熱管冷卻反應(yīng)堆動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案探討

錢勇 侯明軍 倪劍 周勇 田瑞青 覃小文

(東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

熱管是20世紀60年代美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)發(fā)明的一種傳熱元件[1]，通過管內(nèi)工質(zhì)的相變，利用工質(zhì)汽化和冷凝的高潛熱及毛細抽吸原理，無需外界動力就可以實現(xiàn)熱量傳遞。熱管冷卻反應(yīng)堆是采用熱管將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量傳導至二回路系統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)堆，熱管由蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū)組成，熱管傳熱的優(yōu)勢有[2]：1)非能動性，不需要用泵驅(qū)動；2)傳熱能力強；3)蒸發(fā)和冷凝在通道內(nèi)分開，可以通過單獨改變換熱面積增減熱流密度；4)傳熱過程壓降、溫降??；5)傳熱系統(tǒng)可靠性高。

2012年，LANL與美國國家航天局的格倫研究中心(GRC)成功開展了熱管冷卻反應(yīng)堆的帶核試驗，采用斯特林電機與熱管冷卻反應(yīng)堆芯實現(xiàn)帶核發(fā)電，并進一步開展了千瓦級熱管冷卻反應(yīng)堆的運行特性研究，證實了反應(yīng)堆運行特性符合預(yù)期[3]。我國在小型核動力系統(tǒng)方面的研究起步較晚，目前我國幾家科研單位正在積極開展熱管冷卻反應(yīng)堆的概念設(shè)計及地面原理樣機試驗研究。熱管冷卻反應(yīng)堆運行特性簡單，體積小，重量輕，可長時間提供可觀的功率，在深空探測與推進、深海航行器、陸基核電源等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

1 熱管冷卻反應(yīng)堆熱電轉(zhuǎn)換方式

熱管將反應(yīng)堆的熱量傳遞給二回路后還需要配置相應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。目前常用的有兩種熱電轉(zhuǎn)換方式：

(1)直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，沒有機械轉(zhuǎn)動部件，是一種靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式，常見的靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式有溫差發(fā)電、熱離子發(fā)電、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換、磁流體發(fā)電等。

(2)二回路動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為機械能，再通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，是一種動態(tài)轉(zhuǎn)換方式，常用的動態(tài)轉(zhuǎn)換方式包括布雷頓循環(huán)，朗肯循環(huán)和斯特林循環(huán)，二回路動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案是本文討論的重點。不同熱電轉(zhuǎn)換方式性能對比見表1。

表1 不同熱電轉(zhuǎn)換方式性能對比(核反應(yīng)堆用)[4～9]Table 1 Property comparison of different heat-electricity conversion modes (used for nuclear reactor)

2 斯特林循環(huán)動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

斯特林發(fā)動機又稱為熱氣機，是一種外部加熱的封閉式活塞發(fā)動機，具有適用熱源范圍廣、效率高、超發(fā)能力強、噪音低、維修簡單等優(yōu)點，在太陽能光熱、原子能、化學能、生物質(zhì)能等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在熱管冷卻反應(yīng)堆上應(yīng)用時，動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案如圖1所示。斯特林發(fā)動機依靠外部熱源對熱膨脹氣缸中的工質(zhì)持續(xù)加熱，使其升溫升壓，推動活塞做功。在太陽能光熱應(yīng)用領(lǐng)域，3～30 kW功率等級斯特林發(fā)動機已被成功地應(yīng)用于小規(guī)模商業(yè)化太陽能熱發(fā)電站，其熱電轉(zhuǎn)換效率超過30%；在常規(guī)潛艇上，100 kW功率等級斯特林發(fā)動機有相應(yīng)應(yīng)用；在空間核反應(yīng)堆電源應(yīng)用領(lǐng)域，美國LANL研發(fā)的kilopower核電源(見圖2)采用鈉熱管進行堆芯冷卻，動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用斯特林發(fā)動機進行熱電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率為25%，輸出電功率為1 kW[10]。從資料看，斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，成熟可靠，效率較高，但目前使用的功率等級相對較小，基本小于100 kW。

圖1 熱管冷卻反應(yīng)堆斯特林動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Figure 1 Stirling power conversion system of heat pipe cooled reactor

圖2 kilopower核電源示意圖Figure 2 Kilopower nuclear power

3 布雷頓動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

布雷頓循環(huán)是一種使用氣體作為工作介質(zhì)的熱力學循環(huán)，其優(yōu)點為設(shè)備體積小、系統(tǒng)效率高、運行成本低等。由于循環(huán)過程無相變，系統(tǒng)無冷凝器及水處理設(shè)備，輔助系統(tǒng)少。布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可采用閉式循環(huán)或開式循環(huán)，廣泛應(yīng)運用于核能發(fā)電、艦船發(fā)電系統(tǒng)、余熱利用、化石燃料電廠、太陽能熱發(fā)電、地熱發(fā)電、高溫燃料電池、燃氣聯(lián)合循環(huán)等多個領(lǐng)域。

