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应用于钠冷快堆的超临界二氧化碳布雷顿循环系统 张振兴+武林林摘 要 为了满足系统经济性和安全性的，在快堆技术的发展过程中，涌现出许多先进技术概念在众多先进技术当中，超临界二氧化碳布雷顿循环系统被认为是最具应用前景的能量传输技术之一文章基于超临界二氧化碳布雷顿循环，结合我国快堆的特点和需求，探讨超临界二氧化碳（S-CO2）在我国钠冷快堆技术研发中潜在的应用可行性关键词 钠冷快堆；超临界；布雷顿循环系统：TL3 ：A ：1671-7597（2014）10-0192-02钠冷快堆（SFR）是GIF推荐的第IV代先进核能系统六种堆型中发展时间最长，技术最成熟的堆型，也是目前唯一经过现实工程验证的第四代堆型，其增殖和嬗变特点使得快堆技术发展一直是国际上核能技术发展的重要方向到目前为止，基于水/汽介质的郎肯循环仍然是钠冷快堆技术的唯一合适选择，由此带来的钠水反应问题成为钠冷快堆中最主要的安全问题之一为了避免钠水反应对堆芯的影响，钠冷快堆需设置中间回路及钠水反应事故保护系统，以尽可能提高安全性能，这大大增加了钠冷快堆的建造成本和运行成本1 应用于SFR的S-CO2布雷顿循环基本方案超临界介质指温度和压力处于其临界点以上的兼具液体和气体性质的流体。

CO2的临界温度是30.98℃，临界压力为7.38 MPa超临界CO2的黏度相当于气体的黏度，具有良好的传递性和快速移动能力；密度能够随压力的增大而增大[1]由于其可以达到较高的密度且比热容高，这使得减小能量转换系统设备如热交换器、透平机等尺寸成为可能，从而可以降低设备造价，减少反应堆成本这在增强核能系统的经济性上具有很强的吸引力超临界CO2应用于SFR能量转换系统中，采用不存在工质相变的布雷顿循环布雷顿循环是一种定压加热理想循环，目前在燃气轮机中广泛采用图1给出了不同工质的循环热效率，由图中可以看出，透平机入口温度在中温范围（500℃-650℃）时，S-CO2布雷顿循环效率能够超过45%目前世界上已经建造或即将建造的快堆堆芯出口温度一般在530℃-550℃，因此，超临界二氧化碳布雷顿循环系统应用于钠冷快堆极具工程应用前景图1 不同工质的循环热效率比较钠冷快堆的S-CO2布雷顿循环系统流程图如图2所示，被快堆热源加热后的高温高压超临界二氧化碳首先进入气轮机做功，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环为提高循环效率，设置高、低温回热器和再压缩压缩机，以解决由于回热器高、低温侧比热不同导致的换热器“夹点”问题并降低冷却器带走的热量。

图2 钠冷快堆S-CO2布雷顿循环系统流程图与郎肯循环的SFR相比，SFR以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环具有以下优点1）循环结构简单2）可以降低压缩机工作量，从而提高循环效率3）高压高密度的气体使减少透平机组尺寸成为可能，提高了反应堆的经济性能4）由于不存在Na-水反应，提供了消除SFR二回路的可能2 钠冷快堆应用S-CO2的技术方案国际上快堆发展较快的国家均对采用超临界二氧化碳布雷顿循环的能量转换系统产生了极大的兴趣，提出了多种技术方案其中发展进展较快的是美国ABTR[2]项目和韩国KALIMER-600项目ABTR（AdvancedBurnerTestReactor）是美国阿贡国家室正在设计的热电功率分别为250MW/95MW的下一座钠冷快堆[3]，其以超临界CO2为介质的系统流程如图3所示和钠冷快堆钠系统的传统方案相比，ABTR仍然保留了中间二回路，所不同的是钠-水蒸汽发生器由钠-CO2热交换器取代图3 ABTR钠冷快堆S-CO2循环流程图KALIMER-600是韩国计划建造的示范快堆电站，其以超临界CO2为介质的系统流程如图4所示其方案中去掉了钠冷快堆传统的中间回路，超临界CO2直接同堆芯出来的钠通过钠-CO2热交换器进行换热，设备减少，系统尺寸也大幅度缩减[4]。

