关于磁流体发电介绍

[拼音]：ciliuti fadian

[外文]：magnetohydrodynamic power generation

通过流动的导电流体与磁场相互作用而产生电能。在20世纪初就有人取得磁流体发电的专利，但直到50年代，在火箭技术发展的推动下，才获得具有实际意义的进展。1959年首次出现磁流体发电和汽轮发电机组联合循环，其效率约为50％左右，如果进一步改善，预计可达60％。磁流体发电装置的优点是没有机械运动部件，同汽轮发电机组联合进行，效率可大为提高。

磁流体发电装置中使用的导电流体（工作介质）有以下几种。在使用矿物燃料的发电装置中，工作介质是燃料(石油、煤、天然气)燃烧产生的高温气体（2500～3500开）。为使高温气体有足够的电导率，加入总量1％左右的易电离物质──“种子”，一般为碳酸钾。用裂变反应堆作热源时，工作介质大多是惰性气体(例如氦)，并以铯作为种子物质。由于受到反应堆固体元件材料的限制，工作介质的温度远不能使其达到电离状态。为了提高电导率，通常采取非平衡电离效应（例如用高频电场促使电离，这时电子的温度高于离子和中性粒子的温度）。此外，工作介质也可为液态金属和气体或液态金属和其蒸气的混合物。

磁流体发电装置的工作原理是法拉第电磁感应原理，用导电流体代替固体导体。导电流体在通道中横越磁场B流过时，由于电磁感应而在垂直于磁场和流速的方向上感生出一个电场E，如把导电流体与外负载相接，导电流体中的能量就可直接转换成电能，向外输出（图1）。这样能省去普通发电机组中某些能量转换的中间过程，因此这种发电又称磁流体直接发电。在这种发电装置中主要部件是发电通道、电极和磁场。

按照电流由导电流体中引出的方式，发电装置可分为传导式和感应式两种。在传导式发电器中，电流是通过发电通道两侧的电极引出的；在感应式发电器中，没有电极，电流直接由磁场绕组输出。按照输出电流的类别，发电装置可分为交流和直流两种。根据工作介质在装置中是一次使用还是在系统中循环使用，发电装置可分为开式和闭式两种。根据发电通道几何形状的不同，发电装置可分为直线型、涡旋型和径向外流型等几种。下面介绍两种装置：

（1）开式循环直线型磁流体发电装置 这种发电装置中的工作介质是温度为2500～3500开的高温电离气体，即等离子体。在连续电极的直线型发电装置中(图2之a)，

如果平均电子碰撞频率比电子在磁场中的回旋频率大得多，则当等离子体横越磁场时，就感生出一个同磁场和流速相垂直的电场。但当等离子体密度较低，电子在磁场中的回旋频率相当于或甚至大于平均电子碰撞频率时，电子在磁场中就沿曲线运动。这一现象称为霍耳效应，由此产生的垂直于电场的电流称为霍耳电流。电子回旋频率 ω与平均电子碰撞频率1/τ之比ωτ称为霍耳系数，它表征霍耳效应的大小，在物理意义上相当于存在磁场时一个电子在两次碰撞间转过的弧度，也相当于沿等离子体流动方向的霍耳电流与平行于电场方向的电流之比。在连续电极发电装置中，由于出现霍耳电流（损耗电流），平行于电场的电流要降低为原值的。为了减小霍耳电流，通常采用分段电级(图2之b)，也可直接利用霍耳电流来代替平行于电场的电流，从而成为霍耳发电装置(图2之c)。近年来又在此基础上发展出斜框式通道的发电装置。使用开式循环磁流体发电装置可减少环境污染，特别对含硫较高的矿物燃料，由于在燃烧室中“种子”碳酸钾几乎完全离解，在发电装置的通道下游，通过化学反应复合成硫酸钾，从而显著降低二氧化硫的排放量。

（2）闭式循环磁流体发电装置 采取封闭回路，工作介质可反复使用。通常选用惰性气体（如氦）作为介质，以铯作种子物质，利用非平衡电离效应来提高电导率，或用液态金属及其蒸气的混合物作为介质。这类装置通常以裂变反应堆作热源，其工作原理与开式循环装置相同。

当前的研究工作主要集中于燃烧矿物燃料的开式循环磁流体发电。苏联、美国、日本和中国等国都建立了一系列磁流体发电装置。技术最先进的是苏联的Y-25型装置。这种装置由以天然气作燃料的开式循环磁流体发电装置和汽轮发电机联合组成，头部的磁流体发电装置的设计功率是25兆瓦。美国在以煤作燃料的磁流体发电装置方面也取得成就，Mark V 曾作为电弧风洞的电源投入使用。日本一座场强为5万高斯（即5特斯拉）超导磁场的磁流体发电装置已投入运转。 以液态金属作为工质的闭式循环磁流体发电装置，由于没有转动部件，比较牢固，而且能够发出交流电，故一般将它作为空间动力的备用装置进行研究。近年来，美国、苏联、以色列还把这种磁流体发电与太阳能源结合起来进行研究。以裂变反应堆为热源、采用非平衡电离效应的闭式循环磁流体发电装置的研究工作尚未取得重大突破。这是因为有磁场时，非平衡电离的实验结果同理论预计相差较远。此外，由于电导率随等离子体密度的增加而下降，所以要求工质处于低气压状态，而这一要求同反应堆的合理设计有矛盾。近年来的研究表明，当等离子体密度足够高时，粒子的平均动能已不再比粒子间的相互作用能大很多，等离子体变成非理想的。这时等离子体的电导率随密度增大而上升，接近金属的电导率。这一性质对磁流体发电以及作为反应堆中携带热量的工质都是十分有利的。

随着受控热核反应研究的进展，聚变反应堆－磁流体发电装置有可能成为21世纪中央电站的主要形式。

等离子体横越磁场流动的稳定性问题是磁流体发电装置研究的主要问题之一。在低气压闭式循环磁流体发电装置中，由于工质处于非平衡状态，出现的不稳定性较多。除了在等离子体中经常出现的由于局部温度提高而引起电流集中、温度反复上升和电子急剧加速的过热不稳定性和离子声波不稳定性以外，电离不稳定性成为重点研究对象。电离不稳定性出现后，荷电粒子的密度、电流和电场都随空间和时间而迅速变化，从而降低有效电导率，使发电装置的性能明显恶化。有人提出用交替改变平均电流方向(其周期比不稳定发展的特征时间，即振幅增长e倍所需的时间更短)来抑制电离不稳定性的方法。在开式循环磁流体发电装置中，等离子体是处于局部热力学平衡的，不产生电离不稳定性，其他不稳定性也不明显。但在大型工业装置中，等离子体与磁场的相互作用较强，不稳定性也可能出现。

设计通道起初大多采用一维流动模型，随着发电装置功率的增大，需要对通道进行细致的理论研究。超声速发电通道的理论和实验是当前重点研究的项目之一。制造能长时间有效工作的通道和电极材料是当前主要技术困难的所在，而制造能提供高场强的超导磁体是磁流体发电装置能否进入实用阶段的关键问题。

参考书目

1. G.W.Sutton and A.Sherman，Engineering Magneto-hydrodynamics，McGraw-Hill，New York，1965.
2. L. P. Harris and J. D. Cobine，The significance of the Hall Effect for Three MHD Generator Configuration， Trans， ASME，Ser.A，83A，pp.392～396，1961.
3. L. M. Biberman， et al.， Physics of MHD Energy Conversion，Proceedings of the XIII International Conf. on Phenomena in Ionized Gases， Physical Society of the GDR，Berlin，1977.