图2-5 TID燃料组件横截面示意图
MIT 针对这种堆芯结构开展了较为细致的中子物理分析及热工水力分析，提出了采用在燃料中加氧化铍并利用高压 S-CO2作为径向反射层的方案，基本解决了快堆设计中正空泡反应性的难题。MIT 还开展了压缩机、气轮机、PCHE 等关键设备的论证设计以及能动与非能动余热排出系统、控制系统等方面的设计与分析，特别比较了S-CO2气轮机与目前使用的蒸汽轮机和氦气轮机的体积（图 2-6），进一步证实了 S-CO2气轮机系统在缩小体积方面的优势。
图2-6 不同汽/气轮机体积的比较
b. S-CO2能量转换系统研究
美国对S-CO2用作核反应堆二回路能量转换工质的研究主要也集中在 MIT 及 ANL、INL、SAND 等国家实验室。以 S-CO2作为二回路能量转换工质的核反应堆一般采用液态金属或气体冷却，以达到较高的堆芯出口温度。美国对这方面的研究主要是利用 S-CO2动力系统高效率、设备简化紧凑等特点开发多功能模块化中小型核反应堆。
INL 与 MIT 联合开发了以 S-CO2作为动力转换工质的铅-铋合金冷却反应堆，该反应堆堆芯出口温度为 555℃，S-CO2动力回路的最高运行压力为 20 MPa，反应堆净效率为 41%。ANL 开展了 S-CO2再压缩循环用于一种安全可运输式反应堆——液态金属冷却反应堆（Star-LM reactor）的评估工作。该堆堆芯采用液态铅作为冷却剂，运行压力为 0.1 MPa，冷却剂以完全自然循环的方式带走堆芯热量并在中间换热器（IHX）进行热量交换。二回路工质为 S-CO2，最高运行压力为20MPa。
MIT 在研究 S-CO2气冷快堆的同时，对S-CO2布雷顿循环用于先进核反应堆动力转换系统也进行了研究，对 300 MW 电功率的直接循环和间接循环核反应堆系统的经济性、核电厂总体布置以及动力转换系统设计进行了分析研究，对20 MW 电功率的简单循环模式进行了初步设计。 (b).日本研究现状
日本开展 S-CO2气冷堆概念研究主要是基于中短期内可实现的先进气冷快堆发电和制氢技术。日本针对 S-CO2冷却的气冷堆研究主要集中在东京工业学（TIT）。TIT 在热力循环分析与优化的基础上，提出了 S-CO2部分预先冷却直接循环（Partial pre-cooling direct cycle）模式，该模式主要是在图 2 所示的最简模式上增加了分流、中间压缩和中间冷却过程，以降低冷却器带走的热量，提高循环效率，其流程如图 2-7 所示。
图2-7部分预先冷却直接循环流程图
TIT 经过综合分析与论证，确定反应堆热功率为600 MW，堆芯出口温度为 650℃，反应堆出口运行压力约为7 MPa，系统效率为45.8%，并初步给出了核反应堆系统的总体布置图（图2-8）。TIT 初步分析认为，目前在传统气冷堆中使用的球形燃料和块型燃料均能在 S-CO2冷却的堆芯中使用，若采用传统的棒型燃料，316 不锈钢可作为包壳材料。TIT 对堆内隔热材料也进行了相应的分析与论证。
图2-8 TIT提出的反应堆系统布置图
1-控制棒；2-堆芯；3-发电机；4-回热器；5-气轮机；6-中间冷却器；7-预先冷却器；8-气轮
机压力容器；9-压缩机；10-反应堆腔；11-反应堆压力容器；12-回热压力容器
PCHE 是 S-CO2循环中最大的设备，其热工水力性能对整个反应堆系统的效率及体积有着直接的影响。TIT 在 PCHE 的设计、改进方面开展了大量的工作，对 PCHE 通道结构、通道内扩展表面的设置等方面进行了大量的设计优化。为获得可用于 S-CO2气冷堆内运行环境的堆内材料，TIT 最近还建成了 S-CO2腐蚀考验回路，并正在开展候选材料的筛选验证试验。 (c).其余各国研究概况
除美国和日本外，许多国家也开展了 S-CO2工质用于核反应堆相关的研究工作，但这些研究主要是针对一些局部问题，缺乏整体概念的支撑。
欧盟的捷克技术大学（CTU）早在1997年就开展了 S-CO2循环用于新一代反应堆的相关研究，并对循环中的涡轮系统进行了论证。韩国原子能研究院（KAERI）分析了 S-CO2循环与钠冷快堆结合的可行性，并对 S-CO2循环中使用的 PCHE 进行了优化设计和分析，计划进一步开展 PCHE 热工水力性能的实验研究。最近，国内清华大学核能与新能源技术研究院基于MIT提出的再压缩循环模式对S-CO2热力循环进行了初步分析，并对 INL 提出的柱状堆芯结构开展了初步的物理计算分析。
（3）S-CO2布雷顿循环的潜在应用对象
从国外对S-CO2工质用于核反应堆系统的相关研究可以看出，S-CO2作为目前氦气冷堆的替代冷却工质，在当前及中短期内的工业水平条件下具有比较突出的优势，作为动力转换工质更容易实现动力系统效率高、系统简化、体积小以及模块化建造等目标。结合我国先进核能系统的发展情况，笔者认为S-CO2工质的应用将为我国未来在气冷堆、钠冷快堆、熔盐堆等先进反应堆技术研发领域内的技术攻关提供思路和方案。 （a）高温气冷堆
CO2工质用作高温气冷堆堆芯冷却剂在英国早期的Magnox气冷堆及以此为基础改良的AGR上已有大量的运行经验，且AGR的运行温度已超过650℃。采用S-CO2作为冷却剂可解决传统气冷堆冷却剂密度低、压缩功耗大的缺点，使其在中等堆芯出口温度下可获得与第四代堆同等的效率，降低了对反应堆材料及相关高温技术的要求；同时其密度相对较大的特点可进一步缩小动力转换系统相关设备的体积，降低投入成本，在保证高温气冷堆固有安全性的同时，进一步提高
