激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法

技术领域

本发明专利涉及激光惯性约束聚变反应堆循环系统设计技术领域，具体涉及两种聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法

背景技术

激光聚变反应堆的关键问题之一是热电转换系统的设计，当前主流设计采用超临界二氧化碳作为动态热点转换系统的主要工质，超临界二氧化碳的工作区间通常为300℃～400℃；液态锂铅作为聚变反应堆的氚增殖和局部冷却工质，工作区间通常为500℃～700℃；两者循环温度范围相差较大，需要针对该循环特性提供解决方案。

超临界二氧化碳动力循环是以二氧化碳为工质的布雷顿循环。该循环的关键是将超临界二氧化碳在临界点附近压缩，极大地降低压缩功耗，使得超临界二氧化碳布雷顿循环能够实现较高的热效率。为了提高循环热效率，提出了再回热循环；再回热循环中，低温回热器两侧的工质具有几乎恒定的温度差，同时高温回热器保持在温度相对较高的环境下工作，再回热循环通过分流的方式降低了循环系统内回热器两端的传热温差，改善回热器的传热性能，提高系统的循环热效率；尽管再回热循环可以达到很高的效率，但是需要系统热源保持在低温差状态。

由于激光聚变反应堆一回路存在多种热源，温度范围相差较大，使得再回热循环系统热效率随之下降。因此，如何有效地耦合激光聚变反应堆一回路不同温度范围的热源，并保持高效的循环效率是激光聚变反应堆循环系统设计的重要问题。

发明内容

为解决上述激光聚变反应堆循环系统设计存在的问题，本发明的目的在于提供激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统及其设计方法，设计多级简单回热超临界二氧化碳循环系统，适用于占地空间小、结构简单的激光聚变堆；针对不同的应用需求，本发明在多级简单回热循环系统上增加装置，获得结构相对复杂但循环效率更高的多级再回热循环系统；提供使得系统有最优循环效率的设计方法；弥补现有激光聚变反应堆循环系统设计上的不足。

本发明采取以下技术方案达到上述目的：

激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统，所述循环系统为多级简单回热循环或多级再回热循环，适用于不同应用环境下的激光聚变反应堆；多级简单回热循环为激光聚变反应堆提供占用体积小、结构简单的动态热电转换；多级再回热循环在相对复杂的结构设计下，为激光聚变反应堆提供更高的能量转换效率；

多级简单回热循环系统包括第一中间换热器3、第二中间换热器4、低温换热器5、高温回热器6、高温换热器7、透平8、低温回热器9、冷却器10和主压缩机11；低温回热器9冷侧出口连接低温换热器5冷侧，之后连接高温回热器6冷侧入口，高温回热器6冷侧出口连接高温换热器7冷侧，之后连接透平8入口，透平8出口依次连接高温回热器6热侧和低温回热器9热侧，低温回热器9热侧出口连接冷却器10入口，冷却器10出口连接主压缩机11，主压缩机11出口连接低温回热器9冷侧入口形成回路；低温换热器5热侧连接第一中间换热器3冷侧形成第一中间回路，第一中间换热器3热侧连接聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1；高温换热器7热侧连接第二中间换热器4冷侧形成第二中间回路，第二中间换热器4热侧连接聚变腔室包层内高温锂铅合金冷却回路2；

所述多级简单回热循环系统中，高温换热器7和低温换热器5分散布置，耦合激光聚变堆一回路不同温度范围的热源；通过第一中间换热器3和低温换热器5负责导出聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1的热量，温度范围为620K到690K；第二中间换热器4和高温换热器7负责导出聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路2的热量，温度范围为770K到970K；第一中间换热器3和第二中间换热器4用于防止激光聚变堆内氚泄露；

多级简单回热循环系统中，超临界二氧化碳工质依次流经高温换热器7热侧、透平8、高温回热器6热侧、低温回热器9热侧、冷却器10、主压缩机11，再经由低温回热器9冷侧、低温换热器5冷侧、高温回热器6冷侧回到高温换热器7热侧完成循环；

