應用于壓水堆核電站的熱管冷卻技術研究進展

賈凝晰 王洪亮 元一單

【摘 要】熱管是一種利用冷卻工質相變而具有高效換熱性能的元件，具有非能動、換熱效率高、布置靈活等特點，因而熱管冷卻技術在壓水堆核電站改善運營經濟性和提高固有安全性等方面展現出了巨大的應用前景。本文從熱管的概念出發，以分離式重力型熱管為例介紹了熱管的原理與特性，總結了熱管冷卻技術的最新研究進展；本文重點圍繞著壓水堆核電站的大型冷卻系統，包括“乏燃料水池冷卻系統”、“安全殼冷卻系統”、“關鍵設備冷卻系統”等展開介紹，合理分析熱管冷卻技術應用于壓水堆核電站的可行性，并對未來熱管冷卻技術在壓水堆核電站的進一步應用提出展望。

【關鍵詞】熱管；高效換熱；壓水堆核電站；研究進展；冷卻系統

中圖分類號： TU832.23 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0220-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.102

0 引言

熱管作為一種高效的傳熱元件，利用熱傳導原理和相變介質的快速熱傳遞性質，將熱量迅速導出，從其發明伊始至今已有70多年。1944年，美國俄亥俄州通用發動機公司的R.S.Gaugler[1]率先在專利中提出了熱管的原理，即毛細熱管的原型，然而當時并沒有被采納應用到工程實際中。1962年，L.Trefethen[2]再次提出了一種適用于宇宙飛船的熱管傳熱元件的設計，由于缺乏實驗數據支持，當時亦未能付諸實施。直到1963年，美國Los Alamos國家實驗室的G.M.Grover[3]對熱管進行了系統性實驗研究，研究結果表明熱管的導熱率比任何已知金屬都高，遂正式命名為熱管（Heat Pipe）；1965年，Los Alamos國家實驗室的Cotter[4]提出了較為完整的熱管理論，該理論針對毛細熱管給出了熱管內熱流量、質量交換等的計算方法，為日后熱管技術的高速發展提供了有力的理論基礎。熱管技術最先應用于航天領域，1967年，美國將一根以水作為工質的不銹鋼熱管送入地球衛星軌道并進行衛星的溫度控制，結果證明了熱管零重力條件下的可行性。此后，世界各地均開展了大量關于熱管技術的研究。總結回顧熱管的原理及發展歷程，結合當前熱管冷卻技術的發展狀況，熱管的概念可以概括為一種利用冷卻工質相變而具有高效傳熱特性的非能動封閉式傳熱元件。

近年來，由于熱管具有高效換熱、非能動性等特性，使其有望在壓水堆核電站的諸多大型冷卻系統中得以應用。1990年，Razzaque等人[5]曾提出運用熱管的停堆釋熱保護方案。目前，熱管冷卻技術在我國壓水堆核電站領域的應用研究尚處于初級階段，未來熱管技術的工程應用仍需大量的數據支持。下面分別從熱管的結構、熱性、工程應用研究等方面展開介紹。

1 分離式重力型熱管

熱管按不同的方式，如按照結構、工作溫度、工質回流方式具有多種分類形式。其中，分離式重力型熱管以其優越的特性引起了核工業界研究學者的廣泛關注。與毛細型熱管相比，分離式熱管的冷卻工質依靠重力回流，不需配備吸液芯，在結構上減小了熱管的加工難度；而且，分離式熱管的蒸發段與冷凝段分離，在布置上更加靈活便捷；此外，分離式熱管亦具備普通熱管的非能動、換熱效率高的特點，可滿足更高冷卻功率的需求，因此在壓水堆核電站中分離式熱管具有更加廣闊的應用范圍。本文將以分離式重力型熱管為例，介紹熱管的結構與特性。

1.1 分離式重力型熱管的結構與原理

分離式熱管是重力式熱管的一種特殊形式，其蒸發段和冷凝段互相隔開，通過一根蒸汽上升管和一根冷凝液下降管連接成一個循環回路。與傳統的毛細熱管相同，都是通過工作流體的相變實現熱量的傳遞，區別是不設置吸液芯，依靠重力實現冷卻工質回流，如圖1所示，為分離式熱管的原理示意圖。熱管工作時，蒸發段的工作流體受熱沸騰，產生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段冷凝液化，并在重力作用下沿液體下降管回流至蒸發段，完成一次循環過程。

