应用于压水堆核电站的热管冷却技术研究进展

贾凝晰 王洪亮 元一单

【摘 要】热管是一种利用冷却工质相变而具有高效换热性能的元件，具有非能动、换热效率高、布置灵活等特点，因而热管冷却技术在压水堆核电站改善运营经济性和提高固有安全性等方面展现出了巨大的应用前景。本文从热管的概念出发，以分离式重力型热管为例介绍了热管的原理与特性，总结了热管冷却技术的最新研究进展；本文重点围绕着压水堆核电站的大型冷却系统，包括“乏燃料水池冷却系统”、“安全壳冷却系统”、“关键设备冷却系统”等展开介绍，合理分析热管冷却技术应用于压水堆核电站的可行性，并对未来热管冷却技术在压水堆核电站的进一步应用提出展望。

【关键词】热管；高效换热；压水堆核电站；研究进展；冷却系统

中图分类号： TU832.23 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0220-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.102

0 引言

热管作为一种高效的传热元件，利用热传导原理和相变介质的快速热传递性质，将热量迅速导出，从其发明伊始至今已有70多年。1944年，美国俄亥俄州通用发动机公司的R.S.Gaugler[1]率先在专利中提出了热管的原理，即毛细热管的原型，然而当时并没有被采纳应用到工程实际中。1962年，L.Trefethen[2]再次提出了一种适用于宇宙飞船的热管传热元件的设计，由于缺乏实验数据支持，当时亦未能付诸实施。直到1963年，美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover[3]对热管进行了系统性实验研究，研究结果表明热管的导热率比任何已知金属都高，遂正式命名为热管（Heat Pipe）；1965年，Los Alamos国家实验室的Cotter[4]提出了较为完整的热管理论，该理论针对毛细热管给出了热管内热流量、质量交换等的计算方法，为日后热管技术的高速发展提供了有力的理论基础。热管技术最先应用于航天领域，1967年，美国将一根以水作为工质的不锈钢热管送入地球卫星轨道并进行卫星的温度控制，结果证明了热管零重力条件下的可行性。此后，世界各地均开展了大量关于热管技术的研究。总结回顾热管的原理及发展历程，结合当前热管冷却技术的发展状况，热管的概念可以概括为一种利用冷却工质相变而具有高效传热特性的非能动封闭式传热元件。

近年来，由于热管具有高效换热、非能动性等特性，使其有望在压水堆核电站的诸多大型冷却系统中得以应用。1990年，Razzaque等人[5]曾提出运用热管的停堆释热保护方案。目前，热管冷却技术在我国压水堆核电站领域的应用研究尚处于初级阶段，未来热管技术的工程应用仍需大量的数据支持。下面分别从热管的结构、热性、工程应用研究等方面展开介绍。

1 分离式重力型热管

热管按不同的方式，如按照结构、工作温度、工质回流方式具有多种分类形式。其中，分离式重力型热管以其优越的特性引起了核工业界研究学者的广泛关注。与毛细型热管相比，分离式热管的冷却工质依靠重力回流，不需配备吸液芯，在结构上减小了热管的加工难度；而且，分离式热管的蒸发段与冷凝段分离，在布置上更加灵活便捷；此外，分离式热管亦具备普通热管的非能动、换热效率高的特点，可满足更高冷却功率的需求，因此在压水堆核电站中分离式热管具有更加广阔的应用范围。本文将以分离式重力型热管为例，介绍热管的结构与特性。

1.1 分离式重力型热管的结构与原理

分离式热管是重力式热管的一种特殊形式，其蒸发段和冷凝段互相隔开，通过一根蒸汽上升管和一根冷凝液下降管连接成一个循环回路。与传统的毛细热管相同，都是通过工作流体的相变实现热量的传递，区别是不设置吸液芯，依靠重力实现冷却工质回流，如图1所示，为分离式热管的原理示意图。热管工作时，蒸发段的工作流体受热沸腾，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段冷凝液化，并在重力作用下沿液体下降管回流至蒸发段，完成一次循环过程。

