ＩＳＳＮ１００６－７１６７
ＣＮ３１－１７０７／Ｔ
ＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ
第４０卷第５期　Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．５
２０２１年５月Ｍａｙ２０２１　
ＤＯＩ：
１０．１９９２７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｙｙｔ．２０２１．０５．０１０
空间核反应堆冷却剂热物性比较分析
刘　祥，　郝祖龙，　牛
风雷
（华北电力大学非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京１０２２０６）
摘　要：冷却剂是空间核反应堆（空间堆）的重要材料，选择合理、高效的冷却剂对于空间核反应堆的安全运行有重要意义。通过对空间堆常用冷却剂工质钠、钾、锂、钠钾合金、氦气等进行对比分析，得出不同冷却剂工质在密度、比定压热容、热导率、黏度等热物性参数下的差异。结合反应堆特点及冷却剂性质给出应用不同冷却方式堆型的冷却剂推荐，对于空间核反应堆的设计尤其是堆冷却剂的选取有一定参考价值。关键词：空间堆；冷却剂；热物性
中图分类号：ＴＬ３４３  　文献标志码：Ａ  　文章编号：
１００６－７１６７（２０２１）０５－００４１－０４ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ
ＳｐａｃｅＲｅａｃｔｏｒＣｏｏｌａｎｔ
ＬＩＵＸｉａｎｇ，
　ＨＡＯＺｕｌｏｎｇ，
　ＮＩＵＦｅｎｇｌｅｉ
（ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰａｓｓｉｖｅＮｕｃｌｅａｒＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｏｌａｎｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍａｔｅｒｉａｌｏｆｓｐａｃｅｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒ．Ｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｅｌｅｃｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｏｌａｎｔｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｐａｃｅｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｍｏｎｓｐａｃｅｒｅａｃｔｏｒｃｏｏｌａｎｔ，ｓｕｃｈａｓｓｏｄｉｕｍ，ｐｏｔａｓｓｉｕｍ，ｌｉｔｈｉｕｍ，ｓｏｄｉｕｍａｎｄｐｏｔａｓｓｉｕｍａｌｌｏｙ，ｈｅｌｉｕｍ，ｅｔｃ．，ｗｅｃａｎｋｎｏｗｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｉｒｔｈｅｒｍａｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｄｅｎｓｉｔｙ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，ｅｔｃ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｒｅａｒｅａｄｖｉｃｅｓｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｏｌａｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｏｌａｎｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｏｆｖａｌｕｅｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｐａｃｅｎｕｃｌｅａｒｒｅａｃｔｏｒｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｏｌａｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｒｅａｃｔｏｒ；ｃｏｏｌａｎｔ；ｔｈｅｒｍａｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
