張東旭 趙民富 梁 朋

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

1 概述

鈉冷快堆作為第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（GIF）提出的下一代核反應(yīng)堆的六種堆型之一，其研究進(jìn)展最快，技術(shù)最成熟，工程經(jīng)驗(yàn)最豐富的，是最接近滿足商業(yè)核電廠需要的堆型，快堆技術(shù)的發(fā)展，對(duì)我國(guó)核能的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。到目前為止，鈉冷快堆的動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仍然是基于水和水蒸汽介質(zhì)的朗肯循環(huán)，而由此帶來的鈉水反應(yīng)問題成為鈉冷快堆中最主要的安全問題之一。為了避免鈉水反應(yīng)對(duì)堆芯的影響，鈉冷快堆需設(shè)置中間回路及鈉水反應(yīng)事故保護(hù)系統(tǒng)，大大增加了鈉冷快堆的建造成本和運(yùn)行成本。

為了滿足第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，在快堆技術(shù)的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)技術(shù)概念，其中超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的動(dòng)力轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。相比目前工業(yè)界常用的水和水蒸汽的朗肯循環(huán)，超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有循環(huán)效率高、設(shè)備體積小的特點(diǎn)，能減小系統(tǒng)體積、設(shè)備數(shù)量和建造、維護(hù)成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)性，因而具有廣泛的應(yīng)用前景，是目前國(guó)內(nèi)外研究的前沿和熱點(diǎn)。將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用于鈉冷快堆，可以從根本上消除鈉水反應(yīng)帶來的安全問題[3-6]。

美國(guó)早在20 世紀(jì)50、60 年代就研究了超臨界二氧化碳用于核反應(yīng)堆的可行性，并提出了一些初步概念，但是由于熱交換器和回?zé)崞鞯墓β瘦^大，受限于當(dāng)時(shí)的工業(yè)技術(shù)和高能換熱器設(shè)計(jì)制造水平，要達(dá)到換熱功率，換熱器要制作的相當(dāng)大，這一方案被迫放棄[7]。隨著20 世紀(jì)90 年代高性能換熱器設(shè)計(jì)制造技術(shù)的突破，美國(guó)從21 世紀(jì)初重新開始了超臨界二氧化碳用于核反應(yīng)堆系統(tǒng)的研究[8]。

適用于高溫高壓等苛刻條件的高效緊湊式換熱器是超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前選用印刷電路板式熱交換器[9]。印刷電路板換熱器（PCHE）已廣泛應(yīng)用于海洋油氣處理、浮式液化天然氣裝置，并且適用于耐高溫高壓等苛刻條件，在新一代核電領(lǐng)域、光電發(fā)熱領(lǐng)域、氫能領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。PCHE 的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等成套技術(shù)已被英國(guó)Heatric公司壟斷近30 年，雖然近些年瑞典阿法拉伐公司、日本神鋼、美國(guó)桑迪亞研究中心聯(lián)合真空擴(kuò)散焊公司VPE 等陸續(xù)推出PCHE 產(chǎn)品，但有關(guān)傳熱與流動(dòng)設(shè)計(jì)等核心技術(shù)仍處于保密狀態(tài)。國(guó)內(nèi)近年來也有多家研究單位開展了PCHE 的研制工作，但大多為兩側(cè)同種工質(zhì)，在“第四代核能系統(tǒng)鈉冷快堆關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作研發(fā)”項(xiàng)目中,原子能院考慮到鈉和二氧化碳物性和流動(dòng)傳熱特性的巨大差異，專門設(shè)計(jì)制造了我國(guó)首臺(tái)鈉- 二氧化碳熱交換器樣機(jī)，換熱功率為50kW，并搭建了超臨界二氧化碳試驗(yàn)回路和鈉試驗(yàn)回路，進(jìn)行了熱交換器樣機(jī)的性能測(cè)試。

2 鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器樣機(jī)介紹

鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器選用印刷電路板式，由于熱交換器運(yùn)行在高溫高壓下，且二氧化碳側(cè)的傳熱能力較差，為滿足傳熱性能要求，二氧化碳側(cè)換熱板采用蝕刻出半圓形通道；鈉側(cè)傳熱能力強(qiáng)，但是如果通道過小，會(huì)出現(xiàn)阻塞問題，通過擴(kuò)大鈉側(cè)流道面積避免出現(xiàn)阻塞問題，采用兩塊蝕刻板拼接成圓形通道方式擴(kuò)大通道面積。采用兩層二氧化碳側(cè)換熱板與一層鈉側(cè)換熱板交替布置方式，通過擴(kuò)散焊技術(shù)焊接成芯體。每層二氧化碳換熱板上有26 個(gè)直徑為1.5mm 的半圓形通道；鈉換熱板上有40 個(gè)直徑為4mm 的圓形通道。最終裝配完成的熱交換器樣機(jī)實(shí)物如圖1 所示。