1.2 分离式热管的传热极限

与其他类型的热管相比，由于分离式热管的汽液两相不直接接触，可以有效地避免了携带极限的发生；但是，与其他类型的热管相同的是分离式热管的换热能力仍被一些因素制约，仍存在某些传热极限；因此，无论在实验研究设计上，还是在未来的工程应用中，这些传热极限都是需要重点考虑的对象。

1）黏性极限

在传统的热管设计中，一般由于所采用的冷却工质动力粘度较小，热流密度大，不易产生黏性极限；但是如果分离式热管的回路设计较长，导致沿程阻力过大，则有可能出现这一现象。

2）声速极限

当热管的蒸发段出口处的马赫数等于1时则会出现声速极限，为避免产生这一现象可增大蒸发段出口处管径或增多管道个数。

3）沸腾传热极限

在热流密度较高和充液量偏大的情况下，分离式热管蒸发段内沸腾区域的气泡连成一片，在蒸发段内出现膜态沸腾，使换热系数下降，产生沸腾传热极限。

4）凝结传热极限

当分离式热管蒸发段的热流密度较高，管内蒸汽流量较大时，蒸汽在冷凝段不能全部被冷凝，即冷凝段无法满足冷却换热需求，则会产生凝结传热极限。

2 热管在核能领域的应用研究

本文对几种应用于压水堆核电站的分离式热管冷却系统的设计方案进行了介绍，包括乏燃料水池冷却系统、非能动安全壳冷却系统、关键设备冷却系统等。

2.1 基于热管技术的乏燃料水池冷却系统研究

核电目前是世界上公认的安全、经济、绿色、低碳的高效能源，也是解决低碳经济、减排问题与降低环境压力最好的选择[6]。乏燃料池用来贮存由反应堆中卸载出来的乏燃料，此时乏燃料仍有较大衰变热[7]。因此，乏燃料的冷却以及屏蔽都是亟待解决的問题。国内学者袁乃驹[8]提出，在乏燃料水池事故工况或正常运行工况下，非能动热管冷却技术的引进是一种理想的热量导出方案。郑文龙[7]通过数值模拟的方法分析了具有热管非能动冷却的乏燃料池内的温度场和流场分布，研究表明当能动型冷却系统停止工作后，仅靠该非能动冷却系统可成功带走池内衰变热并保证池内不沸腾。

由于分离式热管冷却系统的布置相对灵活，热管段根据冷却需求可以放置于乏燃料组件周围，也可放置在水池壁面上。图2为一种针对乏燃料水池设计的放置于乏燃料组件周围的分离式热管冷却系统。冷端为专用或公用冷源，由于分离式热管系统的冷却剂依靠重力回流实现循环。

在热管冷却系统中，由于乏燃料水池的衰变功率较大，因此冷端的换热量需满足衰变功率的需求。国内学者袁乃驹等人[8]以10kW的换热功率为定量值做了初步计算，计算了三种冷却方式所对应的换热面积，如表1所示。

由上表所知，空冷通过自然对流的方式将热量带出，因此所需的换热面积大，除非特殊的需要，否则一般不采用这种方式。水冷通过强迫循环的冷却方式对热管冷端进行冷却，虽然仅需0.19m2的换热面积，但是应对事故能力较差。泡沫塔和空冷结合是目前工程上应用较多的方式，虽然所需的换热面积稍大，为1.1m2，但能动和非能动相结合大大提高了冷却效率的同时也具有较强的事故应对能力。

2008年AREVA（阿海珐）在瑞士德尼肯核电厂实现了世界上第一个非能动乏燃料水池冷却系统，通过分离式热管换热器将乏燃料水池的热量导出。阿海珐的分离式热管冷却系统将蒸发段放置于乏燃料水池壁面上，冷端为空冷塔，采用自然对流和风扇驱动相结合的方式进行冷却，事故工况下仅为自然对流冷却。2013年阿海珐在对多种工质混合技术进行研究的基础上，将换热功率提升到了约22kW/m2，在非能动热量导出技术上实现了本质上的突破。

2.2 基于热管技术的安全壳冷却系统研究

安全壳作为最后一道屏障，在事故发生时用于防止放射性物质外泄。当壳内温度和压力急剧升高时，为了避免安全壳破损，事故后的安全壳降压及导热系统对于安全壳的完整性来说显得尤为重要。

