《Energy》：Quantitative modeling of China’s commercial vehicle powertrain transition toward 2050: Market penetration, uncertainty, and policy impacts
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本論文針對浮動核電站（FNPP）次級回路受全球海水溫度季節性及緯度差異影響的問題，提出基于動態主次回路耦合模型的適應性設計方法。通過整合全球海洋溫度數據，構建多維度評估框架，分析不同工況下的性能表現，發現15℃設計點在性能與適應性間達到最優平衡，但全球海域溫度波動導致不存在單一最優設計溫度。研究生成全球部署地圖，為浮動核電站工程設計與選址提供理論依據和量化指導。
作者：趙陽元、張宣昂、何金濤、張永浩、姚宇、史凌峰、田華、舒格群
中國科學技術大學熱科學與能源工程系，合肥230027
摘要
隨著小型海上核反應堆應用前景的不斷擴大，結合造船和核能技術的浮動核電站（FNPP）正在快速發展。超臨界二氧化碳（T-CO?）動力循環因其高效率和緊湊性而成為FNPP二次回路系統的一個有前景的技術解決方案。然而，全球海水溫度隨季節和緯度變化顯著，這常常導致FNPP在非設計規定的冷源條件下運行，從而嚴重影響二次回路的性能。因此，針對全球海洋環境對T-CO?動力循環的自適應設計進行研究至關重要。此外，由于二次回路運行受一次回路系統的影響，單獨分析二次回路無法完全把握整個系統的耦合特性。為了解決這一問題，本文基于全球年度海水溫度數據建立了一個動態反應堆-功率耦合模型，并提出了一個基于全球運行特性的多維評估框架，對全球海洋環境下的所有工作條件和系統設計進行了全面分析。結果表明，在全工況下，15°C的設計點是最優的，能夠在性能和適應性之間取得最佳平衡。鑒于全球海洋區域溫度的顯著差異，本研究利用全球海洋溫度數據定量確立了“特定位置”的設計原則，表明不存在單一的最佳設計溫度。由此生成了FNPP部署的全球選型圖，為全球浮動核電站的工程設計和選址提供了理論指導與設計標準。
引言
全球已探明的海上石油和天然氣儲量及產量持續增長[1]，加上海底豐富的礦產資源[2]，共同推動了海洋開發活動的激增。與此同時，偏遠地區的能源供應問題依然嚴峻，全球約有6.85億人仍然無法獲得電力[3]。目前，遠離大陸的海上作業和眾多偏遠社區主要依賴柴油發電機滿足能源需求[4]，這迫切需要更穩定、更清潔的替代方案。為了解決這一問題，許多國家正在積極開發海上浮動核電站，以提供更可靠和靈活的能源解決方案。例如，俄羅斯建造了世界上第一座浮動核電站“阿卡德米克·羅蒙諾索夫”，主要用于為俄羅斯北部的偏遠地區供電，在五年內累計發電9.78億千瓦時[5]。中國的“十四五國民經濟和社會發展計劃及2035年遠景目標”明確將“海上浮動核電站”列為先進反應堆類型的示范項目。韓國也在設計和建造名為BANDI的浮動核電站[6]。然而，海洋環境對浮動核電站的設計提出了特別嚴峻的挑戰：平臺的空間限制要求系統高度集成以實現高功率密度[7]；變化的海水溫度會影響系統的冷卻效率和穩定性[8]；平臺必須具備強大的環境適應性和動態調節能力，以在波動條件下保持高功率輸出[9]。
第四代核反應堆由于其安全性、經濟性和可持續性的顯著優勢，已成為未來核能發展的關鍵方向[10]。在各種第四代反應堆類型中，小型鉛鉍冷卻反應堆被認為特別適合應對惡劣的海洋環境。Wang等人[11]提出了一種使用鉛鉍合金作為冷卻劑的小型反應堆（<300MW[12]）設計，可為遠離大陸的偏遠島嶼或海上石油鉆井平臺提供連續可靠的能源支持。使用鉛鉍合金作為冷卻劑具有多項優勢：首先，其高沸點和低熔點顯著擴大了運行溫度范圍，從而提高了系統在各種條件下的運行效率和安全裕度；其次，其高傳熱系數和大的熱容量有助于實現更高的功率密度[13][14]，并滿足高度緊湊的設備布局要求；此外，鉛鉍合金化學性質穩定，不易與空氣或水發生反應，在潮濕和高鹽度的惡劣海洋環境中表現出良好的長期兼容性和結構穩定性[15]。
對于二次回路系統，傳統的蒸汽朗肯循環存在占地面積大、熱效率低和響應速度慢等缺點。相比之下，二氧化碳（CO?）由于其高密度，可以顯著減小渦輪機械和換熱器的尺寸，從而實現高功率密度的熱能發電[16][17]。發表在《科學》雜志上的研究表明，對于相同的輸出功率，CO?動力轉換系統的體積僅為傳統蒸汽渦輪機的十分之一[18]。此外，CO?動力循環非常適合第四代反應堆的中溫運行（450–600°C），被認為是第四代微核能領域最有前景的功率轉換解決方案之一[19][20]。Feng等人[21]設計并比較了在4°C至28°C的海水溫度條件下CO?超臨界循環和CO?布雷頓循環系統的性能，結果顯示CO?超臨界循環的熱效率在22.3%至28.2%之間，而CO?布雷頓循環的熱效率在22%至25.2%之間。這些發現表明，超臨界CO?循環在海洋應用中表現出更優的整體性能。