目前韩国正在进行超临界CO2能量转换系统压缩机和透平机的初步设计图4 不带中间回路的钠冷快堆S-CO2循环流程图ABTR和KALIMER-600的钠-CO2热交换器均为印刷电路板式热交换器PCHE[5]（printed circuit heatexchanger）PCHE是一种传热性能优良的紧凑式换热器，板上刻有细小的D形槽（图5），采用光电-化学蚀刻及扩散粘结技术，可使PCHE流动的水力直径控制在1 mm左右与传统的管壳式换热器、板式换热器等相比，PCHE因单位结构传热面积较大，传热效率较高，同时具有高压、高强度，设计灵活，效率高的优点图5 PCHE及其D型槽流道上述两种方案的主要区别在于超临界二氧化碳循环的热源不同然而，循环的热源对循环本身的设计影响并不大设置中间回路的循环相对于直接循环在效率上的损失主要有两方面决定：中间回路冷却剂流动耗功和透平机入口温度降低根据初步计算，中间回路以液态钠为冷却剂，则设置中间回路相对于不设置中间回路的效率降低为2%，这说明在热工水力参数及组件特性优化上，两种方案基本一致3 安全性分析基于水/汽介质的郎肯循环仍然是目前钠冷快堆技术工程应用的唯一选择，由此带来的钠水反应问题是钠冷快堆最为关注安全问题之一。

与之相比，钠-CO2化学反应具有如下特点1）与钠-水剧烈反应不同，CO2与钠的反应非常缓慢反应具有一定的条件：高温、高压2）CO2与钠发生作用的主要产物是氧化钠、碳酸钠、碳等固体物质[6]，基本不会产生爆炸性气体（如钠水反应的H2）endprint3）PCHE热交换器通道为mm级维通道，即使出现破口，尺寸较小固态反应物可以自封（self-Plugging）破口（图6）图6 不带中间回路的钠冷快堆S-CO2循环流程图尽管采用超临界CO2布雷顿循环的钠冷快堆安全隐患-钠水反应问题不再存在，安全性得到了极大提高，但由于钠-CO2发生的可能仍然存在，钠-CO2的反应机理、探测手段、安全措施、杂质对堆芯流道的影响仍在研究中，从技术成熟度的角度考虑，推荐我国钠冷快堆的超临界CO2循环系统采用设置中间回路的方案4 结论和建议在中温范围（550～650℃）内，S-CO2布雷顿循环效率能够超过45%，应用于钠冷快堆的超临界二氧化碳布雷顿循环系统极具工程应用前景，并从技术成熟度的角度，给出了我国钠冷快堆超临界CO2循环系统的推荐方案，建议作为后续的研发方向参考文献[1]黄彦平，王俊峰.超临界二氧化碳在核反应堆系统中的应用[J].核动力工程，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.endprint3）PCHE热交换器通道为mm级维通道，即使出现破口，尺寸较小。

固态反应物可以自封（self-Plugging）破口（图6）图6 不带中间回路的钠冷快堆S-CO2循环流程图尽管采用超临界CO2布雷顿循环的钠冷快堆安全隐患-钠水反应问题不再存在，安全性得到了极大提高，但由于钠-CO2发生的可能仍然存在，钠-CO2的反应机理、探测手段、安全措施、杂质对堆芯流道的影响仍在研究中，从技术成熟度的角度考虑，推荐我国钠冷快堆的超临界CO2循环系统采用设置中间回路的方案4 结论和建议在中温范围（550～650℃）内，S-CO2布雷顿循环效率能够超过45%，应用于钠冷快堆的超临界二氧化碳布雷顿循环系统极具工程应用前景，并从技术成熟度的角度，给出了我国钠冷快堆超临界CO2循环系统的推荐方案，建议作为后续的研发方向参考文献[1]黄彦平，王俊峰.超临界二氧化碳在核反应堆系统中的应用[J].核动力工程，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.endprint3）PCHE热交换器通道为mm级维通道，即使出现破口，尺寸较小。

固态反应物可以自封（self-Pluggin。