《Energy》：Quantitative modeling of China’s commercial vehicle powertrain transition toward 2050: Market penetration, uncertainty, and policy impacts
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本论文针对浮动核电站（FNPP）次级回路受全球海水温度季节性及纬度差异影响的问题，提出基于动态主次回路耦合模型的适应性设计方法。通过整合全球海洋温度数据，构建多维度评估框架，分析不同工况下的性能表现，发现15℃设计点在性能与适应性间达到最优平衡，但全球海域温度波动导致不存在单一最优设计温度。研究生成全球部署地图，为浮动核电站工程设计与选址提供理论依据和量化指导。
作者：赵阳元、张宣昂、何金涛、张永浩、姚宇、史凌峰、田华、舒格群
中国科学技术大学热科学与能源工程系，合肥230027
摘要
随着小型海上核反应堆应用前景的不断扩大，结合造船和核能技术的浮动核电站（FNPP）正在快速发展。超临界二氧化碳（T-CO?）动力循环因其高效率和紧凑性而成为FNPP二次回路系统的一个有前景的技术解决方案。然而，全球海水温度随季节和纬度变化显著，这常常导致FNPP在非设计规定的冷源条件下运行，从而严重影响二次回路的性能。因此，针对全球海洋环境对T-CO?动力循环的自适应设计进行研究至关重要。此外，由于二次回路运行受一次回路系统的影响，单独分析二次回路无法完全把握整个系统的耦合特性。为了解决这一问题，本文基于全球年度海水温度数据建立了一个动态反应堆-功率耦合模型，并提出了一个基于全球运行特性的多维评估框架，对全球海洋环境下的所有工作条件和系统设计进行了全面分析。结果表明，在全工况下，15°C的设计点是最优的，能够在性能和适应性之间取得最佳平衡。鉴于全球海洋区域温度的显著差异，本研究利用全球海洋温度数据定量确立了“特定位置”的设计原则，表明不存在单一的最佳设计温度。由此生成了FNPP部署的全球选型图，为全球浮动核电站的工程设计和选址提供了理论指导与设计标准。
引言
全球已探明的海上石油和天然气储量及产量持续增长[1]，加上海底丰富的矿产资源[2]，共同推动了海洋开发活动的激增。与此同时，偏远地区的能源供应问题依然严峻，全球约有6.85亿人仍然无法获得电力[3]。目前，远离大陆的海上作业和众多偏远社区主要依赖柴油发电机满足能源需求[4]，这迫切需要更稳定、更清洁的替代方案。为了解决这一问题，许多国家正在积极开发海上浮动核电站，以提供更可靠和灵活的能源解决方案。例如，俄罗斯建造了世界上第一座浮动核电站“阿卡德米克·罗蒙诺索夫”，主要用于为俄罗斯北部的偏远地区供电，在五年内累计发电9.78亿千瓦时[5]。中国的“十四五国民经济和社会发展计划及2035年远景目标”明确将“海上浮动核电站”列为先进反应堆类型的示范项目。韩国也在设计和建造名为BANDI的浮动核电站[6]。然而，海洋环境对浮动核电站的设计提出了特别严峻的挑战：平台的空间限制要求系统高度集成以实现高功率密度[7]；变化的海水温度会影响系统的冷却效率和稳定性[8]；平台必须具备强大的环境适应性和动态调节能力，以在波动条件下保持高功率输出[9]。
第四代核反应堆由于其安全性、经济性和可持续性的显著优势，已成为未来核能发展的关键方向[10]。在各种第四代反应堆类型中，小型铅铋冷却反应堆被认为特别适合应对恶劣的海洋环境。Wang等人[11]提出了一种使用铅铋合金作为冷却剂的小型反应堆（<300MW[12]）设计，可为远离大陆的偏远岛屿或海上石油钻井平台提供连续可靠的能源支持。使用铅铋合金作为冷却剂具有多项优势：首先，其高沸点和低熔点显著扩大了运行温度范围，从而提高了系统在各种条件下的运行效率和安全裕度；其次，其高传热系数和大的热容量有助于实现更高的功率密度[13][14]，并满足高度紧凑的设备布局要求；此外，铅铋合金化学性质稳定，不易与空气或水发生反应，在潮湿和高盐度的恶劣海洋环境中表现出良好的长期兼容性和结构稳定性[15]。
对于二次回路系统，传统的蒸汽朗肯循环存在占地面积大、热效率低和响应速度慢等缺点。相比之下，二氧化碳（CO?）由于其高密度，可以显著减小涡轮机械和换热器的尺寸，从而实现高功率密度的热能发电[16][17]。发表在《科学》杂志上的研究表明，对于相同的输出功率，CO?动力转换系统的体积仅为传统蒸汽涡轮机的十分之一[18]。此外，CO?动力循环非常适合第四代反应堆的中温运行（450–600°C），被认为是第四代微核能领域最有前景的功率转换解决方案之一[19][20]。Feng等人[21]设计并比较了在4°C至28°C的海水温度条件下CO?超临界循环和CO?布雷顿循环系统的性能，结果显示CO?超临界循环的热效率在22.3%至28.2%之间，而CO?布雷顿循环的热效率在22%至25.2%之间。这些发现表明，超临界CO?循环在海洋应用中表现出更优的整体性能。
