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，鈉冷快堆的研究進展最快、最接近滿足商業(yè)核電廠需要的堆型。同時，又因為鈉冷快堆存在固有安全性的特點， 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、熱源、燃氣輪機、冷源構(gòu)成組成，流程如圖2 所示。 低溫低壓的氣體經(jīng)壓縮機升壓后進入熱源吸熱，高溫高壓的氣體進入氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，做功后的高溫乏氣再由冷卻器進行冷卻，低溫低壓的氣體進入壓縮機壓縮，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、回?zé)崞鳌⒗鋮s器以及壓縮機等。 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，但缺點是回?zé)崞鲿霈F(xiàn)“夾點”問題，影響整體的循環(huán)效率，這是因為回?zé)崞骼鋫?cè)工質(zhì)的比熱遠大于熱側(cè)工質(zhì)的比熱所造成的。 為了解決這個問題，對簡單循環(huán)進行優(yōu)化，引入中間回?zé)?、分流、再壓縮等熱力過程，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)， 同時具有氣體流動特性和液體密度大的特性，可以使壓縮機、汽輪機等關(guān)鍵設(shè)備有縮小體積方面的優(yōu)勢， 美國在20 世紀五、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?shù)拇?，要達到所要求的換熱功率，采用傳統(tǒng)的管殼換熱器就會相當?shù)拇?，使得建造成本變大，所以這一方案被迫放棄。 隨著20 世紀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驗室 （ANL）[3]、 麻省理工學(xué)院（MIT）[4]、桑迪亞國家實驗室（SAND）等研究機構(gòu)。

其中阿貢國家實驗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?、冷卻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?，用于回?zé)峤?jīng)壓縮后的超臨界二氧化碳。 經(jīng)過低溫換熱器后，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附近， 經(jīng)過主壓縮機將壓力升高到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，堆芯運行壓力為20 MPa，堆芯進出口溫度為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%。

桑迪亞國家實驗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)測試運行中，控制和穩(wěn)定性問題被認為是最重要的兩項技術(shù)難題。 測試項目自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，包括如何實現(xiàn)壓縮機的穩(wěn)定性和臨界點附近的控制，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)計配置，測試回路也才得以實現(xiàn)其額定工況下的運行。 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)計的示范快堆的總體方案中，對鈉冷快堆進行優(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)進行換熱。動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，氣輪機的入口壓力為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，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)進行調(diào)研分析，得到如下結(jié)論：

（1）在反應(yīng)堆運行的溫度范圍內(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，需結(jié)合設(shè)計要求選擇合適的循環(huán)方式。