水平圆形加热管道中氦氙混合气组分分层特性研究

《Progress in Nuclear Energy》：Composition stratification characteristics study of helium-xenon mixture gas in the horizontal circular heated pipe

　　

摘要
核能作为一种高效且清洁的能源，是应对能源转型、科技创新和科学发展的重要力量。在小型超高温气冷堆中采用氦-氙混合气体作为工质，并结合直接布雷顿循环的方案，由于具有轻量化、体积小、操作简便、功质比高以及固有安全性等优点，已成为特殊领域能源供应的热门研究方向。当堆芯水平布置时，在重力和浮力的作用下会发生显著的热分层现象，同时由于Soret效应导致组分分布不均匀，从而影响了反应堆的热安全性。为阐明不同条件下组分分布的不均匀程度，本研究基于水平圆管开展基础性研究，探讨了加热功率密度和入口流速对管内组分分布的影响规律。利用Soret系数和无量纲Soret数对管内组分分布的不均匀程度进行了量化表征。结果表明，气体组分的不均匀性在加热段中部区域达到最大值。加热功率密度和入口流速通过影响截面温度差和截面平均流速，直接影响横截面上气体组分的不均匀性。截面上的最大氦气浓度差达到5.31%。最后，得到了无量纲Soret数与温度差及流速之间的直接预测公式，用以预测系统在不同状态下气体组分的分布不均匀性，为反应堆堆芯的热安全分析提供支撑。

引言
在当今能源问题日益突出的时代，对可持续发展的追求逐渐被纳入各国的发展理念之中。核能凭借其独特的"绿色能源"属性，作为高效能源，在运行过程中几乎不产生二氧化碳等温室气体，是应对气候变化、实现"碳中和"目标的重要力量（Chien-Chiang等人，2023）。目前，核能的应用已超越传统大型核电站的范围。以技术为基础开发的小型反应堆，因其布局灵活、应用范围广、结构紧凑等优势，在特定场景下的电、热供应以及偏远和局部地区的供电方面具有广阔的应用前景。

超高温气冷堆作为一种小型反应堆，同时被国际公认为第四代反应堆（Ya等人，2024），采用惰性气体或二氧化碳作为冷却剂，具有固有安全性和高发电效率的特点，在未来能源结构研究中得到了广泛探讨（Haoyang等人，2025a）。当应用所需的反应堆功率处于亚兆瓦到兆瓦级别时，为了更好地匹配超高温气冷堆的高温特性并实现紧凑高效的能量转换系统，小型超高温气冷堆通常采用封闭式布雷顿热力循环（Qianqian等人，2025；Bingtao等人，2023）。同时，为提升封闭布雷顿循环的性能，反应堆冷却剂采用惰性气体二元混合物，特别是氦-氙（He-Xe）混合气体，作为循环工质（El-Genk和Tournier，2007；Tournier等人，2008）。与更常见的氦气相比，He-Xe混合气体具有物理性质稳定、易于压缩以及卓越的热力学性能等特点，是目前可应用于封闭布雷顿循环的一种极具前景的冷却剂。

自上世纪以来，He-Xe反应堆引起了各国的关注并开展了积极的研究。美国于2003年在"普罗米修斯"计划下启动了木星冰卫星探索任务（Hao等人，2022；Quadrelli等人，2009）。所选择的方案是He-Xe反应堆与直接布雷顿循环的结合。然而，由于太空任务优先级的变化，该计划于2006年被终止。此后，美国还对亚临界反应堆浸没式和闭环磁流体发电方案开展了研究。两种方案均采用He-Xe混合气体反应堆作为能源（Hao等人，2021a；Kewei等人，2023，2024）。苏联解体后，俄罗斯于2009年启动了持续时间最长的太空电力平台项目——"兆瓦级核动力航天器"项目（Hao等人，2021b）。该项目采用He-Xe反应堆与直接布雷顿循环发电相结合的技术路线，系统设计已经完成，相关地面试验正在进行中。20世纪90年代，法国开始对ERATO反应堆概念设计开展研究（Ran等人，2020）。欧盟最近启动了DiPoP、MEGAHIT和DEMOCRITOS项目，并对He-Xe反应堆直接布雷顿循环进行了技术可行性分析和方案设计（Chenglong等人，2021；Baihui等人，2025；Ran等人，2021）。

目前，He-Xe反应堆不仅在太空应用方面被广泛研究（Hao等人，2021c；Meng等人，2020），在陆上某些特殊地区也逐渐受到更多关注（Xianbo等人，2023，2024；Haoyang等人，2024，2025b）。与核电站中垂直布置的反应堆系统不同，应用于特定地区的He-Xe反应堆因体积限制需要采用水平布置的反应堆系统。在水平布置的堆芯中，冷却剂被加热后，在重力和浮力的影响下会产生密度差，进而导致垂直方向的相对输运。热流体倾向于上升，冷流体倾向于下沉，从而形成热分层（Kewei等人，2024；Luo等人，2025）。当氦和氙作为二元混合气体存在于重力方向上的温度梯度中时，混合气体中的氦气和氙气会以不同速率迁移至热端或冷端，最终在重力方向上形成各组分气体的浓度梯度，即组分分层现象。由温度梯度引起的浓度梯度现象被称为Soret效应（Kyoda等人，2022）。堆芯内组分的分层会进一步影响热安全特性，是当前亟需解决的重大关键科学问题（Wu等人，2024）。

