CFETR 聚變發(fā)電廠的儲能技術(shù)適用性分析

梁展鵬，向魁，李華，朱光濤

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510663；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031）

0 引言

如今全球正處于廣泛的低碳、零碳能源轉(zhuǎn)型浪潮之中，我國作出了力爭在2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的莊嚴(yán)承諾，在能源領(lǐng)域的主要實施路徑就是“一次能源零碳化，二次能源電力化”[1]。在已發(fā)現(xiàn)的一次零碳能源中，核能受資源稟賦限制最少、可靠性最強(qiáng)，特別是核聚變能原料在地球儲量豐富且較易獲取，可謂是取之不盡、用之不竭的“長壽能源”。在此背景下，核聚變能發(fā)電將是未來最理想的發(fā)電形式。

磁約束與慣性約束是現(xiàn)階段核聚變研究的兩個主要方向，而在各種類型的磁約束聚變裝置中,托卡馬克（Tokamak）發(fā)展最快。目前正在實施的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是當(dāng)今世界在建的最大的托卡馬克實驗裝置，其計劃建造一個可自持燃燒的托卡馬克核聚變實驗堆并為商用聚變示范堆（DEMO）的建造奠定可靠的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)[2]。我國在積極參與ITER 計劃的同時，開展中國聚變工程實驗堆（CFETR）的相關(guān)工作，與 ITER 在工程和技術(shù)上實現(xiàn)互補(bǔ)，為我國進(jìn)一步獨立自主地開發(fā)和利用聚變能奠定堅實的科學(xué)技術(shù)與工程基礎(chǔ)，促使我國率先利用聚變能發(fā)電、實現(xiàn)能源的跨越式發(fā)展成為可能[3]。

聚變堆用于商業(yè)發(fā)電需要具備長時間連續(xù)運(yùn)行的能力。托卡馬克裝置由于線圈磁體伏秒數(shù)的限制,只能進(jìn)行脈沖模式運(yùn)行，雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步，等離子體放電脈沖長度將延長至分鐘量級且脈沖間隙時間大幅縮短，但仍需配置合適的能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)以滿足商業(yè)發(fā)電的需求[4]。

地面接收到的太陽能同樣是一種不連續(xù)的能量。為利用太陽能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定連續(xù)的電能，太陽能光熱發(fā)電行業(yè)進(jìn)行了大量技術(shù)方案的設(shè)想與嘗試，并已順利實現(xiàn)大規(guī)模光熱電站的商業(yè)化運(yùn)營。光熱發(fā)電技術(shù)的研究及應(yīng)用歷程，對設(shè)計聚變發(fā)電能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案有重要參考價值。但對于光熱發(fā)電和聚變發(fā)電而言，一次能源的輸出周期以及系統(tǒng)工質(zhì)運(yùn)行溫度范圍有著明顯差異，因此聚變發(fā)電研究在借鑒光熱發(fā)電方案時，需要進(jìn)行針對性調(diào)整。

1 CFETR 關(guān)鍵參數(shù)及能量調(diào)節(jié)策略

1.1 CFETR 聚變發(fā)電廠整體設(shè)想及關(guān)鍵參數(shù)

現(xiàn)有的聚變發(fā)電概念設(shè)計及相關(guān)研究主要選擇聚變堆結(jié)合成熟、經(jīng)典的朗肯循環(huán)作為發(fā)電技術(shù)路線[5-11]，CFETR 聚變發(fā)電廠亦計劃沿用此技術(shù)路線，即利用核島回路工質(zhì)將聚變裝置所釋放的熱能傳遞給發(fā)電回路的水，產(chǎn)生水蒸氣推動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)出電力。因此，聚變裝置熱功率輸出及其持續(xù)時間、核島回路工質(zhì)的溫度及壓力將是影響發(fā)電性能的關(guān)鍵參數(shù)。

根據(jù)CFETR 聚變堆初步預(yù)期及規(guī)劃，本文將CFETR 熱功率輸出特性簡化為穩(wěn)定輸出1.25 GW持續(xù)2 h（輸出期）后停止輸出20 min（間歇期）的周期性運(yùn)行。輸出期間功率有小幅波動，輸出啟停切換需較短時間實現(xiàn)，均暫忽略不計。

核島回路工質(zhì)的溫度及壓力由包層方案決定。聚變包層承擔(dān)氚增殖、能量轉(zhuǎn)換和輻射屏蔽的作用，是最為重要的核部件，CFETR 的主要包層方案水冷固態(tài)包層和氦冷固態(tài)包層兩種[12]。對于水冷包層方案，采用水作為包層冷卻介質(zhì)也即核島回路工質(zhì)，工質(zhì)運(yùn)行壓力為15.5 MPa，聚變堆進(jìn)、出口溫度分別為290 ℃、325 ℃。對于氦冷包層方案，采用氦作為包層冷卻介質(zhì)，工質(zhì)運(yùn)行壓力為12 MPa，聚變堆進(jìn)、出口溫度分別為300 ℃、600 ℃。

