MHPR用大长径比高温钠热管的性能机制与可靠工作区间

《Annals of Nuclear Energy》：Performance mechanism and reliable operating regime of high-temperature sodium heat pipes with a large aspect ratio for MHPRs

　　

**要点摘要**

- 搭建了非均匀风冷测试平台，用于测试大长径比钠热管。
- 启动过程受气-液循环主导；冷启动必须依靠自然对流。
- 700–800 °C加热温度区间可获得最佳性能，最高达3.2 kW。
- 最优冷却条件：400 °C空气、25–30 Nm3/h，以平衡传热容量与轴向等温性。
- 在功率波动工况下，热平衡可在5–10分钟内恢复。

**引言**

在全球碳中和目标和低碳、可调度能源基础设施迫切需求的大背景下，传统化石能源和常规大型核电面临碳排放、选址受限和机动性差等突出瓶颈（Jin and Xu, 2025; Zhang et al., 2026）。清洁电力系统的可持续发展依赖于具有高效资源利用率的先进低碳装备，这已成为全球能源转型和循环经济治理的核心研究方向（Jin and Xu, 2025, 2024）。作为一种变革性的紧凑型核设备，微型热管冷却堆（Micro Heat Pipe-Cooled Reactors, MHPRs）弥补了偏远岛屿、海上平台、军事基地和深空设施的能源供应缺口，在能源转型、循环经济和公平资源配置的学术框架中受到广泛讨论（Jin and Xu, 2025, 2026）。紧凑型MHPRs在离网和移动能源场景中兼顾了低碳可持续性、能源安全和经济可承受性（Jin and Xu, 2026）。

与传统的集中式电站不同，MHPRs可提供分布式电力和工业过程热，作为化石燃料的可扩展零碳替代方案，为推进碳达峰和碳中和目标提供关键技术支撑。本文系统揭示了MHPRs核心换热部件——大长径比钠热管——的运作机理和可靠工作包络。所明确的启动规则、稳态最优温度窗口、动态负载跟随控制策略和定量可靠性判据，有效提升了MHPR换热系统的运行安全性和长期稳定性。优化的热设计可以减少热管布局的冗余安全裕量，降低不锈钢、金属吸液芯和隔热材料的消耗，减少全生命周期内的固体废弃物排放，完全契合资源高效的循环经济理念。同时，提升的传热效率和可控可靠的运行范围降低了微型核反应堆的整体建设和长期运行风险，大幅降低了MHPR技术的商业化门槛。

由高性能钠热管支撑的稳定、低成本模块化微反应堆，可为能源匮乏地区提供持续清洁能源，缩小地区间能源接入差距，促进清洁能源资源的公平分配。在经济和社会层面，MHPRs的产业化将带动高温液态金属热管制造、核微反应堆成套设备及相关配套产业的发展，创造新的产业链和就业机会，实现经济发展、民生改善与全球能源和环境可持续性的协同进步。因此，作为核心换热部件的高温钠热管远不止是一个学术性的热-水力研究对象，更是重塑未来多场景可持续能源供应格局的关键使能技术。

MHPRs具有结构紧凑和固有被动安全优势（Wang et al., 2023, Li et al., 2024）。大长径比钠热管依靠钠的液-汽相变承担远距离堆芯热量导出任务，其热性能和运行可靠性从根本上决定反应堆堆芯热平衡和整体安全限值（Zhou et al., 2026, Xu et al., 2025）。然而，极高的长径比会引起严重的轴向汽流阻力、液态钠回流阻力和强两相流耦合作用，导致启动延迟、轴向等温性恶化及过早达到传热极限等典型异常现象（Huang et al., 2024, Yilgor et al., 2026）。钠相变、吸液芯毛细力与变加热/冷却边界之间的附加耦合效应进一步加剧了运行不稳定性（Yu et al., 2026, Ma et al., 2025），这要求在反应堆实际风冷条件下对热性能和可靠运行边界进行系统表征。

近年来开展了大量聚焦于大长径比钠热管的实验研究，主要分为稳态热性能表征和单一条件下的启动机理分析（Wang et al., 2017, Tian et al., 2022）。Zhou等人（2026）测试了长钠热管在变负荷条件下的稳态热行为，而Xu等人（2025）探索了高温钠热管的启动失效模式；然而，这两项研究均采用均匀水冷方案对冷凝段进行简化测试。这种水冷测试方法完全剥离了实际MHPR冷却回路中非对称非均匀风冷的散热边界（Faghri, 2012, Zhang and Zhuang, 2003）。尽管均匀水冷可以反映热管固有的等温特性，但测得的传热特性曲线和可靠运行边界与实际反应堆运行条件存在明显偏差，给MHPR堆芯热设计带来潜在安全风险。

