向魁，梁展鵬，李華，朱光濤

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，離不開能源的持續(xù)供應(yīng)。傳統(tǒng)化石能源瀕臨枯竭，而且燃燒化石燃料給人類生存環(huán)境帶來了巨大的負(fù)面影響。人類不斷增長的能源需求與現(xiàn)有能源資源短缺、溫室氣體排放限制之間的矛盾日趨尖銳。核能是清潔能源，無論從經(jīng)濟(jì)上，還是環(huán)保上來說，都是一種不可或缺的替代能源。隨著核能技術(shù)的發(fā)展成熟，以AP1000、EPR、“華龍一號(hào)”等為代表的更安全、更先進(jìn)的第三代核裂變能已逐漸成為當(dāng)今世界重要能源來源之一[1-2]。盡管如此，核裂變?nèi)源嬖诤巳剂腺Y源稀缺、核燃料利用率低、核泄漏安全隱患仍不能完全消除、核電廠選址困難、核廢料處理昂貴且仍存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)等等一系列潛在問題[3-5]。

相對(duì)于核裂變，核聚變從燃料資源豐富性、利用安全性、環(huán)境友好性等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。自20 世紀(jì)中葉以來，隨著托卡馬克（Tokamak）裝置的深入研究，可控核聚變技術(shù)取得了長足發(fā)展。其中以歐洲的JET 裝置、日本的JT-60U 裝置、美國的TFTR 裝置等為代表的大型托卡馬克（Tokamak）裝置，在等離子體溫度、輸出功率等方面都取得了突破性的進(jìn)展，驗(yàn)證了可控核聚變的可行性[6-8]。

中國核聚變研究起步雖晚，但隨著“HL”環(huán)流系列、EAST 等為代表的自主化核聚變裝置的研究成果突破，中國快速躋身于國際核聚變研究前列[9-10]。中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR,China Fusion Engineering Test Reactor，簡稱CFETR），將是中國在可控核聚變科研項(xiàng)目中的又一個(gè)科技制高點(diǎn)。CFETR 項(xiàng)目是中國自主設(shè)計(jì)和研制、以中國為主聯(lián)合國際合作的重大科學(xué)工程。CFETR 聚變堆是介于ITER 與DEMO之間的階段性托卡馬克裝置，其首要任務(wù)是通過DT 反應(yīng)實(shí)現(xiàn)可利用的聚變能，探索未來聚變能的開發(fā)與應(yīng)用潛力[11]。

目前核聚變?cè)凇白猿秩紵?、“穩(wěn)態(tài)運(yùn)行”等方面仍存在一定不足，給核聚變?cè)诎l(fā)電等領(lǐng)域的工程應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)CFETR 中遠(yuǎn)期規(guī)劃，預(yù)期本世紀(jì)中葉左右實(shí)現(xiàn)核聚變電站商用?，F(xiàn)階段對(duì)核聚變發(fā)電開展前期技術(shù)探索，將具有十分重要的前瞻性意義。

1 CFETR 聚變發(fā)電簡介

1.1 CFETR 聚變發(fā)電基本原理

按規(guī)劃，CFETR 聚變發(fā)電廠（Fusion Power Plant -FPP）將成為世界上第一個(gè)演示核聚變能發(fā)電的裝置，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1～2 GW 的聚變輸出功率，發(fā)電功率可達(dá)到350～800 MW。CFETR 聚變發(fā)電廠的設(shè)計(jì)意義是為未來建設(shè)可穩(wěn)定運(yùn)行的GW 級(jí)聚變示范堆奠定基礎(chǔ)。

如圖1 所示，CFETR 聚變發(fā)電原理，與裂變堆發(fā)電原理類似，CFETR 是通過托卡馬克聚變裝置來產(chǎn)生熱量。托卡馬克裝置冷卻回路分為一回路和二回路。一回路冷卻劑穿過托卡馬克包層（及偏濾器），經(jīng)管道進(jìn)入熱交換器(蒸汽發(fā)生器)，通過熱換熱器與二回路冷卻劑在互不接觸情況下完成熱量交換。降溫以后的一回路冷卻劑經(jīng)主泵又重新循環(huán)回到托卡馬克內(nèi)部。通過熱交換器的換熱，二回路產(chǎn)生高溫高壓的水蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

