超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在鈉冷快堆的應(yīng)用綜述

張東旭 趙民富 梁 朋

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）提出了 6 種堆型，分別是鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆、超高溫堆、超臨界水堆以及熔鹽堆。 在公布的6 種堆型中，鈉冷快堆的研究進(jìn)展最快、最接近滿足商業(yè)核電廠需要的堆型。同時(shí)，又因?yàn)殁c冷快堆存在固有安全性的特點(diǎn)， 以及核燃料可增殖并且能夠嬗變長壽命放射性廢物等方面的優(yōu)勢， 逐漸得到了各國的重視。

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)目前是國際上公認(rèn)的具有革命性的新一代發(fā)電技術(shù)，近年來受到科技界和高端裝備制造業(yè)的普遍重視，國內(nèi)外諸多企業(yè)和科研院所正在積極開展或及早布局相關(guān)研究。從圖1 可以看出，在 450～700 ℃的范圍內(nèi)，其循環(huán)效率明顯高于其他循環(huán)[1]。 將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)代替朗肯循環(huán)應(yīng)用于鈉冷快堆，不僅能提高循環(huán)效率， 同時(shí)能從根本上消除鈉-水反應(yīng)帶來的安全問題[2]。

圖1 循環(huán)效率與熱源溫度的關(guān)系

1 布雷頓循環(huán)介紹

最基本閉式布雷頓循環(huán)由壓縮機(jī)、熱源、燃?xì)廨啓C(jī)、冷源構(gòu)成組成，流程如圖2 所示。 低溫低壓的氣體經(jīng)壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入熱源吸熱，高溫高壓的氣體進(jìn)入氣輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的高溫乏氣再由冷卻器進(jìn)行冷卻，低溫低壓的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，完成閉式循環(huán)。

圖2 基本布雷頓循環(huán)流程圖以及溫熵圖

將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用于核反應(yīng)堆系統(tǒng)中，主要的設(shè)備包括熱源（堆芯或換熱器）、氣輪機(jī)、回?zé)崞鳌⒗鋮s器以及壓縮機(jī)等。 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用于反應(yīng)堆的簡單形式為簡單回?zé)嵫h(huán)，循環(huán)流程如圖3 所示。 該循環(huán)的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單而且設(shè)備數(shù)量少，但缺點(diǎn)是回?zé)崞鲿霈F(xiàn)“夾點(diǎn)”問題，影響整體的循環(huán)效率，這是因?yàn)榛責(zé)崞骼鋫?cè)工質(zhì)的比熱遠(yuǎn)大于熱側(cè)工質(zhì)的比熱所造成的。 為了解決這個(gè)問題，對簡單循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，引入中間回?zé)帷⒎至鳌⒃賶嚎s等熱力過程，如圖4 所示。

除了簡單循環(huán)和再壓縮循環(huán)兩種基本的循環(huán)方式外，對簡單回?zé)徇M(jìn)行優(yōu)化后，提出了中間冷卻式簡單回?zé)嵫h(huán)；對再壓縮循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化后，提出了級間冷卻式再壓縮循環(huán)和含再熱的級間冷卻式再壓縮循環(huán)。

2 布雷頓循環(huán)研究現(xiàn)狀

采用超臨界二氧化碳為循環(huán)工質(zhì)， 同時(shí)具有氣體流動特性和液體密度大的特性，可以使壓縮機(jī)、汽輪機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備有縮小體積方面的優(yōu)勢， 美國在20 世紀(jì)五、六十年代就開始了相關(guān)研究，但是由于二氧化碳的傳熱性能較差，熱交換器和回?zé)崞鞯膿Q熱功率由相當(dāng)?shù)拇螅_(dá)到所要求的換熱功率，采用傳統(tǒng)的管殼換熱器就會相當(dāng)?shù)拇螅沟媒ㄔ斐杀咀兇螅赃@一方案被迫放棄。 隨著20 世紀(jì)九十年代印刷電路板熱交換器的出現(xiàn)，換熱器大的問題得以解決，又重新開始了布雷頓循環(huán)用于核反應(yīng)堆系統(tǒng)的研究。

美國對超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究主要集中在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室 （ANL）[3]、 麻省理工學(xué)院（MIT）[4]、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（SAND）等研究機(jī)構(gòu)。

其中阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提出了用于鈉冷快堆的再壓縮布雷頓循環(huán)預(yù)先設(shè)計(jì)方案， 反應(yīng)堆熱功率為250 MWt，電功率為95 MWe，凈效率為38.3%。

