摘要：在碳中和大背景下，能源結構轉型已經成為世界能源體系發展的大趨勢。核能能夠有效填補煤炭減退過程中的電力及熱力缺口，同時實現電力和供熱領域的低碳化，具有布局靈活、應用廣泛、不受氣候環境和市場供應影響等優點，是保障國家能源安全的重要手段。熱管是一種非能動的高效換熱元件，具有運行溫溫度范圍廣、結構緊湊、工作穩定可靠和安全性高等優點，應用于航空航天、能源和化工等多領域。熱管多領域、多尺度、多環節地服務核工業，在先進核能發展進程中發揮了重要的作用。該文對先進核能概念設計和先進核能應用中的熱管技術進行了綜述，詳細闡述了高溫金屬熱管和熱管冷卻反應堆的設計概念和應用前景，介紹了核安全設施和核能城市服務設施中的的熱管，并提出先進熱管技術展望。
關鍵詞：熱管;先進核能技術;熱管冷卻反應堆;碳中和熱管是一種典型的非能動換熱元件，由蒸發段、絕熱段和冷凝段組成。熱管運行時，處于蒸發沒的液態工質吸收熱量蒸發為氣態，由溫度差產生的密度梯度驅動向冷凝段移動，隨后在冷凝段釋放熱量凝結為液體，再由重力或者毛細力作用沿管壁流回蒸發段。熱管運行的溫度范圍為-60~2 300℃。在高于450℃環境下工作的執管通常被稱為高溫執管，工質主要為鋰、鈉、鉀、銀和鈉鉀合金等金屬。運行工況為250~450℃的熱管被稱為中溫熱管，工質主要為汞和熔融鹽等”。在低于250℃環境下工作的熱管被稱為低溫熱管，常見工質為水、乙醇、FC-72 和R-134a等。熱管自問世以來，在航空航天、能源、化工和電子等工業領域得到了廣泛應用。在航空航天領域，由多種熱管組成的熱管散熱系統6-1通過輻射散熱、對流散熱等方式滿足航空/航天器多尺度、多功能的散熱需求。在太陽能應用技術領域，熱管式太陽能集熱器、太陽能光伏板可以在極端氣候條件下運行，有效提高了集熱效率。在工業領域，熱管式換熱器應用于煉油裝置、空調系統、礦井回風、制氫轉化爐預熱和鍋爐煙氣/廢熱回收。在電子設備冷卻領域，熱管循環冷卻系統可以實現狹小空間的高效散熱，與傳統空氣冷卻系統相比，有效增強中央處理器(central processingunit,CPU)等微小設備的散熱。微型熱管、嵌人式熱管和重力輔助熱管集成的數據設備冷卻系統，將數據設備冷卻和余熱回收系統連接在一起，具有廣闊的節能潛力和發展前景。核能可以同時實現電力低碳化和供熱低碳化。在保證能源安全的前提下，實現傳統能源有序退出，保障碳中和目標按計劃完成。熱管的特點與核能的安全設計理念相契合，熱管在核電設計由得到廣泛應用。圖1展示了不同溫度下，熱管在核能領域的應用，表明熱管在先進核能技術中的重要地位和應用前景。目前，熱管主要應用在核電/動力系統、核安全設施和核能城市服務設施等核工業領域。隨著熱管技術的不斷完善，熱管還將為高溫制氫、煤氣化和油砂開采等其他工業領域，提供安全、長期、高效的供熱和冷卻支持。熱管多領域、多尺度、多環節服務核工業，為先進核能發展發揮了不可替代的作用。本文綜述了先進核能應用中的熱管技術，詳細闡述了高溫金屬熱管和熱管冷卻反應堆的研究現狀，介紹了核安全設施和核能城市服務設施中的熱管應用情況，探討了核領域未來熱管技術發展的關鍵挑戰。
高溫金屬熱管內部通過工質的蒸發、冷凝和白然循環流動過程將反應堆堆芯產生的熱量非能動地傳導至核熱推進系統或熱電轉換裝置的固態反應堆稱為熱管冷卻反應堆。熱管冷卻反應堆主要有3個優勢:1)熱管堆是固態反應堆，沒有傳統的一回路設備，整個系統更加簡單和緊湊，便于運輸和存儲;2)熱管堆非能動地帶出堆芯熱量，從而避免了由強制冷卻損失造成的嚴重事敵;3)熱管彼此獨立，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，可有效避免嚴重事故。
