双模式热管堆电热原理样机设计及验证实验研究

李潘潇，张智鹏，代智文，王成龙，田文喜，秋穗正，苏光辉

(西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049)

多用途小型热管反应堆电源技术具有续航久、结构紧凑、环境适应性强、固有安全性高等优势[1-2]，已成为未来无人作战系统、空间核反应堆、星球表面能源平台、车载核电源等多种特殊领域的最佳能源动力解决方案之一[3-4]。美国开展Kilopower热管反应堆计划[5]，并于2018年3月完成地面演示实验(KRUSTY)，证明了其技术可行性。西安交通大学提出了适用于无人水下航行器的静默式热管反应堆设计方案[6-7]，建立了非核原理样机[8-9]，初步验证了静默式温差发电热管堆技术的可行性。

基于装备能源多样化需求，本文提出动静结合双模式热管堆设计方案，研制一体化非核原理样机，完成弯折高温钾热管研制及测试、静态热电转换模块测试、动态热电转换模块测试，初步验证双模式热管堆技术可行性。

1 动静结合双模式热管堆概念设计

1.1 原理概念

动静结合双模式热管堆概念设计如图1所示，利用弯折高温钾热管将堆芯产生的能量非能动高效导出。热管蒸发段与堆芯连接，绝热段通过堆芯屏蔽层并采用纳米隔热材料保温，热管冷凝段分别与碲化铋温差发电单元基体及动态斯特林热电转换装置基体耦合，将热能转换为电能。本设计采用动静结合热电转换方式，具有以下优点：1) 低功率模式，超静默，强隐蔽；2) 高功率模式，大功率，高效率；3) 布置合理，结构紧凑；4) 自启动，自调节，简化控制。

图1 双模式热管堆概念设计Fig.1 Conceptual design of dual-mode heat pipe reactor

通过斯特林热电转换装置弥补温差发电转换效率低的问题，通过温差发电片布置灵活的优点解决斯特林热电转换装置布置空间受限的问题，增强系统的紧凑性。

1.2 热电转换系统

斯特林热电转换装置由于热电转换效率高、高可靠、震动小、自启动、密封可靠及具有自动调节功能等优点，在航天方面得到了广泛的应用[10-11]，其结构如图2所示。利用斯特林发电机将热管导出的热能转换为电能，发电过程不产生多余废气，热电转换效率在25%左右。原理样机采用3台1 kW自由活塞式斯特林热电转换装置组成动态热电转换模块，其设计参数列于表1。

图2 斯特林热电转换装置示意图Fig.2 Scheme of Stirling generator

表1 斯特林热电转换装置的参数Table 1 Parameter of Stirling generator

温差发电技术是利用材料的塞贝克效应可将热能直接转换为电能，具有结构紧凑、无泄漏、无噪声、寿命长、高可靠等优点[12]。原理样机采用成熟的碲化铋温差发电器件构建静态热电转换模块，具有良好的力学性能，可承受一定的压力，缺点是高温时转换效率较低，最高耐温为400 ℃，与热管冷凝段工作温度存在300 ℃左右的偏差，因此需要解决二者工作温度的匹配问题。碲化铋热电片工作原理示于图3，参数列于表2。

图3 碲化铋热电片示意图Fig.3 Scheme of bismuth telluride thermoelectric sheet

表2 碲化铋热电片参数Table 2 Parameter of bismuth telluride thermoelectric sheet

1.3 原理样机设计

原理样机结构如图4所示。样机采用立式布置，利用六边形紫铜基体模拟热管堆固态基体，具有良好的导热性及较小的热膨胀系数。利用90根电加热棒模拟反应堆燃料棒，通过37根高温钾热管将堆芯热量导出，设计额定功率为25 kW。热管布置分为2组，第1组18根高温钾热管冷凝端与3台斯特林发电机连接，每台斯特林发电机与6根热管耦合，产生1 kW的电能。第2组19根高温钾热管冷凝端与温差发电模块连接，品字形铜基体将19根热管的热量均匀地传递给碲化铋发电片，通过6块冷板将余热排出，每面布置30片共180片，共产生约1 kW的电能。原理样机设计参数列于表3。

