空间核反应堆冷却剂热物性比较分析

刘 祥， 郝祖龙， 牛风雷

（华北电力大学非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206）

0 引 言

伴随科技的进步，人们对太空的探索越发深入。太空探索任务复杂度不断提高，对能源供给提出了更高的要求；而化学电源、太阳能电源、同位素电源等常用电源受其自身工作原理限制通常有工作寿命短、运行依赖太阳光、供给能量密度小等缺陷，无法满足空间飞行器长时间、远距离、无光照的工作需求。空间核反应堆［1-2］（以下简称空间堆）电源由于其能量密度大、无需光照、使用寿命长等优势，成为目前太空电源的主要研究方向。针对不同功率的空间堆，其冷却方式有所不同：1～10 kW的空间堆多采用热管冷却，热管内工质多为钠、锂；10～100 kW的空间堆利用液态碱金属直接冷却居多，如钠、锂、钠钾合金；100 kW以上的空间堆多使用氦气或氦氙气体冷却。

空间堆是指为空间飞行器等空间设备提供电力的一类核反应堆，其利用持续的链式裂变反应产生热量，热量再由冷却介质运载至热电转换系统进行发电［3-4］。

本文为探究空间堆冷却剂的选择标准，便于空间核反应堆的选材和后续结构设计，梳理了钠、钾、锂、钠钾合金及氦气作冷却剂的相关热物理性质。鉴于目前关于各冷却剂的物性数据较为零散，本文针对密度、黏度、热导率等性质对冷却剂进行集中比较，分析得出其差异，并给出不同堆型冷却剂的选择推荐。

1 空间堆及其冷却剂

1.1 空间堆冷却方法

空间堆根据冷却方式的不同可以分为热管冷却堆、液态金属冷却堆和气体冷却堆。

1.1.1 热管冷却

热管冷却［5］通过冷却介质气液相变和毛细力实现热传递，热端液态冷却工质受热汽化，蒸气在微小的压差作用下流向冷端，释放热量同时凝结成液体，液体在多孔材料毛细力作用下回到蒸发段。该冷却方式结构简单，每根热管各自独立，有效避免单点失效［6］；但传热效率有限，适用于中低功率堆型；工质多为钠、钾。

1.1.2 液态金属冷却

液态金属冷却［7-10］利用电磁泵驱动液态金属将堆芯热量带出。该方式传热效率高，对材料强度要求低；但回路易冻结，有泄露风险，且电磁泵驱动技术难度大；工质多为钠、锂、钠钾合金。

1.1.3 气体冷却

气体冷却［11-13］即利用密封回路的高压气体带出堆芯热量。该方式可允许很高的堆芯温度，惰性气体无腐蚀，适用于大功率堆型；但高气压对结构材料蠕变强度要求高，气体泄漏风险大；工质多为氦气、氦氙气体。

1.2 冷却剂基本热物性分

上述空间堆冷却剂工质涉及钠、钾、锂、钠钾合金（本文涉及钠钾合金为22Na-78K）、氦气、氦-氙气体。表1提供其熔沸点及指定温度下的相关热物性，可为空间堆冷却剂初步筛选提供参考［14-15］。

表1 冷却工质基本热物性

2 物性公式及分析

2.1 物性公式

为探究各冷却剂热物性的差异，拟从密度，比热容，热导率，黏度，蒸汽压入手总结各金属冷却剂的物性计算公式［14-15］。

2.1.1 密度

金属密度与其所处状态密切相关，针对温度、压强两个因素，液态金属密度基本只受温度影响。

钠密度与温度的函数关系为

钾密度与温度的函数关系

锂密度与温度的函数关系为

钠钾合金的密度与温度的函数关系为

式中，ρNaK、ρNa、ρK分别为钠钾合金、钠、钾的密度。式（1）～（4）为各金属密度与温度的函数关系表达式，其中：ρ的单位为kg／m3，T的单位为K。

2.1.2 比定压热容

工质用作冷却剂，需要足够大的比热容以实现较好的冷却效果。

钠的比定压热容

钾的比定压热容

锂的比定压热容

钠钾合金的比定压热容

式中，cp（Na），cp（K）分别为钠和钾的比热容，cp的单位为J／（kg·K）。

2.1.3 热导率

热导率大小也是冷却剂选择的一个重要指标，以下工质的热导率公式参考自国际原子能机构文件［14］。其中：λ的单位为W／（m·K）。

钠的热导率

钾的热导率

锂的热导率

钠钾合金的热导率

2.1.4 黏度

除钠钾合金为计算动力黏度υ外，其余均为计算运动黏度η［14］。式中，υ单位为m2／s；η单位为Pa·s。

钠的黏度

钾的黏度

锂的黏度

钠钾合金的黏度

2.1.5 蒸汽压

以下为各工质的饱和蒸汽压计算公式，其中：ps单位为MPa。

钠的饱和蒸汽压

钾的饱和蒸汽压

锂的饱和蒸汽压

2.2 分析比较

2.2.1 金属冷却剂

以下对4种金属冷却剂的热物性进行集中对比分析。

(1)密度。依据前述密度计算公式，绘制得图1。由图可见，钠、钾及钠钾合金密度随温度升高都呈先小幅上升后下降趋势，密度大小：钠＞钠钾合金＞钾；锂密度随温度升高而下降，其中钠、钾及钠钾合金密度随温度变化而变化幅度较大，而锂变化幅度最大处仅为20%左右。