关于混合物组分分层的研究相对较少，且大部分研究集中在氢和甲烷组成的二元混合物（Peng等人，2025；Xu等人，2024；Chang等人，2025）、氢气与其他气体组成的混合物（Kim等人，2020；Su等人，2025），以及由氢、空气和水蒸气组成的三元混合物（Liu等人，2021，2022）上。Wang等人（2024）对储层条件下（高温高压）H2和CO2的热扩散过程进行了实验研究，探讨了温度、压力和浓度对Soret效应的影响，并建立了Soret系数的预测模型。Marangon等人（Marangon和Carcassi，2014）开展了大规模密闭空间实验，研究了有无自然通风条件下氢气和甲烷混合气体的扩散和分层行为。他们发现氢-甲烷混合物在存在温度差的密闭空间中不会自然均匀分布。Abubakar等人（2024）基于高温气冷堆设计了缩尺实验装置，分析了事故条件下进入反应堆压力容器中的氦气与空气可能的混合行为。他们发现当反应堆具有较高破裂点时，氦气积聚在顶部，导致明显的组分分层。Kyoda等人（2022）开发了一种利用Soret效应从H2-CO2混合气体中提取高浓度氢气的微结构气体分离器，同时增强了氢气分离性能。Kuwatani等人（2012）同样基于Soret效应，提出了一种在微通道中分离氢气和二氧化碳混合气体的方法和装置。综上所述，现有的大部分研究集中在较大尺度上由氢与其他气体组成的二元混合物静态组分分层，较少涉及氦气尤其是He-Xe混合气体在流动条件下的组分分层研究。同时，关于Soret效应，大部分研究聚焦于基于该效应在微通道内混合气体的分离，而对反应堆堆芯管道尺寸条件下混合气体分层特性的研究较少。

本文针对水平管道加热器通道内气体组分分布开展基础研究，聚焦采用He-Xe混合气体的水平布置反应堆堆芯内的组分分层问题。通过分析不同加热和流动参数对管内气体组分分布的影响规律，采用Soret系数和无量纲Soret数对管内混合气体组分的分离程度进行对比，阐明了截面温度差和流速对圆管内气体组分分层的影响特性。本文关于水平圆管内He-Xe混合气体组分分层的研究所开展的工作，可为理解水平堆芯内He-Xe混合气体组分的分布特征以及由此产生的流动与传热特性提供参考和技术依据。

章节摘要

数值计算模型
所建立的He-Xe混合气体组分分层数值计算模型如图1所示。加热段的长度为1000 mm，内径为25 mm。加热方式为在壁面上施加固定热流密度。在加热段后端设计了上下气体浓度测量管道，用于与实验结果进行对比和验证。这些管道的内径为

Soret效应
当混合物（液体、气体或胶体）中存在温度梯度时，混合物内部不同组分会以不同速率迁移，在热端和冷端形成浓度梯度，此即Soret效应（如图8所示）（Kyoda等人，2022；Wang等人，2024）。用于表征Soret效应强度的物理量Soret系数定义如下：在稳态（净质量流为零时）下

结果与讨论
由于反应堆的功率变化主要通过调节燃料棒的加热功率密度和反应堆内的气体流速来实现，因此本文主要针对两种条件下的气体组分不均匀性开展模拟计算与分析：不同加热功率密度和不同入口流速。在两种工况下，入口气体的物理参数保持不变。He-Xe混合气体的摩尔质量为

结论
本研究聚焦于氦-氙气体冷反应堆堆芯低流速区域气体组分分层的应用问题，探讨了不同加热功率密度和不同入口流速在水平加热圆管结构下对氦-氙混合气体组分分布的影响规律。对截面Soret系数和无量纲Soret数Sr进行了计算与分析

CRediT作者贡献声明
Lin Xie：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿撰写，可视化，验证，调查研究，形式化分析，数据整理。
Kewei Ning：验证，方法论，形式化分析，概念构思。
Xiaojian Ge：验证，软件，数据整理。
Hui Bao：监督，资源，经费获取。
Junrui Liu：监督，资源，经费获取。
Sichao Tan：监督，资源，项目管理，方法论，概念构思。

赵福田：监督，项目管理

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：12305176）、黑龙江省自然科学基金（项目编号：LH2024A013）以及凌创基金项目提供的支持。

谢林|宁珂伟|葛晓健|宝辉|刘俊瑞|谭世超|赵福田|宋平|田瑞峰

中国哈尔滨工程大学海洋热能动力国家实验室，中国哈尔滨 150001