王金宇，周慧輝，昝元鋒，閆 曉，譚曙時

(中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室,成都610213)

1 引言

相比于傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn),核熱推進(jìn)具有高能量密度、大推力、高比沖等特點,是深空探測和未來載人登陸火星推進(jìn)技術(shù)的首選［1］。核熱推進(jìn)的研究開始于上世紀(jì)四、五十年代,主要集中在俄羅斯(蘇聯(lián))和美國［1-2］。其反應(yīng)堆燃料元件最早采用的堆芯燃料元件為蜂巢多孔棱柱形［3-4］,為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,推進(jìn)劑流道不能太密集,導(dǎo)致體積換熱效率不高、結(jié)構(gòu)笨重。為了提高換熱效率、減輕推進(jìn)器重量,研究學(xué)者提出了由球形燃料顆粒構(gòu)成的顆粒床固相反應(yīng)堆推進(jìn)系統(tǒng),堆芯結(jié)構(gòu)如圖1所示［4-5］。球形燃料顆粒被內(nèi)外層多孔壁面限定在堆芯內(nèi),推進(jìn)劑穿過外層多孔壁面,徑向流動,與燃料顆粒直接接觸,然后穿過內(nèi)側(cè)層多孔壁面,從噴嘴排出,產(chǎn)生推力。球形燃料顆粒因其直徑小、熱應(yīng)力小,可以耐受更高溫度,且其表面積/體積比大,換熱面積大,換熱效率高。另外,球形燃料顆粒多采用鈾的碳化物或氧化物為核芯,外層包覆石墨層和耐高溫包覆層,在具有相同推力的情況下,堆芯結(jié)構(gòu)體積可以做到很小。因此,顆粒床反應(yīng)堆芯結(jié)構(gòu)具有高比沖、大推力和高推重比的優(yōu)點,是核熱推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的重點方向之一。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)啟動過程中,堆芯溫度需要在短時間內(nèi)升溫至運行溫度,球形燃料顆粒的設(shè)計運行溫度要高于3000 K［4］,燃料元件會受到較大熱沖擊,包覆材料的耐熱沖擊性能是核熱推進(jìn)系統(tǒng)啟動過程中燃料元件保持完整性的關(guān)鍵特性。因此,球形燃料顆粒的熱沖擊試驗研究對球形燃料顆粒設(shè)計研發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

目前,公開文獻(xiàn)中球形燃料顆粒包覆材料的高溫特性研究相對較少,主要以商用高溫氣冷堆為應(yīng)用背景,試驗峰值溫度遠(yuǎn)低于顆粒床反應(yīng)堆核熱推進(jìn)系統(tǒng)的運行溫度。朱慶山等［6］開展的球形燃料顆粒耐氧化試驗中試驗峰值溫度為1600℃,李馨楠等［7］開展的球形燃料顆粒摩擦磨損性能試驗峰值溫度為900℃。球形燃料顆粒的熱沖擊試驗以降溫沖擊為主,Whatham［8］開展了球形燃料顆粒的降溫?zé)釠_擊試驗,燃料顆粒被加熱至1000℃,然后被330℃的二氧化碳?xì)怏w冷卻,以研究球形燃料顆粒的熱沖擊特性。上述溫度范圍內(nèi)的高溫特性和熱沖擊試驗及其結(jié)果并不能反映球形燃料顆粒在核熱推進(jìn)系統(tǒng)中高溫?zé)釠_擊行為。

目前,針對包覆材料的高溫?zé)釠_擊試驗多采用片狀試驗樣件［9-12］,與球形燃料顆粒實際情況有較大差異,但提供了可借鑒的快速加熱方法。常用加熱方法包括電子束加熱、電阻加熱、激光加熱等。其中,電子束加熱方法受電導(dǎo)體和真空環(huán)境的限制,電阻加熱方法僅適用于金屬材料；激光加熱方法能夠在小面積內(nèi)集聚大量熱量,可以快速加熱金屬或非金屬材料,適用于球形燃料顆粒的高溫?zé)釠_擊試驗。

