來(lái)源：清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）

作者：李衍智，都家宇，吳莘馨，孫立斌，閔琪

摘要：在碳中和大背景下，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為世界能源體系發(fā)展的大趨勢(shì)。核能能夠有效填補(bǔ)煤炭減退過(guò)程中的電力及熱力缺口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力和供熱領(lǐng)域的低碳化，具有布局靈活、應(yīng)用廣泛、不受氣候環(huán)境和市場(chǎng)供應(yīng)影響等優(yōu)點(diǎn)，是保障國(guó)家能源安全的重要手段。熱管是一種非能動(dòng)的高效換熱元件，具有運(yùn)行溫溫度范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空航天、能源和化工等多領(lǐng)域。熱管多領(lǐng)域、多尺度、多環(huán)節(jié)地服務(wù)核工業(yè)，在先進(jìn)核能發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用。該文對(duì)先進(jìn)核能概念設(shè)計(jì)和先進(jìn)核能應(yīng)用中的熱管技術(shù)進(jìn)行了綜述，詳細(xì)闡述了高溫金屬熱管和熱管冷卻反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)概念和應(yīng)用前景，介紹了核安全設(shè)施和核能城市服務(wù)設(shè)施中的的熱管，并提出先進(jìn)熱管技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：熱管;先進(jìn)核能技術(shù);熱管冷卻反應(yīng)堆;碳中和

熱管是一種典型的非能動(dòng)換熱元件，由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成。熱管運(yùn)行時(shí)，處于蒸發(fā)沒(méi)的液態(tài)工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)為氣態(tài)，由溫度差產(chǎn)生的密度梯度驅(qū)動(dòng)向冷凝段移動(dòng)，隨后在冷凝段釋放熱量凝結(jié)為液體，再由重力或者毛細(xì)力作用沿管壁流回蒸發(fā)段。

熱管運(yùn)行的溫度范圍為-60~2 300℃。在高于450℃環(huán)境下工作的執(zhí)管通常被稱為高溫執(zhí)管，工質(zhì)主要為鋰、鈉、鉀、銀和鈉鉀合金等金屬。運(yùn)行工況為250~450℃的熱管被稱為中溫?zé)峁?，工質(zhì)主要為汞和熔融鹽等”。在低于250℃環(huán)境下工作的熱管被稱為低溫?zé)峁?，常?jiàn)工質(zhì)為水、乙醇、FC-72 和R-134a等。

熱管自問(wèn)世以來(lái)，在航空航天、能源、化工和電子等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，由多種熱管組成的熱管散熱系統(tǒng)6-1通過(guò)輻射散熱、對(duì)流散熱等方式滿足航空/航天器多尺度、多功能的散熱需求。在太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，熱管式太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能光伏板可以在極端氣候條件下運(yùn)行，有效提高了集熱效率。在工業(yè)領(lǐng)域，熱管式換熱器應(yīng)用于煉油裝置、空調(diào)系統(tǒng)、礦井回風(fēng)、制氫轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱和鍋爐煙氣/廢熱回收。在電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域，熱管循環(huán)冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)狹小空間的高效散熱，與傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)相比，有效增強(qiáng)中央處理器(central processingunit,CPU)等微小設(shè)備的散熱。微型熱管、嵌人式熱管和重力輔助熱管集成的數(shù)據(jù)設(shè)備冷卻系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)設(shè)備冷卻和余熱回收系統(tǒng)連接在一起，具有廣闊的節(jié)能潛力和發(fā)展前景。

1 熱管在先進(jìn)核能技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)

