第44卷第1期2021年1月
核技术
NUCLEAR TECHNIQUES
V ol.44，No.1
January2021
小型氦氙冷却反应堆关键参数初步研究
胡文桢1邓坚2刘晓晶1李仲春2薛冰1
1（上海交通大学核科学与工程学院上海200240）
2（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室成都610213）
摘要使用氦氙混合气体作为冷却剂结合布雷顿热电转换系统的快中子增殖堆是未来空间核动力的发展趋势。为了提高系统效率、减小系统质量，许多学者开展了空间反应堆参数设计研究，但少有涉及氦氙冷却反应堆。本文的研究内容是小型氦氙冷却反应堆关键参数的设计。通过Fortran95语言编程构建单通道
、一次表面回热器等部件模型，建立热力系统程序。采用淹没次临界反应堆基本参数进行程序验证，并通过单个参数的敏感性分析来确定关键参数范围。结果表明：回热器对系统效率和系统质量的影响最大，压气机压比超过1.52之后再增大压比对系统质量的影响较小。本研究为小型氦氙冷却反应堆的设计提供了参考。
关键词氦氙冷却反应堆，热力系统，关键参数
中图分类号TL99
DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.010601
Study on key parameters design of small helium xenon cooled reactor
HU Wenzhen1DENG Jian2LIU Xiaojing1LI Zhongchun2XUE Bing1
1(School of Nuclear Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China) 2(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu610213,China)
Abstract[Background]The fast breeder reactor using helium-xenon mixture gas as coolant combined wi
th Brayton thermoelectric conversion system is the development trend of space nuclear power in the future.In order to improve the system efficiency and reduce the system mass,many scholars have carried out research on the design of reactor parameters,but few of them involved helium xenon cooled reactors.[Purpose]This study aims to design key parameters of small helium xenon cooled reactor.[Methods]The single channel model,primary surface regenerator and other component models were built by using FORTRAN95language programming,and the thermal system program was established afterward.The basic parameters of submerged subcritical reactor were used to verify the program,and the range of key parameters was determined by sensitivity analysis of a single parameter.[Results]The results show that the regenerator has the greatest influence on the system efficiency and mass,and the pressure ratio of the compressor over1.52has less influence on the system mass.[Conclusions]This study provides a reference for the design of small helium xenon cooled reactor.
Key words Helium-xenon cooled reactors,Thermal system,Key parameters
核反应堆系统设计技术重点实验室运行基金(No.LRSDT2018404)资助
第一作者：胡文桢，男，1997年出生，2018年毕业于东南大学，现为硕士研究生，现主要从事核科学与工程相关研究
通信作者：刘晓晶，E-mail：；李仲春，E-mail：
收稿日期：2020-10-26，修回日期：2020-11-10
Supported by Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory fund(No.LRSDT2018404)
First author:HU Wenzhen,male,born in1997,graduated from Southeast University in2018,master student,focusing on the research of nuclear science and engineering
Corresponding author:LIU Xiaojing,E-mail:LI Zhongchun,E-mail:
Received date:2020-10-26,revised date:2020-11-10
核技术2021,44:010601
淹没次临界反应堆（S4）［1−3］是美国为防止空间堆发生单点失效所进行的研究堆型。S4反应堆核心被分为三个液压独立的、中性和热耦合的部分。每个扇区提供一个单独的封闭布雷顿循环，冷却剂采用的是40g∙mol−1的氦氙混合气体，单个循环热功率为157kW。每个回路均包含相应的散热装置，系统能量转换效率在20%左右。