1.2 能量調(diào)節(jié)策略

如圖1 所示，按是否利用到聚變堆外部的能量，可以將能量調(diào)節(jié)策略分為兩類，即儲能策劃與補(bǔ)能策略。類似的策略在光熱發(fā)電中已有廣泛應(yīng)用。

圖1 儲能策略和補(bǔ)能策略示意圖Fig.1 Schematic diagrams of energy storage scheme and energy replenishment scheme

1) 儲能策略：配置儲能系統(tǒng)，將聚變堆輸出期的部分能量儲存起來，以便為間歇期或能量輸出不足時提供能量，保證整個系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2) 補(bǔ)能策略：與外部能源組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，在聚變堆間歇期或能量輸出不足的情況下，由外部能源供應(yīng)能量，保證整個系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

無論在聚變發(fā)電研究還是光熱發(fā)電實際應(yīng)用中，補(bǔ)能策略均以熱能形式補(bǔ)入整體發(fā)電系統(tǒng)，外部能源的選擇通常包括電能和化石燃料。

電能轉(zhuǎn)換為熱能在電力、采暖行業(yè)中的代表性設(shè)備是電極鍋爐。電極鍋爐具有效率高、無噪聲、無污染、占地面積小、起動速度快、可在低負(fù)荷下長期運(yùn)行等特點，在核電廠中作為輔助汽源已得到廣泛應(yīng)用。聚變發(fā)電廠可以利用電極鍋爐產(chǎn)生的蒸汽加熱核島回路的工質(zhì)，或者直接將蒸汽補(bǔ)入發(fā)電回路推動汽輪機(jī)，甚至將電加熱裝置作為蒸汽發(fā)生器的一部分。

化石能源轉(zhuǎn)換為熱能的方式就是燃燒，可以加設(shè)燃煤鍋爐、燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t等輔助鍋爐，也可以在蒸汽發(fā)生器裝置中增加一套補(bǔ)燃裝置。與電極鍋爐類似，輔助鍋爐或者補(bǔ)燃裝置可以加熱核島回路的工質(zhì)，或者產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功。在光熱電站中應(yīng)用最多的補(bǔ)能燃料是天然氣[13]，有部分研究也在探討應(yīng)用燃?xì)忮仩t改善聚變發(fā)電系統(tǒng)的性能[5-6]。

由于電能的能源品質(zhì)遠(yuǎn)高于熱能，長期運(yùn)行電極鍋爐作為補(bǔ)能將存在很大的浪費，從能源利用和經(jīng)濟(jì)成本的角度來看并不經(jīng)濟(jì)。而使用化石能源必須配備一整套燃料儲存和處理系統(tǒng)，需要一定的設(shè)備投資、燃料成本和占地空間；燃料都是易燃物，同時燃燒后有大量的污染物排放和碳排放，增加了電站的運(yùn)行風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險。從光熱電站的發(fā)展歷程來看，補(bǔ)能策略在已建成的電站系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍，但近年來隨著儲熱技術(shù)的進(jìn)步、燃料價格的上升，在建和規(guī)劃中的電站更多選擇采用儲能策略，而補(bǔ)能策略的應(yīng)用比例在下降[13]。由于補(bǔ)能策略存在上述缺點，同時參考光熱發(fā)電的行業(yè)發(fā)展，對于CFETR聚變發(fā)電廠推薦采用儲能策略，以增強(qiáng)發(fā)電穩(wěn)定性。

按照CFETR 熱功率輸出特性，為維持發(fā)電循環(huán)如圖1 儲能策略所示的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)初步估算需要約360 MWh 的儲能容量。

2 CFETR 聚變發(fā)電廠儲能技術(shù)方案

2.1 儲能技術(shù)類型

儲能技術(shù)有著非常豐富的研究成果和廣泛的應(yīng)用，各類儲能技術(shù)的常規(guī)儲放時間和儲能功率范圍展示于圖2[14]。

圖2 各類儲能技術(shù)的儲/放能時間及功率范圍Fig.2 Storage / discharge time and power range of various energy storage technologies