核能可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力低碳化和供熱低碳化。在保證能源安全的前提下，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源有序退出，保障碳中和目標(biāo)按計(jì)劃完成。熱管的特點(diǎn)與核能的安全設(shè)計(jì)理念相契合，熱管在核電設(shè)計(jì)由得到廣泛應(yīng)用。圖1展示了不同溫度下，熱管在核能領(lǐng)域的應(yīng)用，表明熱管在先進(jìn)核能技術(shù)中的重要地位和應(yīng)用前景。目前，熱管主要應(yīng)用在核電/動(dòng)力系統(tǒng)、核安全設(shè)施和核能城市服務(wù)設(shè)施等核工業(yè)領(lǐng)域。隨著熱管技術(shù)的不斷完善，熱管還將為高溫制氫、煤氣化和油砂開(kāi)采等其他工業(yè)領(lǐng)域，提供安全、長(zhǎng)期、高效的供熱和冷卻支持。熱管多領(lǐng)域、多尺度、多環(huán)節(jié)服務(wù)核工業(yè)，為先進(jìn)核能發(fā)展發(fā)揮了不可替代的作用。本文綜述了先進(jìn)核能應(yīng)用中的熱管技術(shù)，詳細(xì)闡述了高溫金屬熱管和熱管冷卻反應(yīng)堆的研究現(xiàn)狀，介紹了核安全設(shè)施和核能城市服務(wù)設(shè)施中的熱管應(yīng)用情況，探討了核領(lǐng)域未來(lái)熱管技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖1核能領(lǐng)域的熱管應(yīng)用

2 熱管冷卻反應(yīng)堆

高溫金屬熱管內(nèi)部通過(guò)工質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝和白然循環(huán)流動(dòng)過(guò)程將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量非能動(dòng)地傳導(dǎo)至核熱推進(jìn)系統(tǒng)或熱電轉(zhuǎn)換裝置的固態(tài)反應(yīng)堆稱為熱管冷卻反應(yīng)堆。熱管冷卻反應(yīng)堆主要有3個(gè)優(yōu)勢(shì):1)熱管堆是固態(tài)反應(yīng)堆，沒(méi)有傳統(tǒng)的一回路設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單和緊湊，便于運(yùn)輸和存儲(chǔ);2)熱管堆非能動(dòng)地帶出堆芯熱量，從而避免了由強(qiáng)制冷卻損失造成的嚴(yán)重事敵;3)熱管彼此獨(dú)立，即使在單根熱管局部失效的情況下，周圍的熱管仍然正常工作，可有效避免嚴(yán)重事故。

2.1 高溫金屬熱管

金屬工質(zhì)在常溫下呈固態(tài)，啟動(dòng)時(shí)工質(zhì)需要經(jīng)過(guò)由固態(tài)到氣態(tài)的相變，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。啟動(dòng)功率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致執(zhí)管蒸發(fā)段干涸，啟動(dòng)功率過(guò)小則會(huì)受到啟動(dòng)極限限制導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因此，高溫金屬熱管的啟動(dòng)特性研究成為熱管堆設(shè)計(jì)和建造的難點(diǎn)。Zhang 等建立了預(yù)測(cè)熱管的瞬態(tài)性能三階段凍結(jié)啟動(dòng)模型。Teng 等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微小擺動(dòng)條件對(duì)鈉熱管的啟動(dòng)時(shí)間影響較小，而溫度的波動(dòng)隨擺動(dòng)幅度的增大而增大。Wang 等發(fā)現(xiàn)在恒熱流下高溫鉀熱管啟動(dòng)過(guò)程中，水平條件下的熱管啟動(dòng)功率上限較高，輕微傾斜條件下的熱管啟動(dòng)功率下限降低且啟動(dòng)時(shí)間縮短，具有負(fù)傾角的熱管會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)管極限，具有低加熱功率的熱管會(huì)出現(xiàn)黏度極限。盡管引入適當(dāng)不凝性氣體可以減少熱管散熱，加速連續(xù)蒸汽形成，使蒸汽流動(dòng)更平穩(wěn)，但熱管的啟動(dòng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，且不凝性氣體還會(huì)顯著降低熱管的傳熱性能。

在傳熱性能方面，Tian等評(píng)價(jià)了6種金屬工質(zhì)和9種不同吸液芯上的熱管傳熱性能。Sun等研究發(fā)現(xiàn)高溫?zé)峁艿葴靥匦栽诙虝簝A斜時(shí)會(huì)受到破壞，在垂直提升時(shí)變化不大，周期性的擺動(dòng)會(huì)引起相同周期內(nèi)的溫度波動(dòng):冷凝器過(guò)長(zhǎng)時(shí)，熱管在周期性擺動(dòng)條件下更容易失效。Ji等認(rèn)為高真空度是熱管運(yùn)行的先決條件，強(qiáng)毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力和適官的充液率、熱管尺、可以顯著提高高溫金屬執(zhí)管的自適應(yīng)傳熱性能。Tournier 等和趙蔚琳等發(fā)現(xiàn)過(guò)高的執(zhí)管充液率會(huì)產(chǎn)生液體堵塞，而充液率過(guò)低則會(huì)使蒸發(fā)段局部干涸，導(dǎo)致傳熱惡化。

