張東旭 趙民富 梁 朋
(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)
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(zhǎng)壽命放射性廢物等方面的優(yōu)勢(shì), 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
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(dòng)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(jiǎn)單形式為簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán),循環(huán)流程如圖3 所示。 該循環(huán)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且設(shè)備數(shù)量少,但缺點(diǎn)是回?zé)崞鲿?huì)出現(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(duì)簡(jiǎn)單循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化,引入中間回?zé)帷⒎至?、再壓縮等熱力過程,如圖4 所示。
除了簡(jiǎn)單循環(huán)和再壓縮循環(huán)兩種基本的循環(huán)方式外,對(duì)簡(jiǎn)單回?zé)徇M(jìn)行優(yōu)化后,提出了中間冷卻式簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán);對(duì)再壓縮循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化后,提出了級(jí)間冷卻式再壓縮循環(huán)和含再熱的級(jí)間冷卻式再壓縮循環(huán)。
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(dòng)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(shì), 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(huì)相當(dāng)?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(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(duì)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?、低溫回?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(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?,用于回?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(jiǎn)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(duì)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(cè)試, 開展的1 MWe 級(jí)的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)測(cè)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(cè)試項(xiàng)目自2007 年啟動(dòng)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(dòng)到無輸出狀態(tài)的控制程序等。 然而,直到最近,測(cè)試裝置才接近其最終設(shè)計(jì)配置,測(cè)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(duì)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(duì)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(dòng)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%。
超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)具有工質(zhì)清潔、流動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一。 本文對(duì)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(duì)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(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)、中間冷卻式簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)、再壓縮循環(huán)、級(jí)間冷卻式再壓縮循環(huán)和含再熱的級(jí)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。