多级再回热循环系统比多级简单回热循环系统结构复杂，在多级简单回热循环系统基础上增加第一分流器12、第二分流器14和辅压缩机13，能够为激光聚变反应堆提供更高的动态热电转换效率；所述辅压缩机13进出口分别连接第一分流器12和第二分流器14，第一分流器12设置在低温回热器9热侧出口，第二分流器14设置在低温换热器5冷侧出口；

所述多级再回热循环系统中，高温换热器7和低温换热器5分散布置，耦合激光聚变堆一回路不同温度范围的热源；通过第一中间换热器3和低温换热器5负责导出聚变腔室包层内超临界二氧化碳冷却回路1的热量，温度范围为620K到690K；第二中间换热器4和高温换热器7负责导出聚变腔室包层内液态锂铅合金冷却回路2的热量，温度范围为770K到970K；第一中间换热器3和第二中间换热器4用于防止激光聚变堆内氚泄露；

多级再回热循环系统中，超临界二氧化碳工质依次流经高温换热器7热侧、透平8、高温回热器6热侧、低温回热器9热侧，之后经过第一分流器12，大部分工质在主回路中流经冷却器10、主压缩机11，再经由低温回热器9冷侧、低温换热器5冷侧；少部分工质被分流到辅压缩机13，和主回路工质在低温换热器5冷侧出口处经由第二分流器14汇合；汇合后工质流经高温回热器6冷侧回到高温换热器7热侧完成循环；

所述循环系统将激光聚变反应堆聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1和聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路2两种温度范围相差大的热源进行耦合，通过超临界二氧化碳工质将堆芯产生的热量转化为电能；多级简单回热循环系统满足建造空间小的聚变堆设计需求，多级再回热循环系统满足热电转化效率高的聚变堆设计需求。

所述的激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：确认超临界二氧化碳循环系统热力学参数

确认激光聚变反应堆和超临界二氧化碳循环系统的热力学参数，包括激光聚变反应堆额定输出功率，聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1和聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路2的进口、出口温度，循环系统中各装置压降，压缩机绝热效率及透平等熵效率，换热器最小端差，循环系统内超临界二氧化碳压力范围、温度范围；

步骤2：建立超临界二氧化碳循环系统热力学模型

基于所述循环系统具体结构建立热力学模型，包括：对高温换热器7、低温换热器5、高温回热器6、低温回热器9和冷却器10建立换热器夹点温差模型，换热器内部温差最小的点为夹点，夹点温差模型对换热器热侧和冷侧焓场分为n个单元，使用每个单元两侧的进出口压力计算温度，计算两侧对应的温差，并将最小温差与设定值进行比较，保证换热器正向换热；对透平8、主压缩机11、辅压缩机13建立不可逆定压模型；建立循环系统内各装置的热平衡方程；

步骤3：超临界二氧化碳循环系统的热力学参数计算

结合步骤1中超临界二氧化碳循环压力和循环温度范围，首先确定冷却器10出口处的超临界二氧化碳的温度、压力；系统最大压力作为主压缩机11出口处压力；结合步骤2建立的主压缩机不可逆定压模型，得出主压缩机11出口处超临界二氧化碳的焓值和温度；其次，考虑步骤1确定的循环系统各装置压降，得到所述超临界二氧化碳循环系统的热力学模型中所有节点的压力；

结合CoolProp物性库提供的超临界二氧化碳状态方程、以及步骤1确定的系统热力学参数，采用非线性方程组求解器对步骤2所建立的热力学模型进行计算；非线性方程组求解器在多次迭代后，给出循环系统热效率以及循环系统热力学模型各节点的热力学参数，包括压力、温度、焓值、工质流量、透平和压缩机做功；