2.2 熱管冷卻反應(yīng)堆設(shè)計(jì)

熱管冷卻反應(yīng)堆的概念最早于 20 世紀(jì) 60 年代被提出。如圖2 所示，熱管冷卻反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)包括燃料棒、熱管、控制鼓/控制棒、反射層、屏蔽層、熱電轉(zhuǎn)換裝置/推進(jìn)裝置和輻射換熱器。其中，熱管冷卻反應(yīng)堆的堆芯為六邊形或圓形，堆芯的外側(cè)與前端面有反射層和屏蔽層，采用旋轉(zhuǎn)控制鼓或控制。棒實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)，熱管導(dǎo)出的熱量通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電或通過(guò)核熱/核電推進(jìn)裝置提供動(dòng)力輸出，多余熱量經(jīng)輻射換熱器排人最終熱阱。

圖2 基于空間核電源的 HP-STMCs 熱管冷卻反應(yīng)堆設(shè)計(jì)示意圖

2000年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory,LANL)首先提出了充滿燃料棒-熱管三角形單元的六角形核心的熱管冷卻反應(yīng)堆方案。隨后，為了適應(yīng)實(shí)際需求，美國(guó)提出了多種基于熱管冷卻反應(yīng)堆的能源設(shè)計(jì)方案，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 1。熱管反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)功率從千瓦級(jí)到兆瓦級(jí)不等。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)功率選擇不同工質(zhì)的高溫?zé)峁軐?dǎo)出堆芯熱量，其中也有以汞為工質(zhì)的中溫?zé)峁芾鋮s反應(yīng)堆2。由于缺乏合適的耐高溫慢化劑材料，熱管堆通常采用快堆堆型設(shè)計(jì)。文「55-56]根據(jù)金屬冷卻熱中子反應(yīng)堆動(dòng)力系統(tǒng) TOPAZII,提出了一種采用氫化鋯慢化的熱管冷卻的熱中子反應(yīng)堆。經(jīng)過(guò)近40a的概念設(shè)計(jì)，熱管冷卻反應(yīng)堆已進(jìn)入原型堆建設(shè)階段。2018 年，LANL宣布完成了千瓦級(jí)熱管堆 KRUSTY 的帶核實(shí)驗(yàn)。2020 年，LANL與西屋公司合作，宣布推進(jìn)熱管冷卻堆 eVinci的商業(yè)化。

表1 熱管冷卻反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)參數(shù)

應(yīng)用于熱管冷卻反應(yīng)堆熱電轉(zhuǎn)換的方式有2種:一種是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換裝置先將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。另一種是靜態(tài)轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換裝置直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，不需要發(fā)電機(jī)，沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，也無(wú)噪聲，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)換。目前研究中接受度較高的熱電轉(zhuǎn)換方式主要是 Stirling 循環(huán)、Brayton 循環(huán)、堿金屬循環(huán)和熱離子循環(huán)。其中，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方案由 Stirling 循環(huán)的效率高，Brayton 循環(huán)的比功率高;在靜態(tài)轉(zhuǎn)換方案中堿金屬循環(huán)的效率高，熱離子循環(huán)的比功率高。

2.3 熱管冷卻反應(yīng)堆應(yīng)用領(lǐng)域

圖3為熱管冷卻反應(yīng)堆在深空、深海和深地的應(yīng)用。核能在可靠性、可持續(xù)性和能量密度等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，核能是開(kāi)展大功率空間任務(wù)的主要能源選擇。

空間核動(dòng)力系統(tǒng)分為4類:空間核熱源系統(tǒng)、空間核電源系統(tǒng)、空間核推進(jìn)系統(tǒng)和雙模式空間核動(dòng)力系統(tǒng)。