Razzaque[5]等人提出了運用热管的停堆释热保护方案。Lanchao Li等[9]出于对压水反应堆的固有安全性的考虑，提出采用分离式热管散热方案。由于分离式热管结构简单，便于维护，同时还避免了在安全壳上大量开孔从而削弱其强度，因此相对于整体式热管而言分离式热管更适用于安全壳冷却系统。

分离式热管的冷却系统将热管的蒸发段放置于安全壳内，冷凝段放置于壳外的公用或专用冷源，非能动地导出安全壳内热量，如图3所示。与传统非能动安全壳冷却系统相比，基于热管技术的安全壳冷却系统具有换热效率高、占用空间小、适应性强的特点。

此外，热管冷却系统的寿命是一个备受关注的问题。影响热管寿命的因素主要有工作介质与热管壁面发生化学反应而产生的不可凝气体、工作介质的热物性恶化、热管壁面材料的腐蚀溶解，因此选择合理的工作介质和壁面材料对于热管寿命来说是至关重要的。由于核能领域通常采用常温热管（0-250℃）且倾向于无机介质，表2为常温热管所采用的一些常见工作介质，由于水的化学性质稳定、价格低廉、安全系数高，因此适用于核能领域的热管设计多采用水作为冷却工质。

2.3 基于热管技术的关键设备冷却系统研究

分离式热管冷却技术除了应用在乏燃料水池和安全壳的冷却系统中，还可以运用在燃料运输容器[8]、主设备、关键设备的冷却系统中。在设计燃料运输容器时，要求在正常运输时容器具有良好的散热能力、而遇到火灾时容器具有良好的绝热能力，将分离式热管的蒸发段放置于燃料运输容器中，冷凝段置于容器外，水平位置高于蒸发段，正常运输时可源源不断的将燃料元件的衰变热导出。若遇到火灾，由于分离式热管的单向导热性，又可以避免容器外部的热量传到容器内，导致元件损坏释放有害物质。因此将分离式热管应用到燃料运输以及其他关键设备的散热系统中可以非能动地维持关键设备低温，从而保证其可用性。

此外，在核电厂严重事故条件下，由于环境温度骤然升高，大量仪器、仪表及控制组件将因为高温而失效，利用非能动热管冷却技术实现事故条件下对关键设备及仪表的冷却，延长其可用时间，核电厂事故后安全性将得到显著提升。

3 结论与展望

3.1 结论

本文首先介绍了热管的发展历程和研究现状，并以分离式热管为例，阐述了热管冷却系统的结构与特性，围绕着压水堆核电站的大型冷却换热系统对热管冷却技术的应用进行分析，得出了以下结论：（1）热管的概念可以概括为一种利用冷却工质相变而具有高效传热特性的非能动封闭式传热元件；（2）分离式重力型热管具有布置方式灵活、换热效率高等特性，因此在压水堆核电站的“乏燃料水池冷却系统”、“非能安全壳冷却系统”、“关键设备冷却系统”中具有更高的应用前景；（3）热管冷端的设置有多种形式，研究表明泡沫塔空气冷却系统采用能动和非能动相结合的方式，所需冷却换热面积较小，可满足压水堆核电站中大型冷却系统的换热需求；（4）工作介质和壁面材料是影响热管寿命的主要因素，工程中应用中需要合理选择。

3.2 展望

目前，热管冷却技术已广泛地应用于各个工业领域，但是在核能领域的应用尚处于初级阶段，未来热管冷却技术将在核能领域的应用中展现出巨大的前景：（1）热管的高效换热特性、非能动换热特性及封闭式结构使其在压水堆核电站的大型冷却换热系统，如乏燃料水池冷却系统、安全壳冷却系统，展现出巨大的优势；（2）热管布置灵活、非能动运行、工作温度范围广，在核能领域对于关键设备的冷却、主控室温度展平控制中展现出巨大的优势，适用性强；（3）毛细型热管依靠毛细力实现工质回流，由于不受重力的限制，未来在空间核电站、空间核电源等方面的应用具有十分巨大的潜力。

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