對于海洋核電站系統，由于地理位置和季節變化導致的海水溫度波動，設計階段需要進行全面的全范圍運行分析，以確保在復雜海洋環境中的運行穩定性和適應性。許多學者研究了CO?動力循環在冷源溫度波動下的性能。Wang等人[22]發現，對于模塊化高溫氣冷反應堆，冷卻水入口溫度升高1°C會導致凈功率下降0.67 MW，循環效率下降0.14%。Wang等人[23]研究了在不同環境溫度和太陽輻射強度下空氣冷卻的S-CO?太陽能電站的非設計規定性能，發現當環境溫度從15°C升至40°C時，輸出功率降至額定容量的35%。Ehsan等人[24]表明，與詳細冷卻塔集成的S-CO?循環的凈功率輸出隨環境溫度變化，夏季平均為22.9 MW，冬季為26.4 MW。Bian等人[9]專注于核電站二次回路系統，研究了不同冷卻水溫度下各種S-CO?配置的熱性能，發現溫度升高會導致壓縮機的等熵效率降低，部分冷卻循環的熱效率最多下降9.21%。
此外，關于一次回路與二次回路耦合機制的研究仍然非常有限。例如，Zhang等人[25]開發了一個數字孿生模型來耦合兩個回路以提高計算速度，而Ma等人[26]比較了三種負荷跟蹤策略——控制棒調節、泵速調節和閥門旁路控制。他們的結果顯示，在60%負荷時，控制棒調節實現了最高的16.7%熱效率。然而，這些研究均未闡明在熱沉溫度變化下一次回路與二次回路之間的基本耦合機制，特別是冷源波動如何通過二次回路影響一次回路運行并觸發反饋效應。
總之，現有關于核電站二次回路中熱力循環非設計規定性能的研究存在幾個主要不足。首先，現有研究未能充分考慮全球海洋冷源溫度的時空分布特性及其對系統運行的影響，缺乏針對特定海洋環境條件的適應性分析，這是第一個研究空白。其次，它們通常以解耦的方式分析一次回路和二次回路，沒有充分考慮二次回路運行對一次回路的反饋效應，這是第二個研究空白。此外，在與浮動核電站相關的研究中，缺乏同時考慮系統性能和功率密度的綜合多標準評估，難以滿足海上平臺在緊湊性、效率和穩定性方面的協同設計要求，這是第三個研究空白。
為了解決上述研究空白，本研究充分考慮了一次回路與二次回路之間的能量反饋機制，建立了一個動態反應堆-功率耦合的FNPP系統模型。提出了一個基于全球運行特性的多維評估框架，全面納入了輸出功、熱效率、功率密度和穩定性等關鍵指標。在此基礎上，對全球海洋環境進行了全范圍運行特性分析和系統設計，為新一代海上浮動核電站的設計和運行提供了理論方法和案例支持。
全球海洋環境中FNPP熱電轉換系統的設計方法
圖1展示了本研究中開發的綜合設計方法流程圖。本文的分析圍繞該流程圖中概述的關鍵步驟展開。這種方法的核心是建立一個系統框架，以確定能夠適應全球海洋環境中多樣且變化的海水溫度的最佳設計配置。
具體而言，為了應對海水的空間和時間變化
系統描述
本研究中的系統流程圖和T-s圖如圖2所示。對于一次回路設計，采用了小型鉛鉍冷卻核反應堆。對于二次回路設計，選擇了簡單的回熱循環作為基線配置，以最小化系統體積、降低復雜性并提高運行可控性和安全性。將回熱器集成到基本循環中不僅進一步減小了設備占地面積，還顯著提高了熱效率
結果與討論
根據核反應堆的運行特性，非設計規定條件分為兩類（圖8）：情況①，冷源溫度升高；情況②，冷源溫度降低。
在情況①中，冷源溫度的升高提高了冷凝器中的工作流體溫度，從而降低了其密度和質量流量。這種流量減少導致加熱器中的鉛鉍共晶（LBE）冷卻不足，使得LBE溫度上升。
結論
本文建立了一個基于全球年度海洋溫度數據的動態反應堆-功率耦合FNPP系統模型。提出了一個基于全球運行特性的多維評估框架，能夠全面分析所有工作條件下的系統性能，并促進全球海洋系統的設計。主要結論如下：
CRediT作者貢獻聲明
田華：監督、項目管理。
史凌峰：可視化、資源支持。
姚宇：研究工作。
張永浩：研究工作。
何金濤：研究工作。
張宣昂：撰寫——審稿與編輯、驗證、軟件開發、資源支持。
趙陽元：撰寫——初稿撰寫、方法論制定、研究工作、概念化。
舒格群：監督、資源支持、項目管理
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（編號52506036）的支持。