金屬工質在常溫下呈固態，啟動時工質需要經過由固態到氣態的相變，啟動時間較長。啟動功率過高會導致執管蒸發段干涸，啟動功率過小則會受到啟動極限限制導致啟動失敗。因此，高溫金屬熱管的啟動特性研究成為熱管堆設計和建造的難點。Zhang 等建立了預測熱管的瞬態性能三階段凍結啟動模型。Teng 等實驗發現微小擺動條件對鈉熱管的啟動時間影響較小，而溫度的波動隨擺動幅度的增大而增大。Wang 等發現在恒熱流下高溫鉀熱管啟動過程中，水平條件下的熱管啟動功率上限較高，輕微傾斜條件下的熱管啟動功率下限降低且啟動時間縮短，具有負傾角的熱管會出現毛細管極限，具有低加熱功率的熱管會出現黏度極限。盡管引入適當不凝性氣體可以減少熱管散熱，加速連續蒸汽形成，使蒸汽流動更平穩，但熱管的啟動時間也會相應延長，且不凝性氣體還會顯著降低熱管的傳熱性能。在傳熱性能方面，Tian等評價了6種金屬工質和9種不同吸液芯上的熱管傳熱性能。Sun等研究發現高溫熱管等溫特性在短暫傾斜時會受到破壞，在垂直提升時變化不大，周期性的擺動會引起相同周期內的溫度波動:冷凝器過長時，熱管在周期性擺動條件下更容易失效。Ji等認為高真空度是熱管運行的先決條件，強毛細驅動力和適官的充液率、熱管尺、可以顯著提高高溫金屬執管的自適應傳熱性能。Tournier 等和趙蔚琳等發現過高的執管充液率會產生液體堵塞，而充液率過低則會使蒸發段局部干涸，導致傳熱惡化。熱管冷卻反應堆的概念最早于 20 世紀 60 年代被提出。如圖2 所示，熱管冷卻反應堆結構包括燃料棒、熱管、控制鼓/控制棒、反射層、屏蔽層、熱電轉換裝置/推進裝置和輻射換熱器。其中，熱管冷卻反應堆的堆芯為六邊形或圓形，堆芯的外側與前端面有反射層和屏蔽層，采用旋轉控制鼓或控制。棒實現對反應堆功率的調節，熱管導出的熱量通過熱電轉換裝置發電或通過核熱/核電推進裝置提供動力輸出，多余熱量經輻射換熱器排人最終熱阱。圖2 基于空間核電源的 HP-STMCs 熱管冷卻反應堆設計示意圖2000年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室(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堆方案。隨后，為了適應實際需求，美國提出了多種基于熱管冷卻反應堆的能源設計方案，具體設計參數見表 1。熱管反應堆的設計功率從千瓦級到兆瓦級不等。根據不同的設計功率選擇不同工質的高溫熱管導出堆芯熱量，其中也有以汞為工質的中溫熱管冷卻反應堆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計。文「55-56]根據金屬冷卻熱中子反應堆動力系統 TOPAZII,提出了一種采用氫化鋯慢化的熱管冷卻的熱中子反應堆。經過近40a的概念設計，熱管冷卻反應堆已進入原型堆建設階段。2018 年，LANL宣布完成了千瓦級熱管堆 KRUSTY 的帶核實驗。2020 年，LANL與西屋公司合作，宣布推進熱管冷卻堆 eVinci的商業化。應用于熱管冷卻反應堆熱電轉換的方式有2種:一種是動態轉換。該轉換裝置先將熱能轉變為機械能，再通過發電機將機械能進一步轉變為電能。另一種是靜態轉換。該轉換裝置直接將熱能轉換為電能，不需要發電機，沒有機械轉動部件，也無噪聲，稱為靜態轉換。目前研究中接受度較高的熱電轉換方式主要是 Stirling 循環、Brayton 循環、堿金屬循環和熱離子循環。其中，在動態轉換方案由 Stirling 循環的效率高，Brayton 循環的比功率高;在靜態轉換方案中堿金屬循環的效率高，熱離子循環的比功率高。圖3為熱管冷卻反應堆在深空、深海和深地的應用。核能在可靠性、可持續性和能量密度等方面具有無可比擬的優勢。因此，核能是開展大功率空間任務的主要能源選擇。空間核動力系統分為4類:空間核熱源系統、空間核電源系統、空間核推進系統和雙模式空間核動力系統。航空核動力系統具有大載重量、無限續航的優點。目前航空核動力系統的設計多為開式循環，空氣直接與堆芯換熱，結構簡單，卻增加了核燃料泄漏的風險。航空核動力系統受重量、體積的限制較為明顯。