電池儲能、飛輪儲能、電容儲能等儲能技術(shù)的儲放功率有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足CFETR 聚變發(fā)電廠100 MW～1 GW 量級的儲能需求。大規(guī)模儲能技術(shù)中的壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、抽水蓄能等技術(shù)，或者由于涉及的工藝系統(tǒng)較為復(fù)雜，又或者由于需要廠址所在地有特定的地理環(huán)境條件支持（如鹽穴、水庫等），難以應(yīng)用于聚變發(fā)電工程。而儲熱技術(shù)應(yīng)用成熟、成本較低，儲能周期和儲能功率范圍匹配CFETR 聚變堆功率輸出特性，而且擬采用的朗肯發(fā)電循環(huán)技術(shù)也是對熱能的利用，可以很好地結(jié)合儲熱技術(shù)保證主設(shè)備蒸汽輪機(jī)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，同時避免不同形式能量轉(zhuǎn)換間帶來不可忽視的能量損失。

2.2 儲熱技術(shù)

一般根據(jù)儲熱系統(tǒng)的工作溫度區(qū)間不同，200 ℃以下的儲熱技術(shù)稱之為中低溫儲熱技術(shù)，溫度更高的儲熱技術(shù)稱之為中高溫儲熱技術(shù)。中高溫儲熱技術(shù)主要是為了解決大量具有分散性和不穩(wěn)定性特點的熱源熱能或工業(yè)過程余熱的利用問題，目前廣泛應(yīng)用于太陽能光熱電站、空間太陽能熱動力系統(tǒng)、建筑節(jié)能、航天技術(shù)和水下潛器等領(lǐng)域。根據(jù)聚變堆包層冷卻工質(zhì)的工作溫度區(qū)間，其適用的儲熱技術(shù)屬于中高溫儲熱技術(shù)。

按照蓄熱方式的不同，中高溫儲熱技術(shù)可以分為導(dǎo)熱油/熔融鹽/液態(tài)金屬/混凝土等為代表的顯熱儲熱、金屬相變與熔融鹽相變?yōu)榇淼臐摕醿?，以及以可逆化學(xué)反應(yīng)為代表的熱化學(xué)儲熱[15]。顯熱儲熱技術(shù)成熟度很高，在大規(guī)模商業(yè)系統(tǒng)已獲得廣泛應(yīng)用。潛熱儲熱技術(shù)亦整體趨于成熟，處于從實驗室示范到商業(yè)示范的過渡期。雖然在特定的適用溫區(qū)下熱化學(xué)儲熱的儲能密度表現(xiàn)非常優(yōu)秀，但其成熟度最低，尚處于實驗室驗證階段。可以考慮應(yīng)用于CFETR 聚變發(fā)電廠的儲熱技術(shù)主要是顯熱儲熱技術(shù)，以及個別成熟的潛熱儲熱技術(shù)。

2.3 儲熱介質(zhì)

顯熱儲熱技術(shù)是利用顯熱儲熱介質(zhì)本身溫度的變化來進(jìn)行熱量的儲存和釋放，儲熱介質(zhì)可以分為固態(tài)儲熱和液態(tài)儲熱兩大類。氣體介質(zhì)由于其密度小、比熱容小，不適宜用于顯熱儲熱。

在固態(tài)顯熱儲熱介質(zhì)中，高溫混凝土和澆鑄陶瓷材料因具有成本低和來源廣的特點而被較多地研究和采用。但固態(tài)顯熱儲熱介質(zhì)往往熱導(dǎo)率不高，熱穩(wěn)定性有待改進(jìn)，還具有儲熱密度低、放熱過程很難實現(xiàn)恒溫和設(shè)備提及龐大等其他缺點[14]。液態(tài)顯熱儲熱介質(zhì)包括水、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬、熔融鹽等物質(zhì)，有時也可作為換熱流體，同時實現(xiàn)熱量的儲存與運(yùn)輸。理想的液態(tài)儲熱介質(zhì)需要具備低熔點、高沸點、高熱穩(wěn)定性、低蒸汽壓、低腐蝕性、低粘度、高熱導(dǎo)率和高熱容等技術(shù)特征，同時為考慮投資成本，價格不能太高。

在發(fā)電行業(yè)，光熱電站儲能系統(tǒng)配置的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[16]表明，個別試驗電廠采用了固體儲熱，但進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段的仍然只有水、導(dǎo)熱油和熔融鹽三類工質(zhì)的相關(guān)儲熱技術(shù)。導(dǎo)熱油顯熱儲熱早在20 世紀(jì)80 年代就在商業(yè)運(yùn)行的光熱電站使用，2007 年左右熔融鹽顯熱儲熱和利用水汽化潛熱的蒸汽蓄熱器也開始出現(xiàn)在光熱發(fā)電中，特別是熔融鹽儲熱更是成為近年來的主流方案。

