PDF《核能综合利用研究现状与展望》

1 400℃ 左右,而堆内运行温度 在700℃,安全阈值很高:当温度超过设定值时,反 应堆底部的冷冻塞会因过高温自动熔化,掺混了核燃 料的熔盐流入应急储存罐与中子反应区分离,核反应 随即终止.熔盐可作为反应堆的一层安全屏障,溶解 滞留大部分裂变产物,特别是气态裂变产物(如Cs-

137、I-131 等);

熔盐化学稳定性高,不与其他物质 作用,防止了新的衍生事故发生,可在很大程度上降 低事故后的环境影响.熔盐堆可以在线后处理,是能 够高效利用钍的唯一堆型.熔盐堆可灵活地进行多种 燃料循环方式,如一次利用、废物处理、燃料生产 等,不需要特别处理而直接利用铀、钍和钚等所有核 图1不同核反应堆及应用的温度范围 (a)不同反应堆(代)的出口温度,其中 VHTR―超高温反应堆、GFR―气冷快堆、MSR―熔盐堆、LFR―铅冷或铅 - 铋共熔物冷却的快堆、SFR―钠冷快堆、SCWR―超临界水堆、PWR―压水反应堆、BWR―沸水堆;

(b)核能综合利用 温度范围 a b VHTR (IV) GFR (IV) MSR (IV) LFR (IV) SFR (IV) SCWR (IV) PWR (III) BWR (III)

1 000

850 800

800 550

550 315

150 170

610 600

850 1

000 1

000 700

80 70

538 550

285 温度( o C ) 温度( o C ) 反应堆类型 应用类型 乙烯等工业应用朗肯循环核能供热海水淡化200

450 500

800 超临界CO

2 闭式布雷顿循环合成氨石油精炼煤液化氦气闭式布雷顿循环高温电解制氢及高温热化学制氢院刊

463 燃料,也可利用其他反应堆的乏燃料.

3 核能利用研究现状 3.1 高效发电 针对堆内运行温度在700℃以上的第四代先进核能 系统,现阶段较为成熟的热功转换系统主要包括蒸汽 轮机系统(基于朗肯循环)以及闭式循环燃气轮机系 统(基于闭式布雷顿循环).根据工质的不同,闭式 循环燃气轮机亦可分氦气轮机、氮气轮机、超临界二 氧化碳轮机及混合工质轮机等,不同热工转换系统效 率对比如图

2 所示.从图中可以看出,温度越高,热 功转换系统效率越高,相比较传统蒸汽循环,高温条 件下的热循环发电系统,能够更充分地利用 700℃ 以 上核能系统的高品质热量,实现高效发电. 蒸汽轮机系统技术发展已有百年以上,成熟度最 高,但其系统较为庞大和复杂,在运行维护过程中 需要不断补充循环水,因此在水资源匮乏的地区不 宜采用.目前,火力发电常用的蒸汽轮机功率等级均 在300 MW 以上,多采用超临界及超超临界机组,温 度范围 538℃―610℃,压力范围 24―32 Mpa,效率约 41%―44%[7] .700℃ 超临界是蒸汽轮机现阶段发展的 瓶颈,因耐高温高压材料问题很难在短时间内突破且 成本昂贵. 闭式循环燃气轮机系统特别适用于中高温热源, 进而获得较高的热功转换效率,具有热源灵活、工质 多样性的技术优势.相比蒸汽轮机,闭式循环燃气轮 机功率密度大,因而尺寸小、投资少;

并且由于可以 少用水,在选址上具有很大灵活性.20 世纪中期,以 空气为工质的闭式循环燃气轮机曾广泛应用于发电领 域,技术成熟度较高.后随着高温核能概念的兴起, 氦气轮机获得了极大的重视,并完成了非核领域的工 业示范[8] .针对出口温度为 700℃ 以上的第四代先进核 能系统,常用工质闭式布雷顿循环燃气轮机性能比较 如下:气体工质(氦气、氮气、空气或混合工质)闭 式循环燃气轮机热效率可接近 40%,超临界二氧化碳 工质效率可接近 50%.但从技术成熟度来看,超临界 二氧化碳轮机目前还处于中试阶段,缺乏工业示范验 证,而且其高温材料问题也是技术难........