鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器樣機性能驗證試驗裝置簡介

張東旭 趙民富 梁 朋

（中國原子能科學研究院，北京102413）

1 概述

鈉冷快堆作為第四代核能系統國際論壇（GIF）提出的下一代核反應堆的六種堆型之一，其研究進展最快，技術最成熟，工程經驗最豐富的，是最接近滿足商業核電廠需要的堆型，快堆技術的發展，對我國核能的可持續發展具有重要意義[1-2]。到目前為止，鈉冷快堆的動力轉換系統仍然是基于水和水蒸汽介質的朗肯循環，而由此帶來的鈉水反應問題成為鈉冷快堆中最主要的安全問題之一。為了避免鈉水反應對堆芯的影響，鈉冷快堆需設置中間回路及鈉水反應事故保護系統，大大增加了鈉冷快堆的建造成本和運行成本。

為了滿足第四代先進核能系統對經濟性和安全性的要求，在快堆技術的發展過程中，涌現出許多先進技術概念，其中超臨界二氧化碳布雷頓循環系統被認為是最具應用前景的動力轉換技術之一。相比目前工業界常用的水和水蒸汽的朗肯循環，超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環熱電轉換系統具有循環效率高、設備體積小的特點，能減小系統體積、設備數量和建造、維護成本，顯著提高經濟性，因而具有廣泛的應用前景，是目前國內外研究的前沿和熱點。將超臨界二氧化碳布雷頓循環應用于鈉冷快堆，可以從根本上消除鈉水反應帶來的安全問題[3-6]。

美國早在20 世紀50、60 年代就研究了超臨界二氧化碳用于核反應堆的可行性，并提出了一些初步概念，但是由于熱交換器和回熱器的功率較大，受限于當時的工業技術和高能換熱器設計制造水平，要達到換熱功率，換熱器要制作的相當大，這一方案被迫放棄[7]。隨著20 世紀90 年代高性能換熱器設計制造技術的突破，美國從21 世紀初重新開始了超臨界二氧化碳用于核反應堆系統的研究[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電系統工程應用的基礎，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，在新一代核電領域、光電發熱領域、氫能領域展現出廣泛的應用前景。PCHE 的設計、制造、維護等成套技術已被英國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、美國桑迪亞研究中心聯合真空擴散焊公司VPE 等陸續推出PCHE 產品，但有關傳熱與流動設計等核心技術仍處于保密狀態。國內近年來也有多家研究單位開展了PCHE 的研制工作，但大多為兩側同種工質，在“第四代核能系統鈉冷快堆關鍵技術國際合作研發”項目中,原子能院考慮到鈉和二氧化碳物性和流動傳熱特性的巨大差異，專門設計制造了我國首臺鈉- 二氧化碳熱交換器樣機，換熱功率為50kW，并搭建了超臨界二氧化碳試驗回路和鈉試驗回路，進行了熱交換器樣機的性能測試。

2 鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器樣機介紹

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

表1 熱交換器的設計參數

圖1 加工完成后的熱交換器樣機

3 試驗裝置介紹

鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器兩側的工質分別是鈉和二氧化碳，在給定的工況下實現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到熱交換器入口參數要求，圖2 為熱交換器試驗系統流程圖。

3.1 鈉回路介紹

鈉回路由電磁泵、截止閥、電磁流量計、調節閥、預熱器、空冷器等組成。試驗回路中的鈉由電磁泵驅動流動，流量可通過電磁泵調頻方式、旁路調節閥控制方式進行調節，由電磁流量計測得通過熱交換器的流量值。進入熱交換器的溫度由預熱器調節，預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溫度值，在熱交換器內與冷側的二氧化碳進行熱量交換。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，完成一次循環如表2。

鈉回路新建支路需要對支路流量進行測量；預熱器進口、熱交換器熱側進口、空冷器進出口各布1 只熱電偶，對鈉的溫度進行測量；熱交換器外側，沿鈉、二氧化碳流動方向分別布置熱電偶，通過測量外壁溫，推算鈉和二氧化碳沿流動方向上溫度的變化。在電磁泵出口和緩沖罐頂部各布置一個壓力傳感器，用于測量系統壓力，一個差壓傳感器布置在熱交換器樣機鈉側的進出口側，用于測量熱交換器鈉側進出口的壓降。

3.2 超臨界二氧化碳試驗裝置介紹

超臨界二氧化碳流動傳熱特性試驗裝置為高溫、高壓試驗裝置，流動工質為二氧化碳。該裝置由試驗系統、儀表系統、控制系統、電氣系統等組成。試驗裝置的設計參數如表3 所示。

試驗系統由主回路循環系統、加熱系統、冷卻系統、抽真空及注液系統等子系統組成。系統運行時，二氧化碳工質從由儲液罐流出，通過柱塞泵升壓后壓力達到試驗所需值，通過穩壓器穩壓后，經過調節閥門的開度，將流過試驗段的流量調整到所需值。工質進入預熱器前先進入回熱器，利用試驗段出來的高溫工質對其進行加熱，將預熱器入口溫度提升至一定值，從而降低預熱器功率。工質通過預熱器加熱，溫度升至熱交換器入口所需值，由高溫側的鈉對其進一步加熱。高溫工質流出熱交換器后進入回熱器將一部分熱量傳遞給低溫側的工質，溫度降低。考慮到即使通過回熱器后工質的溫度有所降低，但是回熱器出口溫度依然比較高，采用水冷可能導致熱應力過大，選用空氣介質冷卻方式，冷卻器選用空氣冷卻器。工質被空氣冷卻器冷卻后經過節流件和調壓閥門的調節降壓后，通過水冷冷卻器進一步冷卻后，使溫度降低到泵入口溫度后進入儲液罐，完成一次循環。回路系統在運行過程中產生的壓力波動由主回路循環系統中的穩壓器來吸收和維持穩定。

圖2 熱交換器樣機性能試驗系統

表2 鈉回路新建支路主要設計參數

表3 試驗裝置設計參數

4 結論

熱交換器作為超臨界二氧化碳布雷頓循環應用于鈉冷快堆的關鍵設備，一直都是國內外研究的熱點。中國原子能科學研究設計制造的鈉- 超臨界二氧化碳熱交換器樣機，換熱功率為50kW，并搭建了試驗裝置進行性能驗證試驗。本文對熱交換器樣機和試驗裝置進行了介紹，為后續相關工作奠定了基礎，也可為其他相關試驗臺架的建設提供參考。