在研究方法方面，上述已发表的工作仅对性能演化规律进行了定性描述，未建立运行控制参数与关键热指标之间的定量关联公式，也未构建标准化的定量可靠性评估框架（Anderson et al., 2009, Yang et al., 2026）。为填补上述研究空白，本文搭建了配备非均匀风冷的感应加热测试平台，能够真实复现MHPR冷凝器的非对称散热环境，获取与真实反应堆运行一致的数据。对于反应堆负载跟随运行中频繁出现的动态功率瞬态过程，大长径比钠热管的气-液热平衡重建机理和优化调节策略仍有待充分探索（Qian et al., 2025）。

文献对比验证了钠热管水冷与风冷测试结果之间的显著差异：在相同加热功率和平均冷凝器温度下，与不对称风冷条件相比，均匀水冷测得的最大传热容量被高估12%–20%，轴向壁面温差被低估30%以上（Huang et al., 2024, Faghri, 2012）。如此大的定量偏差会误导MHPR初步设计中热管安全运行包络的确定，凸显了开展与反应堆实际冷却条件一致的非均匀风冷实验的必要性。

为填补上述研究空白，本文针对长径比约为210的兆瓦级MHPR钠热管，搭建了非均匀风冷实验平台以复现反应堆散热条件，并对四种工作场景进行了全面测试。四个明确的研究目标如下：

（1）从气-液耦合热质传递角度揭示启动失效和性能退化机理；

（2）量化加热温度、冷却空气温度和体积流量对传热功率和轴向等温性的耦合调节效果；

（3）建立大长径比钠热管的通用定量可靠性性能矩阵；

（4）划定综合最优可靠运行包络，并提出与MHPR工程实施相匹配的功率负载跟随控制策略。

本文余下部分组织如下：第2节阐述实验平台、测试样品和测量不确定度分析；第3节呈现实验数据并解释四种运行场景下的热质传递机理；第4节构建可靠性矩阵并定义最优运行区间，提供工程指导；第5节总结核心结论；最后一节提出未来研究方向。

**实验测试台**

搭建了高温热管可靠性测试平台，以在非均匀冷却条件下准确表征大长径比钠热管的热性能。该平台由三个核心子系统组成：感应加热系统、非均匀散热冷却系统和高精度数据采集系统（图1）。平台设计充分考虑了MHPRs的实际运行特性，主要特点包括启动性能。

**不同冷却条件下的启动性能与机理**

本文定义了定量判据以区分启动成功与启动失效，用于统一性能对比。当轴向壁面温度波动保持在±5 °C以内、传热功率稳定至少10分钟且整体轴向温度梯度低于50 °C/m时，确认启动成功。若蒸发器-冷凝器温差持续超过100 °C，且在500分钟内无法形成稳定的两相循环，则判定为启动失效。

**定量可靠性性能矩阵**

基于系统实验结果和机理分析，建立了大长径比高温钠热管的定量可靠性性能矩阵（表2）。该矩阵以运行场景为行维度，以核心影响因素、关键性能指标、性能临界阈值和最优调节范围为列维度，实现了对热管特性的全面量化表征。

**结论**

大长径比钠热管的启动可靠性取决于稳定的气-液两相循环的建立。热启动需要300–400 °C的冷却空气和每步0.1 kW的功率爬升速率；冷启动必须依靠自然对流冷凝器冷却，以消除因过度隔热引起的冻结限制失效。

加热温度是稳态热性能的主导控制参数，600 °C和700 °C为临界……

**未来工作**

本文仅研究了MHPR标称运行条件下的短期稳态和瞬态性能。后续研究将扩展三个方向以支持反应堆全生命周期安全分析：

（1）长期高温老化实验：表征钠腐蚀、吸液芯结构变形和持续不凝气体积累引起的性能退化；建立面向长周期MHPR的热管使用寿命预测模型。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文研究成果的财务利益或个人关系冲突。

**作者名单**

李坤、严岩、王旭佳、周全、张开、门启明、江盛尧、桂楠