磁流體發電

磁流體發電是一種新型的高效發電方式，其定義為當帶有

等離子狀態，是指物質原子內的電子在高温下脱離原子核的吸引，使物質呈為正負帶電粒子狀態存在。

磁流體的等離子體橫切穿過磁場時，按電磁感應定律，等離子體的正負粒子在磁場的作用下分離，而聚集在與磁力線平等的兩個面上，由於電荷的聚集，從而產生電勢。在磁流體流經的通道上安裝電極和外部負荷連接時，則可發電。

為使高温氣體有足夠的電導率，需在高温和高速下，加入總量1%左右的易電離物質——“種子”，一般為碳酸鉀，以利用非平衡電離原理來提高電離度。用裂變反應堆作熱源時，工作介質大多是惰性氣體（例如氦），並以銫作為種子物質。由於受到反應堆固體元件材料的限制，工作介質的温度遠不能使其達到電離狀態。為了提高電導率，通常採取非平衡電離效應（例如用高頻電場促使電離，這時電子的温度高於離子和中性粒子的温度）。此外，工作介質也可為液態金屬和氣體或液態金屬和其蒸氣的混合物。

燃煤磁流體發電技術--亦稱為等離子體發電，就是磁流體發電的典型應用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高温等離子氣體並以高速流過強磁場時，氣體中的電子受磁力作用，沿着與磁力線垂直的方向流向電極，發出直流電，經直流逆變為交流送入交流電網。

磁流體發電本身的效率僅20%左右，但由於其排煙温度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續燃燒成蒸汽，驅動汽輪機發電，組成高效的聯合循環發電，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發中的高效發電技術中最高的。同樣，它可有效地脱硫，有效地控制NOx的產生，也是一種低污染的煤氣化聯合循環發電技術。

在磁流體發電技術中，高温陶瓷不僅關係到在2000～3000K磁流體温度能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發電系統能否正常工作的關鍵，目前高温陶瓷的耐受温度最高已可達到3090K。

磁流體發電比一般的火力發電效率高得多，但在相當長一段時間內它的研製進展不快，其原因在於伴隨它的優點而產生了一大堆技術難題。磁流體發電機中，運行的是温度在三、四千度的導電流體，它們是高温下電離的氣體。為進行有效的電力生產，電離了的氣體導電性能還不夠，因此，還要在其中加入鉀、銫等金屬離子。但是，當這種含有金屬離子的氣流，高速通過強磁場中的發電通道，達到電極時，電極也隨之遭到腐蝕。電極的迅速腐蝕是磁流體發電機面臨的最大難題。另外，磁流體發電機需要一個強大的磁場，人們都認為，真正用於生產規模的發電機必須使用超導磁體來產生高強度的磁場，這當然也帶來技術和設備上的難題。最近幾年，科學家在導電流體的選用上有了新的進展，發明了用低熔點的金屬（如鈉、鉀等）作導電流體，在液態金屬中加進易揮發的流體（如甲苯、乙烷等）來推動液態金屬的流動，巧妙地避開了工程技術上一些難題，製造電極的材料和燃料的研製方面也有了新進展。但想一下子省錢省力地解決磁流體發電中技術、材料等方面的所有難題是不現實的。隨着新的導電流體的應用，技術難題逐步解決，磁流體發電的前景還是樂觀的。在美國，磁流體發電機的容量已超過32000千瓦；日本、德國、波蘭等許多國家都在研製碘流體發電機。我國也已研製出幾台不同形式的磁流體發電機。

根據電磁感應原理，用導電流體（氣體或液體）與磁場相對運動而發電。

導電流體在通道中橫越磁場B流過時，由於電磁感應而在垂直於磁場和流速的方向上感生出一個電場E，如把導電流體與外負載相接，導電流體中的能量就可直接轉換成電能，向外輸出（圖1）。這樣能省去普通發電機組中某些能量轉換的中間過程，因此這種發電又稱磁流體直接發電，在這種發電裝置中主要部件是發電通道、電極和磁場。