本文采用单通道模型［4］结合闭式布雷顿循环系统［5］、美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）格伦研究中心建立的回热器理论模型［6］、NASA Lewis热管辐射散热器模型［7］、Prometheus能量转换装置质量模型［8］搭建了反应堆热力系统-质量评价程序。依据El-Genk等［3］对淹没次临界反应堆进行的稳态计算，对程序进行验证。
1程序构建与验证
采用Fortran语言编程对系统各部件（反应堆堆芯、压力容器、压气机-透平能量转换装置、回热器、辐射散热器等）进行物理模型搭建，分析模型内设计变量对循环热效率以及系统质量的影响。单通道模型认为相邻冷却剂通道间无动量、能量交换，用于反应堆堆芯建模。使用闭式布雷顿循环的基本热力学公式，求解冷却剂在整个循环过程中各个关键部件的出入口温度。回热器采用文献［6］所建立的回热
器理论模型。该模型包括热交换器效率与传热表面
积和整体传热系数之间的基本关系。文献［7］提出
了辐射散热器的设计目标和设计原则。依据此原则
对辐射散热器的质量进行了保守估算。Prometheus
能量转换装置质量模型即目前国际上通用的霍尼威
尔设计的涡轮-交流-压缩机组合。
S4反应堆堆芯是一个六边形的固体堆芯，堆芯基体由Mo-14Re构成，固体堆芯具有较高的导热率（>68W∙m−1∙K−1），在单个回路发生故障时，可以通过热传导的方式将热量从失效扇区传递到相邻扇
区。单个布雷顿循环系统循环图如图1所示，C代表
压气机，T代表透平。CBC（Closed Brayton Cycle）为
闭式布雷顿循环，ALIP为交变线性感应泵。冷却剂
经过压气机进入回热器中，通过堆芯加热没流入透
平，经过透平做功后，进入回热器加热压缩气体。最
终进入辐射散热器，排热后进入压气机。系统热效
率为28.5%，考虑能量转换装置轴效率以及电机效
率之后系统总能量转换效率为27.8%。根据文献
［1］中S4反应堆相关基本参数进行计算，所得计算结
果与文献中的稳态值对比如表1所示，其中系统热
效率差值在1.5%以内，相对文献中的稳态值，本程
序中所得的系统效率计算值要稍低一些。这说明原
系统中设置分级冷却时，有利于系统效率的提高，但
总体相差不大，确定了程序的可靠性。参照美国S4
堆相关稳态运行参数开展参数敏感性分析。
表1稳态计算偏差
Table1Steady-state calculation deviation
参量
Parameter
反应堆流量
Reactor flow rate/kg∙s−1
堆芯出口温度
Core inlet temperature/K
透平出口温度
Turbine outlet temperature/K 压气机出口温度Compressor outlet temperature/K
压气机入口温度Compressor inlet temperature/K
循环温度比
Cycle temperature ratio
系统热效率
System thermal efficiency
系统质量System mass/kg 稳态值
Steady
value
1.834
1149.0
1007.6
483.5
400.0
2.8725
0.285
―
计算
结果
Result
1.804
1148.9
1007.8
479.6
398.2
2.8854
0.282
539.15
偏差
Deviation
1.636%
0.087‰
0.198‰
8.066‰
4.500‰
4.491‰
1.052%
―
对比
Comparison
文献[1]中设置了压气机冷却分流；本程序中忽略不计
In Ref.[1],compressor cooling flow is set up,this procedure is
ignored
偏差较小Deviation is small
偏差较小Deviation is small
本程序中未涉及，压气机出温度与回热器出口温度相同
Not mentioned in this procedure,the compressor outlet temperature
is the same as the regenerator outlet temperature
偏差较小Deviation is small
设置分流冷却循环效率稍高
The efficiency of shunt cooling is slightly higher
―
胡文桢等：小型氦氙冷却反应堆关键参数初步研究
2单个参数敏感性分析
为进行关键参数的选择，通过系统建模根据输
入值选取回热度等8个基本输入参数作为研究对象，以S 4
反应堆的稳态设计参数为基准上下浮动5%作为参数的变化范围做敏感性分析。相关参数如表2所示。
在其他输入参数不变的情况下，对输出结果进行分析。图2表示回热器回热度变化对系统效率和系统质量的影响。回热器回热度在0.9025~0.9975内变化时，系统热效率随着回热器回热度的增大而升高，最大值为42.3%。回热度超过0.95之后，系统质量随着回热器回热度的增大而急剧增大，变化量超过1000kg 。在其他条件不变的情况下，系统回热器的回热度应保持在0.90~0.96内较为合理。回热度超出0.96后，无可行方案。
系统热效率和质量随堆芯入口温度的变化如图3所示。堆芯入口温度在932.33~1030.47K 内变化
时，系统热效率变化很大，最大值为38.4%，随着堆
芯入口温度的升高，系统热效率和系统质量同时减小。堆芯入口温度超过1025K 后，系统质量下降程度较为缓慢。在整个变化范围内，系统质量变化超过600kg 。在其他条件不变的情况下，堆芯入口温度应保持在1025K
以下。
图2回热器回热度对系统效率和质量的影响Fig.2Influence of regenerator effectiveness on system
reactor technologyefficiency and mass
表2基本参数及取值范围
Table 2Basic parameters and value range
参数Parameter
回热度Regenerator effectiveness 堆芯入口温度Core inlet temperature /K
