锂冷空间堆气液分离器选型初探

李来冬，李 清，葛思淼

（中国原子能科学研究院，北京102413）

锂冷空间堆是大功率空间核反应堆的主要堆型，采用锂作为冷却剂。锂冷空间堆存在产氦的问题，产生的氦会对锂回路传热不利，需在锂回路设计气液分离器除氦[1]。设计气液分离器需要选择合适的参考模型。气液分离器种类繁多，按分离过程分为机械分离和传质分离；按有无运动件分为能动式和非能动式[2]。本文通过考虑锂冷空间堆的技术要求，如微重力、耐高温、可靠性高、重量轻、能耗低等，分析气液分离原理、典型气液分离器特点，选择锂冷空间堆气液分离器研究设计的参考模型。

1 参考气液分离原理选型

微重力是影响选型的重要因素，离心分离、惯性分离、过滤分离、吸附均不受重力影响，可选择这些原理的分离器为参考模型[3-5]。离心分离是使流体形成旋流，产生离心力场使气体向中心聚集，液体环绕在气体外侧，实现分离。惯性分离是通过改变流道方向，利用液体和气体的惯性不同，液体惯性大仍以原方向运动，气体惯性小易改变方向按后来的方向运动，实现分离。过滤分离是流体经过毛细结构时，液体可通过，气体被毛细结构处的表面张力阻止，实现分离。吸附是指物质表面吸住周围介质中的分子或离子的现象。

可靠性、能耗、振动、重量、分离效率等是选型需考虑的重要因素，能动式和非能动式的分离器涉及到这些方面。能动式的一般结构较复杂，不能连续在线工作，需人工干预；非能动式的除分离效率较低外，能连续在线工作，不需人工干预，其它方面如重量、能耗、振动、可靠性等有优势，况且非能动式的可通过优化设计达到高的分离效率[3-6]。所以，锂冷空间堆气液分离器的研究设计，适合选择非能动式的气液合离器作参考模型。

2 参考已有方案选型

通过调研气液分离器国内外研究状况，选择与第1节分析结果相符的气液分离器方案作为研究对象。它们均采用了离心分离、惯性分离、过滤分离、吸附中的一种或几种，并且都是非能动的。

2.1 切向入口旋流器

图1是由美国德州农工大学Cable等设计的旋流器，可用于空间核电源，如锂冷空间堆除氦、微重力朗肯循环等。工作时，流体经切向入口射入圆筒形成旋流，气体向中心聚集由排气口排出，液体在气体外侧经出口流出[6]。虽然，文献称该分离器适于锂冷空间堆除氦，但它需要排气，易携带液体，可靠性低，所以不选其作参考模型。

图1 切向入口式旋流器示意图[6]

2.2 轴流导叶旋流器

图2是由橡树岭人员研发的分离器，用于分离熔盐堆燃料中的氙等裂变气体。工作时，流体由分离器前端入口进入，在搅浑叶轮作用下形成旋流使气泡向筒中轴运动，聚合成气芯进入恢复叶轮轴中孔经出气管排出；气芯周围的液体经恢复叶轮作用流出分离器[7-9]。

图2 轴流导叶式旋流器示意图[7]

它工作时也需将气体排出，所以不选其作参考模型。但可以借鉴橡树岭人员研究时先开展水回路试验的方法，即锂冷空间堆分离器研究也可先以水和空气代替锂和氦气，开展水回路试验。虽然这与实际工况差别较大，但可以通过对比试验结果与计算结果，选择合适的湍流模型、求解方法，总结变化规律，指导分离器设计。

2.3 惯性分离器

惯性分离器有折流板式和迷宫式，如图3、图4利用挡板改变通道方向，形成多拐角弯曲通道，气液混合流（气相中存在液滴）进入分离器，过挡板时气体易改变运动方向，液滴不易改变方向而撞到挡板被收集[10-11]。这两种分离器适合气体为主相、液体为次相的气液分离，锂冷空间堆除氦是液体为主相、气体为次相，所以不选其作参考模型。

图3 水平式和垂直式折流板分离器示意图[10]

图4 迷宫式分离器示意图[11]