图1 4种金属冷却剂密度的比较

(2)比定压热容。依据前述比定压热容计算公式，绘制得图2。由图可见，4种冷却剂比定压热容随着温度的增加先略微减小然后再增加，比定压热容大小：锂＞钠＞钠钾合金＞钾。其中钠、钾及钠钾合金的比容均为1.0 kJ／（kg·K）左右，而锂的比定压热容是前述三者冷却剂的4倍左右，工质达到4.0 kJ／（kg·K）左右，携带热量能力较强。

图2 4种金属冷却剂比容性质比较

(3)热导率。依据前述热导率计算公式，绘制得图3。由图可见，随温度升高，4种冷却剂热导率趋势差异较大：其中钠、钾工质随温度升高热导率下降；钠钾合金则是呈现先上升后下降的趋势；至于锂，导热能力随温度升高呈上升趋势且高温段上升幅度小于低温段。

图3 4种金属冷却剂热导率比较

(4)黏度。依据前述黏度计算公式，绘制得图4。据图可知，4种冷却剂工质的黏度都是随温度递增而减小，整体黏度大小排序为：锂＞钠＞钾＞钠钾合金，且低温段（200～400 K）变化幅度远大于高温段。

图4 冷却剂黏度性质比较

(5)蒸汽压。依据前述蒸汽压计算公式，绘制得图5。由图可知，温度上升，4种冷却剂工质饱和蒸汽压均呈上升趋势，蒸汽压大小排序为钠＞钠钾合金＞钾＞锂。值得注意的是，锂工质蒸汽压相对其他3种工质极低。

2.2.2 气体冷却剂

气体冷却剂也具备优良冷却性能，以下将介绍气体冷却剂氦气的密度，比容，热导率等热物性。

(1)密度。根据不同压力下氦气的密度数据，绘制得图6。由图可见，氦气密度随温度增加而减少，且压力越大，密度越大。

图5 4种金属冷却剂蒸汽压比较

图6 不同压力下氦气密度

(2)比定压热容。在其应用范围可认为氦气比定压热容为常值，5.193 kJ／（kg·K）。

(3)热导率。根据不同压力下氦气的热导率数据，绘制得图7。由图可知，随温度上升，氦气热导率也近似呈线性上升，且压力对氦气热导率几乎没有影响。

图7 不同压力下氦气热导率

2.3 工质推荐

对于热管冷却方式而言，考虑到其工作原理，主要考察工质汽化热。锂汽化热虽高，但其沸点也高，仅适用于堆芯温度较高功率大的堆型；而工质钠的汽化热将近达工质钾的两倍，沸点比锂低500℃，为热管冷却推荐工质。

对于液态金属冷却方式而言，针对较低功率堆型（＜100 kW）：钠钾合金为推荐冷却剂工质，其虽然密度、比容和热导率都小于钠，传热效率受影响，但其改善了黏度及饱和蒸汽压，安全性得到较大提升；针对高功率（＞100 kW）堆型：锂为推荐工质，其沸点在四者中最高，比容四者中最大，热导率在高温段升高，蒸汽压却最低，很适合应用于堆芯温度较高的高功率堆型。

对于气体冷却方式而言，目前应用较多的为氦气，因其系统多采用布雷顿循环［6］，为降低叶轮机械气动载荷，减少空间布雷顿循环系统中压气机级数与透平机械的体积与质量，推荐使用氦-氙气体作为工质。

3 结 论

（1）对于金属工质，锂密度随温度变化不如钠、钾剧烈；且锂的导热能力随温度增加而增加，区别于钠、钾金属热导率随温度增加而减少；比容大小排序为：锂＞钠＞钠钾合金＞钾；黏度大小排序为：锂＞钠＞钾＞钠钾合金；蒸汽压大小排序为：钠＞钠钾合金＞钾＞锂。

（2）对于气体工质，氦气具有较大的比容和优良的导热能力，适用于MW级堆型。

（3）采用热管冷却方式的中低功率（＜100 kW）堆型推荐工质为钠，高功率（＞100 kW）堆型推荐工质为锂。采用液态金属冷却方式的中低功率（＜100 kW）堆型推荐选用钠钾合金做冷却剂，高功率（＞100 kW）堆型推荐选择锂。采用气体冷却方式的多为高功率堆型，出于应用需求推荐选用氦-氙气体为冷却剂。

本文仅对各冷却剂的热物性进行分析比较，并未涉及具体应用场景，且对于气体冷却剂研究有待进一步深入。