本研究利用激光加熱技術(shù)開展球形燃料顆粒包覆材料的高溫?zé)釠_擊試驗,研究包覆材料的耐熱沖擊性能,討論其應(yīng)用于核熱推進(jìn)系統(tǒng)的可行性,為航天推進(jìn)系統(tǒng)球形燃料顆粒設(shè)計提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

2 樣品和方法

2.1 包覆顆粒

本試驗采用與圖1(b)相同結(jié)構(gòu)的球形燃料顆粒(下面簡稱包覆顆粒),包覆顆粒直徑約2 mm,出于輻射安全考慮,試驗采用物理性質(zhì)相近的ZrO2陶瓷材料模擬燃料顆粒的二碳化鈾或氧化鈾核芯,最外層包覆材料選用SiC,與目前技術(shù)較為成熟的高溫氣冷堆球形燃料顆粒包覆材料相同。本試驗利用激光加熱技術(shù)開展包覆顆粒的高溫?zé)釠_擊試驗,研究小尺寸包覆顆粒SiC包覆材料的耐熱沖擊性能以及應(yīng)用于核熱推進(jìn)系統(tǒng)的可行性。

2.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要由激光加熱器、紅外線測溫裝置、鎢靶、氬氣氣氛箱等組成,如圖2所示。

激光加熱器利用受激輻射和粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)原理產(chǎn)生具有高度方向性、可被精確聚集的單色光,能夠在小面積內(nèi)集聚大量熱量,可實現(xiàn)包覆顆粒的快速加熱。激光加熱器的激光波長為1070±10 nm,最小激光功率為200 W,最大激光功率為2 kW。

紅外線測溫裝置采用雙色紅外測溫儀,測量包覆顆粒溫度,測量范圍為1000℃至3200℃,測量誤差小于0.5%Tmeasured+2℃。

鎢靶主要用于放置包覆顆粒并隔離激光加熱面和測溫面,有效避免了激光對紅外測溫的干擾,材料牌號為W1,在鎢靶中心處加工一個直徑3 mm、深度3 mm的盲孔,用于放置包覆顆粒。

氬氣氣氛箱用于提供試驗所需惰性氣體氣氛,以排除材料氧化的影響,氬氣氣氛箱提供了可視化窗口,材料為鋼化普通玻璃,對1 μm左右的紅外線吸收較少,氬氣氣氛箱內(nèi)配有氣體成分監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崟r觀測氣氛箱內(nèi)氧氣含量,試驗時,氧氣含量在153.6～178.4 ppm范圍內(nèi)。

2.3 試驗方法

1)試驗前包覆顆粒表面特性觀察。觀察包覆顆粒是否完整,材料表面是否存在裂紋,并記錄。

2)構(gòu)建惰性氣體環(huán)境。密封氬氣氣氛箱并排盡箱體內(nèi)空氣,通入氬氣。

3)包覆顆粒就位。將包覆顆粒放置鎢靶盲孔中,然后放入氬氣氣氛箱內(nèi),調(diào)整鎢靶傾斜角度使包覆顆粒無法掉出。

4)激光加熱器準(zhǔn)備。連接激光加熱器電源并連接激光加熱器控制系統(tǒng),調(diào)整激光加熱器與鎢靶的距離和角度,使激光可以照射鎢靶非開孔側(cè),加熱鎢靶,通過熱傳導(dǎo)和盲孔內(nèi)壁與包覆顆粒間的熱輻射加熱包覆顆粒。

5)紅外線測溫裝置準(zhǔn)備。安裝紅外線測溫裝置,連接紅外線測溫裝置電源,連接計算機(jī),紅外線測溫裝置從鎢靶開孔側(cè)測量包覆顆粒溫度。

6)激光加熱器功率設(shè)置。通過控制面板設(shè)置激光加熱器功率函數(shù),試驗中采用隨時間分段線性變化的功率,使包覆顆粒在一定時間內(nèi)以較為均勻的速率升溫至目標(biāo)峰值溫度,然后關(guān)閉激光加熱器,包覆顆粒自然冷卻至室溫,記錄該過程中的溫度數(shù)據(jù)。

