钠冷快堆高温系统设备保温设计研究

陈振佳 杜丽岩 侯 斌

（1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中核战略规划研究总院，北京 100048）

0 引言

随着核电行业的发展，核能这种高效清洁的能源越来越被人重视， 国家对核能的利用也有明确的规划，在保证安全的前提下合理利用核能可以有效缓解日益紧张的能源危机。

1 保温方法的选择

高温管道保温中要充分考虑热辐射，通过反射降低热扩散是低温管道保温中的常用方法。高温管道保温通常有阻挡保温、辐射保温和真空保温三种方法。

1.1 阻挡保温

阻挡保温是通过疏松多孔材料来限制材料内部空气的对流， 减少了材料之间温度的传导、 辐射、扩散，使得热量在气孔的传递中逐渐减弱，达到隔热、保温的效果。一般采用泡沫、纤维毡作为保温材料，通过泡沫与纤维毡中孔隙结构设计与控制，降低材料的导热系数，实现高效隔热。 在阻挡保温中，材料不仅要有较低的导热系数，还要有一定的厚度，从而实现对热的阻隔。

1.2 辐射保温

辐射保温的作用机理是通过辐射的形式把管道内部散发出来的热量以一定的波长反射回去，使得热量在来回的传递中不断损失， 达到保温隔热的效果。辐射保温不同于阻隔材料，一般采用涂料，对一定波长的红外进行反射， 达到降低基材表面温度的目的。辐射保温不同于阻隔性材料保温，阻隔性材料尽管能有效隔热，但是高温区域的热量还是会持续进入低温区，在高温区温度降低后，低温区的温度仍然上升，保温材料从而又阻挡了内部热的扩散。

1.3 真空保温

真空保温通过在材料内部抽真空的方法，使材料处于一个真空状态。 在真空状态下不存在物理性能源传播的介质## 空气， 而对流传热和传递传热都需要传热介质，因此在一定度上降低了导热系数，大大提高了保温性能。真空保温对于低温是非常有效的，但是在高温下，真空中仍然存在热辐射。因此，高温真空隔热需要在真空空腔中填充阻挡热辐射的材料，既可以在空腔中填充无机低导热率材料，也可在内表面涂覆热反射涂料。

2 保温材料种类

保温材料可分为有机保温材料、无机保温材料和复合型保温材料三大类。近年来，随着经济的发展，保温材料的生产和应用技术也得到了进一步的提升，尤其是工业设备用保温材料，其正在向低密度、低导热率、多功能的方向发展，这大大提高了材料的保温性能。

2.1 有机保温材料

有机保温材料主要利用有机物低熔点、易发泡的特点，制成具有多孔泡沫结构的板材、管材，如在冰箱中还能起到结构稳定的作用。有机保温材料包括发泡聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）、聚氨酯泡沫（SPU）以及酚醛树脂泡沫等，具有重量轻、可加工性好、气密性高、保温隔热效果好的优点。 有机保温材料的缺点是耐高温、耐老化性能差、变形系数大、稳定性安全性差、易燃烧、生态环保性很差，难以循环再利用。

从有机保温材料性能列表可查， 导热系数为0.02-0.04W/(m·K)之间，导热系数低，但是耐温性差，高温易碳化。在本项目中不能应用，主要是耐温不够，在高温会燃烧或者碳化，国内近年来不断出现有机保温材料燃烧情况，造成较大的经济损失。 加入无机粉末尽管可以提高耐温性能，但是仍然存在安全隐患。

2.2 无机保温材料

常用无机保温材料包括硅酸钙制品、复合硅酸盐制品、岩棉制品、矿渣棉制品、玻璃棉制品和硅酸铝棉制品等。无机保温材料容重稍大，保温隔热性能较差，但是其防火阻燃性和抗老化性能优异、 变形系数小、安全稳固性好、保温层强度高、使用寿命长，工程成本较低，能够实现循环利用。 且可制成毡、毯、板和涂料等多种结构状态，在工业化工领域有大范围应用。

