Z-Pinch：永恒之火

第六卷净火纪元外篇之：隔墙有火——Z-FFR一回路/二回路隔离的百年演进

2040年·成都·CFETR联合循环设计院

两堵墙之间的战争

赵明远站在设计院的模型室中央，面前是CFETR联合循环的一比十剖面模型。偏滤器废气从MHD通道流出后，按照他的构想，应该直接导入蒸汽发生器，用剩下的热量烧开水。但核安全委员会的一位老专家提出了一个他无法反驳的问题：

“偏滤器废气是放射性的。钨铠甲、碳化硅壁在中子辐照下都会活化，那些活化产物被等离子体冲刷下来混在废气里。你把这些废气直接通到蒸汽发生器，蒸汽轮机不就变成核设施了吗？以后怎么检修？”

赵明远沉默了。放射性隔离，这是核工程的第一原则。他怎么能忘了？

“那怎么办？”他问。

“加一道墙。一回路，走废气，全封闭在屏蔽层内；二回路，走水或液态金属，不带放射性地传递热量。两道墙之间用热交换器连接。墙是死的，热量是活的。”

一、第一代方案：钠-钠热交换器（2041-2050）

2041年·CFETR热工实验室

钠火了

李芳受命设计第一代中间热交换器。她选择了钠-钠热交换器——一回路用钠（熔点97°C，沸点883°C），二回路也用钠，两个回路通过管壳式热交换器传递热量。

“钠的热导率是水的100倍，可以在常压下达到800°C以上，而且对中子辐照相对稳定。缺点是:钠遇水爆炸，遇空气燃烧，而且一回路漏了，二回路也会被污染。”

“二回路被污染意味着什么？”

“意味着蒸汽轮机侧也要变成核设施，我们的设计目标就失败了。”

李芳在热交换器的管板两侧设计了双道密封，中间充氦气作为缓冲。即使一道密封泄漏，氦气压力高于两侧，可以阻止钠的交换。

2043年，第一台钠-钠热交换器在CFETR上试运行。三个月后，一道密封微漏，钠蒸汽进入氦气缓冲腔，凝结成金属钠，堵住了仪表管。更严重的是，二回路钠的放射性活度开始缓慢上升——污染还是发生了。

“彻底失败，”李芳在日志里写道，“两道墙不够。需要物理隔离，不是密封隔离。一回路和二回路之间必须有一个非放射性、非活化的中间工质。”

二、第二代方案：氦气-铅铋合金中间回路（2050-2080）

2050年·北山Z-FFR-T1电站

三道墙

赵明远在退休前最后一次主持设计评审。他采纳了李芳的建议：在一回路和二回路之间插入一个中间回路，工质为高压氦气（压力10兆帕，温度500°C）。氦气在中子辐照下不会活化，即使泄漏也不会污染环境。

能量路径变为:

·一回路（偏滤器废气+氦气）→中间热交换器 →二回路（高压氦气）→蒸汽发生器 →三回路（水/蒸汽）

“三道墙，”赵明远总结，“第一堵墙:偏滤器废气在一回路里。第二堵墙:中间氦气回路，不接触放射性，不接触水。第三堵墙:蒸汽发生器里的水和蒸汽。只要中间氦气回路压力高于两侧，泄漏方向永远是氦气向外，不会带走放射性。”

北山T1的中间回路采用了印刷电路板式热交换器，微型通道直径2毫米，换热系数是传统壳管式的5倍。体积只有钠-钠热交换器的十分之一。

2058年·北山Z-FFR-T2电站

氦气泄漏

中间回路运行了8年，问题开始显现。氦气分子极小，对金属密封是严峻的考验。T2的中间热交换器管板焊缝处出现了微渗漏，每年要补充几十公斤氦气。虽然不污染环境，但运行成本高。

工程师用激光焊接代替了传统氩弧焊，泄漏率降到了原来的百分之一。但氦气的高成本仍然是痛点。

三、第三代方案：铅铋合金-氦气双中间回路（2080-2120）

2080年·北山Z-FFR-T8电站

铅铋的回归

陈曦（35岁）接手了中间回路优化项目。她注意到了一个问题:一回路废气温度在2000°C以上，而氦气只能耐受600°C（材料限制）。大量的高温热量只能通过辐射传热，效率低。

“为什么不用液态铅铋合金作为一回路和二回路之间的中间介质？”陈曦问，“铅铋的沸点1670°C，可以在一回路温度下工作，热导率远高于氦气。”

“铅铋对钢材有腐蚀。而且铅铋被中子活化后会生成钋-210，剧毒。”

“那就把铅铋回路也封闭在屏蔽层内，作为‘二回路’。氦气作为‘三回路’，介于铅铋和水之间。四道墙。”

能量路径变成:

·一回路（废气+氦气）→二回路（铅铋合金）→三回路（高压氦气）→四回路（水/蒸汽）

T8电站试运行了这套四回路系统。铅铋热交换器的换热效率比纯氦气提高了3倍，废气出口温度从2000°C降到了500°C，联合循环总效率从52%提升到了55%。

代价是系统复杂度。四回路，四个泵，四套压力容器，四层屏蔽。检修时，工程师需要穿过四道门才能接近一回路。

四、第四代方案：超临界二氧化碳布雷顿循环（2120-2180）

2120年·北山Z-FFR-T12电站

取消水回路

陈曦（60岁）在退休前最后一次提出颠覆性方案:取消蒸汽轮机，用水代替？不，彻底取消水回路。