7)試驗后包覆顆粒表面特性觀察。待高溫包覆顆粒自然冷卻至室溫后,取出包覆顆粒,觀察包覆顆粒是否完整,結(jié)合試驗中包覆顆粒溫度隨時間變化規(guī)律,研究包覆顆粒SiC包覆材料的耐熱沖擊性能。

本文參考李平岐等提出的核熱推進(jìn)運載器方案［13］以及核熱推進(jìn)顆粒床反應(yīng)堆一般設(shè)計溫度要求［4］,本文的高溫?zé)釠_擊試驗升溫時間設(shè)置為30 s,包覆顆粒試驗溫度范圍以2300 K為中值,并以500 K為幅度設(shè)置試驗工況,即開展目標(biāo)峰值溫度為1800 K、2300 K和2800 K的高溫?zé)釠_擊試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 目標(biāo)峰值溫度1800 K時的耐熱沖擊性能

包覆顆粒在目標(biāo)峰值溫度1800 K時高溫?zé)釠_擊試驗結(jié)果見表1,5個包覆顆粒樣本在經(jīng)歷熱沖擊后SiC包覆材料均保持完整,表面無裂紋。

表1 目標(biāo)峰值溫度1800 K時包覆顆粒失效情況Table 1 Results of thermal shock tests of coated particles with the target temperature around 1800 K

包覆顆粒在目標(biāo)峰值溫度1800 K時表面溫度時程曲線如圖3所示,本文為了便于描述與分析,將時間區(qū)域分為I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)3個區(qū)域,其中I、II區(qū)為升溫區(qū),III區(qū)為降溫區(qū)。在I區(qū),包覆顆粒表面溫度在0～10 s內(nèi)從室溫快速升至1300 K附近；在II區(qū),包覆顆粒表面溫度持續(xù)上升,在30 s時刻達(dá)到目標(biāo)峰值溫度1800 K附近；在III區(qū),包覆顆粒表面溫度變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)折開始下降。

在升溫區(qū)(即I、II區(qū)),包覆顆粒表面平均升溫速率在49.4～51.6 K/s范圍以內(nèi),隨著包覆顆粒表面溫度的增加,包覆顆粒與周圍環(huán)境的熱輻射增強(qiáng),散熱增加,包覆顆粒表面升溫速率有減小趨勢,激光功率線性的增加起到了一定的緩解作用,因而包覆顆粒表面升溫速率呈現(xiàn)逐漸減小然后穩(wěn)定的趨勢；在降溫區(qū)(即III區(qū)),激光加熱器停止功率輸出,包覆顆粒在氬氣環(huán)境中自然冷卻,由于包覆顆粒體積小,儲熱能力小,面積/體積比較大,包覆顆粒表面溫度下降較快,平均降溫速率在55.1～64.0 K/s范圍以內(nèi)。

在目標(biāo)峰值溫度1800 K時的高溫?zé)釠_擊試驗中,包覆顆粒表面溫度經(jīng)歷了30 s升溫至1800 K,約9 s范圍內(nèi)降至1300 K的快速瞬變過程,5個包覆顆粒樣本均保持完整,表明包覆顆粒的SiC包覆材料能夠承受本工況條件下的熱沖擊。

3.2 目標(biāo)峰值溫度2300 K時的耐熱沖擊性能

包覆顆粒在目標(biāo)峰值溫度2300 K時高溫?zé)釠_擊試驗結(jié)果見表2,5個包覆顆粒樣本在經(jīng)歷熱沖擊后,有3個包覆顆粒的SiC包覆材料均保持完整無裂紋,另外2個包覆顆粒的SiC包覆材料表面出現(xiàn)裂紋。

表2 目標(biāo)峰值溫度2300 K時包覆顆粒失效情況統(tǒng)計表Table 2 Results of thermal shock tests of coated particles with the target temperature around 2300 K

