摘要：在碳中和大背景下，能源结构转型已经成为世界能源体系发展的大趋势。核能能够有效填补煤炭减退过程中的电力及热力缺口，同时实现电力和供热领域的低碳化，具有布局灵活、应用广泛、不受气候环境和市场供应影响等优点，是保障国家能源安全的重要手段。热管是一种非能动的高效换热元件，具有运行温温度范围广、结构紧凑、工作稳定可靠和安全性高等优点，应用于航空航天、能源和化工等多领域。热管多领域、多尺度、多环节地服务核工业，在先进核能发展进程中发挥了重要的作用。该文对先进核能概念设计和先进核能应用中的热管技术进行了综述，详细阐述了高温金属热管和热管冷却反应堆的设计概念和应用前景，介绍了核安全设施和核能城市服务设施中的的热管，并提出先进热管技术展望。
关键词：热管;先进核能技术;热管冷却反应堆;碳中和热管是一种典型的非能动换热元件，由蒸发段、绝热段和冷凝段组成。热管运行时，处于蒸发没的液态工质吸收热量蒸发为气态，由温度差产生的密度梯度驱动向冷凝段移动，随后在冷凝段释放热量凝结为液体，再由重力或者毛细力作用沿管壁流回蒸发段。热管运行的温度范围为-60~2 300℃。在高于450℃环境下工作的执管通常被称为高温执管，工质主要为锂、钠、钾、银和钠钾合金等金属。运行工况为250~450℃的热管被称为中温热管，工质主要为汞和熔融盐等”。在低于250℃环境下工作的热管被称为低温热管，常见工质为水、乙醇、FC-72 和R-134a等。热管自问世以来，在航空航天、能源、化工和电子等工业领域得到了广泛应用。在航空航天领域，由多种热管组成的热管散热系统6-1通过辐射散热、对流散热等方式满足航空/航天器多尺度、多功能的散热需求。在太阳能应用技术领域，热管式太阳能集热器、太阳能光伏板可以在极端气候条件下运行，有效提高了集热效率。在工业领域，热管式换热器应用于炼油装置、空调系统、矿井回风、制氢转化炉预热和锅炉烟气/废热回收。在电子设备冷却领域，热管循环冷却系统可以实现狭小空间的高效散热，与传统空气冷却系统相比，有效增强中央处理器(central processingunit,CPU)等微小设备的散热。微型热管、嵌人式热管和重力辅助热管集成的数据设备冷却系统，将数据设备冷却和余热回收系统连接在一起，具有广阔的节能潜力和发展前景。核能可以同时实现电力低碳化和供热低碳化。在保证能源安全的前提下，实现传统能源有序退出，保障碳中和目标按计划完成。热管的特点与核能的安全设计理念相契合，热管在核电设计由得到广泛应用。图1展示了不同温度下，热管在核能领域的应用，表明热管在先进核能技术中的重要地位和应用前景。目前，热管主要应用在核电/动力系统、核安全设施和核能城市服务设施等核工业领域。随着热管技术的不断完善，热管还将为高温制氢、煤气化和油砂开采等其他工业领域，提供安全、长期、高效的供热和冷却支持。热管多领域、多尺度、多环节服务核工业，为先进核能发展发挥了不可替代的作用。本文综述了先进核能应用中的热管技术，详细阐述了高温金属热管和热管冷却反应堆的研究现状，介绍了核安全设施和核能城市服务设施中的热管应用情况，探讨了核领域未来热管技术发展的关键挑战。
高温金属热管内部通过工质的蒸发、冷凝和白然循环流动过程将反应堆堆芯产生的热量非能动地传导至核热推进系统或热电转换装置的固态反应堆称为热管冷却反应堆。热管冷却反应堆主要有3个优势:1)热管堆是固态反应堆，没有传统的一回路设备，整个系统更加简单和紧凑，便于运输和存储;2)热管堆非能动地带出堆芯热量，从而避免了由强制冷却损失造成的严重事敌;3)热管彼此独立，即使在单根热管局部失效的情况下，周围的热管仍然正常工作，可有效避免严重事故。