基于熱管冷卻反應堆的航天核動力裝置可同時解決這2個問題。隨著核技術的進一步發展，未來將應用于洲際巡航導彈推進、無人機續航和核動力貨運飛機等領域。在深海領域，熱管冷卻反應堆主要用于無人水下潛航器。與傳統電源箱比，核動力電源具有更高的能量密度、更長的使用壽命和更高的可靠性，是無人水下潛航器電源非常理想的解決方案。中國擁有數量眾多的海島和豐富的海洋資源，未來基于小堆型的海洋核動力平臺及核動力船舶將為海洋資源的開發提供穩定的能源供給。熱管冷卻反應堆具有體積小、便于運輸和固有安全等特性，有望應用于車載核電源和分布式核電源。熱管具有冷熱源靈活布置，熱管破裂后冷熱源工質不混合以及單根熱管故障不會影響整個系統正常運行等高安全特性。由于熱管的特性與核設施的安全設計要求相符，熱管已被大量應用于核電設計。先進核電技術提出了無需場外應急的設計目標，具有非能動特性的熱管系統成為優選。
非能動安全系統是指不依靠外部能源輸入，僅和用自然界自發現象，如重力、慣性和密度差等驅動系統自發運行，從而保證反應堆安全的設施。非能動安全系統已成為核動力裝置設計中的重要組成部分。目前采用熱管設計的非能動安全系統包括非能動應急堆芯冷卻系統、非能動乏燃料池冷卻系統、非能動安全殼冷卻系統和非能動余熱排出系統。Jeong 等提出了基于 APR1400 的熱管型應急堆芯冷卻系統。Kim 和 Bang實驗研究了基于APR1400 的熱管型應急堆芯冷卻系統的傳熱極限。Ohashi等研究了基于模塊化 HTR 的衰變熱余熱排出系統。Wang 等設計了基于 I2S-LWR的衰變熱余熱排出系統。Choi等設計了叉狀熱管式乏燃料池冷卻系統。化新超等研究了基于分離式熱管的非能動安全殼冷卻系統的傳熱性能。姜舒婷和鄒文重研究了嚴重事故下 HPR1000 的非能動安全殼冷卻系統事故影響分析。Wang 等基于熔鹽堆設計了高溫鈉熱管非能動余熱排出系統。劉逍等設計了基于水下無人航行器的熱管堆與熱電轉換裝置結合的高溫熱管非能動余熱排出系統。Hu等研究了小型鉛基反應堆中非能動余熱排出系統的熱管失效問題。Xu等實驗研究了低溫供熱堆的熱管型余熱排出系統。Qiao等研究了余熱排出系統換熱水箱的熱管型兩相換熱器的長期換熱性能。熱管空間散熱器是由熱管和散熱片組成的輻射冷卻系統，具有良好的等溫性、環境適應性、抗碎片沖擊性和防單點失效等特征，被用于航天器的溫度調節，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等空間核反應堆電源設計的概念中出現。近年來，熱管式輻射散熱器成為國內外研究的熱點。由于空間核動力系統設計的熱管空間散熱系統總體還處于概念設計階段，進一步減小輻射板換熱面積和換熱器質量是優化設計輻射散熱器的研究方向。姚良等設計并分析了接觸-導熱式空間輻射散熱器。Lu等設計了兆瓦級空間輻射散熱系統。張昊春等7分析并優化了兆瓦級空間核反應堆的熱管式空間輻射散熱系統。張秀等研究并優化了空間核電源熱管式輻射散熱器的參數。Tokamak 裝置要承受極高的溫度和熱流密度，對其高溫部件進行有效冷卻是實現持續聚變反應的關鍵。Kovalenko 等基于空間技術和國際熱核聚變反應堆(international thermonuclear experimental reactor,ITER)實踐提出了鈉熱管和水熱管2種冷卻方案，用于受控熱核聚變第一壁、偏濾器和電磁驅動限制器的散熱，充分利用熱管適用溫度范圍廣、導熱系數高、極限熱流密度極高和避免單管失效等優點，提高了換熱的可靠性。由于強磁場環境可能對金屬熱管的回流特性產生一定的影響，目前ITER 第一壁的換熱主要采用水冷換熱的方式。目前，核能供熱受壓水堆核電站運行溫度制約，核能高溫供熱還不普及，因此熱管在核能高溫。供熱領域還未推廣。在核工業領域，熱管主要應用于余熱回收和低溫換熱，以提高核能的利用效率。美國愛達荷國家實驗室(Idaho National