3.1 閉式布雷頓動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

閉式布雷頓循環(huán)氣體工質(zhì)先后經(jīng)過等熵壓縮、等壓吸熱、等熵膨脹、等壓冷卻四個過程實現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)化，尤其當工質(zhì)處于超臨界狀態(tài)時，避免工質(zhì)相態(tài)改變，減少壓縮功的消耗，系統(tǒng)效率較高[11]，圖3所示為熱管冷卻反應(yīng)堆閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。當前的布雷頓循環(huán)功率高于100 kW時，布雷頓循環(huán)比斯特林循環(huán)具備更小的比重，更適用于大功率反應(yīng)堆動態(tài)能量轉(zhuǎn)換[12]。

圖3 熱管冷卻反應(yīng)堆閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)Figure 3 Closed Brayton cycle system of heat pipe cooled reactor

超臨界二氧化碳(S-CO2)與氦氣(He)作為閉式布雷頓循環(huán)的常用工作介質(zhì)，其效率對比曲線見圖4，從圖中可以看出，在低溫段，S-CO2布雷頓循環(huán)效率明顯高于He布雷頓循環(huán)。國內(nèi)外針對采用S-CO2、He作為工質(zhì)的地面閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電研究較多，且部分研究單位已完成不同功率等級樣機發(fā)電測試[13-14]。美國10 MW等級S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電設(shè)備見圖5。在空間核電源應(yīng)用領(lǐng)域，為了有效減小管道與換熱器尺寸，降低壓氣機與透平級數(shù)[15]，綜合了He與氙(Xe)兩種工質(zhì)的優(yōu)點，采用一定配比的He-Xe混合氣體作為循環(huán)工質(zhì)，犧牲一定效率，達到減小整個系統(tǒng)尺寸與重量的目的，相關(guān)科研單位正在進行理論研究及樣機研制。

圖4 S-CO2與He布雷頓循環(huán)效率對比Figure 4 Brayton cycle efficiency comparison between supercritical CO2 and He

圖5 美國10 MW等級S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電設(shè)備Figure 5 10 MW Brayton cycle power generation device with supercritical CO2 made by US

閉式布雷頓循環(huán)主設(shè)備壓氣機透平的軸端密封是關(guān)鍵技術(shù)之一。為減小軸端泄漏損失，兆瓦級以下的布雷頓循環(huán)動力裝置一般采用發(fā)電機中置，兩端分別懸掛壓氣機、透平葉輪結(jié)構(gòu)，采用氣體箔軸承或電磁軸承等部件整體裝配在一個完全密閉缸體中的TAC方案，為避免高密度工作介質(zhì)在發(fā)電機腔室內(nèi)產(chǎn)生較大的鼓風損失，需采用動密封使系統(tǒng)形成一個密閉的低壓腔室，以解決軸承密封、潤滑和冷卻問題，同時減小鼓風損失，但實際上樣機測試時基本都存在泄漏量大、鼓風損失嚴重、機組出力不足的現(xiàn)象[16]。兆瓦級以上的布雷頓循環(huán)動力裝置軸端密封基本都采用干氣密封，見圖6，其運行中面臨S-CO2實際氣體臨界點附近非線性物性、多相凝結(jié)流動和端面摩擦、高溫腐蝕等問題，干氣密封的可靠性對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，需要進一步針對干氣密封進行關(guān)鍵技術(shù)突破，特別是高溫應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6 干氣密封示意圖Figure 6 Dry gas seal

3.2 開式布雷頓動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

基于簡單開式布雷頓循環(huán)的熱管反應(yīng)堆系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、固有安全、泄漏風險低等特點[17]。熱管冷卻反應(yīng)堆開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖見圖7。目前國內(nèi)外針對采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)500 kW等級、1.5 MW等級及10 MW等級的壓縮空氣儲能示范工程均已建成[18]，中鹽金壇60 MW鹽穴壓縮空氣儲能示范項目也即將進行商業(yè)運行。開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60 MW等級透平實物圖見圖8。國內(nèi)采用常規(guī)補燃、非補燃的空氣布雷頓循環(huán)已實現(xiàn)了壓縮空氣儲能技術(shù)由理論研究階段向示范驗證階段的突破。