步骤4：系统设计优化

影响循环系统最优热效率的决策变量，包括循环系统的最低压力、最高压力以及最低温度；采用粒子群优化算法，随机选取决定性参数附近的值，通过非线性方程组求解器对步骤2中构建的循环系统热力学模型进行反复的迭代计算，寻求全局最优解，直至获得最优循环效率；最优循环热效率对应的参数为决策变量的最佳值，结合激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统设计标准，确定具有最优循环效率的超临界二氧化碳循环系统。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明针对激光聚变反应堆一回路具有两个温度范围相差较大的热源这一特性，设计出适用于激光聚变反应堆的超临界二氧化碳循环系统。所述循环系统采用高温换热器和低温换热器分别布置的方法，将不同温度范围的超临界二氧化碳热源和锂铅合金热源进行耦合，改善回路传热性能，将堆芯产生的热量转化为电能。

2、本发明设计出多级简单回热循环系统，为建造空间紧张的激光聚变堆提供了结构简单的循环系统设计。

3、本发明设计出多级再回热循环系统，该系统在多级简单回热循环系统的基础上增加设备，能够有效提升循环效率，为循环效率需求高、建造空间相对宽松的激光聚变堆提供了更高效的循环系统设计。

4、本发明不同于以往聚变反应堆设计中专注于聚变原理设计和堆芯装置设计的情况，设计出适用于激光聚变反应堆热源特性的动态热电转换方案以及具有最优循环效率的系统设计方法，弥补现有激光聚变反应堆循环系统设计的不足。

总而言之，本发明设计了适用于激光聚变堆特性和不同应用需求的超临界二氧化碳循环系统，并提供了相应的设计方法，能够基于模型构建、计算来建立激光聚变反应堆循环系统的设计流程，同时可为激光聚变反应堆循环系统的实际运行提供指导。

附图说明

图1为多级简单回热和多级再回热超临界二氧化碳循环系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

激光聚变反应堆内具有两种温度范围相差大，使用不同冷却工质的冷却回路，用于导出激光聚变反应堆内产生的热量，分别为聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1以及聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路2；循环系统采用基于简单回热循环改进的多级简单回热循环。

如图1所示，多级简单回热循环系统的主要装置包括中间换热器3，中间换热器4，低温换热器5，高温回热器6，高温换热器7，透平8，低温回热器9，冷却器10，主压缩机11；低温回热器9冷侧出口连接低温换热器5冷侧，之后连接高温回热器6冷侧入口，高温回热器6冷侧出口连接高温换热器7冷侧，之后连接透平8入口，透平8出口依次连接高温回热器6热侧和低温回热器9热侧，低温回热器9热侧出口连接冷却器10入口，冷却器10出口连接主压缩机11，主压缩机11出口连接低温回热器9冷侧入口形成回路；低温换热器5热侧连接第一中间换热器3冷侧形成第一中间回路，第一中间换热器3热侧连接聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1；高温换热器7热侧连接第二中间换热器4冷侧形成第二中间回路，第二中间换热器4热侧连接聚变腔室包层内高温锂铅合金冷却回路2。

所述多级简单回热循环系统中，高温换热器7和低温换热器5分散布置，耦合激光聚变堆一回路不同温度范围的热源；通过第一中间换热器3和低温换热器5负责导出聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1的热量，温度范围为620K到690K；第二中间换热器4和高温换热器7负责导出聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路2的热量，温度范围为770K到970K；第一中间换热器3和第二中间换热器4用于防止激光聚变堆内氚泄露。

多级简单回热循环系统中，超临界二氧化碳工质依次流经高温换热器7热侧、透平8、高温回热器6热侧、低温回热器9热侧、冷却器10、主压缩机11，再经由低温回热器9冷侧、低温换热器5冷侧、高温回热器6冷侧回到高温换热器7热侧完成循环。

如图1所示，多级再回热循环系统比多级简单回热循环系统结构复杂，在多级简单回热循环系统基础上增加第一分流器12、第二分流器14和辅压缩机13，能够为激光聚变反应堆提供更高的动态热电转换效率；所述辅压缩机13进出口分别连接第一分流器12和第二分流器14，第一分流器12设置在低温回热器9热侧出口，第二分流器14设置在低温换热器5冷侧出口。