金属工质在常温下呈固态，启动时工质需要经过由固态到气态的相变，启动时间较长。启动功率过高会导致执管蒸发段干涸，启动功率过小则会受到启动极限限制导致启动失败。因此，高温金属热管的启动特性研究成为热管堆设计和建造的难点。Zhang 等建立了预测热管的瞬态性能三阶段冻结启动模型。Teng 等实验发现微小摆动条件对钠热管的启动时间影响较小，而温度的波动随摆动幅度的增大而增大。Wang 等发现在恒热流下高温钾热管启动过程中，水平条件下的热管启动功率上限较高，轻微倾斜条件下的热管启动功率下限降低且启动时间缩短，具有负倾角的热管会出现毛细管极限，具有低加热功率的热管会出现黏度极限。尽管引入适当不凝性气体可以减少热管散热，加速连续蒸汽形成，使蒸汽流动更平稳，但热管的启动时间也会相应延长，且不凝性气体还会显著降低热管的传热性能。在传热性能方面，Tian等评价了6种金属工质和9种不同吸液芯上的热管传热性能。Sun等研究发现高温热管等温特性在短暂倾斜时会受到破坏，在垂直提升时变化不大，周期性的摆动会引起相同周期内的温度波动:冷凝器过长时，热管在周期性摆动条件下更容易失效。Ji等认为高真空度是热管运行的先决条件，强毛细驱动力和适官的充液率、热管尺、可以显著提高高温金属执管的自适应传热性能。Tournier 等和赵蔚琳等发现过高的执管充液率会产生液体堵塞，而充液率过低则会使蒸发段局部干涸，导致传热恶化。热管冷却反应堆的概念最早于 20 世纪 60 年代被提出。如图2 所示，热管冷却反应堆结构包括燃料棒、热管、控制鼓/控制棒、反射层、屏蔽层、热电转换装置/推进装置和辐射换热器。其中，热管冷却反应堆的堆芯为六边形或圆形，堆芯的外侧与前端面有反射层和屏蔽层，采用旋转控制鼓或控制。棒实现对反应堆功率的调节，热管导出的热量通过热电转换装置发电或通过核热/核电推进装置提供动力输出，多余热量经辐射换热器排人最终热阱。图2 基于空间核电源的 HP-STMCs 热管冷却反应堆设计示意图2000年，洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory,LANL)首先提出了充满燃料棒-热管三角形单元的六角形核心的热管冷却反应堆方案。随后，为了适应实际需求，美国提出了多种基于热管冷却反应堆的能源设计方案，具体设计参数见表 1。热管反应堆的设计功率从千瓦级到兆瓦级不等。根据不同的设计功率选择不同工质的高温热管导出堆芯热量，其中也有以汞为工质的中温热管冷却反应堆2。由于缺乏合适的耐高温慢化剂材料，热管堆通常采用快堆堆型设计。文「55-56]根据金属冷却热中子反应堆动力系统 TOPAZII,提出了一种采用氢化锆慢化的热管冷却的热中子反应堆。经过近40a的概念设计，热管冷却反应堆已进入原型堆建设阶段。2018 年，LANL宣布完成了千瓦级热管堆 KRUSTY 的带核实验。2020 年，LANL与西屋公司合作，宣布推进热管冷却堆 eVinci的商业化。应用于热管冷却反应堆热电转换的方式有2种:一种是动态转换。该转换装置先将热能转变为机械能，再通过发电机将机械能进一步转变为电能。另一种是静态转换。该转换装置直接将热能转换为电能，不需要发电机，没有机械转动部件，也无噪声，称为静态转换。目前研究中接受度较高的热电转换方式主要是 Stirling 循环、Brayton 循环、碱金属循环和热离子循环。其中，在动态转换方案由 Stirling 循环的效率高，Brayton 循环的比功率高;在静态转换方案中碱金属循环的效率高，热离子循环的比功率高。图3为热管冷却反应堆在深空、深海和深地的应用。核能在可靠性、可持续性和能量密度等方面具有无可比拟的优势。因此，核能是开展大功率空间任务的主要能源选择。空间核动力系统分为4类:空间核热源系统、空间核电源系统、空间核推进系统和双模式空间核动力系统。航空核动力系统具有大载重量、无限续航的优点。目前航空核动力系统的设计多为开式循环，空气直接与堆芯换热，结构简单，却增加了核燃料泄漏的风险。航空核动力系统受重量、体积的限制较为明显。