核能綜合利用研究現狀與展望
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核能利用研究現狀
高效發電
針對堆內運行溫度在?700℃?以上的第四代先進核能系統，現階段較為成熟的熱功轉換系統主要包括蒸汽輪機系統（基于朗肯循環）以及閉式循環燃氣輪機系統（基于閉式布雷頓循環）。根據工質的不同，閉式循環燃氣輪機亦可分氦氣輪機、氮氣輪機、超臨界二氧化碳輪機及混合工質輪機等，不同熱工轉換系統效率對比如圖?2?所示。從圖中可以看出，溫度越高，熱功轉換系統效率越高，相比較傳統蒸汽循環，高溫條件下的熱循環發電系統，能夠更充分地利用?700℃?以上核能系統的高品質熱量，實現高效發電。
圖 2 不同熱功轉換系統效率對比
蒸汽輪機系統技術發展已有百年以上，成熟度最高，但其系統較為龐大和復雜，在運行維護過程中需要不斷補充循環水，因此在水資源匱乏的地區不宜采用。目前，火力發電常用的蒸汽輪機功率等級均在?300?MW?以上，多采用超臨界及超超臨界機組，溫度范圍?538℃—610℃，壓力范圍?24—32?Mpa，效率約41％—44％。700℃?超臨界是蒸汽輪機現階段發展的瓶頸，因耐高溫高壓材料問題很難在短時間內突破且成本昂貴。
閉式循環燃氣輪機系統特別適用于中高溫熱源，進而獲得較高的熱功轉換效率，具有熱源靈活、工質多樣性的技術優勢。相比蒸汽輪機，閉式循環燃氣輪機功率密度大，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?世紀中期，以空氣為工質的閉式循環燃氣輪機曾廣泛應用于發電領域，技術成熟度較高。后隨著高溫核能概念的興起，氦氣輪機獲得了極大的重視，并完成了非核領域的工業示范。針對出口溫度為?700℃?以上的第四代先進核能系統，常用工質閉式布雷頓循環燃氣輪機性能比較如下：氣體工質（氦氣、氮氣、空氣或混合工質）閉式循環燃氣輪機熱效率可接近?40％，超臨界二氧化碳工質效率可接近?50％。但從技術成熟度來看，超臨界二氧化碳輪機目前還處于中試階段，缺乏工業示范驗證，而且其高溫材料問題也是技術難點。