热管冷却反应堆动力转换系统方案探讨

钱勇 侯明军 倪剑 周勇 田瑞青 覃小文

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000)

热管是20世纪60年代美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)发明的一种传热元件[1]，通过管内工质的相变，利用工质汽化和冷凝的高潜热及毛细抽吸原理，无需外界动力就可以实现热量传递。热管冷却反应堆是采用热管将反应堆堆芯产生的热量传导至二回路系统的固态反应堆，热管由蒸发区、绝热区和冷凝区组成，热管传热的优势有[2]：1)非能动性，不需要用泵驱动；2)传热能力强；3)蒸发和冷凝在通道内分开，可以通过单独改变换热面积增减热流密度；4)传热过程压降、温降小；5)传热系统可靠性高。

2012年，LANL与美国国家航天局的格伦研究中心(GRC)成功开展了热管冷却反应堆的带核试验，采用斯特林电机与热管冷却反应堆芯实现带核发电，并进一步开展了千瓦级热管冷却反应堆的运行特性研究，证实了反应堆运行特性符合预期[3]。我国在小型核动力系统方面的研究起步较晚，目前我国几家科研单位正在积极开展热管冷却反应堆的概念设计及地面原理样机试验研究。热管冷却反应堆运行特性简单，体积小，重量轻，可长时间提供可观的功率，在深空探测与推进、深海航行器、陆基核电源等领域具有广阔的发展前景。

1 热管冷却反应堆热电转换方式

热管将反应堆的热量传递给二回路后还需要配置相应转换系统，将热能转换为电能。目前常用的有两种热电转换方式：

(1)直接将热能转换为电能，没有机械转动部件，是一种静态转换方式，常见的静态转换方式有温差发电、热离子发电、碱金属热电转换、磁流体发电等。

(2)二回路动力转换系统将热能转换为机械能，再通过发电机将机械能转变为热能，是一种动态转换方式，常用的动态转换方式包括布雷顿循环，朗肯循环和斯特林循环，二回路动力转换系统方案是本文讨论的重点。不同热电转换方式性能对比见表1。

表1 不同热电转换方式性能对比(核反应堆用)[4～9]Table 1 Property comparison of different heat-electricity conversion modes (used for nuclear reactor)

2 斯特林循环动力转换系统

斯特林发动机又称为热气机，是一种外部加热的封闭式活塞发动机，具有适用热源范围广、效率高、超发能力强、噪音低、维修简单等优点，在太阳能光热、原子能、化学能、生物质能等领域应用广泛。在热管冷却反应堆上应用时，动力转换系统方案如图1所示。斯特林发动机依靠外部热源对热膨胀气缸中的工质持续加热，使其升温升压，推动活塞做功。在太阳能光热应用领域，3～30 kW功率等级斯特林发动机已被成功地应用于小规模商业化太阳能热发电站，其热电转换效率超过30%；在常规潜艇上，100 kW功率等级斯特林发动机有相应应用；在空间核反应堆电源应用领域，美国LANL研发的kilopower核电源(见图2)采用钠热管进行堆芯冷却，动力转换系统采用斯特林发动机进行热电转换，转换效率为25%，输出电功率为1 kW[10]。从资料看，斯特林发动机结构简单，成熟可靠，效率较高，但目前使用的功率等级相对较小，基本小于100 kW。

图1 热管冷却反应堆斯特林动力转换系统Figure 1 Stirling power conversion system of heat pipe cooled reactor

图2 kilopower核电源示意图Figure 2 Kilopower nuclear power

3 布雷顿动力转换系统

布雷顿循环是一种使用气体作为工作介质的热力学循环，其优点为设备体积小、系统效率高、运行成本低等。由于循环过程无相变，系统无冷凝器及水处理设备，辅助系统少。布雷顿循环系统可采用闭式循环或开式循环，广泛应运用于核能发电、舰船发电系统、余热利用、化石燃料电厂、太阳能热发电、地热发电、高温燃料电池、燃气联合循环等多个领域。

3.1 闭式布雷顿动力转换系统

闭式布雷顿循环气体工质先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀、等压冷却四个过程实现能量高效转化，尤其当工质处于超临界状态时，避免工质相态改变，减少压缩功的消耗，系统效率较高[11]，图3所示为热管冷却反应堆闭式布雷顿循环系统。当前的布雷顿循环功率高于100 kW时，布雷顿循环比斯特林循环具备更小的比重，更适用于大功率反应堆动态能量转换[12]。

图3 热管冷却反应堆闭式布雷顿循环系统Figure 3 Closed Brayton cycle system of heat pipe cooled reactor

超临界二氧化碳(S-CO2)与氦气(He)作为闭式布雷顿循环的常用工作介质，其效率对比曲线见图4，从图中可以看出，在低温段，S-CO2布雷顿循环效率明显高于He布雷顿循环。国内外针对采用S-CO2、He作为工质的地面闭式布雷顿循环发电研究较多，且部分研究单位已完成不同功率等级样机发电测试[13-14]。美国10 MW等级S-CO2布雷顿循环发电设备见图5。在空间核电源应用领域，为了有效减小管道与换热器尺寸，降低压气机与透平级数[15]，综合了He与氙(Xe)两种工质的优点，采用一定配比的He-Xe混合气体作为循环工质，牺牲一定效率，达到减小整个系统尺寸与重量的目的，相关科研单位正在进行理论研究及样机研制。

图4 S-CO2与He布雷顿循环效率对比Figure 4 Brayton cycle efficiency comparison between supercritical CO2 and He

图5 美国10 MW等级S-CO2布雷顿循环发电设备Figure 5 10 MW Brayton cycle power generation device with supercritical CO2 made by US

