一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层

技术领域

本发明属于聚变堆包层设计领域，具体涉及一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层。

背景技术

氚增殖包层是聚变反应堆实现氚自持、能量转换和辐射屏蔽的关键部件，是聚变能走向应用必须解决的关键技术。其中液态包层作为聚变堆的先进包层方案之一，具有可实现增殖剂的在线补充、氚增殖比高、容易向高温拓展、热效率高等优点。液态包层以液态锂铅作为氚增殖剂，通过在聚变反应过程中产生的中子与锂发生反应生成氚来实现其氚增殖功能。同时液态锂铅也作为冷却剂之一，带走包层自身在聚变反应堆运行过程中产生的热量，以此实现聚变能的利用。但在包层所处的强磁场环境下，导电液态金属的流动会出现显著的磁流体力学效应，其产生机理为导电液态金属在流动过程中切割磁感线，产生感应电动势及感应电流，进而在主流区产生阻碍锂铅流动的洛伦兹力。磁流体力学效应产生的压降远大于普通流体力学压降，因此需要更大的泵送功率以维持液态锂铅的流动平衡，提高了液态包层的运行成本。

磁流体发电技术是一种新型、高效、环保的发电技术。其基本原理是利用导电流体通过发电通道切割磁力线，产生感生电流而发电。其中液态金属作为一种优良的导电流体，已被应用于磁流体发电领域。液态金属磁流体发电相比传统的发电方式，具有不需运动的机械部件，发电机结构设计简单，系统成本较低，具有较高稳定性的优势。其适用温度范围广，可应用于聚变堆包层内的高温运行环境。且磁流体发电能量转换的中间过程较少，从而可以减少中间环节的能量损失，发电效率较高。

液态包层内产生感应电流的原理与磁流体发电技术原理相同，具有实现磁流体发电的潜力，但现有的液态包层设计中，液态锂铅流动过程中产生的感应电流在包层内部结构及流道中形成闭合回路，无法将这部分电能加以利用，增大了液态包层在实现能量转换过程中的能量损耗。

发明内容

为了改变包层内部电流闭合回路，从而实现电能的利用，降低包层运行过程中的能量损耗，本发明提供一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层，结合液态金属磁流体发电技术，将液态锂铅流动过程中产生的电流，输送至外部用电负载加以利用，提高包层能量转换效率，具有较大发展潜力。

为达到上述目的，本发明采用技术方案实现：

一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层，包括第一壁、阴极板、液态锂铅流道、外部电路、用电负载、阳极板、径向隔板、环向隔板、侧壁；该液态锂铅包层中，液态锂铅作为氚增殖剂与冷却剂在增殖区中流动，增殖区的边界由侧壁、阳极板及阴极板组成，增殖区的内部被起支撑作用的径向隔板及环向隔板分隔出多个极向贯通的并联管道，液态锂铅在其中沿极向流动。液态锂铅包层所处工况存在较强的环向磁场，导电液态锂铅在沿极向流动过程中会产生感应电动势，进而产生沿径向的感应电流，液态锂铅包层中产生的感应电流由阳极板、外部电路及阴极板形成闭合回路，并通过外部电路中的用电负载实现电能的利用。

进一步地，液态锂铅包层中的侧壁及径向隔板绝缘，环向隔板导电。液态锂铅包层中产生的径向感应电流，在绝缘的径向隔板及侧壁的限制下，无法通过径向隔板及侧壁形成闭合回路，因此一个液态锂铅流道内的感应电流将始终沿径向流动，先后穿过两层导电的环向隔板进入下一个液态锂铅流道，进而到达阳极板，并流入外部负载电路实现电能的利用，最终通过阴极板进入液态锂铅流道形成闭合回路。

进一步地，导电的径向隔板采用导电材料加工制成，环向隔板和侧壁通过采用绝缘材料加工，或在导电材料表面附着绝缘层来实现其电绝缘功能。

进一步地，第一壁、径向隔板、环向隔板、侧壁等结构中可设置冷却剂流道进行冷却，避免部件温度过高超过限值，以及温度过高对导电或绝缘性能的影响。且其中冷却剂流道对结构的导电或绝缘性能不会产生影响。

进一步地，阳极板及其连接电路位于第一壁内部，以避免聚变堆运行过程中来自第一壁外部的热流及辐射造成的破坏或寿命降低。

进一步地，每个液态锂铅流道具有彼此相同或不同的几何结构，和彼此相同或不同的几何尺寸。其结构及尺寸由热工水力学分析及磁流体发电性能确定。

进一步地，液态锂铅的流动速度及环向磁场强度决定了感应电势及感应电流的大小，进而决定了磁流体发电系统的发电功率，可通过调节液态锂铅流速改变发电功率。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：