1.2 分離式熱管的傳熱極限

與其他類型的熱管相比，由于分離式熱管的汽液兩相不直接接觸，可以有效地避免了攜帶極限的發生；但是，與其他類型的熱管相同的是分離式熱管的換熱能力仍被一些因素制約，仍存在某些傳熱極限；因此，無論在實驗研究設計上，還是在未來的工程應用中，這些傳熱極限都是需要重點考慮的對象。

1）黏性極限

在傳統的熱管設計中，一般由于所采用的冷卻工質動力粘度較小，熱流密度大，不易產生黏性極限；但是如果分離式熱管的回路設計較長，導致沿程阻力過大，則有可能出現這一現象。

2）聲速極限

當熱管的蒸發段出口處的馬赫數等于1時則會出現聲速極限，為避免產生這一現象可增大蒸發段出口處管徑或增多管道個數。

3）沸騰傳熱極限

在熱流密度較高和充液量偏大的情況下，分離式熱管蒸發段內沸騰區域的氣泡連成一片，在蒸發段內出現膜態沸騰，使換熱系數下降，產生沸騰傳熱極限。

4）凝結傳熱極限

當分離式熱管蒸發段的熱流密度較高，管內蒸汽流量較大時，蒸汽在冷凝段不能全部被冷凝，即冷凝段無法滿足冷卻換熱需求，則會產生凝結傳熱極限。

2 熱管在核能領域的應用研究

本文對幾種應用于壓水堆核電站的分離式熱管冷卻系統的設計方案進行了介紹，包括乏燃料水池冷卻系統、非能動安全殼冷卻系統、關鍵設備冷卻系統等。

2.1 基于熱管技術的乏燃料水池冷卻系統研究

核電目前是世界上公認的安全、經濟、綠色、低碳的高效能源，也是解決低碳經濟、減排問題與降低環境壓力最好的選擇[6]。乏燃料池用來貯存由反應堆中卸載出來的乏燃料，此時乏燃料仍有較大衰變熱[7]。因此，乏燃料的冷卻以及屏蔽都是亟待解決的問題。國內學者袁乃駒[8]提出，在乏燃料水池事故工況或正常運行工況下，非能動熱管冷卻技術的引進是一種理想的熱量導出方案。鄭文龍[7]通過數值模擬的方法分析了具有熱管非能動冷卻的乏燃料池內的溫度場和流場分布，研究表明當能動型冷卻系統停止工作后，僅靠該非能動冷卻系統可成功帶走池內衰變熱并保證池內不沸騰。

由于分離式熱管冷卻系統的布置相對靈活，熱管段根據冷卻需求可以放置于乏燃料組件周圍，也可放置在水池壁面上。圖2為一種針對乏燃料水池設計的放置于乏燃料組件周圍的分離式熱管冷卻系統。冷端為專用或公用冷源，由于分離式熱管系統的冷卻劑依靠重力回流實現循環。

在熱管冷卻系統中，由于乏燃料水池的衰變功率較大，因此冷端的換熱量需滿足衰變功率的需求。國內學者袁乃駒等人[8]以10kW的換熱功率為定量值做了初步計算，計算了三種冷卻方式所對應的換熱面積，如表1所示。

由上表所知，空冷通過自然對流的方式將熱量帶出，因此所需的換熱面積大，除非特殊的需要，否則一般不采用這種方式。水冷通過強迫循環的冷卻方式對熱管冷端進行冷卻，雖然僅需0.19m2的換熱面積，但是應對事故能力較差。泡沫塔和空冷結合是目前工程上應用較多的方式，雖然所需的換熱面積稍大，為1.1m2，但能動和非能動相結合大大提高了冷卻效率的同時也具有較強的事故應對能力。

2008年AREVA（阿海琺）在瑞士德尼肯核電廠實現了世界上第一個非能動乏燃料水池冷卻系統，通過分離式熱管換熱器將乏燃料水池的熱量導出。阿海琺的分離式熱管冷卻系統將蒸發段放置于乏燃料水池壁面上，冷端為空冷塔，采用自然對流和風扇驅動相結合的方式進行冷卻，事故工況下僅為自然對流冷卻。2013年阿海琺在對多種工質混合技術進行研究的基礎上，將換熱功率提升到了約22kW/m2，在非能動熱量導出技術上實現了本質上的突破。

2.2 基于熱管技術的安全殼冷卻系統研究

安全殼作為最后一道屏障，在事故發生時用于防止放射性物質外泄。當殼內溫度和壓力急劇升高時，為了避免安全殼破損，事故后的安全殼降壓及導熱系統對于安全殼的完整性來說顯得尤為重要。

