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当今世界正在经历一场能源革命，能源清洁低碳发展成为时代主题。我国在2016年底发布了《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》，提出核能和可再生能源将持续增长，在2050年实现非化石能源占比超过一半。先进核能技术、可再生能源技术将在能源技术革命中扮演重要角色。
在核电领域，虽然新一代的大型商用堆因成本优势不足，在近年来发展缓慢，但是，小型模块化反应堆(小型堆)发展迅速。小型堆有多种堆型，世界各国当前开发的小型堆包括：压水堆、高温气冷堆、钠冷快堆、铅铋冷却快堆等，其中绝大多数为压水堆，例如：NuScale(美国)、Westinghouse SMR(美国)、mPower(美国)、SMART(韩国)、CAREM-25(阿根廷)、VVER-300(俄罗斯)、ACP-100(中国)[1]。压水堆也是大型商用堆中最主要的堆型，技术成熟，安全性高，所以，以现有的大型压水堆为基础开发的小型压水堆技术趋于成熟，比较适合快速商业化。
然而，压水堆二回路温度较低(约280 ℃)，小型压水堆热电转换效率不到30%，大型压水堆核电站效率也只有33%左右。将小型堆与可再生能源(如：太阳能热、生物质燃烧热)相结合具有潜在的优势：一是温度等级有高低之分，便于梯级利用；二是热源容量相近，便于匹配。通过合适的动力循环系统，可将核能和可再生能源进行整合。近年来，超临界CO2循环成为热点，并且被认为具有诸多潜在优势。CO2的临界点为31 ℃/7.4 MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。CO2化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，循环系统简单、结构紧凑、效率高、可空冷，超临界CO2循环可以与各种热源组合成发电系统，在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电等领域均具有良好的应用前景[2,3]。
本文将借助超临界CO2循环的特点，将小型堆与可再生能源有机结合，组成新型混合发电系统，对系统的效率和安全性进行分析和研究。
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总体上，超临界CO2循环发电系统以小型堆(二回路)和可再生能源作为热源，其中前者加热温度较低，作为低温段热源，后者加热温度较高，作为高温段热源。小型堆和可再生能源的热功率按照工程上常用设计，两者大小相互匹配。小型堆的热功率大多在50 MWt～300 MWt，可选配聚光太阳能集热器或生物质直燃锅炉与小型堆相结合。
超临界CO2循环采用简单回热循环的构架，并在此基础上增加一次间冷和一次再热，循环过程较为精简，热效率较高。超临界CO2循环布置如图1所示，对应的温-熵图如图2所示。根据图1所示，循环基本工艺过程为：主压缩机将冷态的CO2工质增压至高压，然后分为两路，一路通往低温回热器，另一路通往二回路换热器，然后两路工质汇合进入高温回热器，再进入太阳能换热器，太阳能换热器出来的高温高压CO2工质进入高压透平膨胀做功，高压透平排出的CO2工质再进入可再生能源再热器，然后进入低压透平继续膨胀做功，低压透平排出的工质依次进入高温回热器和低温回热器，接着进入预冷器冷却，再进入预压缩机增压，预压缩机出口工质经过间冷器，最后回到主压缩机。
Figure 1. Layout of supercritical carbon dioxide cycle based on small modular reactor and renewable energy
Figure 2. T-s diagram of supercritical carbon dioxide cycle based on small modular reactor and renewable energy
上述布置的超临界CO2循环要获得高效率，还需要两方面的支持：一方面是深度回热，由于回热的热功率非常大，这就要求回热器的效率越高越好，通常设计值在95%以上；另一方面临界点附近压缩，此时工质物性接近液体，压缩耗功小，要求冷源温度尽量接近于CO2的临界温度，且越低越好。
对于可再生能源为太阳能热的系统，太阳能具有间歇性，一方面可采用储热的方式解决，另一方面可利用小型堆热功率调节范围宽、响应快的性能，在太阳光辐射强度高时调低热功率，反之增大热功率，从而使小型堆与太阳能热相结合的系统可以带基本负荷发电。对于可再生能源为生物质燃烧热的系统，生物质可储存，系统没有间歇性，可稳定发电。
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CO2工质的比热特征是小型堆与可再生能源两者可以结合的决定性条件，并使得两种热源在超临界CO2循环中温度对口、容量匹配。不同压力下工质的定压比热与温度的关系如图3所示：给定压力下，比热曲线在靠近临界点区域有一突出的大比热区，随着温度提高，比热趋于恒定，这一大比热区随着压力增大，其突出趋于缓和；给定温度下，在高温段，工质的压力越高，比热越大，但差别较小；在大比热区，不同压力下，工质比热曲线之间的差距非常大，利用这一比热特征，可将温度相对较低的小型堆热源与低温回热器联合使用，用于加热低温段的高压侧工质。可再生能源的温度等级较高，可仅用于加热从高温回热器高压侧出来的工质。
Figure 3. Relationship between specific heat at constant pressure and temperature for CO2 at various pressures