基于热管冷却反应堆的航天核动力装置可同时解决这2个问题。随着核技术的进一步发展，未来将应用于洲际巡航导弹推进、无人机续航和核动力货运飞机等领域。在深海领域，热管冷却反应堆主要用于无人水下潜航器。与传统电源箱比，核动力电源具有更高的能量密度、更长的使用寿命和更高的可靠性，是无人水下潜航器电源非常理想的解决方案。中国拥有数量众多的海岛和丰富的海洋资源，未来基于小堆型的海洋核动力平台及核动力船舶将为海洋资源的开发提供稳定的能源供给。热管冷却反应堆具有体积小、便于运输和固有安全等特性，有望应用于车载核电源和分布式核电源。热管具有冷热源灵活布置，热管破裂后冷热源工质不混合以及单根热管故障不会影响整个系统正常运行等高安全特性。由于热管的特性与核设施的安全设计要求相符，热管已被大量应用于核电设计。先进核电技术提出了无需场外应急的设计目标，具有非能动特性的热管系统成为优选。
非能动安全系统是指不依靠外部能源输入，仅和用自然界自发现象，如重力、惯性和密度差等驱动系统自发运行，从而保证反应堆安全的设施。非能动安全系统已成为核动力装置设计中的重要组成部分。目前采用热管设计的非能动安全系统包括非能动应急堆芯冷却系统、非能动乏燃料池冷却系统、非能动安全壳冷却系统和非能动余热排出系统。Jeong 等提出了基于 APR1400 的热管型应急堆芯冷却系统。Kim 和 Bang实验研究了基于APR1400 的热管型应急堆芯冷却系统的传热极限。Ohashi等研究了基于模块化 HTR 的衰变热余热排出系统。Wang 等设计了基于 I2S-LWR的衰变热余热排出系统。Choi等设计了叉状热管式乏燃料池冷却系统。化新超等研究了基于分离式热管的非能动安全壳冷却系统的传热性能。姜舒婷和邹文重研究了严重事故下 HPR1000 的非能动安全壳冷却系统事故影响分析。Wang 等基于熔盐堆设计了高温钠热管非能动余热排出系统。刘逍等设计了基于水下无人航行器的热管堆与热电转换装置结合的高温热管非能动余热排出系统。Hu等研究了小型铅基反应堆中非能动余热排出系统的热管失效问题。Xu等实验研究了低温供热堆的热管型余热排出系统。Qiao等研究了余热排出系统换热水箱的热管型两相换热器的长期换热性能。热管空间散热器是由热管和散热片组成的辐射冷却系统，具有良好的等温性、环境适应性、抗碎片冲击性和防单点失效等特征，被用于航天器的温度调节，是较有前途的空间散热器。因此热管空间散热器在 SPACE-100、JIIMO 和 HP-STMCS等空间核反应堆电源设计的概念中出现。近年来，热管式辐射散热器成为国内外研究的热点。由于空间核动力系统设计的热管空间散热系统总体还处于概念设计阶段，进一步减小辐射板换热面积和换热器质量是优化设计辐射散热器的研究方向。姚良等设计并分析了接触-导热式空间辐射散热器。Lu等设计了兆瓦级空间辐射散热系统。张昊春等7分析并优化了兆瓦级空间核反应堆的热管式空间辐射散热系统。张秀等研究并优化了空间核电源热管式辐射散热器的参数。Tokamak 装置要承受极高的温度和热流密度，对其高温部件进行有效冷却是实现持续聚变反应的关键。Kovalenko 等基于空间技术和国际热核聚变反应堆(international thermonuclear experimental reactor,ITER)实践提出了钠热管和水热管2种冷却方案，用于受控热核聚变第一壁、偏滤器和电磁驱动限制器的散热，充分利用热管适用温度范围广、导热系数高、极限热流密度极高和避免单管失效等优点，提高了换热的可靠性。由于强磁场环境可能对金属热管的回流特性产生一定的影响，目前ITER 第一壁的换热主要采用水冷换热的方式。目前，核能供热受压水堆核电站运行温度制约，核能高温供热还不普及，因此热管在核能高温。供热领域还未推广。在核工业领域，热管主要应用于余热回收和低温换热，以提高核能的利用效率。美国爱达荷国家实验室(Idaho National