航空核動(dòng)力系統(tǒng)具有大載重量、無(wú)限續(xù)航的優(yōu)點(diǎn)。目前航空核動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多為開(kāi)式循環(huán)，空氣直接與堆芯換熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻增加了核燃料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。航空核動(dòng)力系統(tǒng)受重量、體積的限制較為明顯?；跓峁芾鋮s反應(yīng)堆的航天核動(dòng)力裝置可同時(shí)解決這2個(gè)問(wèn)題。隨著核技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)將應(yīng)用于洲際巡航導(dǎo)彈推進(jìn)、無(wú)人機(jī)續(xù)航和核動(dòng)力貨運(yùn)飛機(jī)等領(lǐng)域。

在深海領(lǐng)域，熱管冷卻反應(yīng)堆主要用于無(wú)人水下潛航器。與傳統(tǒng)電源箱比，核動(dòng)力電源具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命和更高的可靠性，是無(wú)人水下潛航器電源非常理想的解決方案。中國(guó)擁有數(shù)量眾多的海島和豐富的海洋資源，未來(lái)基于小堆型的海洋核動(dòng)力平臺(tái)及核動(dòng)力船舶將為海洋資源的開(kāi)發(fā)提供穩(wěn)定的能源供給。

熱管冷卻反應(yīng)堆具有體積小、便于運(yùn)輸和固有安全等特性，有望應(yīng)用于車載核電源和分布式核電源。

3 基于熱管技術(shù)的核設(shè)施

熱管具有冷熱源靈活布置，熱管破裂后冷熱源工質(zhì)不混合以及單根熱管故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行等高安全特性。由于熱管的特性與核設(shè)施的安全設(shè)計(jì)要求相符，熱管已被大量應(yīng)用于核電設(shè)計(jì)。先進(jìn)核電技術(shù)提出了無(wú)需場(chǎng)外應(yīng)急的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有非能動(dòng)特性的熱管系統(tǒng)成為優(yōu)選。

3.1 非能動(dòng)安全系統(tǒng)

非能動(dòng)安全系統(tǒng)是指不依靠外部能源輸入，僅和用自然界自發(fā)現(xiàn)象，如重力、慣性和密度差等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自發(fā)運(yùn)行，從而保證反應(yīng)堆安全的設(shè)施。非能動(dòng)安全系統(tǒng)已成為核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)中的重要組成部分。目前采用熱管設(shè)計(jì)的非能動(dòng)安全系統(tǒng)包括非能動(dòng)應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)、非能動(dòng)乏燃料池冷卻系統(tǒng)、非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)和非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。

Jeong 等提出了基于 APR1400 的熱管型應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)。Kim 和 Bang實(shí)驗(yàn)研究了基于APR1400 的熱管型應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的傳熱極限。Ohashi等研究了基于模塊化 HTR 的衰變熱余熱排出系統(tǒng)。Wang 等設(shè)計(jì)了基于 I2S-LWR的衰變熱余熱排出系統(tǒng)。Choi等設(shè)計(jì)了叉狀熱管式乏燃料池冷卻系統(tǒng)?；鲁妊芯苛嘶诜蛛x式熱管的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的傳熱性能。姜舒婷和鄒文重研究了嚴(yán)重事故下 HPR1000 的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)事故影響分析。Wang 等基于熔鹽堆設(shè)計(jì)了高溫鈉熱管非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。劉逍等設(shè)計(jì)了基于水下無(wú)人航行器的熱管堆與熱電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合的高溫?zé)峁芊悄軇?dòng)余熱排出系統(tǒng)。Hu等研究了小型鉛基反應(yīng)堆中非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的熱管失效問(wèn)題。Xu等實(shí)驗(yàn)研究了低溫供熱堆的熱管型余熱排出系統(tǒng)。Qiao等研究了余熱排出系統(tǒng)換熱水箱的熱管型兩相換熱器的長(zhǎng)期換熱性能。