2.3.1 水

水是最為常見的液體，具有比熱大、熱導(dǎo)率高、無毒、無腐蝕、易于輸運(yùn)和獲取等優(yōu)點，在城市采暖等溫度不高的中低溫儲熱場合應(yīng)用非常普遍。但水的飽和壓力隨溫度上升而迅速上升，而大容積的壓力容器制造成本迅速上升，限制了水作為儲熱材料在實際工程的應(yīng)用范圍。在溫度較高的場合，通常利用蒸汽蓄熱器中的飽和水/飽和水蒸氣相變實現(xiàn)熱能的儲存和釋放，這在鋼鐵、石化等行業(yè)已獲得廣泛應(yīng)用，但儲熱參數(shù)基本在3 MPa、235 ℃以下。采用水作為儲熱介質(zhì)的代表性商業(yè)運(yùn)行光熱電站有西班牙的Planta Solar 10（PS10）和Planta Solar 20（PS20）電站，兩者于2007 年和2009 年相繼投入運(yùn)營，其中PS10 配置了儲熱參數(shù)為275 ℃、20 MWh 的蒸汽蓄熱器[17-18]。國內(nèi)的八達(dá)嶺太陽能熱發(fā)電實驗電站于2012 年運(yùn)行發(fā)電，其配置了224 ℃、8 MWh 的蒸汽蓄熱器[19]。

對于CFETR 聚變發(fā)電廠而言，水冷包層和氦冷包層能提供的熱源溫度均遠(yuǎn)高于常規(guī)的水儲熱運(yùn)行溫度。如果儲能系統(tǒng)采用與包層溫度匹配的水儲熱方案，則需要大容量的高壓容器儲存飽和水和飽和蒸汽，投資昂貴且運(yùn)行維護(hù)難度大。以水冷包層方案為例，假定儲熱溫度為300 ℃，對應(yīng)的飽和蒸汽壓為8.6 MPa (a)，同時考慮到蒸汽蓄熱器僅能在50%～90%的容積區(qū)間內(nèi)運(yùn)行[17]，按1.2 節(jié)所述儲能容量進(jìn)行估算，蓄熱器容積達(dá)數(shù)千立方米。因此不推薦CFETR聚變發(fā)電廠采用水作為儲熱介質(zhì)。

2.3.2 導(dǎo)熱油

導(dǎo)熱油屬于有機(jī)熱載體，按成分可分為礦物油型導(dǎo)熱油和合成油型導(dǎo)熱油兩大類型，廣泛應(yīng)用于200～400 ℃的工業(yè)加熱和?80～0 ℃的工業(yè)冷卻等場合。礦物油型導(dǎo)熱油是以石油為原料，經(jīng)過蒸餾和精制加工制成，是多種烷烴的混合物，價格低廉，但是其熱穩(wěn)定性和抗氧化安定性受組分天然缺陷的影響,使用溫度一般不超過300 ℃；合成油型導(dǎo)熱油則是由基礎(chǔ)化工原料合成得到的組分相對純凈的化學(xué)功能液，因此會具備穩(wěn)定性好、使用壽命長、適應(yīng)溫度范圍寬等特點,但其價格較高[20]。合成油型導(dǎo)熱油主要是苯基芳烴類合成導(dǎo)熱油，可細(xì)分為聯(lián)苯－聯(lián)苯醚型、氫化三聯(lián)苯型、芐基甲苯型、烷基苯型等，各種合成油的特性見表1[20-21]。一般來說，導(dǎo)熱油與常規(guī)金屬材料的相容性非常好，不需要額外考慮其腐蝕問題，只需要注意運(yùn)行中避免導(dǎo)熱油過熱、氧化或化學(xué)污染對系統(tǒng)造成影響。

表1 各種合成油的特性Tab.1 Characteristics of various synthetic oils

導(dǎo)熱油是光熱電站最早應(yīng)用的儲熱介質(zhì)之一。1984 年建成的美國SEGS I 電站采用導(dǎo)熱油同時作為傳熱介質(zhì)和儲熱介質(zhì)，儲熱容量為120 MWh，儲熱溫度區(qū)間為240～307 ℃[18]。國內(nèi)的八達(dá)嶺電站除蒸汽蓄熱器外還配備了導(dǎo)熱油儲熱系統(tǒng)，熱罐溫度為370 ℃[22]。盡管導(dǎo)熱油主要因為相對熔融鹽更高的價格而退出的光熱電站儲能應(yīng)用，當(dāng)前的槽式光熱電站仍普遍采用聯(lián)苯－聯(lián)苯醚型導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)。