圖7 熱管冷卻反應(yīng)堆開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖Figure 7 Open Brayton cycle system of heat pipe cooled reactor

圖8 開式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)60 MW等級透平實物圖Figure 8 60 MW turbine machine with open Brayton cycle system

據(jù)報道，美國正與LANL合作開發(fā)名為eVinci的新一代熱管反應(yīng)堆，采用開式布雷頓循環(huán)，電功率0.2～5 MW，整個發(fā)電系統(tǒng)可采用集裝箱運輸，用于山區(qū)、極地礦區(qū)、高原等分散式發(fā)電市場需求。美國地面移動核電源示意見圖9[19]。俄羅斯也在實施小型核電站試點項目，這些模塊化設(shè)備計劃安裝在重型汽車或雪橇上，首先用于開發(fā)北極任務(wù)。國內(nèi)相關(guān)科研單位也在針對采用空氣為工作介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)核電源，功率等級0.2～1 MW，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)具有明顯優(yōu)勢，系統(tǒng)壓力相對較低，沒有密封技術(shù)問題，技術(shù)難度相對較低。隨著國內(nèi)微型燃機的技術(shù)突破，氣浮軸承、高速永磁電機、高效緊湊回熱器研制取得了很大進步，將這些技術(shù)應(yīng)用到開式布雷頓循環(huán)地面移動核電源二回路具有技術(shù)可行性。Capston公司的微型燃機典型結(jié)構(gòu)見圖10，開式布雷頓循環(huán)移動核電源二回路主設(shè)備與微型燃機的主要區(qū)別在于沒有燃燒室，熱量來自于反應(yīng)堆，透平入口初溫低于微型燃機，回熱器可能需要外置。

圖9 美國地面移動核電源示意Figure 9 Mobile nuclear power on land made by US

圖10 Capston公司C200型微型燃機Figure 10 C200 micro gas turbine made by Capston Company

4 朗肯動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

大型核電站均采用朗肯循環(huán)，技術(shù)成熟、可靠，目前關(guān)于微小型核堆的研發(fā)集中在海洋浮動平臺、破冰船、深海航行器等應(yīng)用領(lǐng)域，功率等級0.2～100 MW。典型的熱管冷卻反應(yīng)堆朗肯循環(huán)系統(tǒng)見圖11。海洋浮動平臺、破冰船機組功率相對較大，采用常規(guī)轉(zhuǎn)速，主要需要解決的問題是輕量化、小型化設(shè)計，考慮傾斜、搖擺、沖擊等各種海洋工況機組可靠性。深海航行器則對整個動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的體積、重量、集成性、可靠性提出更高要求，同時對機組的海洋工況要求更為苛刻，為了減小汽輪發(fā)電機組體積，兆瓦級深海航行器用汽輪發(fā)電機組，建議采用高速汽輪機與發(fā)電機直連、軸向排汽結(jié)構(gòu)，減小汽輪機組結(jié)構(gòu)尺寸及重量，同時可顯著提高機組效率[20]，如圖12所示。高速汽輪發(fā)電機組可采用電磁軸承以取消油系統(tǒng)，目前已有相關(guān)科研單位在研制高速磁懸浮蒸汽透平，部分已完成樣機試驗，關(guān)于電磁軸承的海洋工況適應(yīng)性還有待進一步研究驗證。

圖11 熱管冷卻反應(yīng)堆朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖Figure 11 Rankine cycle system of heat pipe cooled reactor

圖12 兆瓦級軸排汽輪機示意圖Figure 12 MW level gas turbine with axial exhaust structure

5 結(jié)論

熱管冷卻反應(yīng)堆具有運行特性簡單、體積小、重量輕的優(yōu)點，在深空探測與推進、深海航行器、陸基核電源等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，其動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配置建議如下：

(1)100 kW功率等級以下的深空探測與推進熱管冷卻反應(yīng)堆建議采用斯特林循環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡單，成熟可靠，循環(huán)效率較高。

(2)100 kW功率等級以上的深空探測與推進熱管冷卻反應(yīng)堆建議采用He-Xe作為循環(huán)工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)，設(shè)備具有比重??；100 kW功率等級以上固定陸基核電源建議采用S-CO2作為循環(huán)工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)，其效率最高；0.2～1 MW移動陸基核電源建議采用空氣為介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)，技術(shù)相對成熟，輔助系統(tǒng)簡單。

(3)兆瓦級深海航行器建議采用朗肯循環(huán)，采用高速汽輪機與發(fā)電機直連、軸向排汽結(jié)構(gòu)，減小汽輪機組結(jié)構(gòu)尺寸及重量，同時顯著提高機組效率。