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)合我國快堆的特點和需求，探討超臨界二氧化碳（S-CO2）在我國鈉冷快堆技術(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)

中圖分類號：TL3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)展時間最長，技術(shù)最成熟的堆型，也是目前唯一經(jīng)過現(xiàn)實工程驗證的第四代堆型，其增殖和嬗變特點使得快堆技術(shù)發(fā)展一直是國際上核能技術(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)于氣體的黏度，具有良好的傳遞性和快速移動能力；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、透平機等尺寸成為可能，從而可以降低設(shè)備造價，減少反應(yīng)堆成本。這在增強核能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性上具有很強的吸引力。

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，透平機入口溫度在中溫范圍（500℃-650℃）時，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入口溫度，進(jìn)入壓縮機形成閉式循環(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，以解決由于回?zé)崞鞲摺⒌蜏貍?cè)比熱不同導(dǎo)致的換熱器“夾點”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。

1）循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單。

2）可以降低壓縮機工作量，從而提高循環(huán)效率。

3）高壓高密度的氣體使減少透平機組尺寸成為可能，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

國際上快堆發(fā)展較快的國家均對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ABTR[2]項目和韓國KALIMER-600項目。

ABTR（AdvancedBurnerTestReactor）是美國阿貢國家室正在設(shè)計的熱電功率分別為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，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是韓國計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]。目前韓國正在進(jìn)行超臨界CO2能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)壓縮機和透平機的初步設(shè)計。

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PCHE[5]（printed circuit heatexchanger）。PCHE是一種傳熱性能優(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，同時具有高壓、高強度，設(shè)計靈活，效率高的優(yōu)點。

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)的熱源對循環(huán)本身的設(shè)計影響并不大。設(shè)置中間回路的循環(huán)相對于直接循環(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耗功和透平機入口溫度降低。根據(jù)初步計算，中間回路以液態(tài)鈉為冷卻劑，則設(shè)置中間回路相對于不設(shè)置中間回路的效率降低為2%，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。

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]，基本不會產(chǎn)生爆炸性氣體（如鈉水反應(yīng)的H2）。endprint

3）PCHE熱交換器通道為mm級維通道，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)機理、探測手段、安全措施、雜質(zhì)對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（550～650℃）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].核動力工程，2012（33）.

[2]Chang-Gyu Park. Gyeong-Hoi Koo. Design and Structural Evaluation of theABTR IHTS Piping for Representative Duty Events of a LEVEL A Sevice[J].Transactions of the Korean Nuclear Society Autumn Meeting PyeongChang，Korea，October 31-31， 2008.

[3]Y.I.Chang，P.J.Finck，and C.Grandy . Advanced Burner Test Reactor Preconceptual Design Report.ANL-ABR-1.

[4]Alwxabder R. Lidington， 2007.Tools for Supercritical Carbon Dioxide Cycle Analusis and the Cycles Applicability to Sodium Fast Reactors.

[5]Y.I.Chang，P.J.Finck，and C.Grandy. Small Modular Fast Reactor Design Description[J].ANL.CEA.JNC，July 1， 2005.

[6]Jae-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 issues[J].Nuclear Endineering and Design， 259（2013）：88-101.endprint

3）PCHE熱交換器通道為mm級維通道，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)機理、探測手段、安全措施、雜質(zhì)對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（550～650℃）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)

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3）PCHE熱交換器通道為mm級維通道，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)機理、探測手段、安全措施、雜質(zhì)對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（550～650℃）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)

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