Razzaque[5]等人提出了運用熱管的停堆釋熱保護方案。Lanchao Li等[9]出于對壓水反應堆的固有安全性的考慮，提出采用分離式熱管散熱方案。由于分離式熱管結構簡單，便于維護，同時還避免了在安全殼上大量開孔從而削弱其強度，因此相對于整體式熱管而言分離式熱管更適用于安全殼冷卻系統。

分離式熱管的冷卻系統將熱管的蒸發段放置于安全殼內，冷凝段放置于殼外的公用或專用冷源，非能動地導出安全殼內熱量，如圖3所示。與傳統非能動安全殼冷卻系統相比，基于熱管技術的安全殼冷卻系統具有換熱效率高、占用空間小、適應性強的特點。

此外，熱管冷卻系統的壽命是一個備受關注的問題。影響熱管壽命的因素主要有工作介質與熱管壁面發生化學反應而產生的不可凝氣體、工作介質的熱物性惡化、熱管壁面材料的腐蝕溶解，因此選擇合理的工作介質和壁面材料對于熱管壽命來說是至關重要的。由于核能領域通常采用常溫熱管（0-250℃）且傾向于無機介質，表2為常溫熱管所采用的一些常見工作介質，由于水的化學性質穩定、價格低廉、安全系數高，因此適用于核能領域的熱管設計多采用水作為冷卻工質。

2.3 基于熱管技術的關鍵設備冷卻系統研究

分離式熱管冷卻技術除了應用在乏燃料水池和安全殼的冷卻系統中，還可以運用在燃料運輸容器[8]、主設備、關鍵設備的冷卻系統中。在設計燃料運輸容器時，要求在正常運輸時容器具有良好的散熱能力、而遇到火災時容器具有良好的絕熱能力，將分離式熱管的蒸發段放置于燃料運輸容器中，冷凝段置于容器外，水平位置高于蒸發段，正常運輸時可源源不斷的將燃料元件的衰變熱導出。若遇到火災，由于分離式熱管的單向導熱性，又可以避免容器外部的熱量傳到容器內，導致元件損壞釋放有害物質。因此將分離式熱管應用到燃料運輸以及其他關鍵設備的散熱系統中可以非能動地維持關鍵設備低溫，從而保證其可用性。

此外，在核電廠嚴重事故條件下，由于環境溫度驟然升高，大量儀器、儀表及控制組件將因為高溫而失效，利用非能動熱管冷卻技術實現事故條件下對關鍵設備及儀表的冷卻，延長其可用時間，核電廠事故后安全性將得到顯著提升。

3 結論與展望

3.1 結論

本文首先介紹了熱管的發展歷程和研究現狀，并以分離式熱管為例，闡述了熱管冷卻系統的結構與特性，圍繞著壓水堆核電站的大型冷卻換熱系統對熱管冷卻技術的應用進行分析，得出了以下結論：（1）熱管的概念可以概括為一種利用冷卻工質相變而具有高效傳熱特性的非能動封閉式傳熱元件；（2）分離式重力型熱管具有布置方式靈活、換熱效率高等特性，因此在壓水堆核電站的“乏燃料水池冷卻系統”、“非能安全殼冷卻系統”、“關鍵設備冷卻系統”中具有更高的應用前景；（3）熱管冷端的設置有多種形式，研究表明泡沫塔空氣冷卻系統采用能動和非能動相結合的方式，所需冷卻換熱面積較小，可滿足壓水堆核電站中大型冷卻系統的換熱需求；（4）工作介質和壁面材料是影響熱管壽命的主要因素，工程中應用中需要合理選擇。

3.2 展望

目前，熱管冷卻技術已廣泛地應用于各個工業領域，但是在核能領域的應用尚處于初級階段，未來熱管冷卻技術將在核能領域的應用中展現出巨大的前景：（1）熱管的高效換熱特性、非能動換熱特性及封閉式結構使其在壓水堆核電站的大型冷卻換熱系統，如乏燃料水池冷卻系統、安全殼冷卻系統，展現出巨大的優勢；（2）熱管布置靈活、非能動運行、工作溫度范圍廣，在核能領域對于關鍵設備的冷卻、主控室溫度展平控制中展現出巨大的優勢，適用性強；（3）毛細型熱管依靠毛細力實現工質回流，由于不受重力的限制，未來在空間核電站、空間核電源等方面的應用具有十分巨大的潛力。

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