3.2 熱管空間輻射散熱器

熱管空間散熱器是由熱管和散熱片組成的輻射冷卻系統(tǒng)，具有良好的等溫性、環(huán)境適應(yīng)性、抗碎片沖擊性和防單點(diǎn)失效等特征，被用于航天器的溫度調(diào)節(jié)，是較有前途的空間散熱器。因此熱管空間散熱器在 SPACE-100、JIIMO 和 HP-STMCS等空間核反應(yīng)堆電源設(shè)計(jì)的概念中出現(xiàn)。近年來(lái)，熱管式輻射散熱器成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。由于空間核動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱管空間散熱系統(tǒng)總體還處于概念設(shè)計(jì)階段，進(jìn)一步減小輻射板換熱面積和換熱器質(zhì)量是優(yōu)化設(shè)計(jì)輻射散熱器的研究方向。姚良等設(shè)計(jì)并分析了接觸-導(dǎo)熱式空間輻射散熱器。Lu等設(shè)計(jì)了兆瓦級(jí)空間輻射散熱系統(tǒng)。張昊春等7分析并優(yōu)化了兆瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的熱管式空間輻射散熱系統(tǒng)。張秀等研究并優(yōu)化了空間核電源熱管式輻射散熱器的參數(shù)。

3.3 聚變堆高溫部件散熱

Tokamak 裝置要承受極高的溫度和熱流密度，對(duì)其高溫部件進(jìn)行有效冷卻是實(shí)現(xiàn)持續(xù)聚變反應(yīng)的關(guān)鍵。Kovalenko 等基于空間技術(shù)和國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆(international thermonuclear experimental reactor,ITER)實(shí)踐提出了鈉熱管和水熱管2種冷卻方案，用于受控?zé)岷司圩兊谝槐凇⑵珵V器和電磁驅(qū)動(dòng)限制器的散熱，充分利用熱管適用溫度范圍廣、導(dǎo)熱系數(shù)高、極限熱流密度極高和避免單管失效等優(yōu)點(diǎn)，提高了換熱的可靠性。由于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境可能對(duì)金屬熱管的回流特性產(chǎn)生一定的影響，目前ITER 第一壁的換熱主要采用水冷換熱的方式。

4 基于熱管技術(shù)的核能城市服務(wù)

目前，核能供熱受壓水堆核電站運(yùn)行溫度制約，核能高溫供熱還不普及，因此熱管在核能高溫。供熱領(lǐng)域還未推廣。在核工業(yè)領(lǐng)域，熱管主要應(yīng)用于余熱回收和低溫?fù)Q熱，以提高核能的利用效率。美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Idaho National

Laboratory，INL)指出高溫氣冷堆的高溫?zé)嵩丛跓?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; caret-color: red;">電聯(lián)供、煤氣化、高溫制氫、制氨和化肥合成等有廣泛的應(yīng)用前景。如圖4所示，熱管憑借其較廣的運(yùn)行溫度范圍，可滿足核工業(yè)下游生產(chǎn)中各溫度梯級(jí)的換熱。

圖4 工業(yè)生產(chǎn)溫度需求

4.1 海水淡化

熱管具有高等溫性和冷熱源完全隔離的特點(diǎn)，不僅可有效利用核動(dòng)力反應(yīng)堆產(chǎn)生的大部分余熱生產(chǎn)更多的飲用水，還可以防止輻射和產(chǎn)出水之間的直接接觸，減少海水淡化過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，確保在正常過(guò)程下產(chǎn)出水不受到任何污染。

Hegazy等基于蒸汽發(fā)電廠低熱海水冷卻水設(shè)計(jì)了一種新型的海水淡化系統(tǒng)，在低比能耗(1.0~8.0kW·h kg)下獲得高淡水生產(chǎn)速率(1.5~10.0kg/h)。Tanaka和Park設(shè)計(jì)了基于熱管的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱能海水蒸餾器，實(shí)驗(yàn)表明40%~50%的廢氣熱能可通過(guò)熱管輸送，約35%的廢氣熱能可用于鹽水蒸餾。Gao等84基于熱管和噴霧技術(shù)設(shè)計(jì)了一種單級(jí)真空蒸發(fā)器，有效利用了40~80℃的較低等級(jí)的熱源，實(shí)現(xiàn)了32W/cm²的熱通量。