對于水冷包層CFETR 聚變發(fā)電廠，合成油型導(dǎo)熱油是其儲熱介質(zhì)可選項之一。聯(lián)苯－聯(lián)苯醚型導(dǎo)熱油凝固點較高，所以管道、管件、貯罐、儀表等必須配套有防凍功能的伴熱系統(tǒng)。同時聯(lián)苯－聯(lián)苯醚型導(dǎo)熱油的飽和蒸氣壓比較高，以Therminol VP-1為例，在320 ℃時為340 kPa (a)，需要以大型承壓容器作為儲熱儲罐，設(shè)計制造、運(yùn)行維護(hù)的費用和技術(shù)難度較高。氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油在南方沿海廠址的環(huán)境溫度下可完全正常使用，無須設(shè)置伴熱或加熱裝置，而且飽和蒸氣壓比較低，以Therminol 66 為例，在320 ℃時為47 kPa (a)，常壓運(yùn)行即可。二芐基甲苯型導(dǎo)熱油低溫性能最優(yōu)，但因為毒性較強(qiáng)，為控制安全風(fēng)險不建議大規(guī)模使用。水冷包層核島回路的工質(zhì)運(yùn)行溫度超出了烷基苯型導(dǎo)熱油的使用溫度范圍，如采用該類導(dǎo)熱油，即便采用其他措施控制儲熱時的油溫，仍然容易發(fā)生結(jié)焦積垢引起管系堵塞。此外，由于水冷包層對應(yīng)的儲熱溫度區(qū)間較窄、下限有限制，降低導(dǎo)熱油的儲熱溫度上限將顯著增加其用量。因此在上述導(dǎo)熱油中，氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油的技術(shù)性能最適合水冷包層CFETR 聚變發(fā)電廠的儲熱需求，其最大缺點是價格較高，比光熱電站常用的聯(lián)苯－聯(lián)苯醚型導(dǎo)熱油高出約40%。

2.3.3 熔融鹽

熔融鹽是指無機(jī)鹽在高溫下熔化形成的液態(tài)鹽，根據(jù)組成成分可分為硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、碳酸鹽和混合熔融鹽等。熔融鹽是一種不含水的高溫液體，其主要特征是熔化時解離為離子，正負(fù)離子靠庫侖力相互作用，所以可用作高溫下的傳熱蓄熱介質(zhì)。單一組分的熔融鹽熔點較高、熱穩(wěn)定性較差，而將不同的鹽混合形成混合熔融鹽，特別是可形成共晶的混合熔融鹽具備較低的熔點和較高的分解溫度，較好地滿足了各領(lǐng)域?qū)Ω邷貍鳠嵝顭岬男枨骩23]。本文聚焦于探討在光熱發(fā)電中最受關(guān)注的熔融鹽，即通常稱之為solar salt、Hitec、Hitec XL 的三種硝酸鹽，其主要物性參數(shù)列于表2[17]。

表2 常規(guī)混合熔融鹽的物性參數(shù)Tab.2 Physical properties of general mixed molten salts

Solar salt 因其綜合性能優(yōu)異，特別是單位質(zhì)量的價格可低至合成油型導(dǎo)熱油的五分之一及以下，已成為大型商業(yè)光熱電站儲熱系統(tǒng)的主流儲熱介質(zhì)。通常認(rèn)為工業(yè)用的Solar salt 從565 ℃開始降解為氣體和氧化物陰離子，會顯著增加腐蝕，但一些實驗室數(shù)據(jù)表明也允許高至600 ℃的工作溫度[24]。在國內(nèi)的光熱電站實際運(yùn)行中，額定工況的溫度上限設(shè)為565 ℃，下限設(shè)為約290 ℃，太陽輻射強(qiáng)度不足的部分負(fù)荷工況則允許運(yùn)行到270 ℃左右。

Hitec 和Hitec XL 相對于Solar salt 熔點明顯降低，應(yīng)用在光熱電站可以提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，降低啟動停機(jī)過程的能耗和運(yùn)行維護(hù)成本。但這些低熔點熔融鹽價格較高，在溫度過高或與空氣接觸情況下易產(chǎn)生分解、沸騰、氧化等問題，目前尚未進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段。使用低熔點熔融鹽的電站包括意大利Eurelios、西班牙CESA-1、法國的Themis等項目[25]。

相對于水和導(dǎo)熱油，熔融鹽作為儲熱介質(zhì)主要有熔點較高和對金屬存在一定腐蝕性兩個缺點。由于熔點遠(yuǎn)高于常規(guī)環(huán)境溫度，必須采取電伴熱和保溫措施防止熔融鹽在儲熱系統(tǒng)設(shè)備和管道內(nèi)發(fā)生凝固，使得系統(tǒng)運(yùn)行難度和維護(hù)成本提高。對于采用熔融鹽儲熱系統(tǒng)的電站來說，還需要配備專門的化鹽設(shè)備及其他輔助系統(tǒng)。硝酸鹽的主要腐蝕機(jī)理為硝酸根離子發(fā)生還原反應(yīng)釋放氧離子，然后氧離子與從材料基體擴(kuò)散出來的鐵原子發(fā)生氧化反應(yīng)。影響腐蝕的因素包括合金成分、熔融鹽雜質(zhì)、溫度及熱循環(huán)等，推薦光熱電站運(yùn)行溫度在400 ℃以內(nèi)時選用碳鋼做為管道和儲罐的結(jié)構(gòu)材料，500 ℃以上時則需要選用不銹鋼和鎳基合金[26]。