Laboratory，INL)指出高溫氣冷堆的高溫熱源在熱電聯供、煤氣化、高溫制氫、制氨和化肥合成等有廣泛的應用前景。如圖4所示，熱管憑借其較廣的運行溫度范圍，可滿足核工業下游生產中各溫度梯級的換熱。熱管具有高等溫性和冷熱源完全隔離的特點，不僅可有效利用核動力反應堆產生的大部分余熱生產更多的飲用水，還可以防止輻射和產出水之間的直接接觸，減少海水淡化過程對環境的影響，確保在正常過程下產出水不受到任何污染。Hegazy等基于蒸汽發電廠低熱海水冷卻水設計了一種新型的海水淡化系統，在低比能耗(1.0~8.0kW·h kg)下獲得高淡水生產速率(1.5~10.0kg/h)。Tanaka和Park設計了基于熱管的發動機廢氣熱能海水蒸餾器，實驗表明40%~50%的廢氣熱能可通過熱管輸送，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設計了一種單級真空蒸發器，有效利用了40~80℃的較低等級的熱源，實現了32W/cm2的熱通量。中國在核能供熱領域具備自主研發優勢。在供熱反應堆方面，清華大學核能與新能源技術研究院設計建造的殼式低溫核供熱反應堆和中國原子能科學研究院的49-2 泳池堆均驗證了核能供熱的可靠生。在核能熱電聯供方面，秦山核電站和海陽核電站實現商用核電機組的區域供熱，海陽市實現能供熱全覆蓋。在多能供熱方面，文[86]提出了基于動力式熱管的多能互補供熱系統。核能供熱必須保證換熱回路間只有熱量的交換而沒有工質的泄露，其換熱回路往往多于傳統供熱方式。文「31]提出多級式熱泵驅動熱管供熱系統以提高熱能利用效率。目前，文「33]提出利用氦氣輪機發電和高溫電解氫實現高溫制氫-發電-供熱三元聯產，通過預冷器、中冷器多級換熱，梯度利用熱能并回收余熱，從而提高能源利用率并節約能源。Ando提出一種應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種熱交換流體擴散泄漏，進一步提高了供熱接口的溫度和供熱效率，為后續高溫煉鋼等工業提供熱源支持。熱管以其范圍較廣的工作溫度、靈活的結構布置、非能動且高效的換熱性能和單根熱管失效不影響整體運行等特點，為先進核能發展提供了可靠安全的技術支持，在反應堆設計、核安全及輔助系統、核能供熱接口和核能城市服務中均有廣泛的應用前景。目前，先進熱管技術還存在諸多挑戰。
1)熱管性能研究。熱管的傳熱性能受傳熱極限、運行工況等物理因素制約，需要開展新型熱管及內部毛細芯設計研究;考慮到高溫、輻照和工質兼容性等限制，需要對熱管開展高溫材料研究;對熱管內不凝性氣體和充液率的研究還不充分;需要進一步優化熱管制造工藝。2)熱管適應性研究。結合應用場景，如太空、深海和陸地等，開展不同的適應性設計研究;結合不同的反應堆功率，開展熱管堆型布置的研究;反應堆中單根熱管失效、局部熱管失效和熱管冷卻反應堆事故等情況還有待研究。3)熱管運行研究。需進一步展開對高溫熱管運行穩態及冷熱態之間轉換的研究;對在振動、搖擺、傾斜和傾覆等工況下的熱管傳熱惡化研究較少;待開展熱管偏離穩態后的自恢復、自適應性能研究。熱管具有非能動安全特性、高換熱效率、等熱性、靈活布置和單根失效可用等優點，與先進核能安全設計理念相符，現已廣泛應用于核電/動力系統及核安全設施中。在高溫熱管方面，還需在啟動特性、傳熱性能、事故分析上開展深入研究。在低溫熱管方面，還需探索長期運行的熱管式非能動安全系統設計方案。在中溫熱管方面，核工業應用還不多，可在余熱回收上開展應用研究。先進熱管技術的發展對加快核能從供電向多用途供能方向轉型，從集中式供能向分布式供能轉型，從單一能源可多能協同系統轉型，提高公眾對核能的接受度，有序實現化石能源減退，穩步實現碳中和目標，具有重要意義。
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