钠- 超临界二氧化碳热交换器样机性能验证试验装置简介

张东旭 赵民富 梁 朋

（中国原子能科学研究院，北京102413）

1 概述

钠冷快堆作为第四代核能系统国际论坛（GIF）提出的下一代核反应堆的六种堆型之一，其研究进展最快，技术最成熟，工程经验最丰富的，是最接近满足商业核电厂需要的堆型，快堆技术的发展，对我国核能的可持续发展具有重要意义[1-2]。到目前为止，钠冷快堆的动力转换系统仍然是基于水和水蒸汽介质的朗肯循环，而由此带来的钠水反应问题成为钠冷快堆中最主要的安全问题之一。为了避免钠水反应对堆芯的影响，钠冷快堆需设置中间回路及钠水反应事故保护系统，大大增加了钠冷快堆的建造成本和运行成本。

为了满足第四代先进核能系统对经济性和安全性的要求，在快堆技术的发展过程中，涌现出许多先进技术概念，其中超临界二氧化碳布雷顿循环系统被认为是最具应用前景的动力转换技术之一。相比目前工业界常用的水和水蒸汽的朗肯循环，超临界二氧化碳闭式布雷顿循环热电转换系统具有循环效率高、设备体积小的特点，能减小系统体积、设备数量和建造、维护成本，显著提高经济性，因而具有广泛的应用前景，是目前国内外研究的前沿和热点。将超临界二氧化碳布雷顿循环应用于钠冷快堆，可以从根本上消除钠水反应带来的安全问题[3-6]。

美国早在20 世纪50、60 年代就研究了超临界二氧化碳用于核反应堆的可行性，并提出了一些初步概念，但是由于热交换器和回热器的功率较大，受限于当时的工业技术和高能换热器设计制造水平，要达到换热功率，换热器要制作的相当大，这一方案被迫放弃[7]。随着20 世纪90 年代高性能换热器设计制造技术的突破，美国从21 世纪初重新开始了超临界二氧化碳用于核反应堆系统的研究[8]。

适用于高温高压等苛刻条件的高效紧凑式换热器是超临界二氧化碳发电系统工程应用的基础，目前选用印刷电路板式热交换器[9]。印刷电路板换热器（PCHE）已广泛应用于海洋油气处理、浮式液化天然气装置，并且适用于耐高温高压等苛刻条件，在新一代核电领域、光电发热领域、氢能领域展现出广泛的应用前景。PCHE 的设计、制造、维护等成套技术已被英国Heatric公司垄断近30 年，虽然近些年瑞典阿法拉伐公司、日本神钢、美国桑迪亚研究中心联合真空扩散焊公司VPE 等陆续推出PCHE 产品，但有关传热与流动设计等核心技术仍处于保密状态。国内近年来也有多家研究单位开展了PCHE 的研制工作，但大多为两侧同种工质，在“第四代核能系统钠冷快堆关键技术国际合作研发”项目中,原子能院考虑到钠和二氧化碳物性和流动传热特性的巨大差异，专门设计制造了我国首台钠- 二氧化碳热交换器样机，换热功率为50kW，并搭建了超临界二氧化碳试验回路和钠试验回路，进行了热交换器样机的性能测试。

2 钠- 超临界二氧化碳热交换器样机介绍

钠- 超临界二氧化碳热交换器选用印刷电路板式，由于热交换器运行在高温高压下，且二氧化碳侧的传热能力较差，为满足传热性能要求，二氧化碳侧换热板采用蚀刻出半圆形通道；钠侧传热能力强，但是如果通道过小，会出现阻塞问题，通过扩大钠侧流道面积避免出现阻塞问题，采用两块蚀刻板拼接成圆形通道方式扩大通道面积。采用两层二氧化碳侧换热板与一层钠侧换热板交替布置方式，通过扩散焊技术焊接成芯体。每层二氧化碳换热板上有26 个直径为1.5mm 的半圆形通道；钠换热板上有40 个直径为4mm 的圆形通道。最终装配完成的热交换器样机实物如图1 所示。

表1 热交换器的设计参数

图1 加工完成后的热交换器样机

3 试验装置介绍

钠- 超临界二氧化碳热交换器两侧的工质分别是钠和二氧化碳，在给定的工况下实现钠和二氧化碳的能量交换。分别控制钠回路和二氧化碳回路达到热交换器入口参数要求，图2 为热交换器试验系统流程图。

3.1 钠回路介绍

钠回路由电磁泵、截止阀、电磁流量计、调节阀、预热器、空冷器等组成。试验回路中的钠由电磁泵驱动流动，流量可通过电磁泵调频方式、旁路调节阀控制方式进行调节，由电磁流量计测得通过热交换器的流量值。进入热交换器的温度由预热器调节，预热器采用电加热棒加热，将钠的温度加热至热交换器的试验温度值，在热交换器内与冷侧的二氧化碳进行热量交换。流出热交换器的钠温依然高于电磁泵所要求的运行温度，需要通过空冷器冷却后再返回到电磁泵入口，完成一次循环如表2。

钠回路新建支路需要对支路流量进行测量；预热器进口、热交换器热侧进口、空冷器进出口各布1 只热电偶，对钠的温度进行测量；热交换器外侧，沿钠、二氧化碳流动方向分别布置热电偶，通过测量外壁温，推算钠和二氧化碳沿流动方向上温度的变化。在电磁泵出口和缓冲罐顶部各布置一个压力传感器，用于测量系统压力，一个差压传感器布置在热交换器样机钠侧的进出口侧，用于测量热交换器钠侧进出口的压降。

3.2 超临界二氧化碳试验装置介绍

超临界二氧化碳流动传热特性试验装置为高温、高压试验装置，流动工质为二氧化碳。该装置由试验系统、仪表系统、控制系统、电气系统等组成。试验装置的设计参数如表3 所示。

试验系统由主回路循环系统、加热系统、冷却系统、抽真空及注液系统等子系统组成。系统运行时，二氧化碳工质从由储液罐流出，通过柱塞泵升压后压力达到试验所需值，通过稳压器稳压后，经过调节阀门的开度，将流过试验段的流量调整到所需值。工质进入预热器前先进入回热器，利用试验段出来的高温工质对其进行加热，将预热器入口温度提升至一定值，从而降低预热器功率。工质通过预热器加热，温度升至热交换器入口所需值，由高温侧的钠对其进一步加热。高温工质流出热交换器后进入回热器将一部分热量传递给低温侧的工质，温度降低。考虑到即使通过回热器后工质的温度有所降低，但是回热器出口温度依然比较高，采用水冷可能导致热应力过大，选用空气介质冷却方式，冷却器选用空气冷却器。工质被空气冷却器冷却后经过节流件和调压阀门的调节降压后，通过水冷冷却器进一步冷却后，使温度降低到泵入口温度后进入储液罐，完成一次循环。回路系统在运行过程中产生的压力波动由主回路循环系统中的稳压器来吸收和维持稳定。

图2 热交换器样机性能试验系统

表2 钠回路新建支路主要设计参数

表3 试验装置设计参数

4 结论

热交换器作为超临界二氧化碳布雷顿循环应用于钠冷快堆的关键设备，一直都是国内外研究的热点。中国原子能科学研究设计制造的钠- 超临界二氧化碳热交换器样机，换热功率为50kW，并搭建了试验装置进行性能验证试验。本文对热交换器样机和试验装置进行了介绍，为后续相关工作奠定了基础，也可为其他相关试验台架的建设提供参考。