現(xiàn)有聚變發(fā)電研究涉及的儲熱介質(zhì)主要是熔融鹽[7-11]，例如氦冷包層EU DEMO 電廠概念性設(shè)計最早考慮采用solar salt，在后續(xù)升版方案中改為采用Hitec[9]。對于CFETR 聚變發(fā)電廠，Hitec 與Hitec XL仍然具有較高的熔點，并不能免除伴熱、化鹽等輔助系統(tǒng)和設(shè)備，同時它們尚未經(jīng)過大規(guī)模、成熟的商業(yè)運(yùn)營驗證，可靠性有待進(jìn)一步證明；另外，CFETR 氦冷包層方案的聚變堆出口溫度超出Hitec、Hitec XL的最高工作溫度達(dá)60 ℃以上，為保證介質(zhì)長期穩(wěn)定工作，只能大幅度降低儲熱溫度進(jìn)而降低發(fā)電蒸汽溫度，將嚴(yán)重影響發(fā)電效率。故此在上述三種熔融鹽中，建議CFETR 聚變發(fā)電廠選用solar salt。由于solar salt 的最高工作溫度略低于氦冷包層聚變堆出口溫度，需要注意控制監(jiān)測好儲熱回路的運(yùn)行溫度，避免發(fā)生熔融鹽超溫分解等狀況加劇管道及設(shè)備的腐蝕。

2.3.4 CFETR 聚變發(fā)電廠儲熱介質(zhì)比選

從運(yùn)行溫度的匹配性來看，氦冷包層CFETR 搭配的儲熱系統(tǒng)應(yīng)選用solar salt 為儲熱介質(zhì)，而水冷包層CFETR 則可以選擇氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油或者solar salt。兩種工質(zhì)的代表性商業(yè)產(chǎn)品分別為首諾公司的Therminol 66 和SQM 公司的 solar salt，由相關(guān)廠商資料整理的主要參數(shù)整理列于表3。對于工作溫度在300 ℃附近的系統(tǒng)，在相同的儲熱熱量和儲熱溫差的條件下，如采用氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油作為儲熱介質(zhì)，所需用量將只有Solar salt 熔融鹽的約60%，介質(zhì)購置成本則需要約4.5 倍。

表3 氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油與solar salt 熔融鹽的對比Tab.3 Comparisons between hydrogenated triphenyl heat transfer oil and solar salt molten salt

價格優(yōu)勢是光熱發(fā)電項目中熔融鹽取代導(dǎo)熱油成為主流儲熱介質(zhì)的主要原因。儲熱系統(tǒng)成本在光熱電站建設(shè)總成本中的具體份額與儲熱容量以及光熱島技術(shù)密切相關(guān)，一般來說較為重要，在早期采用導(dǎo)熱油儲熱的項目中甚至達(dá)到了42%[18]，近年隨著各項技術(shù)進(jìn)步以及采用廉價的熔融鹽后占比仍在10%～15%的水平[27]。但對于CFETR 發(fā)電廠而言，由于核島建造成本是非常高的，初步估算按最成熟的間接式雙罐儲熱方案，儲熱系統(tǒng)在總成本中占比將低于5%，儲熱介質(zhì)的選擇可以更側(cè)重于可靠、便利等方面的考慮。

在大部分環(huán)境的氣溫條件下，氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油仍保持一定的流動性，不會發(fā)生凝固及堵塞管道與設(shè)備，可以省卻相當(dāng)數(shù)量的輔助設(shè)備配置和運(yùn)行操作，是相對solar salt 作為儲熱介質(zhì)的最大優(yōu)點。同時，在300 ℃左右的運(yùn)行溫度下氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油的粘度僅約為solar salt 的八分之一，優(yōu)異的流動性可以更好地適應(yīng)CFETR 的頻繁、迅速切換的運(yùn)行特性。

Solar salt 對金屬的腐蝕性有可能會在聚變發(fā)電的應(yīng)用中表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。金屬管道及設(shè)備內(nèi)熔融鹽冷熱變化交替循環(huán) (即熱循環(huán))，會導(dǎo)致材料表面氧化膜出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，引起氧化膜脫落或附著性降低，加劇材料腐蝕[26]。CFETR 的熱功率輸出變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光熱島，部分設(shè)備管道如核島回路與儲熱回路之間的換熱器承受的熱循環(huán)頻率也就相應(yīng)更高，熱循環(huán)帶來的腐蝕影響必須給予重視。