裝置類型 按照電流由導電流體中引出的方式，發 電裝置可分為傳導式和感應式兩種。在傳導式發電器中，電流是通過發電通道兩側的電極引出的；在感應式發電器中，沒有電極，電流直接由磁場繞組輸出。按照輸出 電流的類別，發電裝置可分為交流和直流兩種。根據工作介質在裝置中是一次使用還是在系統中循環使用,發電裝置可分為開式和閉式兩種。根據發電通道幾何形狀的不同，發電裝置可分為直線型、渦旋型和徑向外流型等幾種。下面介紹兩種裝置：

①開式循環直線型磁流體發電裝置這種發電裝置中的工作介質是温度2500~3500開的高温電離氣體，即等離子體。在連續電極的直線型發電裝置中（圖2a),如果平均電子碰撞頻率比電子在磁場中的迴旋頻率大得多，則當等離子體橫越磁場時，就感生出一個同磁場和流速相垂宜的電場，但當等離子體密度較低，電子在磁場中的迴旋頻率相當於或甚至大於平均電子碰撞頻率時，電子在磁場中就沿曲線運動。這一現象稱為霍耳效應，由此產生的垂直於電場的電流稱為霍耳電流。電子迴旋頻率ω與平均電子碰撞頻率1/t之比ωt稱為霍耳係數，它表徵霍耳效應的大小，在物理意義上相當於存在磁場時一個電子在兩次碰撞間轉過的弧度，也相當於沿等離子體流動方向的霍耳電流與平行於電場方向的電流之比。在連續電極發電裝置中，由於出現霍耳電流（損耗電流），平行於電場的電流要降低為原值的。為了減小霍耳電流，通常採用分段電極（圖2b），也可直接利用霍耳電流來代替平行於電場的電流，從而成為霍耳發電裝置（圖2c）。近年來又在此基礎上發展出斜框式通道的發電裝置。使用開式循環磁流體發電裝置可減少環境污染，特別對含硫較高的礦物燃料，由於在燃燒室中“種子” 碳酸鉀幾乎完全離解，在發電裝置的通道下游，通過化學反應複合成硫酸鉀，從而顯著降低二氧化硫的排放量。

②閉式循環磁流體發電裝置採取封閉迴路，工作介質可反覆使用。通常選用惰性氣體（如氦）作為介質，以銫作種子物質，利用非平衡電離效應來提高電導率，或用液態金屬及其蒸氣的混合物作為介質。這類裝置通常以裂變反應堆作熱源，其工作原理與開式循環裝置相同。

磁流體發電機沒有運動部件，結構緊湊，起動迅速，環境污染小，有很多優點。特別是它的排氣温度高達2000℃，可通入鍋爐產生蒸汽，推動汽輪發電機組發電。這種磁流體－蒸汽動力聯合循環電站，一次燃燒兩級發電，比現有火力發電站的熱效率高10－20%，節省燃料30%，是火力發電技術改造的重要方向。磁流體發電的研究始於20世紀50年代末，被認為是最現實可行、最有競爭力的直接發電方式。它涉及到磁流體動力學、等離子物理、高温技術及材料、低温超導技術和熱物理等領域，是一項大型工程性課題。許多先進國家都把它列為國家重點科研項目，有的建立國際間協作關係，以期早日突破。

從發電的機理上看，磁流體發電與普通發電一樣，都是根據法拉第電磁感應定律獲得電能。所不同的是，磁流體發電是以高温的導電流體（在工程技術上常用等離子體）高速通過磁場，以導電的流體切割磁感線產生電動勢。這時，導電的流體起到了金屬導線的作用。