压气机出口压力Compressor outlet pressure /MPa 压气机入口压力Compressor outlet temperature /MPa 堆芯流量Reactor flow rate /kg ∙s −1透平效率Turbine efficiency
循环高压损失Cycle high pressure loss /MPa 循环低压损失Cycle low pressure loss /MPa
取值范围Value range 0.9025~0.9975932.33~1030.470.88179~0.974610.58748~0.649321.71380~1.894200.89395~0.988050.02755~0.030450.01482~0.016
38
图1S 4单个布雷顿循环系统循环图及稳态相关参数
Fig.1One CBC loop of S 4power system and steady-state parameters
核技术2021,44:010601
由图4可知，压气机出口压力在0.882~0.975MPa 内时，系统效率和系统质量均呈下降趋势，其中系统质量在0.94MPa 之后下降趋势趋于平缓。再增大压气机出口压力，系统质量变化不大。整个区间范围内，系统效率最高为38.7%，压气机入口压力等其他条件不变的情况下，建议压力机出口压力保持在0.9
1~0.95MPa 之间。
压气机入口压力在0.587~0.649MPa 内变化时，系统效率和系统质量均呈上升趋势，如图5所示。
系统效率最高可达到37.6%，其中系统质量在压气
机入口压力高于0.61MPa 之后，随着入口压力的增加，将急剧增加。整个区间分为内系统质量变化接近500kg 。在压气机出口压力等其他条件不变的情况下，压力机入口压力应保持在0.59~0.63MPa 之间。
由图6可知，在透平内效率0.894~0.988内，系统效率和系统质量均随透平内效率的增加而有一定程度的减小。系统质量下降趋势逐渐变平缓。透平内效率在稳态值上下变化5%的范围内，系统效率的变化在15%左右，系统质量下降超过450kg ，与回热度堆芯入口温度等其他参数相比，其对系统效率的影响较小，对系统质量的影响相对较大。
堆芯流量在1.714~1.894kg ∙s −1范围变化时，系统热效率和系统质量均随着堆芯流量的增加而降低，系统质量随着堆芯流量的增加下降趋势变缓，区间内系统最高效率在流量最低处取到，低于40%，见图7。堆芯流量超过1.85kg ∙s −1后系统质量变化不大，而在1.71kg ∙s −1之后再降低，系统质量迅速将超过1000kg 。
由图8可知，随着系统低压压力损失的增加，
系
图3堆芯入口温度对系统效率和质量的影响
Fig.3Influence of core inlet temperature on system efficiency
and
mass
图4压气机出口压力对系统效率和质量的影响Fig.4Influence of outlet pressure on system efficiency and
mass
图5压气机入口压力对系统效率和质量的影响
Fig.5Influence of inlet pressure on system efficiency and
mass
图6透平内效率对系统效率和质量的影响
Fig.6
Influence of turbine efficiency on system efficiency and
mass
图7堆芯流量对系统效率和质量的影响
Fig.7
Influence of core flow on system efficiency and mass
胡文桢等：小型氦氙冷却反应堆关键参数初步研究
统热效率和系统质量都有一定的增加，系统质量存在小范围内波动，但总体看来其引起效率和质量的变化在1.5%以内，因此系统的低压压力损失不是影响系统效率和质量的关键参数。
图9中，随着系统高压压力损失的增加，系统热效率和系统质量都有一定的增加，引起效率和质量的变化范围较小，因此系统的高压压力损失也不是影响系统效率和质量的关键参数。但系统高压压力损失在稳态值上下5%范围内变化时，其对系统的影响大于低压压力损失的影响。原因是系统高压压力损失上下
变化是引起的系统压比的变化较大。
压气机出入口压力对系统压效率和质量的影响
相似，根本上均是压气机压比对系统效率和质量的
影响。图10为压气机压比对系统热效率和系统质量的影响。压气机出入口压力引起的压气机压比变化对系统效率和质量影响曲线基本重合。压气机压比与系统热效率和质量均成负相关的关系。
随着压比的增高，在1.46~1.52内对系统质量的影响较大，压比超过1.52之后再增大压比对系统质量的影响较小。压气机压比超过1.58之后系统效率过低，相关设计方案不可行。故系统关键参数可确定为回热器回热度、堆芯入口温度、压气机压比、堆芯流量和透平效率。其中回热度与系统质量和效率成正相关，其余关键参数与系统效率和质量成负相关的关系。
3系统关键参数的确定
通过§2单个参数的敏感性分析，可以得到各个
参数对系统效率和系统质量的影响趋势和范围。整理如表3所示，其中：Δη为可行域内效率最大差值，表示单个系统参数对系统效率的影响程度；Δm 表示可行域内质量最大差值，表示单个系统参数对系统质量的影响程度。系统基本参数在稳态值上下浮动
5%范围内对系统效率和系统质量影响最大的是回热器回热度，对系统效率影响较大的依次是回热度、压气机出口压力、压气机入口压力、堆芯流量、透平效率。对系统质量影响较大的依次是回热器回热度、堆芯入口温度、压气机出口压力、压气机入口压力、堆芯流量、
透平效率。
图8低压压力损失对系统效率和质量的影响
Fig.8Influence of low pressure loss on system efficiency and
mass
图9系统高压压力损失对系统效率和质量的影响
Fig.9Influence of high pressure loss on system efficiency
and
mass
图10压气机压比对系统热效率(a)和质量(b)的影响
Fig.10
Influence of compressor pressure ratio on thermal efficiency (a)and mass (b)of system
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