高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量及反问题计算

李聪新，任 成，杨星团，姜胜耀，孙艳飞

（清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

20世纪60年代日本Shindo发明以聚丙烯腈（PAN）为原料制造碳纤维，经过50多年的发展，碳纤维材料行业已发展成独立完整的工业体系［1］，碳纤维毡作为绝热保温材料获得了广泛应用［2］。列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》16个重大专项之一的高温气冷堆核电站项目，由于采用了石墨堆芯结构和石墨基体燃料元件，相关设计和实验采用了大量性质兼容的碳纤维材料。高温气冷堆运行温度为750℃［3］，极限事故工况下燃料元件的安全温度限值为1 600℃［4］，相应的热工、余热排出等高温试验需要高性能的耐高温保温材料。碳毡中90%为空隙，保温隔热性能优越、稳定［5］，成为高温气冷堆相关实验优先选择的保温材料。

国内对碳毡材料力学［6］、热学、电学［7］等方面的性能、参数的研究和测定不足，尤其是在其更具优势的高温领域（1 000℃以上）。碳毡的导热性能受温度、密度、石墨化度、碳纤维取向等多种因素影响［8］，并非常量［9］，导热系数仍以实验测量为主。高温条件下通常采用激光闪射法［9－13］和热线法［14］。这两种方法的测量精度受两个因素影响较大，一是小尺寸试样选取不具有代表性，二是测试环境与使用环境不一致。

现代工业越来越多的要求实时精确的测量热物性，因此基于导热反问题的材料物性参数识别方法取得了广泛应用［15］。自60年代Stolz发表简单形状的导热反问题数值计算方法［16］以来，导热反问题的计算方法极大丰富，如正则化方法、LM方法、神经网络算法等［17－19］。……