（1）本发明在满足包层基本的氚增殖及能量转换功能的条件下，通过磁流体发电系统有效的利用了液态锂铅在流动过程中因磁流体力学效应产生的电流，通过外部用电负载将此部分电能加以利用，降低了包层能量损耗，提高能量转换效率。

（2）本发明所设计的结构，有效的调控了包层中感应电流的流动方向，大幅度减少了包层内部的闭合电流回路，提高了进入外部电路的电流密度，进而提高了磁流体发电功率。

（3）本发明结构设计简单，便于加工制造，且发电系统稳定性较好。

附图说明

图1为本发明的一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层的环-径向剖面结构示意图。

图2为本发明的一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层的径-极向剖面结构示意图。

图中：1.第一壁；2.阴极板；3.液态锂铅流道；4.外部电路；5.用电负载；6.阳极板；7.径向隔板；8.环向隔板；9.侧壁。

图1、图2中实线箭头表示液态锂铅流动方向，虚线箭头表示感应电流方向。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示分别为包含磁流体发电系统的液态锂铅包层环-径向剖面结构示意图及径-极向剖面结构示意图。本发明的一个实施例的一种包含磁流体发电系统的液态锂铅包层包括第一壁1、阴极板2、液态锂铅流道3、外部电路4、用电负载5、阳极板6、径向隔板7、环向隔板8、侧壁9等部件。所述磁流体发电系统包括阴极板2、液态锂铅流道3、外部电路4、用电负载5、阳极板6。所述液态锂铅包层中，液态锂铅作为氚增殖剂与冷却剂在增殖区中流动，增殖区即液态锂铅的流动区域，其边界由侧壁9、阳极板6及阴极板2组成，所述第一壁1设置在阴极板2外部，并覆盖阴极板2和上下两个侧壁9的连接处。阴极板2与阳极板6相对设置。增殖区内部被径向隔板7及环向隔板8分隔为，沿径向三排、沿环向四排的3×4布局，共计十二个相互独立的并联管道，各并联管道极向贯通，液态锂铅在其中沿极向流动。图2所示实线箭头方向为沿环向的四排管道中，一排管道内三个流道中的液态锂铅流动方向，其余三排管道的液态锂铅流动方向相同。包层位于强磁场工况下，磁场方向为图1所示环向的负方向，导电液态锂铅在沿极向流动过程中会产生感应电动势，进而产生沿径向的感应电流，即虚线箭头方向。感应电流由阳极板6、外部电路4及阴极板2形成闭合电流回路，并通过外部电路4中的用电负载5实现电能的利用。

进一步地，包层中的径向隔板7及侧壁9绝缘，而环向隔板8导电。包层中产生的径向感应电流，在绝缘的径向隔板7及绝缘的侧壁9的限制下，无法通过径向隔板7及侧壁9形成闭合电流回路，因此一个液态锂铅流道3内的感应电流将始终沿径向流动，先后穿过两层导电的环向隔板8进入下一个液态锂铅流道3，进而到达阳极板6，流入外部电路4中的用电负载5从而实现电能的利用，最终通过阴极板2进入锂铅流道3形成闭合电流回路。

进一步地，导电是环向隔板8采用导电材料加工制成，而径向隔板7和侧壁9通过采用绝缘材料加工，或在导电材料表面附着绝缘层来实现其电绝缘功能。

进一步地，第一壁1、径向隔板7、环向隔板8、侧壁9等结构内部可设置冷却剂流道，采用氦气、水、超临界二氧化碳等冷却剂进行冷却，避免部件温度过高超过材料温度限值，以及温度过高对相应结构导电或绝缘性能的影响。且相应冷却剂流道不会对结构的导电或绝缘性能产生影响。

进一步地，阳极板6及其连接的外部电路4，位于第一壁1内部，以避免被聚变堆运行过程中较强热流及辐射造成的破坏或寿命降低。

进一步地，每个液态锂铅流道3具有彼此相同或不同的几何结构，和彼此相同或不同的尺寸，其结构及尺寸由热工水力学分析及磁流体发电性能共同确定。

进一步地，液态锂铅的流动速度及环向磁场强度决定了感应电势及感应电流的大小，进而决定了磁流体发电系统的发电功率，可通过调节液态锂铅流道3中的锂铅流速来改变发电功率。

本发明未详细陈述的部分，属于本领域的公知技术。

尽管以上内容对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求和本发明确定的精神和范围内，这些变化是显而易见的，均在本发明保护之列。