图4 双模式热管堆原理样机示意图Fig.4 Schematic diagram of dual-mode heat pipe reactor principle prototype

表3 原理样机参数Table 3 Parameter of principle prototype

2 关键部件研制及测试

2.1 弯折高温钾热管

高温钾热管是原理样机的关键部件，其传热性能及运行特性影响着整个系统的设计参数及转换效率。田智星、刘逍等[13-14]对高温钾热管进行了理论及实验研究，对影响热管传热性能的因素进行了探究，并开发了热管的设计分析程序进行数值模拟。唐思邈等[8]利用钾热管开展了小型核电源原理样机研究，所使用的高温钾热管具有良好的传热性能。高温钾热管还被广泛应用于SAIRS、HP-STMCs、MSR等小型核反应堆系统设计中。研究团队所研制弯折高温钾热管原理如图5所示。分别选取动态及静态模块弯折程度最大的两种热管进行测试，冷凝段冷却方式采用空气强迫对流换热，可以满足2 kW以内的散热需求。测试系统结构如图6所示，测试热管参数列于表4、5。

图5 弯折高温钾热管示意图Fig.5 Scheme of bending high-temperature potassium heat pipe

图6 弯折高温钾热管测试系统原理图Fig.6 Scheme of experimental system for bending high-temperature potassium heat pipe

表4 静态热电转换模块钾热管参数Table 4 Parameter of potassium heat pipe in static thermoelectric conversion module

表5 动态热电转换模块钾热管参数Table 5 Parameter of potassium heat pipe in dynamic thermoelectric conversion module

2.2 静态热电转换模块

碲化铋温差发电器件与高温钾热管冷凝段工作温度存在200～300 ℃左右的偏差，为了解决二者工作温度的匹配问题，在品字形集热铜板与温差发电片之间加入调节气板，气板厚度为5 mm，气隙厚度为3 mm，板面厚度为1 mm，由不锈钢制成，选择氦气和氩气作为填充气体，通过调节氦气和氩气的配比达到控制温差发电片热端温度的目的。针对该设计进行了模块验证实验，利用调压电源改变输入功率，利用NI采集系统收集温度数据，通过电子负载仪测量温差发电片的工作状态，实验系统结构如图7所示。

图7 静态热电转换模块验证实验示意图Fig.7 Experimental system scheme of static thermoelectric conversion module

2.3 动态热电转换模块

原理样机采用自由活塞式斯特林发电机构成动态热电模块。本文设计了一套热管与斯特林热电转换装置耦合传热性能测试实验装置用于研究两者间耦合传热性能，验证其可行性。装置由电加热丝、高温钾热管、斯特林热电转换装置、冷水机等部件构成，通过电加热丝加热6根高温钾热管，热管绝热段采用保温棉保温，其冷凝段与斯特林换热基体连接，实验设备及原理如图8所示。

图8 动态热电转换模块验证实验设备(a)及原理(b)Fig.8 Experimental equipment (a) and principle (b) of dynamic thermoelectric conversion module

2.4 不确定性分析

温度的不确定性来自热电偶的精度和连接。实验温度测量采用K型热电偶，产生的误差小于3 ℃。根据B型不确定度评估，假设误差分布均匀，可从式(1)中获得温度不确定度。在一些带有两个热电偶的测量点，温度不确定度可根据式(2)计算。在实验过程中，温度范围为300～800 ℃，热电偶引起的温度相对不确定度在3.0%以内。对于风冷条件下传热功率的不确定度，使用产生±0.1 V和±0.1 A不确定度的电压表和电流表测量电压(40～120 V)和电流(4～10 A)。因此，仪器引起的传热功率相对不确定度在2.5%以内。

(1)

(2)

(3)

式中：UB，T1、UB，T2分别为布置有1个及两个热电偶测点的B类不确定度；Δ为仪器误差；ΔQ、Q分别为输入功率测量误差及输入功率；ΔV、V分别为所用电压表测量误差及电压测量范围；ΔI、I分别为所用电流表测量误差及电流测量范围。