圖1 聚變發(fā)電廠原理圖Fig.1 Schematic diagram of fusion power plant

1.2 CFETR 聚變發(fā)電邊界條件

根據(jù)CFETR 聚變堆初步預(yù)期及規(guī)劃，CFETR聚變發(fā)電邊界條件假定如下：

CFETR 聚變堆額定熱功率輸出暫按1.25 GW。

CFETR 聚變堆運(yùn)行典型規(guī)律：以額定功率維持穩(wěn)定運(yùn)行2 h，而后無功率輸出，即聚變堆停止輸出20 min，周而復(fù)始；穩(wěn)定輸出時(shí)，功率有小幅波動(dòng)，暫忽略不計(jì)。

CFETR 聚變堆的包層有兩種選擇方案：

方案一：采用水作為包層冷卻介質(zhì)。

方案二：采用氦氣作為包層冷卻介質(zhì)。

兩種包層方案下，CFETR 聚變堆一回路參數(shù)如表1 所示：

表1 不同包層的一回路參數(shù)Tab.1 Primary circuit parameters of different claddings

1.3 CFETR 聚變發(fā)電技術(shù)難點(diǎn)

與傳統(tǒng)的火電、裂變堆核電等發(fā)電形式相比，聚變堆發(fā)電具有一定獨(dú)特性。與常規(guī)發(fā)電模式最大不同之處在于，現(xiàn)階段的聚變反應(yīng)是具有一定周期性的、脈沖式的輸出特性，且周而復(fù)始，即在聚變反應(yīng)長脈沖能量輸出結(jié)束之后，需要較長的停機(jī)等待時(shí)間為下一次反應(yīng)輸出做準(zhǔn)備，如此反復(fù)。

圖2 是一個(gè)典型周期的聚變等離子體電流驅(qū)動(dòng)方案。通過該圖可以看出，在一個(gè)典型反應(yīng)周期內(nèi)，受限于當(dāng)前物理模型、等離子體運(yùn)行機(jī)制等綜合因素影響，聚變反應(yīng)過程中的等離子體電流難以做到長期穩(wěn)定運(yùn)行，是不連續(xù)的。而維持“燃料”穩(wěn)定的等離子體電流狀態(tài)是聚變反應(yīng)的重要前提，一旦無法維持，核聚變反應(yīng)立即停止，能量輸出也隨之中斷。簡而言之，聚變堆能量輸出具有周期性間斷，熱功率斷崖式變化的特點(diǎn)。

圖2 典型聚變等離子體電流驅(qū)動(dòng)方案Fig.2 Typical fusion plasma current driving scheme

眾所周知，汽輪發(fā)電機(jī)組是一套旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備與電氣設(shè)備的組合裝置，通過介質(zhì)推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。從汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全、設(shè)備壽命、發(fā)電品質(zhì)等角度而言,這個(gè)轉(zhuǎn)換過程對(duì)能量輸入的品質(zhì)要求必須是穩(wěn)定且持續(xù)的。這使得聚變堆能量輸出特性難以與常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行要求相匹配。若要使得汽輪發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、持續(xù)地運(yùn)行，就必須要求核聚變輸出穩(wěn)定性進(jìn)一步提升，這也將是核聚變研究在現(xiàn)階段需要不斷攻克與提升的方向。

短期內(nèi)CFETR 聚變堆輸出穩(wěn)定性條件有限的情況下，如何解決汽輪發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行與CFERTR 聚變堆間斷輸出特性之間的矛盾，則是當(dāng)前CFETR 聚變發(fā)電廠概念設(shè)計(jì)亟需解決的技術(shù)問題，這也是當(dāng)前CFETR 在發(fā)電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用的主要“絆腳石”。