Na-CO2熱交換器、高溫回?zé)崞鳌⒌蜏鼗責(zé)崞鳌⒗鋮s器都采用印刷電路板換熱器。 Na-CO2熱交換器二氧化碳側(cè)運(yùn)行壓力為20 MPa， 從323 ℃加熱到471℃，經(jīng)過加熱后的超臨界二氧化碳經(jīng)氣輪機(jī)后壓力從20 MPa 下降到7.7 MPa，稍高于臨界壓力。 然后先后通過高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鳎糜诨責(zé)峤?jīng)壓縮后的超臨界二氧化碳。 經(jīng)過低溫?fù)Q熱器后，采用分流形式，有71%的超臨界二氧化碳經(jīng)過冷卻器后冷卻到臨界點(diǎn)附近， 經(jīng)過主壓縮機(jī)將壓力升高到20 MPa 后在低溫回?zé)崞鞅换責(zé)岬?72 ℃。 剩余29%的超臨界二氧化碳未經(jīng)冷卻直經(jīng)過再壓縮過程將壓力升高到20 MPa，與被低溫回?zé)崞骷訜岬某R界二氧化碳匯合后進(jìn)入高溫回?zé)崞鳌?/p>

圖3 簡單回?zé)岬牟祭最D循環(huán)

圖4 再壓縮布雷頓循環(huán)流程圖

麻省理工學(xué)院針對用于氣冷堆概念的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)的研究， 提出了將超臨界二氧化碳冷卻快堆的總體方案。 該方案的系統(tǒng)參數(shù)為，堆芯運(yùn)行壓力為20 MPa，堆芯進(jìn)出口溫度為485 ℃、650 ℃，反應(yīng)堆熱功率為 2400 MWt，電功率為1200 MWe，系統(tǒng)熱效率為51%、凈效率為47%。

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室承接美國能源部的第四代堆超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)測試， 開展的1 MWe 級的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)測試運(yùn)行中，控制和穩(wěn)定性問題被認(rèn)為是最重要的兩項(xiàng)技術(shù)難題。 測試項(xiàng)目自2007 年啟動以來， 陸續(xù)發(fā)現(xiàn)和攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，包括如何實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的穩(wěn)定性和臨界點(diǎn)附近的控制，以及開發(fā)從冷啟動到無輸出狀態(tài)的控制程序等。 然而，直到最近，測試裝置才接近其最終設(shè)計(jì)配置，測試回路也才得以實(shí)現(xiàn)其額定工況下的運(yùn)行。 由此可見，控制對超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)而言是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)元素。

將二氧化碳布雷頓循環(huán)代替水的朗肯循環(huán)應(yīng)用于鈉冷快堆，可避免了鈉水反應(yīng)，韓國設(shè)計(jì)的示范快堆的總體方案中，對鈉冷快堆進(jìn)行優(yōu)化去掉了中間回路， 二氧化碳與堆芯出來的鈉在熱交換器內(nèi)進(jìn)行換熱。動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，氣輪機(jī)的入口壓力為19.74 MPa,入口溫度為508 ℃，出口壓力為7.6 MPa，循環(huán)效率可達(dá)42.8%。

3 結(jié)語

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)具有工質(zhì)清潔、流動性好、效率高、能量密度大、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具前景的動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一。 本文對布雷頓循環(huán)進(jìn)行調(diào)研分析，得到如下結(jié)論：

（1）在反應(yīng)堆運(yùn)行的溫度范圍內(nèi)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的效率明顯高于水蒸氣的朗肯循環(huán)，同時(shí)二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，其能量密度高，使得系統(tǒng)設(shè)備的體積減小，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化建造，降低了建造成本。

（2）將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)代替朗肯循環(huán)應(yīng)用于鈉冷快堆，不僅能提高循環(huán)效率，同時(shí)能從根本上消除鈉—水反應(yīng)帶來的安全問題。

（3）對于核反應(yīng)堆內(nèi)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型總結(jié)歸納后基本有五種類型：簡單回?zé)嵫h(huán)、中間冷卻式簡單回?zé)嵫h(huán)、再壓縮循環(huán)、級間冷卻式再壓縮循環(huán)和含再熱的級間冷卻式再壓縮循環(huán)，在選擇循環(huán)方式時(shí)，需結(jié)合設(shè)計(jì)要求選擇合適的循環(huán)方式。