應(yīng)用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

1、    應(yīng)用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)    張振興+武林林摘 要 為了滿足系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性的，在快堆技術(shù)的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)技術(shù)概念。在眾多先進(jìn)技術(shù)當(dāng)中，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的能量傳輸技術(shù)之一。文章基于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，結(jié)合我國(guó)快堆的特點(diǎn)和需求，探討超臨界二氧化碳（s-co2）在我國(guó)鈉冷快堆技術(shù)研發(fā)中潛在的應(yīng)用可行性。關(guān)鍵詞 鈉冷快堆；超臨界；布雷頓循環(huán)系統(tǒng)：tl3 ：a ：1671-7597（2014）10-0192-02鈉冷快堆（sfr）是gif推薦的第iv代先進(jìn)核能系統(tǒng)六種堆型中發(fā)展時(shí)間

2、最長(zhǎng)，技術(shù)最成熟的堆型，也是目前唯一經(jīng)過現(xiàn)實(shí)工程驗(yàn)證的第四代堆型，其增殖和嬗變特點(diǎn)使得快堆技術(shù)發(fā)展一直是國(guó)際上核能技術(shù)發(fā)展的重要方向。到目前為止，基于水/汽介質(zhì)的郎肯循環(huán)仍然是鈉冷快堆技術(shù)的唯一合適選擇，由此帶來的鈉水反應(yīng)問題成為鈉冷快堆中最主要的安全問題之一。為了避免鈉水反應(yīng)對(duì)堆芯的影響，鈉冷快堆需設(shè)置中間回路及鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)，以盡可能提高安全性能，這大大增加了鈉冷快堆的建造成本和運(yùn)行成本。1 應(yīng)用于sfr的s-co2布雷頓循環(huán)基本方案超臨界介質(zhì)指溫度和壓力處于其臨界點(diǎn)以上的兼具液體和氣體性質(zhì)的流體。co2的臨界溫度是30.98，臨界壓力為7.38 mpa。超臨界co2的黏度相當(dāng)于氣體

3、的黏度，具有良好的傳遞性和快速移動(dòng)能力；密度能夠隨壓力的增大而增大1。由于其可以達(dá)到較高的密度且比熱容高，這使得減小能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)備如熱交換器、透平機(jī)等尺寸成為可能，從而可以降低設(shè)備造價(jià)，減少反應(yīng)堆成本。這在增強(qiáng)核能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性上具有很強(qiáng)的吸引力。超臨界co2應(yīng)用于sfr能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，采用不存在工質(zhì)相變的布雷頓循環(huán)。布雷頓循環(huán)是一種定壓加熱理想循環(huán)，目前在燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛采用。圖1給出了不同工質(zhì)的循環(huán)熱效率，由圖中可以看出，透平機(jī)入口溫度在中溫范圍（500-650）時(shí)，s-co2布雷頓循環(huán)效率能夠超過45%。目前世界上已經(jīng)建造或即將建造的快堆堆芯出口溫度一般在530-550，因此，超臨界二氧化

4、碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于鈉冷快堆極具工程應(yīng)用前景。圖1 不同工質(zhì)的循環(huán)熱效率比較鈉冷快堆的s-co2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)流程圖如圖2所示，被快堆熱源加熱后的高溫高壓超臨界二氧化碳首先進(jìn)入氣輪機(jī)做功，做功后的乏氣經(jīng)回?zé)崞鞯蜏貍?cè)流體冷卻后，再由冷卻器冷卻至所需的壓縮機(jī)入口溫度，進(jìn)入壓縮機(jī)形成閉式循環(huán)。為提高循環(huán)效率，設(shè)置高、低溫回?zé)崞骱驮賶嚎s壓縮機(jī)，以解決由于回?zé)崞鞲?、低溫?cè)比熱不同導(dǎo)致的換熱器“夾點(diǎn)”問題并降低冷卻器帶走的熱量。圖2 鈉冷快堆s-co2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)流程圖與郎肯循環(huán)的sfr相比，sfr以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)具有以下優(yōu)點(diǎn)。1）循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2）可以降低壓縮機(jī)工作量，從而提高循環(huán)

5、效率。3）高壓高密度的氣體使減少透平機(jī)組尺寸成為可能，提高了反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性能。4）由于不存在na-水反應(yīng)，提供了消除sfr二回路的可能。2 鈉冷快堆應(yīng)用s-co2的技術(shù)方案國(guó)際上快堆發(fā)展較快的國(guó)家均對(duì)采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，提出了多種技術(shù)方案。其中發(fā)展進(jìn)展較快的是美國(guó)abtr2項(xiàng)目和韓國(guó)kalimer-600項(xiàng)目。abtr（advancedburnertestreactor）是美國(guó)阿貢國(guó)家室正在設(shè)計(jì)的熱電功率分別為250mw/95mw的下一座鈉冷快堆3，其以超臨界co2為介質(zhì)的系統(tǒng)流程如圖3所示。和鈉冷快堆鈉系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案相比，abtr仍然保留了中間二回路，

