核电系统中纳米流体的应用研究进展浅析

贾凝晰 王洪亮

（中国核电工程有限公司，北京100840）

0 引言

随着对高效传热技术的需求越来越多，传统的传热流体由于导热系数较低逐渐无法满足更高的工程需求。理想的纳米流体具备高热导性、低黏性、良好的稳定性和兼容性，同时，低廉的价格使其具有很好的经济性。纳米流体已在多个如生物、化学、传热、能源等领域展现出巨大的应用前景，纳米流体若应用在核能领域也将会有非常大的研究价值和发展潜力[1-3]。

纳米流体在核能领域可能的应用方向主要有两个，分别是关键设备的冷却和应对严重事故工况。冷却方面，纳米流体的经济价值明显高于传统的冷却换热工质，使其有望应用在核能领域；应对事故工况，纳米流体的高效传导与壁面临界热流密度强化特性，可以大大增加应对策略的可靠性。

核能领域的应用环境条件多数较为苛刻，包括高温、高压、强辐射、pH值等的限定，具体条件依据应用方向而定。因此，在核能领域应用纳米流体技术，需要在综合考虑应用环境条件的前提下合理设计应用方案。

1 纳米流体优越特性

1886年，Maxwell采用微观分子的统计行为解释宏观气体的性质并获得了分子分布定律。根据Maxwell混合理论，将固体颗粒分散到液体工质中，固体材料的导热系数比液体工质大得多，可以提高整体的导热系数[4]。随之，Maxwell提出微米或毫米级固体粒子悬浮液的导热系数模型。该理论模型先后经过Jeffrey、Davis、Grosser等人优化完善[5]。

1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等提出了纳米流体的概念，即将纳米级金属或非金属氧化物颗粒添加到换热工质中制备出新型换热工质[6]。相比Maxwell的理论中提到的在液体中添加毫米或微米级固体粒子悬浮液而言，在液体中添加纳米颗粒可使传热工质在工程应用方面具有更优越的特性。

2.1 纳米流体的导热研究

导热特性是纳米流体最为重要的热物性之一，作为新型换热工质，纳米流体的导热系数是研究学者的主要关注对象。早期关于纳米流体导热特性的研究主要集中在添加高浓度氧化物颗粒对流体热物性的改变，后来，随着纳米流体制备工艺和新型材料的引进，国内外学者得到了多种纳米流体强化导热特性的结论和成果。纳米流体的导热特性受很多因素的影响，包括纳米颗粒自身的属性、份额、粒径、稳定性、温度等。

针对纳米流体的导热特性，国内外学者做了大量的实验研究。表1为相关学者文章的实验结果总结。从表中可知采用适当的纳米流体可以强化冷却工质的导热系数，不同工质强化效果不同；同一工质，由于纳米颗粒粒径、浓度等差异所得到的导热系数强化效果不同。

表1 纳米流体的导热试验研究

由于纳米颗粒的加入，使得基液的导热特性显著增强，从微观机理来看，主要可从两个方面对此进行解释：

（1）由于固体粒子的导热系数远大于液体，固体颗粒的加入改变了基础液体的结构，相当于体系中固相的体积含量增加了，因此，增强了混合物内部的热量传递过程，使导热率增大；

（2）纳米流体中的粒子做布朗运动，使粒子相互碰撞，纳米粒子的微运动使得粒子与液体间产生微对流现象，这种微对流增强了粒子与液体间的能量传递过程，增大了纳米流体的导热系数。

1.2 纳米流体对流换热特性

关于纳米流体对流换热特性的研究，主要包括自然对流换热和强迫对流换热。由于目前关于自然对流换热的研究较少，且研究结果显示纳米颗粒的加入使得纳米流体的自然对流传热性能更差，而且随着颗粒浓度增加而进一步变差。因此，本文主要讨论强迫对流换热。国内外学者普遍认为采用纳米流体可以提高强迫对流换热的性能。

