双边界框架对热力学评估的影响：压水反应堆的对比?分析

《Progress in Nuclear Energy》：The impact of a dual-boundary framework on thermodynamic assessment: A comparative exergy analysis of a PWR

　　

## 摘要

常规核电站（NPP）的?分析本质上依赖于热力学边界的选择，然而该边界选择对?损耗的解释与分布的影响尚未得到系统研究。本研究提出了一种**双边界框架（DBF）**，用于对一台概念型压水堆（PWR）进行热力学与?评估，并采用TESPy非线性网络求解器与CoolProp物性库联合实现。模型在验证其符合参考PWR性能趋势后，在恒定热功率3714.50 MW条件下评估了两种互补的?边界。裂变基边界（方法一）采用理论裂变伪温度作为?源，所得?效率等于热效率（35.80%），全厂总?损耗为2344.42 MW，包含固有的核性能耗与组件级不可逆性。相比之下，平均燃料温度基边界（方法二）采用代表性的平均燃料芯块温度（T_fp,avg = 800°C）作为有限温度热源，将裂变相关?损耗排除在热力学边界之外。该方法得到的?输入为2699.82 MW，?效率为49.25%，卡诺效率为72.68%。通过环境温度（T?）敏感性分析以及在PSG = 6.8?8.0 MPa范围内（对应约T_fp,avg = 799?806°C）的准则过滤局部敏感性分析，两种?边界展现出互补的诊断响应特征。方法一量化了核能向有用功转化的整体能耗程度，而方法二则突出了工程领域内的功转换不可逆性，并揭示了环境温度与燃料温度对热力学性能的影响。所提出的DBF将固有核能不可逆性与可采取工程措施的损耗区分开来，为固态燃料核电站的?评估与热力学评价提供了一个物理一致的框架。

## 引言

全球对可持续、低碳基荷电力日益增长的需求推动了核电基础设施的新一轮扩张。这一转型既包括对大规模核电站（NPP）的持续优化，也涵盖了小型模块化反应堆（SMR）的初步部署（Adamantiades and Kessides, 2009; Naghi et al., 2023; Omoto, 2005; Gao et al., 2022）。在这一技术格局中，压水堆（PWR）技术及其演变变体仍占据主导地位。PWR的热工水力学原理不仅是当前全球在运反应堆机队的主要基础，也是大量新兴一体化轻水SMR设计的核心框架（Zeliang et al., 2020）。鉴于这些系统内部能量转换过程的复杂性，一种不仅能识别能量数量、还能定位性能退化来源的热力学评估手段至关重要。在这方面，?分析通过量化能量品质退化并定位与熵产生相关的不可逆性，提供了比常规第一定律方法更为细致的多级能量转换系统评估手段（Vu?kovi? et al., 2014; James et al., 2020; Sayyaadi and Sabzaligol, 2009a）。在固态燃料核电站中，能量转换跨越巨大的温度梯度，从反应堆堆芯（RC）中的裂变过程到二次侧热系统。识别这些不可逆性对于区分理论可回收?与不可避免的热力学?损耗至关重要（Rigby et al., 2023; Verkhivker and Kosoy, 2001; Dunbar et al., 1995）。尽管本研究采用概念型PWR作为参考系统来展示边界选择的热力学含义，但控制?平衡方程与所提出的双边界框架（DBF）独立于反应堆尺寸和几何构型。因此，该方法可以扩展到广泛的固态燃料核系统，包括一体化PWR型SMR和先进第四代反应堆概念，前提是相应建立适当的热力学模型（Koc, 2026; Wang et al., 2023, 2024）。

组件级评估对于理解局部不可逆性来源至关重要。Durmayaz和Yavuz（2001）对一台额定热功率为4250 MW的PWR核电站进行了?分析，他们确定反应堆堆芯（RC）是?损耗的主要来源，其次是汽轮机，表明准确识别这些损耗对于指导电厂设计和运行的针对性改进具有基础性作用。类似地，Terzi等人（2016）对一台3900 MW_th、1000 MW_e的VVER核电站进行了能量与?分析，报告反应堆压力容器和蒸汽发生器分别占总?损耗的49%和13%。此外，Ebrahimgol等人（2020）、Talebi和Norouzi（2020）、Naserbegi等人（2018）、Rosen（2001）、Sayyaadi和Sabzaligol（2009b）以及Koc等人（Ko? et al., 2022）也在组件级和电厂级进行了全面的?分析。同时，先进计算技术和优化算法越来越多地被用于缓解?损耗并在稳态和瞬态条件下提升整体性能。值得注意的是，绝大多数此类研究采用传统的核?公式化方法，即核裂变过程由理想化的无限温度热源（T_fission → ∞）表示。在此假设下，卡诺效率因子趋近于1，与核裂变相关的?实际上等于释放的热能（?_fission = Q?_fission）。