收稿日期：
２０２０ ０９ ２６基金项目：国家重点研发计划资助项目（２０１８ＹＦＢ１９００６０２
）
作者简介：刘　
祥（１９９９－），男，江西赣州人，硕士生，专业方向为动力工程。通信作者：郝祖龙（１９８０－
），男，河南焦作人，讲师，研究方向为动力工程。Ｔｅｌ．：０１０ ６１７７３１７３；Ｅ ｍａｉｌ：
ｈａｏｚｕｌｏｎｇ＠１６３．ｃｏｍ
０　引　言伴随科技的进步，人们对太空的探索越发深入。太空探索任务复杂度不断提高，对能源供给提出了更高的要求；而化学电源、太阳能电源、同位素电源等常用电源受其自身工作原理限制通常有工
作寿命短、运行依赖太阳光、供给能量密度小等缺陷，无法满足空间飞行器长时间、远距离、无光照的工作需求。空间核反应堆［１ ２
］（以下简称空间堆）电源由于其能量密度大、
无需光照、使用寿命长等优势，成为目前太空电源的主
要研究方向。针对不同功率的空间堆，其冷却方式有所不同：１～１０ｋＷ的空间堆多采用热管冷却，热管内工质多为钠、锂；１０～１００ｋＷ的空间堆利用液态碱金属直接冷却居多，如钠、锂、钠钾合金；１００ｋＷ以上的空间堆多使用氦气或氦氙气体冷却。空间堆是指为空间飞行器等空间设备提供电力的
　第
４０卷　一类核反应堆，其利用持续的链式裂变反应产生热量，
热量再由冷却介质运载至热电转换系统进行发电
［３ ４
］。  本文为探究空间堆冷却剂的选择标准，便于空间核反应堆的选材和后续结构设计，梳理了钠、钾、锂、钠钾合金及氦气作冷却剂的相关热物理性质。鉴于目前关于各冷却剂的物性数据较为零散，本文针对密度、黏度、热导率等性质对冷却剂进行集中比较，分析得出其差异，并给出不同堆型冷却剂的选择推荐。
１　
空间堆及其冷却剂
１．１　
空间堆冷却方法空间堆根据冷却方式的不同可以分为热管冷却堆、液态金属冷却堆和气体冷却堆。１．１．１　热管冷却
热管冷却［５
］通过冷却介质气液相变和毛细力实现热传递，热端液态冷却工质受热汽化，蒸气在微小的压差作用下流向冷端，释放热量同时凝结成液体，液体在多孔材料毛细力作用下回到蒸发段。该冷却方式结
构简单，每根热管各自独立，有效避免单点失效［６
］；但
传热效率有限，适用于中低功率堆型；工质多为钠、钾。１．１．２　液态金属冷却
液态金属冷却［７ １０
］利用电磁泵驱动液态金属将堆
芯热量带出。该方式传热效率高，对材料强度要求低；但回路易冻结，有泄露风险，且电磁泵驱动技术难度大；工质多为钠、锂、钠钾合金。１．１．３　气体冷却
气体冷却［１１ １３
］即利用密封回路的高压气体带出堆芯热量。该方式可允许很高的堆芯温度，惰性气体无腐蚀，适用于大功率堆型；但高气压对结构材料蠕变强度要求高，气体泄漏风险大；工质多为氦气、氦氙气体。１．２　冷却剂基本热物性分上述空间堆冷却剂工质涉及钠、钾、锂、钠钾合金
（本文涉及钠钾合金为２２Ｎａ ７８Ｋ）、氦气、氦 氙气体。
表１提供其熔沸点及指定温度下的相关热物性，可为
空间堆冷却剂初步筛选提供参考
［１４ １５
］。
１　２　
物性公式及分析
２．１　
物性公式
为探究各冷却剂热物性的差异，拟从密度，比热容，热导率，黏度，蒸汽压入手总结各金属冷却剂的物
性计算公式［１４ １５
］。２．１．１　密度金属密度与其所处状态密切相关，针对温度、压强两个因素，液态金属密度基本只受温度影响。钠密度与温度的函数关系为
　ρ×１０－３＝０．８９６６０６７９＋０．５１６１３４３Ｔ×１０()－３
－
１．８２９７２１８Ｔ×１０()－３２＋
２．２０１６２４７Ｔ×１０()－３３
－１．３９７５６４３Ｔ×１０
()－３
４
＋
０．４４８６６８９Ｔ×１０()－３５－
０．０５７９６３６２８Ｔ×１０()－３６
（１）
钾密度与温度的函数关系
　ρ×１０－３＝０．９０２８１３７６－０．１６９９０７１１Ｔ×１０()－３－
０．２６８６４７６９Ｔ×１０()－３２－０．５０５６８１８Ｔ×１０()－３３－０．４６５３７９１２Ｔ×１０()－３４＋０．２０３７８１０Ｔ×１０()－３５－０．０３４７７１３０８Ｔ×１０()－３６
（
２）锂密度与温度的函数关系为
　ρ×１０－３＝０．５３７９９９４－０．０１６０４３９８６Ｔ×１０()－３－