Solar salt 本身不是可燃物，但由于硝酸鹽具有一定氧化性，可以引燃有機(jī)物。光熱電站中發(fā)生過幾次熔鹽罐過熱或熔融鹽引燃所接觸有機(jī)物的火災(zāi)事故，但在設(shè)計合理的回路中已經(jīng)有多年的使用經(jīng)驗，通?？梢暂^好地保證運(yùn)行安全性[28]。氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油具備一定的可燃性，需要更為嚴(yán)格消防措施確保運(yùn)行安全，國內(nèi)早已有上千噸級導(dǎo)熱油的化工應(yīng)用項目[29]，可以提供一定的參考借鑒。

綜上所述，在運(yùn)行溫度允許的情況下，即對于水冷包層CFETR 聚變發(fā)電廠，儲熱介質(zhì)建議優(yōu)先采用氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油。

2.4 儲熱系統(tǒng)方案

儲熱系統(tǒng)有以下經(jīng)典的分類方式[13,17]：根據(jù)系統(tǒng)儲能、放能過程中儲熱介質(zhì)是否靜止分為主動式儲熱和被動式儲熱兩大類，主動式儲熱（儲熱介質(zhì)通常為固體）尚未有商業(yè)化光熱電站應(yīng)用。被動式儲熱系統(tǒng)中，根據(jù)傳熱流體和儲熱流體是否同一種介質(zhì)，可分為直接式儲熱和間接式儲熱。直接式儲熱系統(tǒng)的傳熱流體同時作為儲熱流體，只需要容器將其儲存，無需換熱器，而間接式儲熱系統(tǒng)的傳熱流體和儲熱流體是兩種工質(zhì)，必須設(shè)置換熱器。儲熱系統(tǒng)還可根據(jù)儲熱前后的低溫工質(zhì)和高溫工質(zhì)是否存放在同一個設(shè)備內(nèi)，分為單罐系統(tǒng)和雙罐系統(tǒng)。

參考光熱發(fā)電的應(yīng)用情況[13,17]，以下介紹間接式雙罐儲熱、直接式雙罐儲熱、間接式單罐儲熱和直接式單罐儲熱等系統(tǒng)方案，并分析這些方案對CFETR 聚變發(fā)電廠的適用性。

1）間接式雙罐儲熱系統(tǒng)可再細(xì)分為兩種。若托卡馬克產(chǎn)生的熱量全部經(jīng)由儲熱介質(zhì)傳遞至蒸汽發(fā)生器，系統(tǒng)如圖3(a)所示；若托卡馬克產(chǎn)生的熱量一部分由核島回路工質(zhì)直接傳遞至蒸汽發(fā)生器，其余部分經(jīng)儲熱介質(zhì)間接傳遞，系統(tǒng)如圖3(b)所示。當(dāng)托卡馬克輸出熱功率時，儲熱介質(zhì)通過換熱器被加熱儲存在高溫罐內(nèi)；當(dāng)托卡馬克停止輸出時，高溫罐內(nèi)儲熱介質(zhì)釋放出熱量，維持發(fā)電回路的穩(wěn)定運(yùn)行。

間接式雙罐儲熱系統(tǒng)運(yùn)行控制簡單明確，是聚變發(fā)電研究中的主流儲熱方案[7-11]，同時槽式光熱發(fā)電項目廣泛應(yīng)用了類似的系統(tǒng)，成熟可靠。但聚變發(fā)電研究更多地關(guān)注于圖3(a)的方案，而光熱發(fā)電工程主要應(yīng)用圖3(b)的方案。這兩種方案的性能與熱源的輸出波動情況、工作溫度范圍、儲熱工質(zhì)物性等因素有關(guān)，需要針對具體參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析。

圖3 四種儲熱系統(tǒng)方案示意圖Fig.3 Schematic diagrams of four types of thermal storage systems

2）直接式雙罐儲熱系統(tǒng)如圖3(c)所示。當(dāng)托卡馬克輸出熱功率時，核島回路的介質(zhì)進(jìn)入高溫罐的流量大于流出的流量，因而部分熱量儲存在高溫罐中；同時核島回路的介質(zhì)進(jìn)入低溫罐的流量小于流出的流量，維持了托卡馬克進(jìn)出口的流量平衡。當(dāng)托卡馬克停止輸出時，高溫罐不再接受核島介質(zhì)流入，上一階段積累的高溫介質(zhì)繼續(xù)流出，維持發(fā)電回路的穩(wěn)定運(yùn)行并返回至低溫儲罐，待下一個循環(huán)重新使用。