因而，CFETR 聚變發(fā)電概念設(shè)計(jì)階段，主要探討聚變堆與常規(guī)島（汽輪發(fā)電機(jī)組）功率匹配以及穩(wěn)定運(yùn)行等關(guān)鍵問題的解決方案。為解決這個(gè)問題，CFETR 聚變發(fā)電廠需要配置對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，以“削峰填谷”的方式將核島能量間斷、不穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)、穩(wěn)定輸出，從而確保常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組安全、持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 CFETR 聚變發(fā)電廠概念設(shè)計(jì)方案

2.1 CFETR 聚變發(fā)電廠總體方案規(guī)劃

2.1.1 項(xiàng)目規(guī)模

根據(jù)CFETR 核聚變假定邊界條件，本項(xiàng)目按一套額定功率1.25 GW 的核島來規(guī)劃相應(yīng)常規(guī)島，本期考慮設(shè)計(jì)一套（1×350 MWe 級(jí)）常規(guī)島主廠房（包括對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能部分）?？紤]后續(xù)核島功率熱功率存在提升空間，可預(yù)留一套同容量的常規(guī)島主廠房擴(kuò)建條件。

2.1.2 總體原則

1）現(xiàn)階段采用一堆一機(jī)配備方案，機(jī)組容量選擇與CFETR 聚變堆運(yùn)行特性相匹配。

2）核島與常規(guī)島之間配置一套儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)，以確保發(fā)電廠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3）常規(guī)島系統(tǒng)配置應(yīng)符合1×350 MWe 級(jí)聚變堆汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電要求。

4）考慮核島側(cè)的獨(dú)立性，常規(guī)島相關(guān)系統(tǒng)暫不考慮與核島側(cè)系統(tǒng)的深度耦合，減少對(duì)核島側(cè)的影響。

5）在常規(guī)島故障情況下，考慮核島物理實(shí)驗(yàn)需求，為了不影響核島持續(xù)運(yùn)行，需配置一套獨(dú)立的輔助散熱系統(tǒng)，導(dǎo)出核聚變熱量。

6）常規(guī)島機(jī)組盡量采用常規(guī)的、成熟的技術(shù)路線。

2.1.3 總體方案

CFETR 核聚變發(fā)電廠總體方案如圖3 所示，除核島一回路以及常規(guī)島二回路系統(tǒng)外，還包括儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)、輔助散熱系統(tǒng)等。

圖3 核聚變發(fā)電廠總體方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of overall scheme of nuclear fusion power plant

1）儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)

無論是運(yùn)行間隔還是等離子體破裂，都使得聚變堆一回路輸出能量斷崖式下跌，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)急劇下降,無法滿足機(jī)組持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)要求，最終會(huì)導(dǎo)致停機(jī)或者設(shè)備損壞。與此同時(shí)，這種模式下發(fā)電品質(zhì)也無法保證，對(duì)電網(wǎng)沖擊危害巨大。這種情況，無論是對(duì)機(jī)組壽命還是發(fā)電品質(zhì)而言，均是十分不利的。因而，針對(duì)核島功率輸出的不穩(wěn)定性，CFETR 聚變發(fā)電廠需考慮設(shè)置中間儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)。

在CFETR 聚變穩(wěn)定期時(shí)，通過儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)，將CFETR 聚變能中的一部分能量先預(yù)留起來，臨時(shí)存儲(chǔ)于儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)中（簡稱“儲(chǔ)能”過程），其余用于發(fā)電；而CFETR 聚變間歇期時(shí)，CFETR 無能量輸出，此時(shí)將之前預(yù)先存儲(chǔ)于儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)中的能量釋放出來（簡稱“釋能”過程），以持續(xù)輸出至汽輪發(fā)電機(jī)組用于穩(wěn)定發(fā)電。在儲(chǔ)能與釋能環(huán)節(jié)，輸出至汽輪發(fā)電機(jī)組的功率應(yīng)是平衡穩(wěn)定的。即無論CFETR 是在穩(wěn)定期還是在間歇期，儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)以“削峰填谷”方式解決核島與常規(guī)島能量傳遞特性匹配問題，確保典型周期內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組的輸入能量是穩(wěn)定且持續(xù)的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電廠能夠安全、平穩(wěn)運(yùn)行，并生產(chǎn)出高品質(zhì)穩(wěn)定電力。