０．０９９９６３３Ｔ×１０()－３２＋０．０５４６０９８９４Ｔ×１０()－３３－０．０１５０８７６Ｔ×１０()－３４＋
２
４
第
５期刘　祥，等：空间核反应堆冷却剂热物性比较分析
　０．００２７０４５５Ｔ×１０()－３５－
０．０００３１５３７７３９Ｔ×１０()－３６
（
３）钠钾合金的密度与温度的函数关系为
１ρＮａＫ
＝０．２２ρＮａ＋０．７８
ρＫ
（
４）式中，ρＮａＫ
、ρＮａ
、ρＫ
分
别为钠钾合金、钠、钾的密度。式（１）～（４）为各金属密度与温度的函数关系表达式，其中：ρ的单位为ｋｇ／ｍ３
，Ｔ的单位为Ｋ。２．１．２　比定压热容工质用作冷却剂，需要足够大的比热容以实现较好的冷却效果。钠的比定压热容　ｃｐ
＝（３８．１２－０．０６９×１０６
Ｔ－２
－１９．４９３×１０－３
Ｔ＋
１０．２４×１０－６
Ｔ２
）／２２．９９（５）
钾的比定压热容　ｃｐ
＝（３９．２８８＋０．０８６×１０６
Ｔ－２
－２４．３３４×１０－３
Ｔ＋
１５．８６３×１０－６
Ｔ２
）
／３９．０９８（６）锂的比定压热容　ｃｐ
＝（３１．２２７＋０．２０５×１０６
Ｔ－２
－５．２６５×１０－３
Ｔ＋
２．６２８×１０－６
Ｔ２
）
／６．９４１（７）钠钾合金的比定压热容
ｃｐ
＝０．２２ｃｐ()
Ｎａ＋０．７８ｃｐ（Ｋ
）（８）式中，ｃｐ（Ｎａ
），ｃｐ（Ｋ
）分别为钠和钾的比热容，ｃｐ
的单位为Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）。
２．１．３　热导率热导率大小也是冷却剂选择的一个重要指标，以
下工质的热导率公式参考自国际原子能机构文件
［１４
］。其中：λ的单位为Ｗ／（ｍ·Ｋ）。钠的热导率
λ＝９９．５－３９．１×１０－３Ｔ
（９）  钾
的热导率λ＝６０．５－２５．８×１０－３
Ｔ
（１０）  锂
的热导率λ＝２４．８＋４５．０×１０－３
Ｔ－１１．６×１０－６
Ｔ２
（
１１）  钠
钾合金的热导率  λ＝１５．０００６＋３０．２８７７×１０－３
Ｔ－
２０．８９０５×１０－６
Ｔ２
（１２）
２．１．４　黏度除钠钾合金为计算动力黏度υ外，其余均为计算运动黏度η［１４
］。式中，υ单位为ｍ２
／ｓ；η单位为Ｐａ·ｓ。钠的黏度
ｌｎη＝－６．４４０６－０．３９５８ｌｎＴ＋５５６．８／Ｔ（１３）  钾的黏度
ｌｎη＝－６．４８４６－０．４２９０３ｌｎＴ＋
４８５．３／Ｔ（１４）
  锂
的黏度ｌｎη＝－４．１６４３５－０．６３７４０ｌｎＴ＋
２９２．１／Ｔ
（
１５） 
钠钾合金的黏度
　ｖ×１０８＝２００．７６５７－０．７３４６８３Ｔ＋
１．１２１０２×１０－３Ｔ２－０．７７４４２７×１０－６Ｔ３＋０．２００３８２×１０－９Ｔ４
（
１６）２．１．５　蒸汽压
以下为各工质的饱和蒸汽压计算公式，其中：
ｐｓ
单位为ＭＰａ。钠的饱和蒸汽压
　ｌｎｐｓ＝－２．４９４６ｌｎＴ×１０()－３－
１３．２９０５Ｔ×１０()－３－１＋７．８４４１＋
１．７０９３Ｔ×１０()－３＋０．１７１６Ｔ×１０()－３２－０．００８８Ｔ×１０()－３３－０．００９１Ｔ×１０()－３４＋０．００２９Ｔ×１０()－３５
（１７）
钾的饱和蒸汽压
　ｌｎｐｓ＝－０．９８７５－１０．８４２７Ｔ×１０()－３－１＋
８．９１５６－１．５５７３＋１．１１２９Ｔ×１０()－３２－０．１１２４Ｔ×１０()－３３－０．１２７６Ｔ×１０()－３４＋０．０３２４Ｔ×１０()－３５
（
１８）锂的饱和蒸汽压
　ｌｎｐｓ＝－２．０５３２ｌｎＴ×１０()－３－
１９．４２６８Ｔ×１０()－３－１＋９．４９９３＋０．７５３Ｔ×１０()
－３（
１９）２．２　
分析比较２．２．１　金属冷却剂以下对４种金属冷却剂的热物性进行集中对比分析。
（１）密度
。依据前述密度计算公式，绘制得图１。由图可见，钠、钾及钠钾合金密度随温度升高都呈先小
幅上升后下降趋势，密度大小：钠＞钠钾合金＞钾
；锂密度随温度升高而下降，其中钠、钾及钠钾合金密度随温度变化而变化幅度较大，而锂变化幅度最大处仅为２０％左
右。图１　４种
金属冷却剂密度的比较 
（２）比定压热容。依据前述比定压热容计算公式，绘制得图２。由图可见，４种冷却剂比定压热容随着温度的增加先略微减小然后再增加，比定压热容大
３
４
