基于热能和电化学混合储能技术的托卡马克聚变电站能量输出平衡方案研究

《Journal of Energy Storage》：Research on energy output equilibrium scheme based on thermal and electrochemical hybrid energy storage for tokamak fusion power plant

可控核聚变能源因巨大功率、零碳排放和无限燃料成为重要解决方案，但托卡马克装置脉冲运行导致蒸汽轮机加速老化及电网不稳定。本文提出热-电化学混合储能系统，结合改进多目标灰色狼优化算法优化储能容量，并以CFETR为案例，验证该系统降低建设成本2045万美元，提升效率9.54%，有效解决间歇性供电问题。

　　

苏航|李华|宋志全|刘正光|徐萌|梁展鹏

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，中国安徽省合肥市，230088

摘要

核聚变能源以其无与伦比的巨大能量、零碳排放和无限的燃料储备而成为一种关键的可持续能源解决方案。托卡马克被认为是实现可控核聚变的最有前景的方法。许多国家和组织正在积极研究和设计以托卡马克为核心反应堆的聚变发电厂。然而，目前托卡马克无法长时间处于稳态运行。其原因在于需要不断为提供磁约束的磁铁充电。这一限制导致在停留期间功率输出急剧下降，加速了聚变电厂中蒸汽涡轮机的老化，并显著影响了电网的稳定性。为了解决这些问题，本文提出了一种混合储能（HES）方案，该方案结合了电化学储能和热储能技术。与传统热储能相比，该方案降低了储能系统的构建复杂性并提高了运行效率。为了优化HES系统的容量，本文采用了一种改进的多目标灰狼优化器（MOGWO），该优化器引入了三种特殊机制来提升算法性能。基于中国聚变工程试验堆（CFETR）的典型运行条件进行的案例研究表明，HES方案可将投资成本降低204.5万美元，并将储能系统效率提高9.54%。这项研究不仅提出了一种适用于间歇性聚变发电厂运行的能量平衡方案，还优化了储能容量，并验证了HES系统的可行性，强调了储能技术在可控核聚变中的重要性。

术语表

符号说明

符号
C	成本（百万美元）
Q	容量（兆瓦时）
m	质量（千克）
P	功率（兆瓦）
T	温度（°C）
下标
he	热量
ba	电池
st	蒸汽
ge	发电机
缩写
MOGWO	多目标灰狼优化器
ITER	国际热核实验反应堆
ASIPP	中国科学院等离子体物理研究所
PF	多极场
TF	环形场
CS	中央螺线管
DEMO	示范发电厂
CFETR	中国聚变工程试验堆
HELIAS	螺旋轴先进恒星器
EES	电化学储能
RAM	随机存取存储器

能量输出平衡方案

由于聚变电厂会定期停机，其热功率输出具有高度间歇性。为了解决这一挑战，本节对基于托卡马克的发电厂的发电原理和能量输出特性进行了全面分析。在此基础上，本文评估了传统的热储能方法[17]、[20]、[21]，并提出了一种集成的热电化学储能方案。该方法旨在有效缓解间歇性问题。

储能容量的优化配置

目前，研究人员广泛采用元启发式算法来优化储能容量，尤其是在优化目标之间存在强烈耦合和显著非线性的场景中。本文介绍了一种改进的MOGWO，用于优化涉及混合热储能和电化学储能系统的容量。传统的MOGWO经过改进，以更好地适应本研究的具体应用环境。

案例研究

本文以中国聚变工程试验堆（CFETR）的典型运行条件为例，计算了单独热储能系统的经济性和效率，并使用改进的MOGWO计算了热储能与电化学储能混合系统的经济性和效率，并对两者进行了比较。

结论

由于托卡马克设备以长脉冲模式运行，可控聚变发电厂的电力输出存在显著波动，这会对蒸汽涡轮机的寿命和电网稳定性产生不利影响。为了解决这一问题，本文提出了一种结合热储能和电化学储能的混合储能系统。具体包括以下内容：

(1)

考虑到基于托卡马克的聚变发电厂的脉冲输出特性，热储能系统可以

CRediT作者贡献声明

苏航：撰写——原始草稿、验证、软件开发、概念构思。 李华：撰写——审阅与编辑、数据整理、概念构思。 宋志全：监督、资源协调。 刘正光：可视化处理、软件开发。 徐萌：撰写——审阅与编辑。 梁展鹏：软件开发、方法论设计。

资助信息

研究资助方：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所 资助项目名称：中国聚变技术综合研究设施项目 资助编号：2018–000052–73–01–001228

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。