2.3 新型复合材料

纳米气凝胶复合保温材料是近年来开始大量工业应用的新型复合保温材料。气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体，密度为3kg/m3。 一般常见的气凝胶为硅气凝胶， 其最早由美国科学工作者Kistler 在1931 年制得。 在作为隔热材料方面，硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2～3 个数量级，纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。硅气凝胶的折射率接近l，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100 以上，能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外热辐射，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导，常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达13mW/(m·K)， 是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料。掺入二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料，800K 时的热导率仅为30mW/(m·K)。

纳米级气相二氧化硅等无机耐火粉料，具有巨大的比表面积， 纳米颗粒之间的接触为极小的点接触，点接触的热阻非常大，使得材料的传导传热效应变得非常小，导致纳米级微孔隔热材料的传导传热系数非常小；纳米颗粒之间形成大量的纳米级气孔，其尺寸平均在20 nm，而静止空气的分子常温下的平均热运动自由程为60～70nm，这样就把空气分子锁闭在粉料纳米气孔之内，使得静止空气分子之间的微小对流传热作用消失了，所以纳米级微孔隔热材料的常温导热系数比静止的空气还要低。

3 钠冷快堆保温方案

在钠冷快堆系统设备保温设计具有以下特点：

（1）系统管道及设备处于高温状态。 正常运行工况下，钠冷快堆一回路系统冷却剂温度可达550℃，与之相关的二回路主冷却系统以及直接与其相连的辅助系统等，最高运行温度均在500℃以上。这一高温特性使得应用于钠冷快堆系统设备保温中的保温材料必须具备较高的使用温度。

（2）系统设备和管道数量大，但布置空间较为有限。 在整个钠冷快堆反应堆系统中，由于液态金属钠的特殊性， 相比于常规火力发电站和压水堆核电厂，无论系统数量还是系统的复杂程度，钠冷快堆都远高于后两者。因此，在反应堆厂房内，管道设备布置空间相对更小， 这就要求保温材料具有更低的导热系数，在同等条件下，保温厚度更低，占用空间更小。

（3）保温材料服役环境较为恶劣。一方面，系统管道及设备长期处于高温运行状态；另一方面，在部分系统中， 保温材料需承受超过107Gy 的累计辐照剂量。且在事故工况下，可能发生钠泄漏事件，高温液态钠以及伴随发生的钠火均会造成保温材料服役环境的极端恶化。

因此，综合以上三大类保温材料自身的应用特点以及钠冷快堆系统保温设计的特殊要求，最终确定钠冷快堆采用保温方案为“纳米气凝胶+硅酸铝”的双层复合保温方案。

首先，新型纳米气凝胶复合保温材料和传统硅酸铝保温材料的最高使用温度均在500 ℃以上（纳米气凝胶550 ℃、硅酸铝800 ℃），能够满足高温钠系统管道和设备长期稳定运行的需求。

其次，两种保温材料均能够在给定辐照剂量条件下保持稳定，恶劣环境下不会发生导热系数的大幅度降低；且两种保温材料的主要成分——硅酸铝和二氧化硅，在正常工作环境条件下均不会与钠发生剧烈反应，使事故进一步恶化。

最后，纳米气凝胶保温材料具有极低的导热系数，在同等计算条件下， 能够极大地降低所需保温厚度。但其缺点在于价格较高，经济性较差。 而硅酸铝绝热材料相对纳米气凝胶复合材料，价格低，经济性好，高温条件下导热系数较高，但在中低温度区间差距较小。

因此采用内层纳米气凝胶+外层硅酸铝绝热材料的复合双层保温方案， 不仅能够有效减薄保温厚度，有效降低管道设备保温对空间的要求，而且能够在保证热量损失满足要求的前提下，提升保温工程的经济性。