2.4 过滤分离器

过滤分离器的关键构件是毛细结构，常用的毛细结构有筛网、毛细管等，筛网可制成筛管形状，如图5。流体经子弹头导流，进入筛管与外筒体之间的区域，液体可通过筛管由出口排出，气泡被阻挡在筛管外，聚合形成大气泡覆盖到设定位置时，被超声传感器感应，触发阀门排气[12]。该分离器排气采用了阀门、传感器等元件，可靠性较低，不适合锂冷空间堆除氦，所以不选其作参考模型。

2.5 Rockwell气液分离器

Rockwell的人员设计了适于锂冷空间堆除氦的分离器，如图6。它由左右两个圆柱形容器组成，左为切向入口旋流器，被除气网分成气体区域和锂区域；右为储气器，被毛细管分成气体区域和锂区域。工作时，流体从切向入口进入，液体可通过除气网，经导管进入右边的锂区域，然后通过出口回到锂回路；而气体被除气网处的表面张力阻止，向上经迷宫式的惯性分离结构，进一步除去夹杂的液滴，最后通过导管进入右边的气体区域[13]。该分离器的特点是采用离心分离、惯性分离、过滤分离结合的分离方式，具有气液分离和储气功能。由于不清楚它的结构尺寸、工作原理，所以不选其作为参考模型。

图5 气体捕集器示意图[12]

图6 Rockwell气液分离器示意图[13]

2.6 SP100气液分离器

SP100是美国NASA研究的锂冷空间核反应堆电源。Choe等[14]人设计了用于SP100除氦的分离器，如图7。分离器呈纺锤形，工作初期锂回路内氦含量低，主要通过吸附使氦扩散到储气网内的氩气泡；锂中的氦饱和形成气泡后，要靠过滤网将尺寸≥200μm的气泡过滤掉，同时流体在导叶作用下形成旋流，使气泡向储气网内部聚集，并通过表面张力将氦封存在储气网内，锂在离心力作用下通过过滤网，经恢复导叶矫直流作用流出分离器[14]。

该分离器特点是采用吸附、过滤分离、离心分离结合的分离方式，具有气液分离和储气的功能。因为文献描述它的结构尺寸、工作原理等较详细，所以可选其作参考模型。还可参考其加工材料铌合金（PWC-11），属于难熔金属合金，其他难熔金属合金如钼合金、钽合金、钨合金，都耐高温，但还需要开展工艺研究，如实际工况下锂对难熔金属合金的浸润性研究以及锂与难熔金属合金的相容性研究。

2.7 俄罗斯的放射性氦分离器

科罗廖夫能源火箭航天集团的人员设计了用于锂冷空间堆的气液分离器。如图8所示，气体过滤器6是毛细管结构，使超过其毛细管尺寸的气泡留在分离器中。毛细管组件8为体积补偿器用于补偿锂的体积变化，8的每个毛细管都通过孔9彼此连通，并通过9与毛细结构4连通。气腔7和8内未填充锂的部分为氩气。启动时，整个回路（包括分离器）的锂熔化，温度升高，体积增加，膨胀后通过4经9进入8。运行时，含氦的锂经入口2进入，被毛细管密封件5阻止进入7和8，由4引导至6经出口3流出。氦在锂中的扩散长度很小，锂释放氦的时间常数也很小（约0.3s），所以分离器需足够长（约2m），使锂在4中停留时间长于此时间，锂中的氦可被7和8内的氩气充分吸附[15]。

该分离器特点是采用了吸附、过滤分离结合的分离方式，具有气液分离、气体储存、体积补偿功能。研究人员还开展了相关的锂回路（973~1073K）试验研究，但由于不清楚它的结构尺寸、工作原理，所以不选其作参考模型。

3 结束语

（1）锂冷空间堆气液分离器的研究设计，可选择SP100气液分离器作为设计参考模型。

（2）以SP100气液分离器为参考模型，对分离器进行研究设计，可先开展水回路模拟试验，作为前期的研究方法。

（3）以SP100气液分离器为参考模型，对分离器进行研究设计，其主体材料可采用耐高温的难熔金属合金。

图7 SP100气液分离器示意图[14]

图8 放射性氦分离器示意图[15]