6、所不同的是鈉-水蒸汽發(fā)生器由鈉-co2熱交換器取代。圖3 abtr鈉冷快堆s-co2循環(huán)流程圖kalimer-600是韓國(guó)計(jì)劃建造的示范快堆電站，其以超臨界co2為介質(zhì)的系統(tǒng)流程如圖4所示。其方案中去掉了鈉冷快堆傳統(tǒng)的中間回路，超臨界co2直接同堆芯出來的鈉通過鈉-co2熱交換器進(jìn)行換熱，設(shè)備減少，系統(tǒng)尺寸也大幅度縮減4。目前韓國(guó)正在進(jìn)行超臨界co2能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)壓縮機(jī)和透平機(jī)的初步設(shè)計(jì)。圖4 不帶中間回路的鈉冷快堆s-co2循環(huán)流程圖abtr和kalimer-600的鈉-co2熱交換器均為印刷電路板式熱交換器pche5（printed circuit heatexchanger）。pche是一

7、種傳熱性能優(yōu)良的緊湊式換熱器，板上刻有細(xì)小的d形槽（圖5），采用光電-化學(xué)蝕刻及擴(kuò)散粘結(jié)技術(shù)，可使pche流動(dòng)的水力直徑控制在1 mm左右。與傳統(tǒng)的管殼式換熱器、板式換熱器等相比，pche因單位結(jié)構(gòu)傳熱面積較大，傳熱效率較高，同時(shí)具有高壓、高強(qiáng)度，設(shè)計(jì)靈活，效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖5 pche及其d型槽流道上述兩種方案的主要區(qū)別在于超臨界二氧化碳循環(huán)的熱源不同。然而，循環(huán)的熱源對(duì)循環(huán)本身的設(shè)計(jì)影響并不大。設(shè)置中間回路的循環(huán)相對(duì)于直接循環(huán)在效率上的損失主要有兩方面決定：中間回路冷卻劑流動(dòng)耗功和透平機(jī)入口溫度降低。根據(jù)初步計(jì)算，中間回路以液態(tài)鈉為冷卻劑，則設(shè)置中間回路相對(duì)于不設(shè)置中間回路的效率降低為2%，

8、這說明在熱工水力參數(shù)及組件特性優(yōu)化上，兩種方案基本一致。3 安全性分析基于水/汽介質(zhì)的郎肯循環(huán)仍然是目前鈉冷快堆技術(shù)工程應(yīng)用的唯一選擇，由此帶來的鈉水反應(yīng)問題是鈉冷快堆最為關(guān)注安全問題之一。與之相比，鈉-co2化學(xué)反應(yīng)具有如下特點(diǎn)。1）與鈉-水劇烈反應(yīng)不同，co2與鈉的反應(yīng)非常緩慢。反應(yīng)具有一定的條件：高溫、高壓。2）co2與鈉發(fā)生作用的主要產(chǎn)物是氧化鈉、碳酸鈉、碳等固體物質(zhì)6，基本不會(huì)產(chǎn)生爆炸性氣體（如鈉水反應(yīng)的h2）。endprint3）pche熱交換器通道為mm級(jí)維通道，即使出現(xiàn)破口，尺寸較小。固態(tài)反應(yīng)物可以自封（self-plugging）破口（圖6）。圖6 不帶中間回路的鈉冷快堆s-

9、co2循環(huán)流程圖盡管采用超臨界co2布雷頓循環(huán)的鈉冷快堆安全隱患-鈉水反應(yīng)問題不再存在，安全性得到了極大提高，但由于鈉-co2發(fā)生的可能仍然存在，鈉-co2的反應(yīng)機(jī)理、探測(cè)手段、安全措施、雜質(zhì)對(duì)堆芯流道的影響仍在研究中，從技術(shù)成熟度的角度考慮，推薦我國(guó)鈉冷快堆的超臨界co2循環(huán)系統(tǒng)采用設(shè)置中間回路的方案。4 結(jié)論和建議在中溫范圍（550650）內(nèi)，s-co2布雷頓循環(huán)效率能夠超過45%，應(yīng)用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)極具工程應(yīng)用前景，并從技術(shù)成熟度的角度，給出了我國(guó)鈉冷快堆超臨界co2循環(huán)系統(tǒng)的推薦方案，建議作為后續(xù)的研發(fā)方向。參考文獻(xiàn)1黃彥平，王俊峰.超臨界二氧化碳在核反應(yīng)堆系

10、統(tǒng)中的應(yīng)用j.核動(dòng)力工程，2012（33）.2chang-gyu park. gyeong-hoi koo. design and structural evaluation of theabtr ihts piping for representative duty events of a level a sevicej.transactions of the korean nuclear society autumn meeting pyeongchang，korea，october 31-31， 2008.3y.i.chang，p.j.finck，and c.grandy . advan