表1 熱交換器的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 加工完成后的熱交換器樣機(jī)

3 試驗(yàn)裝置介紹

鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器兩側(cè)的工質(zhì)分別是鈉和二氧化碳，在給定的工況下實(shí)現(xiàn)鈉和二氧化碳的能量交換。分別控制鈉回路和二氧化碳回路達(dá)到熱交換器入口參數(shù)要求，圖2 為熱交換器試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖。

3.1 鈉回路介紹

鈉回路由電磁泵、截止閥、電磁流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、預(yù)熱器、空冷器等組成。試驗(yàn)回路中的鈉由電磁泵驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，流量可通過電磁泵調(diào)頻方式、旁路調(diào)節(jié)閥控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，由電磁流量計(jì)測(cè)得通過熱交換器的流量值。進(jìn)入熱交換器的溫度由預(yù)熱器調(diào)節(jié)，預(yù)熱器采用電加熱棒加熱，將鈉的溫度加熱至熱交換器的試驗(yàn)溫度值，在熱交換器內(nèi)與冷側(cè)的二氧化碳進(jìn)行熱量交換。流出熱交換器的鈉溫依然高于電磁泵所要求的運(yùn)行溫度，需要通過空冷器冷卻后再返回到電磁泵入口，完成一次循環(huán)如表2。

鈉回路新建支路需要對(duì)支路流量進(jìn)行測(cè)量；預(yù)熱器進(jìn)口、熱交換器熱側(cè)進(jìn)口、空冷器進(jìn)出口各布1 只熱電偶，對(duì)鈉的溫度進(jìn)行測(cè)量；熱交換器外側(cè)，沿鈉、二氧化碳流動(dòng)方向分別布置熱電偶，通過測(cè)量外壁溫，推算鈉和二氧化碳沿流動(dòng)方向上溫度的變化。在電磁泵出口和緩沖罐頂部各布置一個(gè)壓力傳感器，用于測(cè)量系統(tǒng)壓力，一個(gè)差壓傳感器布置在熱交換器樣機(jī)鈉側(cè)的進(jìn)出口側(cè)，用于測(cè)量熱交換器鈉側(cè)進(jìn)出口的壓降。

3.2 超臨界二氧化碳試驗(yàn)裝置介紹

超臨界二氧化碳流動(dòng)傳熱特性試驗(yàn)裝置為高溫、高壓試驗(yàn)裝置，流動(dòng)工質(zhì)為二氧化碳。該裝置由試驗(yàn)系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3 所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)由主回路循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、抽真空及注液系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，二氧化碳工質(zhì)從由儲(chǔ)液罐流出，通過柱塞泵升壓后壓力達(dá)到試驗(yàn)所需值，通過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥門的開度，將流過試驗(yàn)段的流量調(diào)整到所需值。工質(zhì)進(jìn)入預(yù)熱器前先進(jìn)入回?zé)崞?，利用試?yàn)段出來的高溫工質(zhì)對(duì)其進(jìn)行加熱，將預(yù)熱器入口溫度提升至一定值，從而降低預(yù)熱器功率。工質(zhì)通過預(yù)熱器加熱，溫度升至熱交換器入口所需值，由高溫側(cè)的鈉對(duì)其進(jìn)一步加熱。高溫工質(zhì)流出熱交換器后進(jìn)入回?zé)崞鲗⒁徊糠譄崃總鬟f給低溫側(cè)的工質(zhì)，溫度降低?？紤]到即使通過回?zé)崞骱蠊べ|(zhì)的溫度有所降低，但是回?zé)崞鞒隹跍囟纫廊槐容^高，采用水冷可能導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，選用空氣介質(zhì)冷卻方式，冷卻器選用空氣冷卻器。工質(zhì)被空氣冷卻器冷卻后經(jīng)過節(jié)流件和調(diào)壓閥門的調(diào)節(jié)降壓后，通過水冷冷卻器進(jìn)一步冷卻后，使溫度降低到泵入口溫度后進(jìn)入儲(chǔ)液罐，完成一次循環(huán)?；芈废到y(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的壓力波動(dòng)由主回路循環(huán)系統(tǒng)中的穩(wěn)壓器來吸收和維持穩(wěn)定。

圖2 熱交換器樣機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)

表2 鈉回路新建支路主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

熱交換器作為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用于鈉冷快堆的關(guān)鍵設(shè)備，一直都是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。中國(guó)原子能科學(xué)研究設(shè)計(jì)制造的鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器樣機(jī)，換熱功率為50kW，并搭建了試驗(yàn)裝置進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)。本文對(duì)熱交換器樣機(jī)和試驗(yàn)裝置進(jìn)行了介紹，為后續(xù)相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)，也可為其他相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)架的建設(shè)提供參考。