与基于无限伪温度假设的核热产生常规?模型不同，一些研究采用有限温度表示法来表征主要核热源以进行反应堆?分析。Marques等人（2019）采用有限反应堆温度T_reactor = 800°C作为有效热源温度，评估了Angra 2 PWR的?性能。在该框架下，他们报告全厂?效率为49.24%，而第一定律热效率为36.18%。其组件级分析进一步确定反应堆堆芯（RC）是不可逆性的主要来源，?效率为67.16%，占全厂总?损耗的63.88%。基于有限温度?分析的概念，Ferroni等人（2016）提出了一种更为严格的热力学公式化方法，使用有限裂变温度（T_fission）评估与核燃料相关的?。而非假设理想化的无限温度热源，T_fission被定义为从详细的燃料棒传热模型中获得的轴向平均燃料中心线温度，并假设核能在每根燃料棒的中心瞬时释放。因此，反应堆?输入是使用物理推导的有限温度热源表示法评估的，而非使用卡诺效率因子趋近于1的常规方法。Ben?in等人（2022）随后将该有限温度方法扩展到完整的PWR核电站，报告总?效率为46.8%，而对应第一定律能量效率为33.7%。

综合而言，这些研究表明，有限温度?分析可以采用不同的热力学表示法来表征主要核热源。它们共同将常规核?分析扩展到无限温度假设之外。然而，每项研究仅采用单一热力学边界定义，替代公式化方法被独立应用，而非在统一的热力学框架内进行评估。因此，热力学边界选择对?损耗解释与分布的影响尚未得到系统研究。为解决这一局限性并系统整合这些替代视角，本研究引入了双边界框架（DBF），由裂变基边界（方法一）和平均燃料温度基边界（方法二）组成。核裂变理论上产生具有极高可用性的能量（ψ ≈ 1）。然而，这种高品质能量必须不可避免地退化以在燃料芯块的安全热极限内运行。相应地，常规裂变基边界通过明确考虑与高品质核结合能退化为显热相关的显著且固有不可避免的?损耗，建立了系统的基本热力学基线。虽然热力学上严谨，但这种主导性的核能不可逆性可能掩盖二次朗肯循环中发生的小得多的但技术上可回收的?损耗。相比之下，平均燃料温度基边界作为以工程为导向的诊断框架运行。通过将热力学边界移至稳态平均燃料芯块温度，方法二有意排除了与核裂变过程相关的不可避免不可逆性。因此，反应堆堆芯被严格表示为有限温度热源，从而揭示出可通过工程设计和优化实际解决的组件级可操作的低效性。以这种方式，该方法学为改进设计在较高温度下运行的先进反应堆系统的热性能提供了有意义的指导。据此，本研究的主要目标是表明裂变基边界和平均燃料温度基边界不是相互竞争的公式化方法，而是提供对NPP性能不同却相互一致视角的互补热力学方法。

最终，本研究将所提出的DBF应用于概念型PWR核电站，以量化热力学?边界的选择如何影响系统内?损耗的幅度和分布。通过系统比较裂变基边界与平均燃料温度基边界，所提出的方法学区分了与核能转换相关的固有热力学退化与发生在功转换系统内的技术上可回收的不可逆性，从而为组件级热力学评估提供了可物理诠释的基础。该框架采用自定义的基于Python的计算环境实现，集成了TESPy非线性网络求解器与CoolProp热物性库。在分析过程中始终保持反应堆热功率恒定为3714.50 MW，以将所研究边界条件的效应与反应堆功率变化分离开来。DBF的热力学响应通过两项互补的稳态参数研究进行评估。第一项考察了T? = 10?30°C范围内环境温度变化的影响，第二项则考察了对通过改变蒸汽发生器运行压力（PSG）间接确定的平均燃料芯块温度（T_fp,avg）变化的局部响应。综合而言，这些分析为评估两种?边界公式化方法在环境和反应堆热边界变化条件下的诊断能力提供了一致的依据。

## 各节摘要

### 理论模型与方法

本节介绍了用于组件级和整体系统?分析的方法。采用概念型PWR核电站（Durmayaz and S??üt, 2006）作为基线来评估替代热力学边界定义的影响。具体而言，电厂拓扑结构和全局运行约束源自参考文献（Durmayaz and S??üt, 2006）。然而，不依赖于预先计算的数据，而是在每个状态点处确定热力学物性……

### 结果与讨论

本节的分析以逐步递进的方式组织，以便于对比较热力学数据集进行系统解释。评估从全面的组件级绝对?损耗速率分解开始，以精确定位局部内部不可逆性来源。在此方面，特别关注主循环，详细比较方法一（裂变基）与方法二（平均燃料……

### 结论

本研究采用两种互补的?边界公式化方法，对一台概念型PWR核电站进行了热力学评估，并结合了环境温度稳态敏感性分析以及通过改变蒸汽发生器运行压力获得的计算平均燃料芯块温度的准则过滤局部敏感性分析。虽然基于TESPy开发的计算框架为实施所提出的双边界……提供了热力学一致的基准，但……

### 展望

本研究在热力学一致的稳态运行条件下建立了所提出的DBF。该工作的自然延伸是将该方法应用于稳态偏离设计工况和时间依赖的运行模式，包括启动、停机、负荷跟随运行和负荷波动。在此类条件下，动态?平衡将能够阐明?积累、传递、损耗和?效率随时间的演化……

## CRediT作者贡献声明

Hüseyin Zahit Demira?：概念设计、数据整理、形式化分析、调查研究、方法论、可视化、初稿撰写。Mevlüt Güvendik：概念设计、方法论、指导监督、审阅与编辑。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知经济利益竞争或个人关系。

Hüseyin Zahit Demira? | Mevlüt Güvendik
约兹加特博佐克大学机械工程系，土耳其约兹加特，邮编66200