闭式布雷顿循环主设备压气机透平的轴端密封是关键技术之一。为减小轴端泄漏损失，兆瓦级以下的布雷顿循环动力装置一般采用发电机中置，两端分别悬挂压气机、透平叶轮结构，采用气体箔轴承或电磁轴承等部件整体装配在一个完全密闭缸体中的TAC方案，为避免高密度工作介质在发电机腔室内产生较大的鼓风损失，需采用动密封使系统形成一个密闭的低压腔室，以解决轴承密封、润滑和冷却问题，同时减小鼓风损失，但实际上样机测试时基本都存在泄漏量大、鼓风损失严重、机组出力不足的现象[16]。兆瓦级以上的布雷顿循环动力装置轴端密封基本都采用干气密封，见图6，其运行中面临S-CO2实际气体临界点附近非线性物性、多相凝结流动和端面摩擦、高温腐蚀等问题，干气密封的可靠性对系统的安全稳定运行至关重要，需要进一步针对干气密封进行关键技术突破，特别是高温应用领域。

图6 干气密封示意图Figure 6 Dry gas seal

3.2 开式布雷顿动力转换系统

基于简单开式布雷顿循环的热管反应堆系统具有结构简单、固有安全、泄漏风险低等特点[17]。热管冷却反应堆开式布雷顿循环系统图见图7。目前国内外针对采用空气作为循环介质的开式布雷顿循环系统研究已经比较成熟，国内500 kW等级、1.5 MW等级及10 MW等级的压缩空气储能示范工程均已建成[18]，中盐金坛60 MW盐穴压缩空气储能示范项目也即将进行商业运行。开式布雷顿循环系统60 MW等级透平实物图见图8。国内采用常规补燃、非补燃的空气布雷顿循环已实现了压缩空气储能技术由理论研究阶段向示范验证阶段的突破。

图7 热管冷却反应堆开式布雷顿循环系统图Figure 7 Open Brayton cycle system of heat pipe cooled reactor

图8 开式布雷顿循环系统60 MW等级透平实物图Figure 8 60 MW turbine machine with open Brayton cycle system

据报道，美国正与LANL合作开发名为eVinci的新一代热管反应堆，采用开式布雷顿循环，电功率0.2～5 MW，整个发电系统可采用集装箱运输，用于山区、极地矿区、高原等分散式发电市场需求。美国地面移动核电源示意见图9[19]。俄罗斯也在实施小型核电站试点项目，这些模块化设备计划安装在重型汽车或雪橇上，首先用于开发北极任务。国内相关科研单位也在针对采用空气为工作介质的开式布雷顿循环核电源，功率等级0.2～1 MW，采用空气作为循环介质具有明显优势，系统压力相对较低，没有密封技术问题，技术难度相对较低。随着国内微型燃机的技术突破，气浮轴承、高速永磁电机、高效紧凑回热器研制取得了很大进步，将这些技术应用到开式布雷顿循环地面移动核电源二回路具有技术可行性。Capston公司的微型燃机典型结构见图10，开式布雷顿循环移动核电源二回路主设备与微型燃机的主要区别在于没有燃烧室，热量来自于反应堆，透平入口初温低于微型燃机，回热器可能需要外置。

图9 美国地面移动核电源示意Figure 9 Mobile nuclear power on land made by US

图10 Capston公司C200型微型燃机Figure 10 C200 micro gas turbine made by Capston Company

4 朗肯动力转换系统

大型核电站均采用朗肯循环，技术成熟、可靠，目前关于微小型核堆的研发集中在海洋浮动平台、破冰船、深海航行器等应用领域，功率等级0.2～100 MW。典型的热管冷却反应堆朗肯循环系统见图11。海洋浮动平台、破冰船机组功率相对较大，采用常规转速，主要需要解决的问题是轻量化、小型化设计，考虑倾斜、摇摆、冲击等各种海洋工况机组可靠性。深海航行器则对整个动力转换系统的体积、重量、集成性、可靠性提出更高要求，同时对机组的海洋工况要求更为苛刻，为了减小汽轮发电机组体积，兆瓦级深海航行器用汽轮发电机组，建议采用高速汽轮机与发电机直连、轴向排汽结构，减小汽轮机组结构尺寸及重量，同时可显著提高机组效率[20]，如图12所示。高速汽轮发电机组可采用电磁轴承以取消油系统，目前已有相关科研单位在研制高速磁悬浮蒸汽透平，部分已完成样机试验，关于电磁轴承的海洋工况适应性还有待进一步研究验证。

图11 热管冷却反应堆朗肯循环系统图Figure 11 Rankine cycle system of heat pipe cooled reactor

图12 兆瓦级轴排汽轮机示意图Figure 12 MW level gas turbine with axial exhaust structure

5 结论

热管冷却反应堆具有运行特性简单、体积小、重量轻的优点，在深空探测与推进、深海航行器、陆基核电源等领域具有广阔的发展前景，其动力转换系统配置建议如下：

(1)100 kW功率等级以下的深空探测与推进热管冷却反应堆建议采用斯特林循环，其结构简单，成熟可靠，循环效率较高。

(2)100 kW功率等级以上的深空探测与推进热管冷却反应堆建议采用He-Xe作为循环工质的闭式布雷顿循环，设备具有比重小；100 kW功率等级以上固定陆基核电源建议采用S-CO2作为循环工质的闭式布雷顿循环，其效率最高；0.2～1 MW移动陆基核电源建议采用空气为介质的开式布雷顿循环，技术相对成熟，辅助系统简单。

(3)兆瓦级深海航行器建议采用朗肯循环，采用高速汽轮机与发电机直连、轴向排汽结构，减小汽轮机组结构尺寸及重量，同时显著提高机组效率。