小：锂＞钠＞钠钾合金＞钾。其中钠、钾及钠钾合金的比容均为１．０ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）左右，而锂的比定压热容是前述三者冷却剂的４倍左右，工质达到４．０ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）左右，携带热量能力较强。图２　４种
金属冷却剂比容性质比较 
（３）热导率。依据前述热导率计算公式，绘制得图３。由图可见，随温度升高，４种冷却剂热导率趋
势差异较大：其中钠、钾工质随温度升高热导率下降；钠钾合金则是呈现先上升后下降的趋势；至于锂，导热能力随温度升高呈上升趋势且高温段上升幅度小于低温段。
图３　４种
金属冷却剂热导率比较 
（４）黏度。依据前述黏度计算公式，绘制得图４。据图可知，４种冷却剂工质的黏度都是随温度递增而减小，整体黏度大小排序为：锂＞钠＞钾＞钠钾合金，且低温段（２００～４００Ｋ）
变化幅度远大于高温段。图４　冷却剂黏度性质比较
（５）蒸汽压
。依据前述蒸汽压计算公式，绘制得图５。由图可知，温度上升，４种冷却剂工质饱和蒸汽
压均呈上升趋势，蒸汽压大小排序为钠＞钠钾合金
＞钾＞锂。值得注意的是，锂工质蒸汽压相对其他３种工质极低。
２．２．２　气体冷却剂气体冷却剂也具备优良冷却性能，以下将介绍气体冷却剂氦气的密度，比容，
热导率等热物性。
（１）密度。根据不同压力下氦气的密度数据，绘制得图６。由图可见，氦气密度随温度增加而减少，且压力越大，密度越大。
图５　４种金属冷却剂蒸汽压比较
图６　不同压力下氦气密度
（２）比定压热容
。在其应用范围可认为氦气比定压热容为常值，５．１９３ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）。
（３）热导率。根据不同压力下氦气的热导率数据，绘制得图７。由图可知，随温度上升，氦气热导率也近似呈线性上升，且压力对氦气热导率几乎没有影响。
图７　不同压力下氦气热导率
２．３　
工质推荐
对于热管冷却方式而言，考虑到其工作原理，主要考察工质汽化热。锂汽化热虽高，但其沸点也高，仅适用于堆芯温度较高功率大的堆型；而工质钠的汽化热将近达工质钾的两倍，沸点比锂低５００℃，为热管冷却推荐工质。对于液态金属冷却方式而言，针对较低功率堆型（＜１００ｋＷ）：钠钾合金为推荐冷却剂工质，其虽然密度、比容和热导率都小于钠，传热效率受影响，但其改善了黏度及饱和蒸汽压，安全性得到较大提升；针对高
（下转第２４２页）
组合的能力构建创新。高校和行业之间需要一个完善
统一的考、教体系。采用最先进的基础技术，展开能力构建培训，完善教学体系，可同时满足工程教育培养目标达成和职业资格能力培训的要求。基础技术的研究、发展和教学应用是关键。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：
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１４ １８．（上接第４４
页）功率（＞１００ｋＷ
）堆型：锂为推荐工质，其沸点在四者中最高，比容四者中最大，热导率在高温段升高，蒸汽压却最低，很适合应用于堆芯温度较高的高功率堆型。对于气体冷却方式而言，目前应用较多的为氦气，因其系统多采用布雷顿循环［６
］，为降低叶轮机械气动载荷，减少空间布雷顿循环系统中压气机级数与透平机械的体积与质量，推荐使用氦 氙气体作为工质。３　
结
　论（１）对于金属工质，锂密度随温度变化不如钠、钾剧烈；且锂的导热能力随温度增加而增加，区别于钠、钾金属热导率随温度增加而减少；比容大小排序为：锂
＞钠＞钠钾合金＞钾；黏度大小排序为：锂＞钠＞钾＞
钠钾合金；蒸汽压大小排序为：钠＞钠钾合金＞钾＞锂。（２）对于气体工质，氦气具有较大的比容和优良
的导热能力，适用于ＭＷ级
堆型。（３）采
用热管冷却方式的中低功率（＜１００ｋＷ）堆型推荐工质为钠，高功率（＞１００ｋＷ）堆
型推荐工质为锂。采用液态金属冷却方式的中低功率（＜１００
ｋＷ）堆型推荐选用钠钾合金做冷却剂，高功率（＞１００ｋＷ）堆型推荐选择锂。采用气体冷却方式的多为高功
率堆型，出于应用需求推荐选用氦 氙
气体为冷却剂。本文仅对各冷却剂的热物性进行分析比较，并未涉及具体应用场景，且对于气体冷却剂研究有待进一步深入。
参reactor4
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