超临界二氧化碳布雷顿循环在钠冷快堆的应用综述

张东旭 赵民富 梁 朋

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

第四代核能系统国际论坛（GIF）提出了 6 种堆型，分别是钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超高温堆、超临界水堆以及熔盐堆。 在公布的6 种堆型中，钠冷快堆的研究进展最快、最接近满足商业核电厂需要的堆型。同时，又因为钠冷快堆存在固有安全性的特点， 以及核燃料可增殖并且能够嬗变长寿命放射性废物等方面的优势， 逐渐得到了各国的重视。

超临界二氧化碳布雷顿循环目前是国际上公认的具有革命性的新一代发电技术，近年来受到科技界和高端装备制造业的普遍重视，国内外诸多企业和科研院所正在积极开展或及早布局相关研究。从图1 可以看出，在 450～700 ℃的范围内，其循环效率明显高于其他循环[1]。 将超临界二氧化碳布雷顿循环代替朗肯循环应用于钠冷快堆，不仅能提高循环效率， 同时能从根本上消除钠-水反应带来的安全问题[2]。

图1 循环效率与热源温度的关系

1 布雷顿循环介绍

最基本闭式布雷顿循环由压缩机、热源、燃气轮机、冷源构成组成，流程如图2 所示。 低温低压的气体经压缩机升压后进入热源吸热，高温高压的气体进入气轮机带动发电机发电，做功后的高温乏气再由冷却器进行冷却，低温低压的气体进入压缩机压缩，完成闭式循环。

图2 基本布雷顿循环流程图以及温熵图

将超临界二氧化碳布雷顿循环应用于核反应堆系统中，主要的设备包括热源（堆芯或换热器）、气轮机、回热器、冷却器以及压缩机等。 超临界二氧化碳布雷顿循环应用于反应堆的简单形式为简单回热循环，循环流程如图3 所示。 该循环的优势是结构简单而且设备数量少，但缺点是回热器会出现“夹点”问题，影响整体的循环效率，这是因为回热器冷侧工质的比热远大于热侧工质的比热所造成的。 为了解决这个问题，对简单循环进行优化，引入中间回热、分流、再压缩等热力过程，如图4 所示。

除了简单循环和再压缩循环两种基本的循环方式外，对简单回热进行优化后，提出了中间冷却式简单回热循环；对再压缩循环进行优化后，提出了级间冷却式再压缩循环和含再热的级间冷却式再压缩循环。

2 布雷顿循环研究现状

采用超临界二氧化碳为循环工质， 同时具有气体流动特性和液体密度大的特性，可以使压缩机、汽轮机等关键设备有缩小体积方面的优势， 美国在20 世纪五、六十年代就开始了相关研究，但是由于二氧化碳的传热性能较差，热交换器和回热器的换热功率由相当的大，要达到所要求的换热功率，采用传统的管壳换热器就会相当的大，使得建造成本变大，所以这一方案被迫放弃。 随着20 世纪九十年代印刷电路板热交换器的出现，换热器大的问题得以解决，又重新开始了布雷顿循环用于核反应堆系统的研究。

美国对超临界二氧化碳布雷顿循环的研究主要集中在阿贡国家实验室 （ANL）[3]、 麻省理工学院（MIT）[4]、桑迪亚国家实验室（SAND）等研究机构。

其中阿贡国家实验室提出了用于钠冷快堆的再压缩布雷顿循环预先设计方案， 反应堆热功率为250 MWt，电功率为95 MWe，净效率为38.3%。

Na-CO2热交换器、高温回热器、低温回热器、冷却器都采用印刷电路板换热器。 Na-CO2热交换器二氧化碳侧运行压力为20 MPa， 从323 ℃加热到471℃，经过加热后的超临界二氧化碳经气轮机后压力从20 MPa 下降到7.7 MPa，稍高于临界压力。 然后先后通过高温回热器和低温回热器，用于回热经压缩后的超临界二氧化碳。 经过低温换热器后，采用分流形式，有71%的超临界二氧化碳经过冷却器后冷却到临界点附近， 经过主压缩机将压力升高到20 MPa 后在低温回热器被回热到172 ℃。 剩余29%的超临界二氧化碳未经冷却直经过再压缩过程将压力升高到20 MPa，与被低温回热器加热的超临界二氧化碳汇合后进入高温回热器。

图3 简单回热的布雷顿循环

图4 再压缩布雷顿循环流程图

麻省理工学院针对用于气冷堆概念的超临界二氧化碳布雷顿循环进行了相关的研究， 提出了将超临界二氧化碳冷却快堆的总体方案。 该方案的系统参数为，堆芯运行压力为20 MPa，堆芯进出口温度为485 ℃、650 ℃，反应堆热功率为 2400 MWt，电功率为1200 MWe，系统热效率为51%、净效率为47%。

桑迪亚国家实验室承接美国能源部的第四代堆超临界二氧化碳布雷顿循环测试， 开展的1 MWe 级的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环测试运行中，控制和稳定性问题被认为是最重要的两项技术难题。 测试项目自2007 年启动以来， 陆续发现和攻克了一系列关键技术问题，包括如何实现压缩机的稳定性和临界点附近的控制，以及开发从冷启动到无输出状态的控制程序等。 然而，直到最近，测试装置才接近其最终设计配置，测试回路也才得以实现其额定工况下的运行。 由此可见，控制对超临界二氧化碳布雷顿循环而言是一项十分关键的技术元素。

将二氧化碳布雷顿循环代替水的朗肯循环应用于钠冷快堆，可避免了钠水反应，韩国设计的示范快堆的总体方案中，对钠冷快堆进行优化去掉了中间回路， 二氧化碳与堆芯出来的钠在热交换器内进行换热。动力转换系统中，气轮机的入口压力为19.74 MPa,入口温度为508 ℃，出口压力为7.6 MPa，循环效率可达42.8%。

3 结语

超临界二氧化碳布雷顿循环具有工质清洁、流动性好、效率高、能量密度大、设备体积小等优点，是目前最具前景的动力转换系统之一。 本文对布雷顿循环进行调研分析，得到如下结论：

（1）在反应堆运行的温度范围内，超临界二氧化碳布雷顿循环的效率明显高于水蒸气的朗肯循环，同时二氧化碳处于超临界状态，其能量密度高，使得系统设备的体积减小，能够实现模块化建造，降低了建造成本。

（2）将超临界二氧化碳布雷顿循环代替朗肯循环应用于钠冷快堆，不仅能提高循环效率，同时能从根本上消除钠—水反应带来的安全问题。

（3）对于核反应堆内的超临界二氧化碳布雷顿循环的系统结构类型总结归纳后基本有五种类型：简单回热循环、中间冷却式简单回热循环、再压缩循环、级间冷却式再压缩循环和含再热的级间冷却式再压缩循环，在选择循环方式时，需结合设计要求选择合适的循环方式。