对于海洋核电站系统，由于地理位置和季节变化导致的海水温度波动，设计阶段需要进行全面的全范围运行分析，以确保在复杂海洋环境中的运行稳定性和适应性。许多学者研究了CO?动力循环在冷源温度波动下的性能。Wang等人[22]发现，对于模块化高温气冷反应堆，冷却水入口温度升高1°C会导致净功率下降0.67 MW，循环效率下降0.14%。Wang等人[23]研究了在不同环境温度和太阳辐射强度下空气冷却的S-CO?太阳能电站的非设计规定性能，发现当环境温度从15°C升至40°C时，输出功率降至额定容量的35%。Ehsan等人[24]表明，与详细冷却塔集成的S-CO?循环的净功率输出随环境温度变化，夏季平均为22.9 MW，冬季为26.4 MW。Bian等人[9]专注于核电站二次回路系统，研究了不同冷却水温度下各种S-CO?配置的热性能，发现温度升高会导致压缩机的等熵效率降低，部分冷却循环的热效率最多下降9.21%。
此外，关于一次回路与二次回路耦合机制的研究仍然非常有限。例如，Zhang等人[25]开发了一个数字孪生模型来耦合两个回路以提高计算速度，而Ma等人[26]比较了三种负荷跟踪策略——控制棒调节、泵速调节和阀门旁路控制。他们的结果显示，在60%负荷时，控制棒调节实现了最高的16.7%热效率。然而，这些研究均未阐明在热沉温度变化下一次回路与二次回路之间的基本耦合机制，特别是冷源波动如何通过二次回路影响一次回路运行并触发反馈效应。
总之，现有关于核电站二次回路中热力循环非设计规定性能的研究存在几个主要不足。首先，现有研究未能充分考虑全球海洋冷源温度的时空分布特性及其对系统运行的影响，缺乏针对特定海洋环境条件的适应性分析，这是第一个研究空白。其次，它们通常以解耦的方式分析一次回路和二次回路，没有充分考虑二次回路运行对一次回路的反馈效应，这是第二个研究空白。此外，在与浮动核电站相关的研究中，缺乏同时考虑系统性能和功率密度的综合多标准评估，难以满足海上平台在紧凑性、效率和稳定性方面的协同设计要求，这是第三个研究空白。
为了解决上述研究空白，本研究充分考虑了一次回路与二次回路之间的能量反馈机制，建立了一个动态反应堆-功率耦合的FNPP系统模型。提出了一个基于全球运行特性的多维评估框架，全面纳入了输出功、热效率、功率密度和稳定性等关键指标。在此基础上，对全球海洋环境进行了全范围运行特性分析和系统设计，为新一代海上浮动核电站的设计和运行提供了理论方法和案例支持。
全球海洋环境中FNPP热电转换系统的设计方法
图1展示了本研究中开发的综合设计方法流程图。本文的分析围绕该流程图中概述的关键步骤展开。这种方法的核心是建立一个系统框架，以确定能够适应全球海洋环境中多样且变化的海水温度的最佳设计配置。
具体而言，为了应对海水的空间和时间变化
系统描述
本研究中的系统流程图和T-s图如图2所示。对于一次回路设计，采用了小型铅铋冷却核反应堆。对于二次回路设计，选择了简单的回热循环作为基线配置，以最小化系统体积、降低复杂性并提高运行可控性和安全性。将回热器集成到基本循环中不仅进一步减小了设备占地面积，还显著提高了热效率
结果与讨论
根据核反应堆的运行特性，非设计规定条件分为两类（图8）：情况①，冷源温度升高；情况②，冷源温度降低。
在情况①中，冷源温度的升高提高了冷凝器中的工作流体温度，从而降低了其密度和质量流量。这种流量减少导致加热器中的铅铋共晶（LBE）冷却不足，使得LBE温度上升。
结论
本文建立了一个基于全球年度海洋温度数据的动态反应堆-功率耦合FNPP系统模型。提出了一个基于全球运行特性的多维评估框架，能够全面分析所有工作条件下的系统性能，并促进全球海洋系统的设计。主要结论如下：
CRediT作者贡献声明
田华：监督、项目管理。
史凌峰：可视化、资源支持。
姚宇：研究工作。
张永浩：研究工作。
何金涛：研究工作。
张宣昂：撰写——审稿与编辑、验证、软件开发、资源支持。
赵阳元：撰写——初稿撰写、方法论制定、研究工作、概念化。
舒格群：监督、资源支持、项目管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52506036）的支持。
