氦氙混合比例对堆内通道流动换热特性影响

黄笛， 李仲春， 余霖， 何晓强， 赵富龙， 谭思超

(1.哈尔滨工程大学 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213)

空间核能可以满足未来太空技术对高能量密度、高功率水平、长任务周期的要求，是实现未来太空技术对大功率、长任务周期空间能源需求的唯一选择[1]。高温气冷堆结合闭式布雷顿循环，具有较高的循环效率和较小的系统比质量，是大功率空间核反应堆电源的理想方案之一[2]。相较于纯氦气，一定混合比例下的氦氙混合气体的传热性能较高[3]，所以空间反应堆常用的循环工质是氦氙混合气体。研究不同比例的氦氙混合气体对堆芯流动换热性能的影响，对于空间反应堆选择合适的氦-氙混合气体配比具有重要的意义。

美国爱达荷国家实验室(Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, INEEL)在兆瓦级核反应堆系统分析报告[4]中指出，空间核反应堆选择气冷反应堆，能量转换系统选择闭式 Brayton 循环的方案具有一定的技术竞争力。El-Genk等[5]基于对静态和动态能量转换系统的净效率和比功率以及对散热器具体面积的估算获得的最佳系统性能和最高比功率，提出了额定功率高达110 kWe的4种使用He-Xe(40 g/mol)工作流体的闭式布雷顿循环空间反应堆动力系统概念。2018年，清华大学核能与新能源技术研究院的杨谢等[6]利用Fortran 95开发了氦氙混合气体的物性计算程序，分析了氦-氙混合气体物性随混合气体摩尔质量、温度、压力的变化关系。分析结果指出，在压力为2 MPa、温度为400 K的条件下，氦氙混合气体与纯氦气的对流换热系数比值随着混合气体的摩尔质量的增加呈现先增加后减小的趋势。……