3 实验结果

3.1 弯折高温钾热管

不同功率下热管壁面温度分布如图9所示。热管整体等温性较好，静态模块热管轴向壁面温差低于58 K，动态模块热管轴向壁面温差低于49 K，不凝气体段长度均小于5 cm。相比于静态模块较长的热管，动态模块热管在相同功率下整体温度更高。两者均满足传热功率676 W的样机设计需求，其可用于原理样机的搭建。

图9 静态热电转换模块(a)与动态热电转换模块(b)热管轴向壁面温度分布Fig.9 Axial wall temperature distribution of static thermoelectric conversion module (a) and dynamic thermoelectric conversion module (b) of heat pipe

3.2 静态热电转换模块验证实验结果

静态热电转换模块测试结果列于表6。表6列出了入口冷却水温度为20 ℃时，不同换热基体温度对应的温差发电器件热端温度及单组6片热电片串联时的开路电压。当输入功率为4.2 kW时，温差发电片的工作情况列于表7。

表6 静态热电转换模块测试结果Table 6 Result of static thermoelectric conversion module test

表7 温差发电片工作情况Table 7 Working condition of thermoelectric sheet

结果显示，在热电片与集热铜板间加入适配气板可以实现高温钾热管与碲化铋温差发电器件工作温度的适配，气板内充有保压的氦气。输入功率为4.2 kW、冷端温度为20 ℃时，气板平均温度约为310 ℃，5组30片热电片共发出102.6 W电能，热电转换效率为2.44%，平均每片热电片输出功率为3.4 W。多组热电片串并联会使得输出功率下降。

3.3 动态热电转换模块验证实验结果

动态热电转换模块测试结果列于表8，高温钾热管可用于斯特林热电转换装置的能量传输。输入功率为3 281.5 W时，斯特林热电转换装置发电功率为429 W，整体热电转换效率为13.1%。热管蒸发段平均温度为749.5 ℃，斯特林热端平均温度为412.6 ℃，两者间存在较大温差。

表8 动态热电转换模块测试结果Table 8 Result of dynamic thermoelectric conversion module test

原理样机进行了改进，减少系统热耗散，优化热管与斯特林热端接触结构，降低热管与换热基体间接触热阻，从而改进动态热电转换模块的性能。改进后动态热电转换模块性能列于表9。输入功率为3 047.2 W时，热管蒸发段平均温度为627 ℃，斯特林热端平均温度为475.3 ℃，热管蒸发段到冷凝段温差为74 ℃，热管冷凝段到斯特林膨胀腔温差为76 ℃，单台斯特林热电转换装置发电功率为673 W，热电转换效率为22.1%。

表9 改进后动态热电转换模块测试结果Table 9 Result of dynamic thermoelectric conversion module test after improvement

4 结论

为了验证多用途热管堆技术可行性，突破热管堆一体化集成技术，设计了双模式热管堆原理样机。完成了弯折高温钾热管研制及测试、静态热电转换模块验证实验、动态热电转换模块验证实验，所得实验结果如下。

1) 所研制弯折高温钾热管等温性良好，其传热功率满足非核原理样机的设计值。对于静态热电转换模块，加入调节气板能够实现高温钾热管与碲化铋温差发电片工作温度的适配。输入功率为4.2 kW、进口冷却水温为20 ℃时，温差发电片热端温度为310 ℃，5组30片热电片共发出102.6 W电能，热电转换效率为2.44%。对于动态热电转换模块，通过高温钾热管可实现斯特林热电转换装置的启动运行。输入功率为3.3 kW时，装置发电功率为429 W，热电转换效率为13.1%。

2) 改进后动态热电转换模块性能有较大提升。输入功率为3 047.2 W时，热管蒸发段平均温度为627 ℃，斯特林热端平均温度为475.3 ℃，热管蒸发段到冷凝段温差为74 ℃，热管冷凝段到斯特林膨胀腔温差为76 ℃，单台斯特林热电转换装置发电功率为673 W，整体热电转换效率为22.1%。

下一步将开展原理样机稳态运行实验及相关瞬态实验研究。