In this paper, the Chinese Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR) power conversion system, with a supercritical CO2 (SCO2) Brayton cycle, is designed, analyzed and optimized. Considering the pulse operation of the reactor, a heat storage loop with high temperature molten salt and low temperature concrete is introduced. Based on the parameters of the first cooling loop, the CFETR power conversion loop is designed and studied. A new SCO2 Brayton cycle for the CFETR dual heat sources, blanket and divertor, is developed and optimized using a genetic algorithm. Compared to other simple and recompression cycles, it is shown that the new SCO2 Brayton cycle combines maximum thermal efficiency with simplicity. Exergy analyses are carried out and show that the exergy destruction rates of turbine and heat exchangers between different loops are the largest due to the large turbine power and the large temperature difference. The exergoeconomic analyses show that the fusion reactor accounts for the main cost, which is the key to the economy of fusion power generation. The following sensitivity analyses show that the hot molten salt temperature has a major influence on the system performance. Finally, several multi-criteria optimization algorithms are introduced to simultaneously optimize the three fitness functions, the cycle thermal efficiency, the system exergy efficiency and the total system product unit cost. It is found that the maximum thermal efficiency, the maximum exergy efficiency and the lowest total system product unit cost can be obtained almost simultaneously for the new CFETR power conversion system, and this optimal operation scheme is presented.
本論文では、超臨界CO2（SCO2）ブレイトンサイクルを用いた中国核融合工学試験炉（CFETR）の電力変換システムを設計、解析、最適化する。炉のパルス運転を考慮し、高温溶融塩と低温コンクリートを用いた蓄熱ループを導入する。第一冷却ループのパラメータに基づき、CFETR電力変換ループを設計し、研究する。ブランケットとダイバータというCFETRの二つの熱源のための新しいSCO2ブレイトンサイクルを開発し、遺伝的アルゴリズムを用いて最適化する。他の単純および再圧縮サイクルと比較して、新しいSCO2ブレイトンサイクルが最大の熱効率と簡素性を兼ね備えることが示される。エクセルギー解析を実施し、タービンと異なるループ間の熱交換器のエクセルギー破壊率が、大きなタービン出力と大きな温度差のために最も大きいことを示す。エクセルギー経済性解析は、核融合炉が主要なコストを占め、これが核融合発電の経済性の鍵であることを示す。以下の感度解析は、高温溶融塩温度がシステム性能に主要な影響を与えることを示す。最後に、サイクル熱効率、システムエクセルギー効率、システム全体の製品単位コストという三つの適合関数を同時に最適化するために、いくつかの多基準最適化アルゴリズムを導入する。新しいCFETR電力変換システムでは、最大熱効率、最大エクセルギー効率、および最低のシステム全体の製品単位コストがほぼ同時に得られることが見出され、この最適運転スキームが提示される。