2）輔助散熱系統(tǒng)

現(xiàn)階段CFETR 在探索發(fā)電工程應(yīng)用的過程中，還需肩負(fù)著科研試驗(yàn)任務(wù)。在CFETR 運(yùn)行期間，核島物理實(shí)驗(yàn)需求不得受到常規(guī)島影響而停機(jī)，即要求考慮在常規(guī)島機(jī)組無論是停機(jī)檢修還是意外故障狀態(tài)下，核島仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不受影響。因此，為滿足核島不間斷運(yùn)行的要求，常規(guī)島側(cè)還需考慮額外設(shè)置一套輔助散熱系統(tǒng)。

在汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)，啟用輔助散熱系統(tǒng)，旁路常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組，即通過在一回路側(cè)并聯(lián)輔助散熱系統(tǒng)，通過輔助散熱系統(tǒng)的換熱設(shè)備持續(xù)導(dǎo)出核聚變熱量，確保核島持續(xù)運(yùn)行。

2.2 CFETR 聚變發(fā)電廠儲(chǔ)能方案選擇

針對(duì)CFETR 的輸出特性以及不同包層設(shè)計(jì)方案，需對(duì)儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)的儲(chǔ)能介質(zhì)選擇、儲(chǔ)能容量計(jì)算、儲(chǔ)能運(yùn)行模式等方面予以分析探討。

2.2.1 儲(chǔ)能介質(zhì)選擇

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，儲(chǔ)能介質(zhì)的選擇至關(guān)重要。儲(chǔ)能介質(zhì)一方面要物性穩(wěn)定安全、經(jīng)濟(jì)可靠，另外一方面儲(chǔ)能介質(zhì)特性與CFETR 聚變堆一回路參數(shù)相匹配，即能適應(yīng)一回路溫度變化范圍。按照儲(chǔ)熱方式的不同，儲(chǔ)能介質(zhì)可以分為導(dǎo)熱油/熔鹽/液態(tài)金屬/混凝土等為代表的顯熱儲(chǔ)熱材料、潛熱儲(chǔ)熱（相變儲(chǔ)熱）材料以及熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料三類。其中顯熱儲(chǔ)熱材料是利用材料自身在溫度升高和降低過程中熱能的變化進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存/釋放，顯熱儲(chǔ)熱材料主要有水、導(dǎo)熱油、熔融鹽等。顯然儲(chǔ)熱材料是目前應(yīng)用最為廣泛、安全性最高、成本最低的儲(chǔ)熱材料[12]。

根據(jù)CFETR 聚變堆在一回路冷卻包層預(yù)想方案，分為水冷包層與氦冷包層。不同冷卻包層對(duì)應(yīng)一回路溫度范圍不同，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能介質(zhì)選擇也不同。對(duì)于CFETR 水冷包層方案，一回路溫度范圍偏低（290～325 ℃），可考慮采用導(dǎo)熱油作為中間儲(chǔ)能介質(zhì)，且常規(guī)島側(cè)汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)可參考采用壓水堆電站典型蒸汽參數(shù)（主汽溫度按～260 ℃）；對(duì)于CFETR 氦冷包層方案，一回路溫度范圍較高（300～600 ℃），可考慮采用熔鹽作為中間儲(chǔ)能介質(zhì)，且常規(guī)島側(cè)汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)可參考采用高溫氣冷堆核電站典型蒸汽參數(shù)（主汽溫度按～525 ℃）[13-15]。

參考光熱發(fā)電等儲(chǔ)能應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目采用間接式雙罐顯熱儲(chǔ)熱形式[14,16]。