直接式雙罐儲熱系統(tǒng)也是一種成熟可靠的方案，在許多塔式光熱發(fā)電項目中得到應(yīng)用。但是對于聚變發(fā)電來說，該方案需要增加核島回路的工質(zhì)量。以水冷包層的CFETR 為例，按1.2 節(jié)所述儲能容量進(jìn)行估算，工質(zhì)量需增加6 500 t，對應(yīng)儲罐有效容積達(dá)9 700 m3。由于核島回路的工作壓力在10 MPa 以上，儲罐的承壓能力也必須匹配，這類大容量的高壓儲罐制造難度與成本都十分高，因此直接式雙罐儲熱系統(tǒng)不適合CFETR 聚變發(fā)電廠。

3）間接式單罐儲熱系統(tǒng)如圖3(d)所示。該系統(tǒng)只利用一個儲熱罐完成高溫和低溫儲熱介質(zhì)的換熱轉(zhuǎn)換，高溫儲熱介質(zhì)位于儲熱罐的上部，低溫儲熱介質(zhì)在罐的下部。在罐的中間會存在一個溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層，它像隔離層一樣，使得上下兩部分的介質(zhì)保持溫度相對穩(wěn)定。當(dāng)托卡馬克輸出熱功率時，低溫儲熱介質(zhì)在罐的底部被抽出，經(jīng)過換熱器加熱后，由罐的頂部返回罐內(nèi)，斜溫層逐漸下移。當(dāng)托卡馬克停止輸出時，高溫儲熱介質(zhì)在罐的頂部被抽出，經(jīng)過換熱器對核島回路釋放熱量、維持穩(wěn)定發(fā)電，由罐的底部返回罐內(nèi)，斜溫層逐漸上移。

間接式單罐儲熱系統(tǒng)相對于雙罐儲熱節(jié)省了一個儲罐，有可能具備占地和成本方面的優(yōu)勢。但實際運(yùn)行中存在各種復(fù)雜的調(diào)控問題，如動態(tài)保持斜溫層穩(wěn)定困難等[14]，該類方案僅在少數(shù)幾個光熱示范項目中進(jìn)行試驗和研究，尚未進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，因此現(xiàn)階段不予推薦。

4）直接式單罐儲熱系統(tǒng)如圖3(e)所示。當(dāng)托卡馬克輸出熱功率時，從蒸汽發(fā)生器出來的部分飽和或過熱蒸汽可以直接存儲在高壓的蒸汽蓄熱器內(nèi)，蒸汽會在高壓容器內(nèi)液化成飽和水。當(dāng)托卡馬克停止輸出時，蒸汽蓄熱器可以提供高壓飽和蒸汽，維持汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)。

直接式單罐儲熱系統(tǒng)啟動迅速，放熱速度快，而且不需要額外的導(dǎo)熱流體和換熱器，但是作為高壓容器的蒸汽蓄熱器價格昂貴，一般儲熱容量有限，只作為短時間緩沖使用。按2.3.1 節(jié)的初步估算與分析，直接式單罐儲熱系統(tǒng)不適合CFETR 聚變發(fā)電廠。

綜合以上分析，本文建議間接式雙罐儲熱系統(tǒng)作為CFETR 聚變發(fā)電廠的配套儲熱方案。

3 結(jié)論

由于CFETR 熱功率輸出存在不連續(xù)性，需要在核島回路與發(fā)電回路之間配置合適的能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以實現(xiàn)聚變發(fā)電廠的正常連續(xù)運(yùn)行。本文在調(diào)研光熱發(fā)電工程應(yīng)用以及聚變發(fā)電研究的基礎(chǔ)上，介紹了不同的能量調(diào)節(jié)策略、儲能技術(shù)、儲熱介質(zhì)和儲熱系統(tǒng)方案，并結(jié)合CFETR 的技術(shù)特點與經(jīng)濟(jì)特點展開對比分析。對于核島回路運(yùn)行溫度在290～325 ℃之間的水冷包層CFETR，推薦配置以氫化三聯(lián)苯型導(dǎo)熱油為儲熱介質(zhì)的間接式雙罐顯熱儲熱系統(tǒng)；對于核島回路運(yùn)行溫度在300～600 ℃之間的氦冷包層CFETR，推薦配置以Solar salt 熔融鹽為儲熱介質(zhì)的間接式雙罐顯熱儲熱系統(tǒng)。

本文首次針對CFETR 較全面地進(jìn)行儲能技術(shù)適用性分析，可以為CFETR 聚變發(fā)電廠前期概念設(shè)計提供一定的技術(shù)支撐。CFETR 聚變發(fā)電廠配套儲能系統(tǒng)的相關(guān)研究期待可以在未來繼續(xù)深化和提升，一方面是關(guān)注儲能技術(shù)如新型熔融鹽、新型相變儲熱介質(zhì)等方面的發(fā)展，思考是否存在更經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)可服務(wù)于聚變發(fā)電；另一方面是結(jié)合CFETR的項目推進(jìn)情況，獲取更多聚變堆的細(xì)節(jié)信息，對儲能系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能進(jìn)行深入評估。