国内外学者通过大量实验证明了纳米流体的加入对于换热性能的改善作用。Kole[15]使用长时间超声法制备ZnO-EG纳米流体，通过测定换热系数相比基液而言提升了22%。Raveshi[16]通过实验得出在Al2O3-EG/H2O纳米流体中存在一个最佳体积浓度0.75%使传热系数最大，达到64%。Zeinali[17]通过实验发现0.5%的CuO-EG/H2O纳米流体的传热增强效果最好，达到55%。梁中丽[18]通过实验测得Fe3O4/H2O纳米流体在体积分数为1%时，对流换热系数增加约90%。黎阳[19]等在自制对流传热性能测试平台上对以水/乙二醇混合液为基液的Al2O3、MgO和ZnO纳米流体进行了测试，传热系数增量分别为47.5%、244%和24.6%。上述实验结果表明添加适当的纳米颗粒，可以提高工质的强迫对流的换热系数，且采用不同纳米流体所得到的强化效果不一，甚至差异较大。而纳米流体强化换热的原因除纳米颗粒的加入使导热系数增加外，还有：1）大量纳米颗粒在壁面和基液中循环运动，且纳米颗粒换热面积大，加快了壁面与基液达成热平衡；2）纳米颗粒的比热容较基液大几百倍，大大增加了流体的热流密度；3）纳米颗粒的迁移还使得纳米流体的截面温度分布变得平坦。

1.3 纳米流体CHF强化特性

近年来，研究学者提出多种方案来强化反应堆压力容器外壁面CHF，如改变加热器形状、改变换热表面特性、增加换热面积等。在众多方法中，采用纳米流体技术强化CHF的方法引起了广大研究学者的关注。CHF的产生是由于沸腾换热过程中换热表面产生大量的气泡，当达到临界热流密度时，大量的气泡会在换热表面积聚使得传热恶化，甚至烧毁。按照沸腾换热形式，纳米流体的CHF强化试验主要包括池式沸腾和流动沸腾工况。

国内外学者针对池沸腾和流动沸腾进行了大量的试验研究，表2为关于纳米流体这两种沸腾方式的试验研究结果。结果表明，两种沸腾工况下采用不同的纳米流体均可使CHF得到不同程度的强化。一些学者认为CHF强化的原因是纳米颗粒的附着，工程应用条件包括流速、含气率、流型、换热方式等均对CHF的强化具有一定影响，未来需要进一步研究。

表2 纳米流体的池沸腾试验研究

2 核电系统中纳米流体的工程应用方案

鉴于纳米流体的优越特性，使其与传统的传热流体相比，在强化换热方面体现出了巨大优势，能够将纳米流体技术在核电领域实现真正的应用将会产生巨大的经济效益。目前，国内外学者已经做出大量的有关纳米流体的研究和总结工作，并提出多种有关纳米流体在核能领域应用的设计方案，本文针对其中一些技术难点（如纳米流体长时间分散性等问题）提出了优化方案。这些设计方案对未来纳米流体在核能领域的工程应用提供有力的参考。

2.1 纳米流体注射系统

2.1.1 MIT非能动IVR纳米流体注射系统设计

美国MIT的Buongiorno等人[28，29]曾提出一种适用于美国AP1000、韩国APR1400等先进压水堆的非能动的纳米流体注射系统设计方案。该方案预期反应堆压力容器外壁面CHF提高约40%，是一种强化CHF的有效措施。

如图1所示，为MIT纳米流体注射系统结构示意图，该系统主要由N2罐、纳米流体贮存罐、阀门及管路组成。正常工况下纳米流体和主环路隔离，事故期间纳米流体可与反应堆安全系统的水源混合并在IVR严重事故缓解策略需要时注入反应堆堆腔。该方案具有以下优势：