2.2.2 儲(chǔ)能容量計(jì)算

根據(jù)CFETR 聚變堆典型運(yùn)行模式，在核島典型運(yùn)行時(shí)間周期內(nèi)，CFETR 聚變堆額定熱功率能夠維持穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為2 h，零功率輸出時(shí)間則為20 min。

經(jīng)計(jì)算，典型運(yùn)行周期中，核島側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)、常規(guī)島側(cè)狀態(tài)及參數(shù)羅列如表2 所示：

表2 CFETR 儲(chǔ)能功率參數(shù)表Tab.2 CFETR energy storage power parameter table

1）本表格計(jì)算中，為了核算理論儲(chǔ)能容量，暫忽略儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率以及散熱損失影響。故表中常規(guī)島側(cè)輸入功率數(shù)據(jù)未扣除以上因素。在估算電廠發(fā)電量以及效率時(shí)，需考慮相關(guān)影響。

2）對(duì)于儲(chǔ)能實(shí)際選型容量，鑒于Tokamak 運(yùn)行期功率輸出波動(dòng)以及系統(tǒng)本身損耗等影響，需額外考慮一定裕量。

2.2.3 儲(chǔ)能運(yùn)行模式

核島與常規(guī)島之間設(shè)置有儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)，而儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)既可與常規(guī)島并聯(lián)運(yùn)行，也可與常規(guī)島串聯(lián)運(yùn)行，即存在兩種儲(chǔ)能運(yùn)行模式。其中，儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)與常規(guī)島并聯(lián)模式，即核島與儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)、常規(guī)島之間可直接換熱，簡稱為耦合運(yùn)行模式；儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)與常規(guī)島串聯(lián)模式，即核島只能與儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)換熱，不能與常規(guī)島直接換熱，簡稱為解耦運(yùn)行模式。

考慮核島與常規(guī)島是否可以解耦運(yùn)行，儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行模式有兩種可選方案（以導(dǎo)熱油為例）。

耦合運(yùn)行模式如圖4 所示，具體運(yùn)行方式如下：

圖4 核島與常規(guī)島耦合運(yùn)行模式Fig.4 Coupling operation mode of nuclear island and conventional island

1）核島一回路：Tokamak 運(yùn)行期，被Tokamak 加熱后的一回路高溫水一部分直接 進(jìn)入蒸汽發(fā)生器加熱水產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，另一部分進(jìn)入換熱器加熱從冷油罐來的低溫導(dǎo)熱油，蒸汽發(fā)生器返回的低溫水和換熱器換熱后的低溫水匯合，再進(jìn)入Tokamak 進(jìn)行下一次加熱。Tokamak 運(yùn)行間歇期，從Tokamak 出來的一回路水全部進(jìn)入換熱器被熱油罐來的高溫導(dǎo)熱油加熱，加熱后的一回路高溫水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器加熱水產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，然后返回Tokamak 溫度繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。

2）儲(chǔ)熱工質(zhì)回路：Tokamak 運(yùn)行期，低溫導(dǎo)熱油通過冷油泵輸送至換熱器，經(jīng)一回路水加熱變成高溫導(dǎo)熱油后進(jìn)入熱油罐蓄存起來。Tokamak 運(yùn)行間歇期，高溫導(dǎo)熱油通過熱油泵輸送至換熱器，對(duì)一回路水加熱后變成低溫導(dǎo)熱油后進(jìn)入冷油罐蓄存起來。

解耦運(yùn)行模式如圖5 所示，具體運(yùn)行方式如下：

圖5 核島與常規(guī)島解耦運(yùn)行模式Fig.5 Decoupled operation mode of nuclear island and conventional island

1）核島一回路：Tokamak 運(yùn)行期，被Tokamak 加熱后的一回路高溫水全部進(jìn)入換熱器加熱從冷油罐來的低溫導(dǎo)熱油，換熱器出口的低溫水返回Tokamak進(jìn)行下一次加熱。Tokamak 運(yùn)行間歇期，僅一回路循環(huán)保持循環(huán)工作（核島的要求），而換熱器油側(cè)被隔離。

