核能综合利用研究现状与展望
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核能利用研究现状
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。
图 2 不同热功转换系统效率对比
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％。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。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点。