图1 MIT纳米流体注射系统结构示意图

（1）采用纳米流体，可有效提升反应堆压力容器外壁面的CHF；

（2）纳米流体注射系统与其他系统互不影响且采用非能动设计无须外部能源支持；

（3）纳米流体注射系统成本低廉，经济性强。

2.1.2 KyungHee非能动ECCSs纳米流体注射系统设计

韩国KyungHee的Myoung等人[30]曾提出一种以韩国APR1400为应用背景的非能动应急堆芯冷却系统（ECCSs）纳米流体注射系统设计。该系统与安注箱结合，同样采用非能动的方式，可在事故工况下向ECCSs注射纳米流体。

如图2所示，为KyungHee纳米流体注射系统结构示意图，除核电系统原有的安注箱外，纳米流体注射系统主要由纳米流体水箱、取样器、塞板、浮球等装置组成。当事故发生时，安注箱启动向相应冷却管线注入冷却水，从而达到堆芯冷却的目的；相应地，安注箱内液位下降，浮球带动塞板，纳米流体水箱回路开启，共同向冷却管注射纳米流体和冷却水。

图2 KyungHee纳米流体注射系统结构示意图

该方案无须人为介入，在原安注箱系统的基础上，增设纳米流体注射系统，利用浮球装置与安装箱系统联动触发启动，安全系数高，同时增设纳米流体取样器，便于日常维护和检测纳米流体。

对上述纳米流体注射系统进行总结与分析可知，目前的纳米流体注射系统尚未实现工程应用的原因主要有：1）目前的技术手段无法让纳米流体长时间维持均匀稳定的分散状态；2）工程需要的纳米流体量较大，事故条件下，无法提供能源支持纳米流体系统的运行；3）纳米流体系统的寿命有限，工程实际中不便更换和拆卸；4）纳米流体系统的设置可能会对其他系统产生不利影响。

针对上述问题，研究学者提出“现用现制”“高浓度制备低浓度使用”理念进行方案优化，优化方案避免的纳米流体的存储弊端，采用干湿分离的方法储存纳米颗粒和基液，需要时启动蓄电池进行混合、制备纳米流体，即“现用现制”，避免了纳米流体无法长时间储存的问题，同时有效提高纳米流体注射系统的使用寿命。与此同时，短时间内制备高浓度纳米流体并通过高压N2罐注射到接入的系统或管道，与原有的冷却水混合、稀释而后发挥效用，即“高浓度制备低浓度使用”，避免了直接生产大量低浓度纳米流体而需要较多能源支撑的问题。

2.2 纳米流体冷却回路系统设计

虽然纳米流体强化传热效果明显，但是作为冷却剂，纳米流体的应用受到其稳定性的影响较大。尤其是在核能领域，将纳米流体作为核电厂一回路的主冷却剂或者应用于关键大型设备的冷却的设计方案寥寥无几，主要是由于：1）作为主冷却剂，纳米流体的稳定性调节试剂，如有机大分子试剂、pH调节试剂的使用严重受到限制；2）聚集后的纳米颗粒团聚粒子对主循环回路的设备和管路造成危害；3）大部分纳米颗粒对堆芯的辐照较为敏感，同时也会影响堆芯的中子行为。

研究人员结合纳米流体冷却回路试验，提出一种适用于压水堆核电站的纳米流体冷却回路系统的设计方案。方案设置了纳米流体分散罐，罐内设有搅拌器和超声振动分散器，借以维持回路中纳米流体冷却剂均匀稳定的分散状态，从而利用纳米流体高效传热特性提高换热效率。

3 结论

本文在充分了解纳米流体优越特性后总结了纳米流体在核电系统中的工程应用设计方案，主要分析结论如下：

（1）纳米颗粒自身的属性、份额、粒径、稳定性、环境温度等均对纳米流体的导热系数有一定的影响，采用适当的纳米流体可以显著提高冷却工质的导热系。

（2）采用适当的纳米流体，可以提高强迫对流的换热系数。

（3）采用适当的纳米流体可以提高池沸腾、流动沸腾表面CHF。

（4）纳米流体在核电系统的工程应用设计方案主要包括纳米流体注射系统类（适用于IVR策略、ECCSs系统的应用）和冷却回路系统类（适用于主回路冷却剂、关键设备冷却回路的应用）。