11、ced burner test reactor preconceptual design report.anl-abr-1.4alwxabder r. lidington， 2007.tools for supercritical carbon dioxide cycle analusis and the cycles applicability to sodium fast reactors.5y.i.chang，p.j.finck，and c.grandy. small modular fast reactor design descriptionj.anl.cea.jnc，july 1，

12、 2005.6jae-hyuk eoh. hee， cheon no. yong-bum lee， seong-o kim，. potential sodium-co2 interaction of a supercritical co2 power conversion option coupled with an sfr：basic nature and design issuesj.nuclear endineering and design， 259（2013）：88-101.endprint3）pche熱交換器通道為mm級(jí)維通道，即使出現(xiàn)破口，尺寸較小。固態(tài)反應(yīng)物可以自封（self-

13、plugging）破口（圖6）。圖6 不帶中間回路的鈉冷快堆s-co2循環(huán)流程圖盡管采用超臨界co2布雷頓循環(huán)的鈉冷快堆安全隱患-鈉水反應(yīng)問題不再存在，安全性得到了極大提高，但由于鈉-co2發(fā)生的可能仍然存在，鈉-co2的反應(yīng)機(jī)理、探測(cè)手段、安全措施、雜質(zhì)對(duì)堆芯流道的影響仍在研究中，從技術(shù)成熟度的角度考慮，推薦我國(guó)鈉冷快堆的超臨界co2循環(huán)系統(tǒng)采用設(shè)置中間回路的方案。4 結(jié)論和建議在中溫范圍（550650）內(nèi)，s-co2布雷頓循環(huán)效率能夠超過45%，應(yīng)用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)極具工程應(yīng)用前景，并從技術(shù)成熟度的角度，給出了我國(guó)鈉冷快堆超臨界co2循環(huán)系統(tǒng)的推薦方案，建議作為后續(xù)

14、的研發(fā)方向。參考文獻(xiàn)1黃彥平，王俊峰.超臨界二氧化碳在核反應(yīng)堆系統(tǒng)中的應(yīng)用j.核動(dòng)力工程，2012（33）.2chang-gyu park. gyeong-hoi koo. design and structural evaluation of theabtr ihts piping for representative duty events of a level a sevicej.transactions of the korean nuclear society autumn meeting pyeongchang，korea，october 31-31， 2008.3y.i.chan

15、g，p.j.finck，and c.grandy . advanced burner test reactor preconceptual design report.anl-abr-1.4alwxabder r. lidington， 2007.tools for supercritical carbon dioxide cycle analusis and the cycles applicability to sodium fast reactors.5y.i.chang，p.j.finck，and c.grandy. small modular fast reactor design

16、descriptionj.anl.cea.jnc，july 1， 2005.6jae-hyuk eoh. hee， cheon no. yong-bum lee， seong-o kim，. potential sodium-co2 interaction of a supercritical co2 power conversion option coupled with an sfr：basic nature and design issuesj.nuclear endineering and design， 259（2013）：88-101.endprint3）pche熱交換器通道為mm

17、級(jí)維通道，即使出現(xiàn)破口，尺寸較小。固態(tài)反應(yīng)物可以自封（self-plugging）破口（圖6）。圖6 不帶中間回路的鈉冷快堆s-co2循環(huán)流程圖盡管采用超臨界co2布雷頓循環(huán)的鈉冷快堆安全隱患-鈉水反應(yīng)問題不再存在，安全性得到了極大提高，但由于鈉-co2發(fā)生的可能仍然存在，鈉-co2的反應(yīng)機(jī)理、探測(cè)手段、安全措施、雜質(zhì)對(duì)堆芯流道的影響仍在研究中，從技術(shù)成熟度的角度考慮，推薦我國(guó)鈉冷快堆的超臨界co2循環(huán)系統(tǒng)采用設(shè)置中間回路的方案。4 結(jié)論和建議在中溫范圍（550650）內(nèi)，s-co2布雷頓循環(huán)效率能夠超過45%，應(yīng)用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)極具工程應(yīng)用前景，并從技術(shù)成熟度的角度

18、，給出了我國(guó)鈉冷快堆超臨界co2循環(huán)系統(tǒng)的推薦方案，建議作為后續(xù)的研發(fā)方向。參考文獻(xiàn)1黃彥平，王俊峰.超臨界二氧化碳在核反應(yīng)堆系統(tǒng)中的應(yīng)用j.核動(dòng)力工程，2012（33）.2chang-gyu park. gyeong-hoi koo. design and structural evaluation of theabtr ihts piping for representative duty events of a level a sevicej.transactions of the korean nuclear society autumn meeting pyeongchang，korea，october 31-31， 2008.3y.i