核能利用研究現(xiàn)狀

高效發(fā)電

針對(duì)堆內(nèi)運(yùn)行溫度在?700℃?以上的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)，現(xiàn)階段較為成熟的熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要包括蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)（基于朗肯循環(huán)）以及閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)（基于閉式布雷頓循環(huán)）。根據(jù)工質(zhì)的不同，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)亦可分氦氣輪機(jī)、氮?dú)廨啓C(jī)、超臨界二氧化碳輪機(jī)及混合工質(zhì)輪機(jī)等，不同熱工轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率對(duì)比如圖?2?所示。從圖中可以看出，溫度越高，熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率越高，相比較傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)，高溫條件下的熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，能夠更充分地利用?700℃?以上核能系統(tǒng)的高品質(zhì)熱量，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。

圖 2 不同熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率對(duì)比

蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展已有百年以上，成熟度最高，但其系統(tǒng)較為龐大和復(fù)雜，在運(yùn)行維護(hù)過程中需要不斷補(bǔ)充循環(huán)水，因此在水資源匱乏的地區(qū)不宜采用。目前，火力發(fā)電常用的蒸汽輪機(jī)功率等級(jí)均在?300?MW?以上，多采用超臨界及超超臨界機(jī)組，溫度范圍?538℃—610℃，壓力范圍?24—32?Mpa，效率約41％—44％。700℃?超臨界是蒸汽輪機(jī)現(xiàn)階段發(fā)展的瓶頸，因耐高溫高壓材料問題很難在短時(shí)間內(nèi)突破且成本昂貴。

閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)特別適用于中高溫?zé)嵩矗M(jìn)而獲得較高的熱功轉(zhuǎn)換效率，具有熱源靈活、工質(zhì)多樣性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相比蒸汽輪機(jī)，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)功率密度大，因而尺寸小、投資少；并且由于可以少用水，在選址上具有很大靈活性。20?世紀(jì)中期，以空氣為工質(zhì)的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)曾廣泛應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，技術(shù)成熟度較高。后隨著高溫核能概念的興起，氦氣輪機(jī)獲得了極大的重視，并完成了非核領(lǐng)域的工業(yè)示范。針對(duì)出口溫度為?700℃?以上的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)，常用工質(zhì)閉式布雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)性能比較如下：氣體工質(zhì)（氦氣、氮?dú)?、空氣或混合工質(zhì)）閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)熱效率可接近?40％，超臨界二氧化碳工質(zhì)效率可接近?50％。但從技術(shù)成熟度來看，超臨界二氧化碳輪機(jī)目前還處于中試階段，缺乏工業(yè)示范驗(yàn)證，而且其高溫材料問題也是技術(shù)難點(diǎn)。

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