Laboratory，INL)指出高温气冷堆的高温热源在热电联供、煤气化、高温制氢、制氨和化肥合成等有广泛的应用前景。如图4所示，热管凭借其较广的运行温度范围，可满足核工业下游生产中各温度梯级的换热。热管具有高等温性和冷热源完全隔离的特点，不仅可有效利用核动力反应堆产生的大部分余热生产更多的饮用水，还可以防止辐射和产出水之间的直接接触，减少海水淡化过程对环境的影响，确保在正常过程下产出水不受到任何污染。Hegazy等基于蒸汽发电厂低热海水冷却水设计了一种新型的海水淡化系统，在低比能耗(1.0~8.0kW·h kg)下获得高淡水生产速率(1.5~10.0kg/h)。Tanaka和Park设计了基于热管的发动机废气热能海水蒸馏器，实验表明40%~50%的废气热能可通过热管输送，约35%的废气热能可用于盐水蒸馏。Gao等84基于热管和喷雾技术设计了一种单级真空蒸发器，有效利用了40~80℃的较低等级的热源，实现了32W/cm2的热通量。中国在核能供热领域具备自主研发优势。在供热反应堆方面，清华大学核能与新能源技术研究院设计建造的壳式低温核供热反应堆和中国原子能科学研究院的49-2 泳池堆均验证了核能供热的可靠生。在核能热电联供方面，秦山核电站和海阳核电站实现商用核电机组的区域供热，海阳市实现能供热全覆盖。在多能供热方面，文[86]提出了基于动力式热管的多能互补供热系统。核能供热必须保证换热回路间只有热量的交换而没有工质的泄露，其换热回路往往多于传统供热方式。文「31]提出多级式热泵驱动热管供热系统以提高热能利用效率。目前，文「33]提出利用氦气轮机发电和高温电解氢实现高温制氢-发电-供热三元联产，通过预冷器、中冷器多级换热，梯度利用热能并回收余热，从而提高能源利用率并节约能源。Ando提出一种应用于高温气冷堆的高温金属热管交换器，能够防止氢气和氦气2种热交换流体扩散泄漏，进一步提高了供热接口的温度和供热效率，为后续高温炼钢等工业提供热源支持。热管以其范围较广的工作温度、灵活的结构布置、非能动且高效的换热性能和单根热管失效不影响整体运行等特点，为先进核能发展提供了可靠安全的技术支持，在反应堆设计、核安全及辅助系统、核能供热接口和核能城市服务中均有广泛的应用前景。目前，先进热管技术还存在诸多挑战。
1)热管性能研究。热管的传热性能受传热极限、运行工况等物理因素制约，需要开展新型热管及内部毛细芯设计研究;考虑到高温、辐照和工质兼容性等限制，需要对热管开展高温材料研究;对热管内不凝性气体和充液率的研究还不充分;需要进一步优化热管制造工艺。2)热管适应性研究。结合应用场景，如太空、深海和陆地等，开展不同的适应性设计研究;结合不同的反应堆功率，开展热管堆型布置的研究;反应堆中单根热管失效、局部热管失效和热管冷却反应堆事故等情况还有待研究。3)热管运行研究。需进一步展开对高温热管运行稳态及冷热态之间转换的研究;对在振动、摇摆、倾斜和倾覆等工况下的热管传热恶化研究较少;待开展热管偏离稳态后的自恢复、自适应性能研究。热管具有非能动安全特性、高换热效率、等热性、灵活布置和单根失效可用等优点，与先进核能安全设计理念相符，现已广泛应用于核电/动力系统及核安全设施中。在高温热管方面，还需在启动特性、传热性能、事故分析上开展深入研究。在低温热管方面，还需探索长期运行的热管式非能动安全系统设计方案。在中温热管方面，核工业应用还不多，可在余热回收上开展应用研究。先进热管技术的发展对加快核能从供电向多用途供能方向转型，从集中式供能向分布式供能转型，从单一能源可多能协同系统转型，提高公众对核能的接受度，有序实现化石能源减退，稳步实现碳中和目标，具有重要意义。
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