热管技术研发获系统性推进

在美国能源部资助的微堆计划下，Idaho美国国家实验室近期开展了一项全面的现象识别与排序表(PIRT)活动，旨在推进热管技术在微堆应用中的发展。

这项活动于今年早些时候举行，汇集了来自国家实验室、大学和美国核管会的专家，共同确定影响热管性能的关键现象优先级。通过分析这些现象，PIRT活动为引导未来研发工作提供了宝贵见解，支持热管在核反应堆等关键应用中的成功集成。

热管技术在核工业中正变得越来越普遍，包括西屋电气的eVinci热管微堆和裂变核能地表能源计划。热管具有广泛用途，包括核反应堆、空间系统和电子设备冷却。作为非能动热管理设备，它们利用相变和毛细作用实现高效传热。

其运行依赖于碱金属工质流体在蒸发器中吸收热量并蒸发。加热后的蒸汽随后流向冷凝器，通过冷凝释放热量。冷凝后的液体通过芯结构中的毛细作用返回蒸发器。热管内部的这种循环蒸发和冷凝过程能够实现高效传热，且沿热管长度的温度梯度最小。

热管微堆中的热管将堆芯热量传递给功率转换系统，为移动式反应堆设计提供非能动堆芯冷却。这一过程消除了对冷却剂泵送系统的需求。热管在核应用中的其他用途包括热管换热器、长期非能动冷却系统和乏燃料贮存系统。上图展示了一个运行中的高温热管。

热管看似简单的系统，基本上由一个包含芯结构和少量工质流体的封闭管道组成。然而，热管中耦合现象的复杂性——包括毛细作用、相变、湍流和可压缩性效应——导致热管运行工况和性能的可预测性存在高度不确定性。

PIRT活动分为几个阶段，每个阶段都建立在前一阶段的基础上，最终形成一份全面的最终报告(参见《热管现象识别与排序表》，INL/RPT-25-84171，2025年4月)。该过程始于Idaho美国国家实验室的美国能源部微堆计划初步识别现象。这些初始现象涵盖了热管运行的基本方面，包括传热机制、流体动力学、相变动力学和材料科学，涵盖各种运行工况。

随后邀请了包括建模与仿真、试验、仪表、热管制造和反应堆许可等领域的专家在内的多元化利益相关方群体贡献他们的专业知识和见解。这种协作方法确保了对关键现象进行全面和平衡的评估。一份初步PIRT文件被分发以供审查和反馈，随后举行了为期一天的混合会议。这次会议为深入讨论和最终确定PIRT提供了一个平台，实现了实时协作和共识构建。

PIRT活动识别了若干对热管运行至关重要的现象。根据它们对热管运行工况和性能可预测性的影响，这些现象被分为高、中、低优先级。下面列出了部分高优先级和中优先级现象；关于这些现象的更详细讨论可以在相关的PIRT报告中找到。

SPHERE设施是Idaho美国国家实验室用于核应用的旗舰高温热管试验设施。(照片：INL)

R&D技术员Travis Neumann在SPHERE进行试验前检查热电偶。(照片：INL)

解决诸如芯结构去湿、临界热流密度、接触角和压力动力学等现象的低建模知识水平需要多方面的方法。开发先进的多相和多尺度模型，结合高分辨率仿真和详细的试验验证，将增强我们对这些关键现象的理解和预测能力。例如，上图展示了铜-水热管运行的最先进计算流体动力学(CFD)结果快照。这将确保热管在各种工况下的可靠和高效运行，支持它们在关键应用中的成功集成。

可靠的内部温度、压力或速度测量技术对于解决与热管内复杂流动动力学和传热相关的知识缺口至关重要。扩展当前的X射线摄影技术以分辨芯结构可以在运行期间研究蒸发和冷凝机制。此外，研究影响热管寿命因素的试验，如腐蚀、氧化和芯结构退化，将有助于确立热管作为核应用有效冷却解决方案的地位。这些试验需求将推动SPHERE(单一主热提取与移除模拟器)——Idaho美国国家实验室的旗舰热管试验设施的未来试验和升级。

实施稳健的质量保证流程和建立行业标准对于确保热管的可靠性、安全和性能至关重要。通过严格的质量保证协议和定期检查来解决与质量保证相关的问题，如流体污染、填充不足、表面粗糙度、尺寸公差和制造缺陷，将有助于缓解这些问题并提高整体可靠性。

PIRT活动成功识别并确定了影响热管运行工况和性能的关键现象的优先级。通过解决建模和试验技术中的关键知识缺口，并实施稳健的质量保证流程，我们可以增强热管在各种工况下的可靠性和效率。这种系统评估和优先级确定过程为引导未来研究工作提供了宝贵资源，支持热管在核反应堆等关键应用中的成功集成，并为安全关键行业中热管技术的进步做出贡献。

Ilyas Yilgor是Idaho美国国家实验室的博士后研究员。Mauricio Tano是Idaho美国国家实验室的建模/仿真专业人员。Katrina Sweetland是LANL的研发工程师。Joshua Hansel是Idaho美国国家实验室的计算科学家。Piyush Sabharwall是Idaho美国国家实验室的杰出科学家和美国能源部微堆计划技术领域负责人。