超臨界二氧化碳工質(zhì)在反應(yīng)堆系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、通訊作者：通訊作者：郭奇勛，副教授，qxguo@xmu.；張堯立，助理教授，zhangyl@xmu.核反應(yīng)堆系統(tǒng)中以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的熱力循環(huán)過程的建模與分析梁墩煌，張堯立，郭奇勛，沈道祥，黃錦鋒(廈門大學(xué)能源學(xué)院，福建廈門361005)摘要摘要：超臨界二氧化碳（SCO2）有可能作為循環(huán)工質(zhì)應(yīng)用于第四代核能系統(tǒng)中的3種快中子反應(yīng)堆系統(tǒng)和當(dāng)前常見商用反應(yīng)堆系統(tǒng)內(nèi)。使用EES工具，對(duì)SCO2布雷頓循環(huán)進(jìn)行了理論建模和分析。其中，針對(duì)系統(tǒng)

2、中的重要部件換熱器，進(jìn)行了較為詳細(xì)的建模。分析了SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)熱效率，并與核工業(yè)中常用的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，SCO2作為循環(huán)工質(zhì)在特定的溫度下具有最高的熱轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，針對(duì)不同的反應(yīng)堆類型，對(duì)比分析SCO2布雷頓循環(huán)與各種類型反應(yīng)堆系統(tǒng)耦合時(shí)的熱力循環(huán)效率與特性。初步分析結(jié)果表明，SCO2作為循環(huán)工質(zhì)材料最適合在氣冷快堆與液態(tài)金屬快堆（鈉冷快堆和鉛冷快堆）中使用，具有熱效率和鈾資源利用率高等優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：

3、反應(yīng)堆系統(tǒng)；循環(huán)工質(zhì)材料；超臨界二氧化碳；布雷頓循環(huán)中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：TL343文獻(xiàn)標(biāo)志碼文獻(xiàn)標(biāo)志碼：目前世界上運(yùn)行和在建的核電站中，絕大部分采用水蒸氣朗肯循環(huán)作為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在中國(guó)山東石島灣建設(shè)的高溫氣冷堆，選取氦氣作為工質(zhì)，使用布雷頓循環(huán)作為能量轉(zhuǎn)換方式。超臨界二氧化碳（SupercriticalCO2，SCO2）作為一種工質(zhì)，在物理和熱工等方表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。SCO2布雷頓循環(huán)成為了第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的備選熱力方案之一。在

4、第四代核能論壇提出的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)6種推薦堆型中，除了超臨界水反應(yīng)堆（SCWR）外，其余堆型的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)均可采用布雷頓循環(huán)（BraytonCycle）[1]，其中，鉛冷快堆（LFR）和鈉冷快堆（SFR）中推薦使用二氧化碳作為布雷頓循環(huán)的循環(huán)工質(zhì)。1.SCO2簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1.1SCO2性質(zhì)性質(zhì)二氧化碳是自然界中的一種常見物質(zhì)，多數(shù)情況下以氣態(tài)形式出現(xiàn)。當(dāng)二氧化碳的溫度超過31℃、壓力超過7.38MPa時(shí)，即進(jìn)入SCO2狀態(tài)。在這種狀態(tài)下

5、，液體與氣體之間的相界面消失。SCO2介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點(diǎn)。二氧化碳由于其性質(zhì)穩(wěn)定，無毒，不易燃易爆，價(jià)廉以及較低的臨界壓力和臨界溫度，因而成為當(dāng)代工業(yè)中最常見的超臨界流體之一。當(dāng)流體處于超臨界狀態(tài)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出很多不同尋常的性質(zhì)。CO2在超臨界狀態(tài)時(shí)，比冷卻器回?zé)崞鞣磻?yīng)堆壓縮機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)圖2.簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)流程圖Fig.2SimpleBraytoncycleflowt2SCO2布雷頓循環(huán)的建模與分析布雷頓循環(huán)的

6、建模與分析2.1系統(tǒng)布置系統(tǒng)布置為了研究SCO2布雷頓循環(huán)在不同情況下的運(yùn)行狀況與性能，利用EES計(jì)算軟件對(duì)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)熱力循環(huán)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。EES軟件為工程方程求解器，可用于求解代數(shù)方程組，差分方程、工程優(yōu)化、線性和非線性回歸；并可繪制二維圖形。EES提供了很多對(duì)工程計(jì)算常用的內(nèi)置數(shù)學(xué)和熱物性函數(shù)。使用EES軟件，建立SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析模型。所建模型為SCO2再壓縮布雷頓循環(huán)[5]，主要建模部件有壓縮機(jī)，透平和換熱器。