四川在线记者 宁宁 摄影报道
9月26日，2024民用核能产业创新发展大会在成都举行。会上，先进多用途小堆、核电产品、核电技术服务、核技术应用、先进能量转换系统等领域的多款创新产品得到集中展示。其中，由中国核动力研究设计院自主研发的超临界二氧化碳余热发电技术受到广泛关注。
这是一种怎样的新技术？如何实现新型能量转换？为此，记者采访了中国核动力研究设计院二所副所长、总工程师黄彦平研究员。
流动的二氧化碳，比水蒸汽“力气”更大
何为超临界二氧化碳？
我们知道，水有固体、液体以及气体三种相态。随着环境的温度和压力升高，液、气两相相界面消失的状态点就叫做临界点，物质超过该临界点后的状态即为超临界态。与水相似，二氧化碳也存在超临界态。
“当二氧化碳温度超过31℃，压力升高至73个大气压以上，二氧化碳就会进入超临界状态，它是一种连续的流体状态。”黄彦平说，简单来说，超临界二氧化碳的密度与水接近，但粘度比水小很多，“也就是说，相比水，它的‘力气’更大，做功能力更强，对环境排放的热量则更少。”
超临界二氧化碳动力转换技术所用到的设备部件
基于此，以超临界二氧化碳为工质进行发电，相比以水蒸气为工质的传统热力发电技术，能在更高的温度和压力下运行，从而提高热能利用率，实现更高发电效率。进一步来说，通过高效的热能转换，能够显著减少温室气体的排放，降低对环境的影响，推动能源结构的优化和可持续发展。
放眼全球，美国、欧盟、澳大利亚等国近年来都发起了相关研究计划；在我国，该技术已列入《“十四五”能源领域科技创新规划》，高校、研究机构、企业共同竞逐这一可实现动力转换革命性突破的新赛道。
从无到有研制关键设备，实现技术全球领先
新技术意味着从零开始探索。
此前，黄彦平团队主攻压水堆技术研究，从2009年开始开展超临界二氧化碳动力转换技术研究。“当时，该技术在国内处于一片空白，没有先例可以参考，不能用老办法套新技术，只有靠自己摸索。”黄彦平回忆。
该技术所用到关键设备包括热源、膨胀机、压缩机、换热器等。其中，压缩机能起到快速提升二氧化碳密度的重要作用。“当时这是‘卡脖子’技术。”黄彦平说。
但正是因为没有，团队以解决实际问题为导向开始大胆探索。他们联合东方电气参考了燃机技术进行设计，不过很快发现问题：燃机技术是开式的，做功后的气体直接排放到环境中；而超临界二氧化碳动力转换技术是闭式的，要在内部形成闭式循环，才能实现更高的能量转换效率。
团队还遇到了另一道难关——超临界二氧化碳换热器，这当时在国内也是一片空白。黄彦平打起了比方：超临界二氧化碳换热好比一个壮汉在码头背麻袋，壮汉力气大，一次能背好几袋。但问题在于，需要有工具辅助，将重重的麻袋从码头搬到壮汉的肩上。“换热器就是这样的工具，将热源能量传递到工质上。挑战更大的是，当时连制造这种特殊换热器的工业母机都没有。”
面对难关，团队在六七年中不断进行计算分析、试验，终于打破国际垄断，发明了超临界二氧化碳能量传递技术工程化的工业母机，具备了全系统与微通道换热器、压缩机、透平机等关键设备的成套研制能力。2018年，国内首座超临界二氧化碳布雷顿发电系统研制成功。“通过布雷顿循环，热能能高效转化为电能，具备效率高、重量轻、更环保等优势。”黄彦平说。
在此基础上，2019年至2020年间，团队先后实现全球首次兆瓦级超临界二氧化碳系统满功率稳定发电、建成基于再压缩循环的兆瓦级超临界二氧化碳发电系统，2021年系统效率较2019年提升30%，实现技术全球领先。
硬件设备之外，十余年中，团队进行技术攻关和验证迭代，打造了国际首款基于Modelica的先进核能系统统一建模与分析平台（NUMAP）。
黄彦平说，该软件系统犹如“神经系统”，随着项目推进，不断“生长”，大概一年多以后，就能积累足够的数据，从而为项目辅助工程设计与数字孪生体构建提供保障，“接下来可为进一步开展相关装置的方案设计奠定基础。”目前，这一软件系统还进入大学课堂，成为相关新工科专业学生的选修课程。
今年底，全球首个示范项目将满功率发电
采访中，黄彦平的手机不时响起，“客户打来的，想多了解下该技术，洽谈未来的合作可能。”
可能正在变成现实，团队分享了一则好消息：今年底，核动力院负责超临界二氧化碳发电系统成套供货的全球首套2×15 MWe级烧结余热超临界二氧化碳发电系统项目，就将在贵州六盘水水钢厂区完成满功率发电，实现工程示范目标。
相比传统发电方式，该技术并不便宜。但就经济效益来说，黄彦平以这个全球首个示范项目为例，算起了账：
在原烧结工艺没有变化的情况下，超临界二氧化碳技术较现役烧结余热蒸汽发电技术，余热利用效率提升42%，系统净发电量提升115%。每年可多发9000余万度，发电多收入近5千万元，按照机组使用20年考虑，全投资周期多收益超10亿元。“简单来说，一般三年左右就能收回投资成本。”
业内人士认为，该技术还可与各种热源组合成发电系统，在火力、核能、太阳能热、工业余热、地热、生物质等领域发电，构建千瓦级至千兆瓦级等不同功率等级的模块化、智能化发电机组。他们估计，当前市场规模已达千亿级，未来有望突破万亿级。
不过，该技术在国内要实现大规模推广还面临着不小的瓶颈。
“当前，该技术缺乏相关标准、规范，相关技术成果转化也没有相应制度和规定。”黄彦平说，这些短板都不利于该技术进行大功率应用以及激发科研人员的创新积极性。“当下全球范围内竞争激烈，对手赶超起来速度很快，我们不能放松，要突破瓶颈，发掘更多的应用场景潜力，满足社会对高效、清洁能源的需求。”
