为1400℃)，从而使得其所需散热面积也较小。

在磁流体发电机中达到高含汽率时，最高预计效率可达约90%。现在研究的问题是向液态金属中加入表面活性剂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%)的磁流体发电系统是可行的［15］。然而，至今这些计算分析结论都还没被实验所证实。

日本东京工业大学的Fuji-1闭环磁流体发电装置［16］(图4)采用添加少量碱金属种子的氦气或氩气等惰性气体作为工质，通过热源将工质加热到2000 K以上，形成具有较高电导率的热电离等离子体进入磁流体通道发电做功。为了使工质具有较高的电导率，该装置采用天然气与纯氧的混合燃烧作为热源，其燃烧热源温度可达3000 K，如此高的温度难以用在气冷堆能量转换。最近，Princeton大学［17］及国内东南大学［18］分别提出由介质阻挡放电产生非平衡态等离子体射流，非平衡态等离子体射流在磁场作用下将气体的动能转变为电能输出的新型磁流体发电系统。该系统的最大优点是可以在较低温度(1000 K)形成具有较高电导率的磁流体进行能量转换，非常适合于气冷堆磁流体发电。但是该技术还需解决非平衡等离子体生成的均匀性、高压高频电源及电磁兼容等诸多问题。

图4 日本Fuji-1非平衡磁流体发电实验系统示意图Fig.4 Fuji-1 blow-down facility schematic

5 结语

众多适用于核能的静态能量转换技术中，只有AMTEC技术以效率(13%)和寿期验证(几千小时)而成为最具应用前景的静态能量转换技术。其他技术都还存在一些关键技术问题没有解决，需要进行更多的研究。AMTEC技术的实用化还需继续验证其中关键系统的长期可靠性，并不断提高系统的性能。因此，未来在核动力装置静态能量转换中最先实现实用化的应该是AMTEC技术，如果TPV系统经过实验验证后也可能作为备选被采用，而热声及液态金属或非平衡等离子体磁流体作为可靠能量转换方式使用还有很长的路要走。

［1］HORNE W E. Experimentalevaluation ofa solar thermophotovoltaic energy conversion module［A］.In Proc.23rdIntersociety Energy Conversion Engineering Conference，1988.37 －42.

［2］WOOLF L D.Optimum efficiency of single and multiple bandgap cells in thermophotovoltaic energy conversion［J］.Solar Cell，1986，19(1):19.

［3］DAY A C，HORNE，W E，MORGAN M D.Application of the GaSb solar cell in isotope-heated power systems［A］.In Proc.21stIEEE Photovoltaics Specialist Conf.，New York，1990.1320 －1325.

［4］MORGAN M D，HORNEWE， BROTHERSPR.Radioisotope thermophotovoltaic power system utilizing the GaSb IR photovoltaic cell［A］.In Proc.10th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion，New York，1993.420－425.

［5］YAO F Y，KUMMER J T.Ion exchange and properties and rates of ionic diffusion in beta-alumina［J］.J.Inorg.Nuel.Chem，1967，(9):2453 －2475.

［6］WEBER N.A thermoelectric device based on beta-alumina solid electrolyte［J］.Energy conversion，1974，(14):1 －8.

［7］HUNT T K.Test results on a kilowatt-scale sodium heat engine［A］.in Proc.25th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，New York，1990，2:420 －425.

［8］WILLIAMS R M. Lifetime studiesofhigh power rhodium/tungsten and molybdenum electrodes for application to AMTEC［A］.In Proc，25th Intersociety Engineering Conference，1990.413 －419.

［9］RYAN M A.Electrode，current collector，and electrolyte studies for AMTEC Cells［A］.In Proc.Tenth Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion，New York，1993.905－912.

［10］UNDERWOODM L. RecentadvancesinAMTEC recirculating test cell performance［A］.In Proc.Tenth Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion，New York，1993.885 －890.

［11］张来福，李斌.碱金属热电转换器实用化的两个关键问题［J］.能源技术，2004，25(3):114 －116.ZHANG Lai-fu，LI Bin.Two key problems of practicalalkalimetal thermoelectric converter［J］.Energy technology，2004，25(3):114 －116.

［12］WHEATLEY J C. An intrinsically irreversible thermoacoustic heat engine［J］.J.ACOUS.Sot，Am.，1983，74:153.

［13］WARD W C，MERRIGAN，M A.Thermoacoustic power conversion for space power applications［A］.In Proc.Ninth Symposium on Space Nuclear Power Systems，New York，1992.1338 －1343.

［14］FABRIS G E.Two-phase flow bubbly mixing for liquid metal magnetohydrodynamic energy conversion［A］.Proc.25th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，New York，1990.486 －493.

［15］FABRIS G，BACK L.Prediction of performance of twophase flow nozzle and liquid metal magnetohydrodynamic(LMMHD)generator for no slip condition［A］.In Proc.27 th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，1992.391 －399.

［16］OKUNO Y，et al.High enthalpy extraction experiment with Fuji－ 1 MHD blow-down facility［J］.Energy Conversion and Management，1999，40:1177 －1190.

［17］MURRAY R C，et al.Investigation of a mach 3 cold air MHD channel［A］.In 34thAIAA Plasma Dynamics and Lasers Conference，2003.

［18］顾璠，李森，王心亮.爆燃－非平衡态等离子体磁流体发电方法及其装置［P］.中国专利:200910025699.6，2010－05－14.GU Fan，LI Sen，WANG Xin-liang.A MHD power generation method and equipment with nonequilibrium plasma producted by detonation［P］.China Patent:200910025699.6，2010－05－14.