4.2 區(qū)域供熱

中國(guó)在核能供熱領(lǐng)域具備自主研發(fā)優(yōu)勢(shì)。在供熱反應(yīng)堆方面，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院設(shè)計(jì)建造的殼式低溫核供熱反應(yīng)堆和中國(guó)原子能科學(xué)研究院的49-2 泳池堆均驗(yàn)證了核能供熱的可靠生。在核能熱電聯(lián)供方面，秦山核電站和海陽(yáng)核電站實(shí)現(xiàn)商用核電機(jī)組的區(qū)域供熱，海陽(yáng)市實(shí)現(xiàn)能供熱全覆蓋。在多能供熱方面，文[86]提出了基于動(dòng)力式熱管的多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)。核能供熱必須保證換熱回路間只有熱量的交換而沒(méi)有工質(zhì)的泄露，其換熱回路往往多于傳統(tǒng)供熱方式。文「31]提出多級(jí)式熱泵驅(qū)動(dòng)熱管供熱系統(tǒng)以提高熱能利用效率。

4.3 發(fā)電-制氫-供熱三元聯(lián)產(chǎn)

目前，文「33]提出利用氦氣輪機(jī)發(fā)電和高溫電解氫實(shí)現(xiàn)高溫制氫-發(fā)電-供熱三元聯(lián)產(chǎn)，通過(guò)預(yù)冷器、中冷器多級(jí)換熱，梯度利用熱能并回收余熱，從而提高能源利用率并節(jié)約能源。Ando提出一種應(yīng)用于高溫氣冷堆的高溫金屬熱管交換器，能夠防止氫氣和氦氣2種熱交換流體擴(kuò)散泄漏，進(jìn)一步提高了供熱接口的溫度和供熱效率，為后續(xù)高溫?zé)掍摰裙I(yè)提供熱源支持。

5 總結(jié)與展望

熱管以其范圍較廣的工作溫度、靈活的結(jié)構(gòu)布置、非能動(dòng)且高效的換熱性能和單根熱管失效不影響整體運(yùn)行等特點(diǎn)，為先進(jìn)核能發(fā)展提供了可靠安全的技術(shù)支持，在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、核安全及輔助系統(tǒng)、核能供熱接口和核能城市服務(wù)中均有廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)熱管技術(shù)還存在諸多挑戰(zhàn)。

1)熱管性能研究。熱管的傳熱性能受傳熱極限、運(yùn)行工況等物理因素制約，需要開(kāi)展新型熱管及內(nèi)部毛細(xì)芯設(shè)計(jì)研究;考慮到高溫、輻照和工質(zhì)兼容性等限制，需要對(duì)熱管開(kāi)展高溫材料研究;對(duì)熱管內(nèi)不凝性氣體和充液率的研究還不充分;需要進(jìn)一步優(yōu)化熱管制造工藝。

2)熱管適應(yīng)性研究。結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景，如太空、深海和陸地等，開(kāi)展不同的適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究;結(jié)合不同的反應(yīng)堆功率，開(kāi)展熱管堆型布置的研究;反應(yīng)堆中單根熱管失效、局部熱管失效和熱管冷卻反應(yīng)堆事故等情況還有待研究。

3)熱管運(yùn)行研究。需進(jìn)一步展開(kāi)對(duì)高溫?zé)峁苓\(yùn)行穩(wěn)態(tài)及冷熱態(tài)之間轉(zhuǎn)換的研究;對(duì)在振動(dòng)、搖擺、傾斜和傾覆等工況下的熱管傳熱惡化研究較少;待開(kāi)展熱管偏離穩(wěn)態(tài)后的自恢復(fù)、自適應(yīng)性能研究。

熱管具有非能動(dòng)安全特性、高換熱效率、等熱性、靈活布置和單根失效可用等優(yōu)點(diǎn)，與先進(jìn)核能安全設(shè)計(jì)理念相符，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于核電/動(dòng)力系統(tǒng)及核安全設(shè)施中。在高溫?zé)峁芊矫?，還需在啟動(dòng)特性、傳熱性能、事故分析上開(kāi)展深入研究。在低溫?zé)峁芊矫妫€需探索長(zhǎng)期運(yùn)行的熱管式非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在中溫?zé)峁芊矫妫斯I(yè)應(yīng)用還不多，可在余熱回收上開(kāi)展應(yīng)用研究。先進(jìn)熱管技術(shù)的發(fā)展對(duì)加快核能從供電向多用途供能方向轉(zhuǎn)型，從集中式供能向分布式供能轉(zhuǎn)型，從單一能源可多能協(xié)同系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，提高公眾對(duì)核能的接受度，有序?qū)崿F(xiàn)化石能源減退，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，具有重要意義。

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