基于热管反应堆和布雷顿循环系统的核电站建模与控制策略

《Annals of Nuclear Energy》：Modeling and control strategy of nuclear power plant based on heat pipe reactor and Brayton cycle system

　　• 在 MATLAB/Simulink 中建立了热管反应堆/超临界二氧化碳（SCO?）布雷顿循环海洋系统（AMS）模型。• 考虑了两种控制策略：恒定涡轮入口质量流量和恒定涡轮入口温度。• 恒定涡轮入口温度控制能提供更快的响应和更高的效率。• 对于从 100% 满功率（FP）到 90% 满功率的负荷下降，恒定涡轮入口质量流量控制在 1900 秒内实现了 27.05% 的效率。• 对于从 100% 满功率到 90% 满功率的负荷下降，恒定涡轮入口温度控制在 700 秒内实现了 27.13% 的效率。## 引言海洋蕴藏着丰富的资源，支撑着人类社会的未来发展，而这些资源的开发依赖于稳定可靠的能源供应（Zhu et al., 2025）。由于核能具有能量密度高、使用寿命久以及不依赖外部氧气的特点，被视为长期海洋能源供应的理想选择（Wang et al., 2023）。然而，基于压水堆的传统核能系统受限于其复杂的系统结构、相对较低的循环效率以及小型化困难，限制了其在海洋环境中的应用（Alam et al., 2019）。为克服这些局限，全球各地探索了各种新技术路线，旨在实现紧凑高效的海洋核能系统（International Atomic Energy Agency, 2018, 2020）。在先进反应堆技术方面，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）主导了一系列面向深空探索和地外表面供电任务的热管冷却小型裂变反应堆的研发工作（Mcclure et al., 2015）。基于这些进展，KRUSTY 原型机——一台 5 千瓦热功率的空间裂变反应堆，于 2018 年进行了全面的核演示测试（Poston et al., 2020）。在此基础上，西屋电气公司和 LANL 于 2017 年联合发布了 eVinci 微型反应堆系统。该系统将热管反应堆与 SCO? 布雷顿循环相结合，电输出功率范围从 200 千瓦电到 25 兆瓦电（Levinsky et al., 2018）。与此同时，在中国科技部重点研发计划的支持下，针对兆瓦级紧凑高效海洋核电系统开展了广泛研究（Guo et al., 2021, Zhao et al., 2024）。最初为太空任务提出的热管反应堆技术具有紧凑的结构设计和被动安全特性等固有优势，使其非常适合部署在海洋环境中（Zhang et al., 2025, Wu et al., 2024）。最近的一篇综述系统总结了热管在核能应用中的实验研究，包括空间能源系统和微型反应堆堆芯冷却（Wahlquist et al., 2023）。更具体地说，针对空间或水下车辆提出了一种 50 千瓦电的热管冷却微型核反应堆电源，其机械运动部件更少并配有海水冷却器（Liu et al., 2019）。后续研究对水下应用的热管反应堆堆芯进行了初步热 - 机械分析，并提出了用于无人水下航行器（UUV）供电的 100 千瓦电 NUSTER-100 概念（Liu et al., 2022, Huang et al., 2022）。在理论和系统层面分析方面，现有研究主要关注反应堆特性和 SCO? 循环的动态行为。GEATA 等人研究了空间反应堆的瞬态热 - 水力安全特性（Gaeta, 1988）。Wright 等人开发了一个简化启动模型，将热管模型与无温度反馈的反应堆堆芯耦合；然而，该研究仅限于堆芯层面，未涉及系统层面的启动过程（Wright and Houts, 2000）。El-Genk 等人考察了与热电转换耦合的空间反应堆系统的动态响应（El-Genk, 2006）。在功率循环运行方面，Luu 等人提出了一种 SCO? 系统的启动策略，该策略结合了简单回热循环和再压缩配置。他们的方法采用简单回热模式接近设计工况，随后在稳定运行约一小时后过渡到再压缩分支，总启动时间约为四小时（Luu et al., 2017）。Olumayegun 等人基于开环模型分析了 SCO? 余热回收系统的运行控制，表明涡轮入口温度会响应热源波动而变化（Olumayegun and Wang, 2019）。Song 等人开发了一个 20 兆瓦 SCO? 再压缩循环的动态模型，他们还研究了切换瞬态并为系统运行和控制提供了见解（Song et al., 2021）。同样，Dai 等人研究了 SCO? 循环的响应特性，并提出了一种确保稳定运行的控制策略，在基于 Simulink 的框架内实施（Dai et al., 2021）。Wang 等人建立了一个热管冷却反应堆与 SCO? 布雷顿循环集成的瞬态模型，并引入了一种分阶段启动控制方法（Wang et al., 2024）。此外，Deng 等人开发了一个热管反应堆与回热开放式布雷顿循环的耦合模型，并使用硬件在环方法评估了其启动特性，在此基础上提出了一种功率 - 速度匹配策略（Deng et al., 2024）。在现有研究中，关注点很大程度上集中在热管反应堆和 SCO? 布雷顿循环的单独性能上，而对其在海洋条件下集成行为和协调控制的研究仍然有限。由于反应堆与能量转换系统之间存在强烈的相互依赖性，它们在海洋环境中的相互作用变得更加复杂。为填补这一空白，本研究建立了一个热管反应堆与 SCO? 布雷顿循环结合的瞬态耦合模型。考虑到海洋环境下的特定运行特性，分析了相关的控制要求，并制定了初步的控制策略。然后通过数值模拟评估了所提出的方法以验证其有效性。## 章节摘要### 系统配置系统涵盖三种布雷顿循环布局：简单循环、简单回热循环和分流再压缩循环。由于效率低下，放弃了简单布雷顿循环。尽管与分流再压缩方案相比效率略低，但简单回热循环通过移除一台压缩机并减少总质量流量，大大简化了硬件，从而缩小管道尺寸并提高紧凑性。对于移动式核能系统，移动性需求很高；鉴于### 系统控制策略基于建立的 AMS 仿真程序，实施了两种控制策略，即保持入口质量流量恒定和保持入口温度恒定。为每种策略制定了相应的控制方案。恒定入口流量的控制原理图如图 7（a）所示。在这种情况下，通过改变冷却水流量来控制压缩机入口温度。反应堆反应性根据偏差进行控制### 瞬态特性分析SCO? 发电系统的控制目标是确保在稳态、瞬态和切换条件下，集成机组的输出功率跟踪期望值，同时保持包括温度、压力和质量流量在内的关键热参数处于稳定运行范围内。通常使用±10% 满功率（FP）阶跃负荷变化作为评估控制系统性能的标准。此模拟计算主要针对降功率### 结论将热管反应堆与 SCO? 布雷顿循环集成的核能系统在效率、紧凑结构和快速动态响应方面表现出优势。在本研究中，开发了一个简单回热循环的瞬态仿真模型，并系统研究了系统性能。为了调查变负荷运行的适当控制方案，考虑了两种策略：一种保持涡轮入口温度恒定，而另一种## 竞争利益声明作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。吴剑 | 高文翔 | 王明军 | 郭凯伦 | 苏光辉