超临界二氧化碳工质在反应堆系统中的应用.docx

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1、核反应堆系统中以超临界二氧化碳为工质的热力循环过程的建模与分析梁墩煌，张尧立*，郭奇勋*，沈道祥，黄锦锋(厦门大学能源学院，福建厦门361005)摘要：超临界二氧化碳（S-CO2）有可能作为循环工质应用于第四代核能系统中的3种快中子反应堆系统和当前常见商用反应堆系统内。使用EES工具，对S-CO2布雷顿循环进行了理论建模和分析。其中，针对系统中的重要部件换热器，进行了较为详细的建模。分析了S-CO2布雷顿循环系统的循环热效率，并与核工业中常用的循环工质进行对比。结果表明，S-CO2作为循环工质在特定的温度下具有最高的热转化效率。同时，针对不同的反应堆类型，对比分析S-CO2布雷顿循环与各种类型

2、反应堆系统耦合时的热力循环效率与特性。初步分析结果表明，S-CO2作为循环工质材料最适合在气冷快堆与液态金属快堆（钠冷快堆和铅冷快堆）中使用，具有热效率和铀资源利用率高等优势。关键词：反应堆系统；循环工质材料；超临界二氧化碳；布雷顿循环中图分类号：TL343文献标志码：目前世界上运行和在建的核电站中，绝大部分采用水蒸气朗肯循环作为能量转换系统。在中国山东石岛湾建设的高温气冷堆，选取氦气作为工质，使用布雷顿循环作为能量转换方式。超临界二氧化碳（SupercriticalCO2，S-CO2）作为一种工质，在物理和热工等方表现出了优异的特性。S-CO2布雷顿循环成为了第四代先进核能系统的备选热力方案

3、之一。在第四代核能论坛提出的第四代先进核能系统6种推荐堆型中，除了超临界水反应堆（SCWR）外，其余堆型的能量转换系统均可采用布雷顿循环（BraytonCycle）[1]，其中，铅冷快堆（LFR）和钠冷快堆（SFR）中推荐使用二氧化碳作为布雷顿循环的循环工质。1.S-CO2简介1.1S-CO2性质二氧化碳是自然界中的一种常见物质，多数情况下以气态形式出现。当二氧化碳的温度超过31℃、压力超过7.38MPa时，即进入S-CO2状态。在这种状态下，液体与气体之间的相界面消失。S-CO2介于气体和液体之间，兼有气体、液体的双重特点。二氧化碳由于其性质稳定，无毒，不易燃易爆，价廉以及较低的临界压力和临

4、界温度，因而成为当代工业中最常见的超临界流体之一。当流体处于超临界状态时，会表现出很多不同寻常的性质。CO2在超临界状态时，比焓、定压比热、密度、音速、粘度、热传导系数、比热比等物性参数都会发生剧烈的变化。1.2S-CO2布雷顿循环采用超临界流体作为布雷顿循环的工质，可以利用超临界流体拟临界区物性突变性质，将压缩机工况运行点设置在拟临界区温度附近的密度较大区间，将反应堆运行设置在拟临界区温度之后的密度较小区间，利用密度在临界点附件发生突变的性质，保证气体冷却，同时大幅降低压缩机功耗，使得气冷堆在中等堆芯出口温度时达到较高的循环效率[2]。这一性质使得超临界流体用作反应堆二回路能量转换工质具有明

5、显优势。S-CO2工质用于核反应堆一般采用布雷顿热力循环模式。布雷顿循环一般包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热4个基本过程，循环中温度与比熵变化过程如图1所示[3]。T—温度；S—熵；p—压力.图1.布雷顿循环温熵图Fig.1Braytoncycletemperature-entropydiagram对于核反应堆内的S-CO2布雷顿循环，其最简单、最基本的系统流程如图2所示，主要由压缩机、回热器、气轮机、冷却器和热源构成[4]。直接循环条件下的热源是堆芯，间接循环下的热源是反应堆一、二回路之间的换热器。低温低压的气体经压缩机升压，再经回热器高温侧流体预热后进入热源，吸收热量后直接进入气

6、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。由于这种循环可以将压缩机入口温度控制在流体的拟临界温度附近，使流体密度增大，流体压缩性较好，从而降低了压缩功耗，提高了热力系统净效率。图2.简单布雷顿循环流程图Fig.2SimpleBraytoncycleflowchart2．S-CO2布雷顿循环的建模与分析2.1系统布置为了研究S-CO2布雷顿循环在不同情况下的运行状况与性能，利用EES计算软件对能量转换系统热力循环进行数学建模。EES软件为工程方程求解器，可用于求解代数方程组，差分方程、工程优化、线性和非线性回归；并可绘制二维图形

7、。EES提供了很多对工程计算常用的内置数学和热物性函数。使用EES软件，建立S-CO2布雷顿循环系统的热力学分析模型。所建模型为S-CO2再压缩布雷顿循环[5]，主要建模部件有压缩机，透平和换热器。再压缩布雷顿循环是结构简单紧凑，热效率高的一种S-CO2布雷顿循环的系统布置形式[6]。如图3所示，与简单布雷顿循环相比，再压缩布雷顿循环模式中设置了高温、低温两组回热器，并增加了再压缩压缩机。再压缩循