漫談：超臨界二氧化碳循環
作者：太澤透平
步入21世紀后，世界各國開始大力研發第四代核反應堆。諸如鈉冷卻快堆（SFR），鉛冷快堆（LFR），氣冷快堆（GFR），超臨界水冷反應堆（SCWR），超高溫氣冷反應堆VHTR）和熔鹽反應堆（MSR）等都是大家競相研究的對象。相比前幾代核反應堆，第四代核反應堆一個典型的特點是工作溫度提高到500~900攝氏度，而傳統的水冷反應堆工作溫度約為300攝氏度。目前，核反應堆熱力系統效率低于傳統化石燃料熱力系統。而根據熱力學知識可知，提高核反應堆工作溫度就能夠提高渦輪進口溫度，從而將有效提高整個熱力系統的效率。
01 / 各種熱力循環系統效率和渦輪進口溫度關系
隨著核反應堆出口溫度的提高，研制出能夠利用好這一溫度的能源轉換系統也得到各國重視和研究。傳統的朗肯循環當渦輪進口溫度超過500攝氏度后，會出現材料性能惡化而在使用中受到限制，而燃氣輪機循環由于氣體壓縮過程中消耗大量的功而使得燃機效率無法顯著提升。同時，通過提高燃機渦輪進口溫度來提高燃機效率也會受到材料冶金極限的限制。在各種熱力循環候選者中，超臨界二氧化碳布雷頓循環被認為是有希望在第四代反應堆工作溫度區域內，提供高效率，同時使用傳統結構材料，并具有更好的穩定性，最終提高電力轉換系統的安全性和可靠性的有前景的替代方案之一。
02 / 蒸汽循環和燃氣循環示意圖及二氧化碳超臨界態
當二氧化碳溫度超過30.98攝氏度同時壓力超過7.38兆帕后，二氧化碳達到超臨界狀態。超臨界二氧化碳的物理和化學性質介于液體和氣體之間，既不是液體也不是氣體，其密度與液體相近而其低粘度及高擴散系數又與氣體相近，流動與傳遞性能良好。
03 / 超臨界二氧化碳的熱力性質
正是由于處于超臨界狀態的二氧化碳具有以上性質，從而使得熱力循環過程中減少了壓縮過程消耗的功，在燃機進口溫度不變的情況下，提高了整個熱力系統的效率。同時二氧化碳易于獲取且對環境危害較小，這也讓其受到各國研究者的青睞。
04 / 蒸汽、燃氣、超臨界二氧化碳循環熱力系統比較
此外，超臨界二氧化碳循環系統的整個尺寸也相比朗肯循環和燃氣循環系統尺寸減少很多。
05 / 蒸汽、燃氣、超臨界二氧化碳循環熱力系統部件尺寸比較
由于要保證循環過程中二氧化碳處于超臨界狀態，一般渦輪出口氣體壓力比較高而使得渦輪出口氣體還存儲著大量熱能。所以一般循環中要設置回熱器。由于應有場景的不同，超臨界二氧化碳布雷頓循環可以有多種布局，常用的有以下布局。其中再壓縮（Recomperssion）布局具有最高的循環效率。
06 / 超臨界二氧化碳循環布局1
08 / 超臨界二氧化碳再壓縮布局及溫度-熵圖
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