《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Techno-economic analysis of a gas-fast reactor with dual-media molten salt storage for optimized economic operation
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气冷快堆通过双介质熔盐热能存储耦合高效率蒸汽循环，实现恒定热输出与灵活电力输出的解耦，有效提升动态电力市场中的经济可行性。
米哈尔·斯皮尔泽夫斯基（Micha? Spirzewski）| 米哈尔·沃尔夫（Michal Volf）| 托马斯·梅利查尔（Tomas Melichar）
波兰奥托沃克-斯维尔克（Otwock-Swierk）05-400，A. Soltana 7号，国家核研究中心（NCBJ）
摘要
气体快堆（GFRs）是一种具有前景的高温热能生成技术，但其固有的运行灵活性不足在电力需求和价格波动的市场中对经济可行性构成了重大挑战。本文提出并分析了一种新的能量转换架构，旨在将GFR与电网热耦合。该系统利用一个中压氮气循环将热量传递给双介质熔盐热能储存（TES）装置，随后通过高效蒸汽朗肯循环将储存的热量转化为电能，从而使反应堆能够在恒定功率下运行，同时电力输出跟随电网需求变化。利用代表性的每日电价曲线进行分析表明，该系统能够成功地将电力生成与反应堆的稳定热输出分离。这种策略性运行方式可以将电力销售时间调整到电价高峰期，从而最大化收入，并显著提高GFR在动态能源市场中的经济可行性。
引言
全球范围内减少能源系统碳排放的迫切需求推动了先进核反应堆技术的重大创新。气体冷却快堆（GFR）被认为是六种最有前景的先进设计之一，得到了国际第四代核能论坛（Generation IV International Forum）和欧洲核能研究所（ESNII）的支持[1]、[2]。GFR在多功能性方面表现出色，能够实现非常高的堆芯出口温度，并具备闭合燃料循环的能力，为替代化石燃料提供了可行的途径。
然而，一个根本性的挑战限制了核能在现代能源电网中的广泛应用。由于物理和工程原因，反应堆堆芯被设计为在恒定、稳定的功率输出下运行时达到最高效率和安全性能。这种运行灵活性不足与当今能源市场中电力需求的可变性及价格波动直接冲突。堆芯内功率变化的速度、范围和间歇性的固有物理限制导致了显著的经济和运行不匹配。
为了解决这一矛盾，本文研究了将热能储存（TES）作为反应堆与电力系统之间的缓冲机制的整合方案。虽然热能储存的整合已在其他架构中得到广泛研究——例如用于快速负荷调节的P2HES-PG系统[3]、用于可再生能源混合的钠快堆[4]、用于热能峰值的液态空气储能（LAES）[5]以及用于美国市场经济可行性的压水反应堆热电联产[6]——但这些研究都是针对特定运行约束和区域市场动态进行的，而这些问题与气体快堆的高温要求和中欧经济环境存在根本差异。
本研究支持TREASURE项目[7]的主要目标，即提升GFR技术及其欧洲示范装置ALLEGRO的成熟度。TES系统充当了热“离合器”的角色，使反应堆能够在保持恒定运行的同时实现灵活的电力输出。在电力需求较低时，多余的热量被用来为TES充电；当需求较高时，储存的能量被释放出来以最大化收入。这种方法直接实现了项目目标：通过中间热储存系统优化GFR的运行灵活性和性能。
本文介绍了一种针对选定高温GFR反应堆的联合转换循环的设计和详细优化方案，该方案结合了高容量热能储存系统以提高其灵活性和能量利用率。创新之处在于高温布雷顿循环（Brayton cycle）与低级朗肯循环（Rankine cycle）的独特组合，两者通过熔盐热储存系统分隔。所提出的解决方案不仅在运行参数方面与所考虑的GFR反应堆兼容，而且在核安全方面也具备兼容性。
所提出的系统可适用于各种高温核反应堆概念。然而，它主要是为GFR反应堆ALLEGRO[8]、[9]的设计和尺寸优化而设计的。ALLEGRO是V4G4卓越中心（V4G4 Centre of Excellence）联盟以及并行研究项目中开发的GFR反应堆示范装置，这是一种快速、高温、氦气冷却的反应堆，热输出功率为75 MW，堆芯功率密度为100 MW/m3[11]。
在第一阶段，预计运行温度为530°C，燃料采用不锈钢包壳。在第二阶段，考虑使用MOX耐热材料堆芯、SiC包壳以及850°C的氦气出口温度。在这种配置下，氦气入口温度为400°C，一次回路压力为7 MPa。
尽管ALLEGRO的主要目的是验证系统的可靠性和各组件的性能而非发电，但已经需要开发高效的能源利用方案，以便未来的实施具有竞争力。如前所述，所提出的解决方案在功率方面易于扩展，因此适用于具有更高输出潜力的后续能源装置。
软件
本文中的分析使用了在MATLAB软件环境中开发的定制算法和数学模型。这些内部代码用于对氦气冷却小型模块化反应堆（SMR）的电力转换系统进行全面的热力学平衡计算，其主要功能包括二次布雷顿循环的名义设计以及比较不同工作流体性能的参数研究。
设计阶段
该设计始于KOBRA[12]项目，旨在设计一个“二次”回路（如图1所示），作为在事故期间维持一次回路介质流动的鼓风机电源。
运行模式
为了量化集成TES系统的经济效益，分析从理论循环转向基于实际市场数据的实际运行模式。研究利用了几个中欧国家（波兰、匈牙利、捷克共和国和斯洛伐克）的提前一天每小时电价曲线来模拟现实的经济环境。图5展示了电力价格的日变化示例。
运行结果
在建立了控制方程后，定义了两种主要的运行理念进行技术经济比较：单循环运行（Single Cycle Operation）和多循环运行（Multi-Cycle Operation）。单循环运行是指在一个24小时周期内包含一个连续的充电阶段和一个连续的放电阶段。这种方法侧重于运行简便性，旨在将大量能量从低电价时段转移到高电价时段。相比之下，多循环运行...
结论与讨论
本文成功设计并优化了一种将气体快堆与双介质热能储存装置耦合的集成电力转换系统。这项工作的主要成就是展示了提高GFR运行灵活性和经济调度性的可行方法，使反应堆能够在电力市场价格波动的情况下保持恒定功率输出。同时，还开发了相应的 methodologies 和软件工具。
CRediT作者贡献声明
米哈尔·斯皮尔泽夫斯基（Micha? Spirzewski）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、方法论、数据整理、概念化。米哈尔·沃尔夫（Michal Volf）：可视化、验证、软件开发、资源管理、数据整理。托马斯·梅利查尔（Tomas Melichar）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、调查、概念化。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本文期间，作者使用了Gemini AI工具进行拼写检查、改写和校对。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：米哈尔·斯皮尔泽夫斯基表示获得了Euratom研究与培训计划（Euratom Research and Training Programme）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
TREASURE项目获得了Euratom研究与培训计划2021—2025的资助，资助协议编号为101164616。