磁流體發電中所採用的導電流體一般是導電的氣體，也可以是液態金屬。我們知道，常温下的氣體是絕緣體，只有在很高的温度下，例如6000K以上，才能電離，才有較大的導電率。而磁流體發電一般是採用煤、石油或天然氣作燃料，燃料在空氣中燃燒時，即使把空氣預熱到1400K，也只能使空氣達到3000K的温度，這時氣體的導電率還不能達到所需的值，而且即使再提高温度，導電率也提高不了多少，卻給工程帶來很大困難。那麼如何使氣體在較低的温度下就能導電，並有較高的導電率。實際中採用的辦法是在高温燃燒的氣體中添加一定比例的、容易電離的低電離電位的物質，如鉀、銫等鹼金屬化合物。這種鹼金屬化合物被稱為“種子”。在氣體中加入這種低電離電位物質的量一般以氣體重量的1%為佳。這樣氣體温度在3000K左右時，就能達到所要求的導電率。當這種氣體以約1000m/S的速度通過磁場時，就可以實現具有工業應用價值的磁流體發電。

磁流體發電是一種新型的發電方法。它把燃料的熱能直接轉化為電能，省略了由熱能轉化為機械能的過程，因此，這種發電方法效率較高，可達到60%以上。同樣燒一噸煤，它能發電4500千瓦時，而汽輪發電機只能發出3000千瓦時電。對環境的污染也小

磁流體發電中，導電流體單位體積的輸出功率We為

We=σv 2B 2k(1-k)式中σ為導電流體的電導率，v為流體的運動速度，B為磁場的磁通密度，k為電負載係數。典型的數據是σ=10～20西/米，B=5～6特，v=600～1000米/秒，k=0.7～0.8, We在25～150兆瓦/米3。80年代後期，世界上技術最先進的磁流體發電裝置是莫斯科北郊U-25裝置。它是以天然氣作燃料的開環裝置，額定功率為20.5兆瓦。

1832年法拉第首次提出有關磁流體力學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術差，未達到目的。1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，併成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動(即哈特曼流動)的理論計算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動力學波(即阿爾文波)和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來保存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束温度高達一億度量級的等離子體。

然而，磁約束不易穩定，所以研究磁流體力學穩定性成為極重要的問題。1951年，倫德奎斯特給出一個穩定性判據，這個課題的研究至今仍很活躍。

20世紀初就有人取得磁流體發電的專利，但直到50年代，在火箭技術發展的推動下，磁流體發電獲得了具有實際意義的進展，1959年首次出現磁流體發電和汽輪發電組合，其效率約為50%左右，如果進一步改善預計可達60%。磁流體發電裝置優點是沒有機械運動不見，同汽輪發電機組合聯合運行，效率可大為提高。美國是世界上研究磁流體發電最早的國家， 1959年，美國就研製成功了11.5千瓦磁流體發電的試驗裝置，。60年代中期以後，美國將它應用在軍事上，建成了作為激光武器脈衝電源和風洞試驗電源用的磁流體發電裝置。

日本和前蘇聯都把磁流體發電列入國家重點能源攻關項目，並取得了引人注目的成果。前蘇聯已將磁流體發電用在地震預報和地質勘探等方面。前蘇聯在1971年建造了一座磁流體——蒸汽聯合循環試驗電站，裝機容量為7.5萬千瓦，其中磁流體電機容量為2.5萬千瓦。1986年，前蘇聯開始興建世界上第一座50萬千瓦的磁流體和蒸汽聯合電站，這座電站使用的燃料是天然氣，它既可供電，又能供熱，與一般的火力發電站相比，它可節省燃料20%。

作為一種高技術，磁流體發電推動着工程電磁流體力學這門新興學科和高温燃燒、氧化劑預熱、高温材料、超導磁體、大功率變流技術、高温診斷和降低工業動力裝置有害排放物的先進方法等一系列新技術的發展。這些科學成果和技術成就可以得到其他方面的應用，並有着美好的發展前景。從高效率、低污染、高技術的考慮，磁流體發電為高效率利用煤炭資源提供了一條新途徑，使得磁流體發電從其原理性實驗成功開始，就迅速得到了全世界的重視，許多國家都給予了持續穩定的支持並積極研究燃煤磁流體發電。