1.1 系统总体布置
1.2 CO2工质的比热特征
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针对图1所示的超临界CO2循环布置，基于小型堆与可再生能源的混合发电系统的效率分析分为两种情况：(1)高压透平进口温度为390 ℃，对应高温热源为槽式太阳能聚光集热系统；(2)高压透平进口温度为550 ℃，对应高温热源为塔式太阳能聚光集热系统或生物质直燃锅炉。循环热效率(ηt)定义为净输出功与二回路换热器和可再生能源加热器输入热量之比，即：
((1)) 式中：Wt为透平功率；Wc为压缩机功率；Qs为二回路换热器输入的热功率；Qr为可再生能源加热器输入的热功率。循环发电效率(ηe)定义为循环热效率扣除各种损失和辅助设备用电后的净发电效率。
系统中主设备的性能参数选择参考相关文献报道[4,5,6]如表1所示。同时，表1也列出循环系统假定参数，需要指出的是，这些参数的最优值需要结合实际工况制定，这里仅用于初步的分析计算以表明超临界CO2循环的效率潜力。系统效率分析采用美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的REFPROP物性数据库。
参 数 参数取值 净输出电功率/MWe 100 可再生能源加热器CO2侧热端温度(高压透平入口温度)/ ℃ 390、550 高压透平入口压力/MPa 20 高压透平出口压力/MPa 12 低压透平出口压力/MPa 6 预压缩机出口压力/MPa 8.5 预冷器出口温度/ ℃ 35 间冷器出口温度/ ℃ 35 压缩机等熵效率/% 85 透平等熵效率/% 90 透平和压缩机机械效率/% 99 发电机效率/% 98.5 回热器最小温差/ ℃ 8 二回路换热器CO2侧热端温度/ ℃ 280 各个换热器压损/MPa 0.15 预冷器压损/MPa 0.05 间冷器压损/MPa 0.1 辅助设备用电/% 0.5 管道压损、散热、漏气及其它可能的损失/% 0.1 Table 1.
Parameters for supercritical CO2 cycle 两种情况的系统效率分析结果如表2所示，计算过程中须调整进入二回路换热器的CO2工质流量比例(分流比)直至二回路换热器和低温回热器热端出口的CO2工质温度均达到280 ℃。对于高压透平入口温度390 ℃的系统，系统发电效率34.13%，对于高压透平入口温度550 ℃的系统，系统发电效率41.22%。可见，超临界CO2循环系统有较高的效率，通过将小型堆与可再生能源相结合运行，使得小型堆输出的热能可以按远高于其独立运行的效率转变为电能。超临界CO2循环还可以通过循环布置优化、设备性能改进进一步挖掘效率潜力，例如：提高回热器效率，使最小温差降至5 ℃以下，并减少压损，循环效率可显著提高[7]。
计算结果 高压透平入口温度 390 ℃ 550 ℃ 分流比 0.34 0.34 小型堆输入热功率/MWt 125.05 91.48 可再生能源输入热功率/MWt 167.95 151.10 循环发电效率/% 34.13 41.22 Table 2.
Efficiency analysis results of supercritical CO2 cycle
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CO2是一种无色无味、不可燃的化合物，其化学性质稳定、无毒性，在化工、医药、食品等工业领域具有广泛的应用，并用于制作灭火器。CO2除了具备常规工业和生活中的安全性以外，在核电领域，CO2已通过工程应用证实是一种安全的一回路冷却剂[8]，历史上，英国曾建造一批CO2冷却的石墨气冷堆(镁诺克斯反应堆)，并在核电站的发展中占领先地位，后来由于轻水堆的发展，逐渐退出历史舞台。近年来，以超临界CO2为工质的动力循环成为国际上广泛关注的焦点，这一循环与第四代核反应堆(超临界水堆除外)具有绝佳的组合优势[9]，一方面是具有更高的热效率，另一方面是具有更好的安全性，例如：在钠冷快堆中，可避免钠水反应。
小型堆与超临界CO2循环相结合，除了具备CO2上述的安全性以外，超临界CO2循环还可以作为反应堆的余热排出系统[10]。当作为余热排出系统运行时，超临界CO2循环的启动不需要电机，而是依靠热量。反应堆通过自然循环将衰变热通过二回路换热器传递给CO2工质，工质热膨胀推动透平运转，继而透平推动共轴布置的压缩机和发电机工作。透平排出工质可通过旁路绕过回热器直接进入专门的空冷器冷却，再由压缩机增压后输送至二回路换热器。透平带动发电机工作，产生的电力供给空冷器风机运行，从而增强空冷器冷却效果。因此，超临界CO2循环可构成一套非能动的冷却系统，确保在严重事故工况下，反应堆持续排出衰变热。
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本文对集成小型堆和可再生能源的超临界CO2循环发电系统的效率和安全性进行了分析和研究，主要结论如下：
1)将小型堆与太阳能、生物质能热源集成，对于高压透平入口温度390 ℃的系统，发电效率34.13%，对于高压透平入口温度550 ℃的系统，发电效率41.22%，系统效率比单纯的小型堆发电系统显著提高，并且机组出力提高，与太阳能结合，其负荷稳定性比单纯的太阳能聚光集热发电系统大幅提高。
2)CO2本身是具备核安全属性的工质，超临界CO2循环还可以作为反应堆的非能动余热排出系统，确保在严重事故工况下，反应堆持续排出衰变热。
3)从系统经济性角度，小型堆与可再生能源系统共用一套动力循环系统，设备投资成本显著减少。
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