[发明专利]特种反应堆布雷顿循环系统的超临界流体适用性评价方法

说明书

本发明公开了特种反应堆布雷顿循环系统的超临界流体适用性评价方法，包括七步：1、明确反应堆与循环系统的工作环境和必要参数。2、评估流体的辐照和化学稳定性。3、确定流体的拟临界点。4、评价定压放热区流体性能。5、评价压缩机内流体性能。6、评价定压吸热区流体性能。7、给出各流体的适用性评价结果。本发明旨在为采用超临界流体作为工质的特种反应堆布雷顿循环系统提供一种合理、简便而快速的流体选择与环境适用性评价方法，应用本发明的方法得到的数据也可为循环系统冷端换热器、压缩机、回热器和堆内换热器的设计提供参考。

技术领域

本发明属于动力工程及工程热物理技术领域，具体涉及特种反应堆布雷顿循环系统的超临界流体适用性评价方法。

背景技术

特种反应堆，如小型熔盐堆、铅铋堆、热管堆和空间堆等，是在具有重要战略意义的极端环境(深海、极地、近地行星卫星和深空)中生产能量的有效措施。匹配特种反应堆特征的动力循环系统，是实现高效能量转化、提高反应堆寿命的重要途径。然而经典的蒸汽朗肯循环因高压比、真空凝气和相变特性，使得压缩耗功较大、热效率提升潜力有限、系统体积庞大、设计流程复杂且控制过程相对迟滞，难以匹配特种反应堆的小型化和高效控制等优势。因此需研发用于特种反应堆的系统简化、控制响应迅速且热效率更高的新型动力循环技术。

采用超临界流体的布雷顿循环系统在特种反应堆环境中有广阔应用前景。超临界区流体的密度较高且变化平缓，可减小设备体积并采用低压比透平式压缩机；流体在拟临界点的定压比热和热导率达到峰值，可将流体拟临界温压设为循环最低温压，实现高效定压放热；在压比一定时，单位质量流体在拟临界点进行绝热压缩的焓升低于远离临界点时的压缩焓升。因此，以超临界流体为工质的布雷顿循环系统可采用小体积透平类设备、紧凑式热交换器和高效的智能控制系统，兼具朗肯循环的功率优势和开式跨临界布雷顿循环的体积与控制优势，并有望达到较高的热效率。

为达到上述效果，对流体的拟临界参数有特殊的参数要求：若要实现高效定压放热，需满足流体拟临界温度略高于循环最低温度，实现在定压比热、热导率峰值下放热，同时又要避免拟临界温度与环境温差过大，导致浪费或过度过却导致跨临界；若要使系统具有较高的热效率提升潜力，需确保流体在绝热压缩过程中消耗较少的压缩功。此外，还需要流体具有良好的辐照稳定性和化学稳定性等。在地球温带大气环境下，由于二氧化碳临界温度接近室温，拥有较为适宜的拟临界参数、良好的辐照/化学稳定性和较低的成本，故超临界二氧化碳布雷顿循环系统在核能、太阳能和余热回收等领域有较好的应用前景。目前超临界二氧化碳布雷顿循环系统已被美国考虑为能源战略发展的重要方向，日本、韩国、欧盟、澳大利亚等国家紧随其后。在我国，中国核动力设计研究院、中科院工程热物理所、西安热工院、清华大学、西安交通大学等研究机构和高校也相继启动超临界二氧化碳热物理性质和布雷顿循环的有关研究，已有了较为清晰的目标图像论证，部分热工流体实验数据，相应的理论、实验、数值研究成果和相关设备的研发成果。

然而，随着我国对特种反应堆研发需求的增长，不同的热电转换场景及其环境特性对超临界流体的参数要求亦发生变化。如在环境温压方面，接近零摄氏度的高压深海环境、常压严寒极地环境、昼夜温差大的低温低压火星环境甚至接近绝对零度的深空环境，对流体的拟临界参数要求各不相同。故流体的选定和适用性评价是设计超临界流体布雷顿循环系统的基础和前提。而目前，对工作在不同环境下的超临界流体布雷顿循环系统，尚缺乏一个公开的流体选定和适用性评价标准。因此需要一个较为通用、简便的评价方法，根据特种反应堆和布雷顿循环的应用场景，对其超临界流体工质进行初步筛选、性能对比和适用性评估。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种特种反应堆布雷顿循环系统的超临界流体适用性评价方法，应用本发明的方法所得到的数据也可为系统冷端换热器、压缩机、回热器和堆内换热器的设计提供参考。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

特种反应堆布雷顿循环系统的超临界流体适用性评价方法，步骤如下：