目前，世界上有17個國家在研究磁流體發電，而其中有13個國家研究的是燃煤磁流體發電，包括中國、印度、美國、波蘭、法國、澳大利亞、前蘇聯等。當前的研究工作主要集中於燃燒礦物燃料的開式循環磁流體發電。蘇聯、美國、日本和中國等國都建立了一系列磁流體發電裝置。技術最先進的是蘇聯的Y-25型裝置。這種裝置由以天然氣作燃料的開式循環磁流體發電裝置和汽輪發電機聯合組成，頭部的磁流體發電裝置的設計功率是25兆瓦。美國在以煤作燃料的磁流體發電裝置方面也取得成就，MarkV曾作為電弧風洞的電源投入使用。日本一座場強為5萬高斯（即5特斯拉）超導磁場的磁流體發電裝置已投入運轉。我國於上世紀60年代初期開始研究磁流體發電，先後在北京、上海、南京等地建成了試驗基地。根據我國煤炭資源豐富的特點，我國將重點研究燃煤磁流體發電，並將它作為“863”計劃中能源領域的兩個研究主題之一，爭取在短時間內趕上世界先進水平。

以液態金屬作為工質的閉式循環磁流體發電裝置，由於沒有轉動部件雙，比較牢固，而且能夠發出交流電，故一般將它作為空間動力的備用裝置進行研究。近年來，美國、蘇聯、以色列還把這種磁流體發電與太陽能源結含起來進行研究。以裂變反應堆為熱源、採用非平衡電離效應的閉式循環磁流體發電裝置的研究工作尚未取得重大突破。這是因為有磁場時，非平衡電離的實驗結果同理論預計相差較遠。此外，由於電導率隨等離子體密度的增加而下降，所以要求工質處於低氣壓狀態，而這一要求同反應堆的合理設計有矛盾。近年來的研究表明，當等離子體密度足夠高時，粒子的平均動能已不再比粒子間的相互作用能大很多，等離子體變成非理想的。這時等離子體的電導率隨密度增大而上升，接近金屬的電導率。這一性質對磁流體發電以及作為反應堆中攜帶熱量的工質都是十分有利的。

隨着受控熱核反應研究的進展，聚變反應雄-磁流體發電裝置有可能成為21世紀中央電站的主要形式。

等離子體橫越磁場流動的穩定性問題是磁流體發電裝置研究的主要問題之一。在低氣壓閉式循環磁流體發電裝置中，由於工質處於非平衡狀態，出現的不穩定性較多。除了在等離子體中經常出現的由於局部温度提高而引起電流集中、温度反覆上升和電子急劇加速的過熱不穩定性和離子聲波不穩定性以外，電離不穩定性成為重點研究對象。電離不穩定性出現後，荷電粒子的密度、電流和電場都隨空間和時間而迅速變化，從而降低有效電導率，使發電裝置的性能明顯惡化。有人提出用交替改變平均電流方向（其週期比不穩定發展的特徵時間，即振幅增長e倍所需的時間更短）來抑制電離不穩定性的方法。在開式循環磁流體發電裝置中，等離子體是處於局部熱力學平衡的，不產生電離不穩定性，其他不穩定性也不明顯。徂在大型工業裝置中，等離子體與磁場的相互作用較強，不穩定性也可能出現。

設計通道起初大多采用一維流動模型，隨着發電裝置功率的增大，需要對通道進行細緻的理論研究。超聲速發電通道的理論和實驗是當前重點研究的項目之一。製造能長時間有效工作的通道和電極材料是當前主要技術困難的所在，而製造能提供高場強的超導磁體是磁流體發電裝置能否進入實用階段的關鍵問題。 ^[1] 

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