所述多级再回热循环系统中，高温换热器7和低温换热器5分散布置，耦合激光聚变堆一回路不同温度范围的热源；通过第一中间换热器3和低温换热器5负责导出聚变腔室包层内超临界二氧化碳冷却回路1的热量，温度范围为620K到690K；第二中间换热器4和高温换热器7负责导出聚变腔室包层内液态锂铅合金冷却回路2的热量，温度范围为770K到970K；第一中间换热器3和第二中间换热器4用于防止激光聚变堆内氚泄露。

多级再回热循环系统中，超临界二氧化碳工质依次流经高温换热器7热侧、透平8、高温回热器6热侧、低温回热器9热侧，之后经过第一分流器12，大部分工质在主回路中流经冷却器10、主压缩机11，再经由低温回热器9冷侧、低温换热器5冷侧；少部分工质被分流到辅压缩机13，和主回路工质在低温换热器5冷侧出口处经由第二分流器14汇合；汇合后工质流经高温回热器6冷侧回到高温换热器7热侧完成循环。

所述循环系统将激光聚变反应堆聚变腔室包层内低温超临界二氧化碳冷却回路1和聚变腔室包层内高温液态锂铅合金冷却回路2两种温度范围相差大的热源进行耦合，通过超临界二氧化碳工质将堆芯产生的热量转化为电能；多级简单回热循环系统满足建造空间小的聚变堆设计需求，多级再回热循环系统满足热电转化效率高的聚变堆设计需求。

所述的激光聚变反应堆超临界二氧化碳循环系统的设计方法，包括如下步骤：

1、根据CFETR一期的堆芯设计要求及LIFE、HiPER等激光聚变项目要求，确定循环系统的主要热力学边界参数，包括：聚变堆芯热功率恒定200MW、高温液态锂铅合金冷却回路2出口温度970.15K、入口温度770.15K、低温超临界二氧化碳冷却回路1出口温度690.15K、低温热源入口温度620.15K，主压缩机11和辅压缩机13绝热效率0.83、透平8等熵效率0.87、高温回热器6和低温回热器9最小传热温差为10K、换热器和回热器设备压降为0.1MPa，系统最低温度308.15K、最低压力7.39MPa、最高压力为25MPa。

2、基于所述循环系统的具体构型建立热力学模型，包括：对循环系统内的高温换热器7、低温换热器5、高温回热器6、低温回热器9和冷却器10建立换热器夹点温差模型，对透平8、主压缩机11、辅压缩机13建立不可逆定压模型；建立循环系统内各装置的热平衡方程；

3、确定冷却器10出口处的超临界二氧化碳的温度308.15K、压力7.39MPa；系统最大压力作为主压缩机11出口处压力25MPa；结合压缩机不可逆定压模型和CoolProp物性库，得出主压缩机11出口处超临界二氧化碳的焓值和温度；其次，根据循环系统各装置压降，得到所述超临界二氧化碳循环系统的热力学模型中所有节点的压力；

结合所有装置的热平衡方程、换热器夹点温差模型、透平和压缩机不可逆定压模型、热力学参数和超临界二氧化碳物态方程，采用非线性方程组求解器对热力学模型进行计算；非线性方程组求解器scipy在多次迭代后，给出循环系统热效率以及循环系统热力学模型各节点的热力学参数，包括压力、温度、焓值、工质流量、透平和压缩机做功；

步骤4：影响循环系统热效率的决策变量，包括循环系统的最低压力、最高压力以及最低温度；调用粒子群优化算法，在三种决策变量附近随机选取值，并通过非线性方程组求解器scipy进行反复的迭代计算，寻求全局最优解，直至粒子群优化算法迭代结束，获得最优循环效率；根据最优循环热效率对应的参数，获得符合高效循环效率的超临界二氧化碳循环系统。