2）儲(chǔ)熱工質(zhì)回路：Tokamak 運(yùn)行期，低溫導(dǎo)熱油通過冷油泵輸送至換熱器，經(jīng)一回路水加熱變成高溫導(dǎo)熱油后進(jìn)入熱油罐蓄存起來。無論在Tokamak運(yùn)行期還是Tokamak 運(yùn)行間歇期，只要油罐液位正常，高溫導(dǎo)熱油都通過熱油泵輸送至蒸汽發(fā)生器加熱水產(chǎn)生蒸汽發(fā)電。

從對(duì)發(fā)電效率的影響來看：在Tokamak 運(yùn)行期，耦合運(yùn)行模式的一回路高溫水與蒸汽發(fā)生器直接換熱，不存在其他損失；而解耦運(yùn)行模式必須經(jīng)過換熱器的一次換熱，存在?損失。在Tokamak 運(yùn)行間歇期則是耦合運(yùn)行模式的一回路高溫水必須經(jīng)過換熱器的兩次換熱，?損失較大；而解耦運(yùn)行模式只經(jīng)過了儲(chǔ)熱過程的一次換熱，?損失較小?？傮w上，由于Tokamak 運(yùn)行期持續(xù)時(shí)間較長，故此耦合運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電效率會(huì)高于解耦運(yùn)行模式。

從工質(zhì)用量來看：耦合運(yùn)行模式的儲(chǔ)熱溫度上限受Tokamak 出口溫度（325 ℃）和換熱器端差限制，下限受Tokamak 入口溫度（290 ℃）和換熱器端差限制；在解耦運(yùn)行模式中，冷油罐的溫度不受Tokamak回水溫度的限制，可以取得更低、接近蒸汽發(fā)生器的給水溫度（～226 ℃），儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱溫差更大。由于解耦運(yùn)行模式中儲(chǔ)熱溫差遠(yuǎn)大于耦合運(yùn)行模式，因此該模式中儲(chǔ)罐更小、儲(chǔ)熱工質(zhì)用量更少，儲(chǔ)熱區(qū)的占地面積更小。

2.2.4 不同包層方案下儲(chǔ)能組合方案推薦

不同包層方案下，儲(chǔ)能介質(zhì)以及運(yùn)行模式存在不同組合選擇如表3 所示。

表3 不同包層儲(chǔ)能運(yùn)行模式組合Tab.3 Combination of different cladding energy storage operation modes

對(duì)于導(dǎo)熱油儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，由于耦合運(yùn)行模式儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能與釋能環(huán)節(jié)存在二次換熱，換熱端差損失相對(duì)較大。對(duì)于導(dǎo)熱油儲(chǔ)能而言，由于水冷包層溫差限制（一回路參數(shù)溫度低、溫差?。?，儲(chǔ)能系統(tǒng)本身可有效利用的儲(chǔ)能溫差范圍本來就小，因而換熱溫差對(duì)導(dǎo)熱油介質(zhì)用量影響極為敏感。在同樣的釋能功率條件下，相對(duì)于解耦方案而言，耦合運(yùn)行方案中導(dǎo)熱油介質(zhì)用量大大增加。儲(chǔ)熱方案中投資占比最大部分其中之一就是工質(zhì)用量。初步估算，采用耦合運(yùn)行方案相比解耦運(yùn)行方案，按當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)計(jì)需多出6 億元的導(dǎo)熱油購置初投資。

因而從工程初投資、占地面積等方面考慮，核聚變水冷包層方案對(duì)應(yīng)優(yōu)先推薦解耦運(yùn)行的導(dǎo)熱油儲(chǔ)能方案。

對(duì)于氦冷包層而言，由于氦冷包層一回路工質(zhì)、儲(chǔ)熱工質(zhì)的運(yùn)行溫度區(qū)間以及物性有別于水冷包層，兩種儲(chǔ)熱方案之間的配置差異和水冷包層的情況有所不同。相對(duì)于水冷包層，氦冷包層方案中一回路參數(shù)溫度高、溫差大，使得一回路以及儲(chǔ)能的介質(zhì)用量相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)設(shè)備配置以及介質(zhì)投資成本，且在耦合與解耦兩種運(yùn)行模式下的差異影響敏感性相對(duì)較小?？紤]系統(tǒng)的高效性，核聚變氦冷包層方案對(duì)應(yīng)優(yōu)先推薦耦合運(yùn)行的熔鹽儲(chǔ)能方案。

2.3 CFETR 聚變發(fā)電廠技術(shù)方案比較

根據(jù)CFETR 聚變發(fā)電設(shè)計(jì)原則以及假定邊界條件，結(jié)合推薦的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置，對(duì)CFETR 聚變發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)組方案予以評(píng)估。其中，針對(duì)水冷包層方案與氦冷包層方案常規(guī)島方案綜合對(duì)比如表4 所示。

表4 CFETR 聚變發(fā)電不同包層技術(shù)方案綜合對(duì)比Tab.4 Comprehensive comparison of different cladding technical schemes for CFETR fusion power generation

從目前發(fā)電效率而言，水冷包層對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率較低，而氦冷包層對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率相對(duì)較高，具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。另外，單純從常規(guī)島的角度來看，氦冷包層方案在常規(guī)島側(cè)（包括儲(chǔ)能）的造價(jià)、占地等方面是優(yōu)于水冷包層方案的。

若從整體CFETR 聚變堆發(fā)電廠總體來看，因氦冷溫度達(dá)到600 ℃以上，需注意核島材料選擇、設(shè)備設(shè)計(jì)等方面因素勢(shì)必會(huì)影響整體經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)結(jié)論尚需結(jié)合核島側(cè)情況予以綜合評(píng)判。

3 結(jié)論

本文基于中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）功率輸出特性，在聚變堆額定功率1.25 GW 條件下，提出一種實(shí)現(xiàn)1×350 MWe 級(jí)聚變堆發(fā)電廠概念設(shè)計(jì)方案。該方案通過采用儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)，即以“削峰填谷”的方式將CFETR 聚變堆周期性長脈沖的不穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)化為持續(xù)的穩(wěn)定輸出，以實(shí)現(xiàn)CFETR 聚變發(fā)電安全穩(wěn)定運(yùn)行。

CFETR 聚變堆存在兩種冷卻方案，即水冷包層與氦冷包層方案，由于兩種不同包層方案下聚變堆一回路參數(shù)差異較大，對(duì)儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)的選擇也不同。水冷包層推薦采用導(dǎo)熱油解耦儲(chǔ)能方案，氦冷包層推薦采用熔鹽耦合儲(chǔ)能方案。

最后綜合對(duì)比，其中氦冷發(fā)電技術(shù)方案在發(fā)電性能、占地、造價(jià)等方面，單從常規(guī)島側(cè)來說，均具有一定優(yōu)勢(shì)。

本文提出了CFETR 聚變發(fā)電初步技術(shù)解決方案，屬于前期概念設(shè)計(jì)工作，距離面向工程應(yīng)用與方案落地尚存在一定差距。從聚變發(fā)電廠整體而言，常規(guī)島與核島之間的協(xié)同性、耦合性等系統(tǒng)性工程技術(shù)細(xì)節(jié)問題尚需探討。例如，儲(chǔ)能系統(tǒng)與聚變堆能量輸出過程運(yùn)行匹配問題、常規(guī)島側(cè)輔助系統(tǒng)與核島輔助系統(tǒng)整合優(yōu)化問題、核島與常規(guī)島之間控制協(xié)同問題等方面尚待進(jìn)一步研究，以期為聚變發(fā)電廠技術(shù)方案工程實(shí)踐提供依據(jù)。

CFETR 核聚變發(fā)電廠概念設(shè)計(jì)，是現(xiàn)階段CFETR 在發(fā)電領(lǐng)域開展工程技術(shù)應(yīng)用研究的一次具有前瞻性意義的初步探索，希望為后續(xù)聚變發(fā)電技術(shù)深入研究以及工程應(yīng)用方案提供一點(diǎn)參考。