峰值溫度為2299.4 K的試驗中,包覆顆粒試驗前和試驗后失效的表面顯微圖像如圖4所示,高溫?zé)釠_擊試驗后,包覆顆粒表面出現(xiàn)明顯裂紋。裂紋的產(chǎn)生是由于在高溫?zé)釠_擊試驗中包覆顆粒溫度變化速率較快,包覆顆粒各層間存在較大溫差產(chǎn)生熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力大于SiC包覆材料的許用應(yīng)力時,包覆顆粒表面的SiC包覆材料產(chǎn)生裂紋。

包覆顆粒在目標(biāo)峰值溫度2300 K時表面溫度時程曲線如圖5所示。在I區(qū),包覆顆粒表面溫度在0～8 s內(nèi)由室溫上升至1300 K附近；在II區(qū),包覆顆粒表面溫度持續(xù)上升,在30 s時刻達(dá)到目標(biāo)峰值溫度2300 K附近；在III區(qū),激光加熱器停止功率輸出,顆粒自然冷卻,包覆顆粒表面溫度變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)折開始下降。

在升溫區(qū)(即I、II區(qū)),包覆顆粒表面平均升溫速率在66.6～67.9 K/s范圍以內(nèi)；在降溫區(qū)(即III區(qū)),激光加熱器停止功率輸出,包覆顆粒在氬氣環(huán)境中自然冷卻,平均降溫速率在64.6～65.4 K/s范圍以內(nèi)。

在目標(biāo)峰值溫度2300 K時的高溫?zé)釠_擊試驗中,包覆顆粒表面溫度經(jīng)歷了30 s升溫至2300 K,約16 s范圍內(nèi)降至1300 K的快速瞬變過程,5個包覆顆粒樣本中,部分包覆顆粒SiC包覆材料出現(xiàn)裂紋,而部分包覆顆粒SiC包覆材料沒有出現(xiàn)裂紋,說明本工況參數(shù)條件下,包覆顆粒SiC包覆材料的耐熱沖擊能力表現(xiàn)出個體差異,其原因在于本工況參數(shù)條件下的熱沖擊已經(jīng)靠近包覆顆粒的SiC包覆材料所承受能力的臨界值。表明高溫?zé)釠_擊試驗中,包覆顆粒SiC包覆材料開始出現(xiàn)裂紋的臨界峰值溫度在2300 K附近。

3.3 目標(biāo)峰值溫度2800 K時的耐熱沖擊性能

包覆顆粒在目標(biāo)峰值溫度2800 K時高溫?zé)釠_擊試驗結(jié)果見表3,5個包覆顆粒樣本在經(jīng)歷熱沖擊后,有2個包覆顆粒保持球形,粘黏在盲孔內(nèi)無法取出,有3個包覆顆粒發(fā)生炸裂。

表3 目標(biāo)峰值溫度2800 K時包覆顆粒失效情況統(tǒng)計表Table 3 Results of thermal shock tests of coated particles with the target temperature around 2800 K

包覆顆粒在目標(biāo)峰值溫度2800 K時表面溫度時程曲線如圖6所示。在I區(qū),包覆顆粒表面溫度0～8 s從室溫快速升至1300 K附近；在II區(qū),包覆顆粒表面溫度持續(xù)上升,在2500 K附近,部分包覆顆粒的測量溫度突然迅速升高,另一部分包覆顆粒未發(fā)生溫度突升現(xiàn)象,其表面溫度在Δt＝30 s內(nèi)由室溫上升至2600 K附近。在III區(qū),激光加熱器停止功率輸出,測量溫度發(fā)生轉(zhuǎn)折開始下降。

在升溫區(qū)(即I、II區(qū)),發(fā)生溫度突升的包覆顆粒在溫度突升前表面平均升溫速率在79.9～84.8 K/s范圍內(nèi),未發(fā)生溫度突升的包覆顆粒表面平均升溫速率在76.0～77.9 K/s范圍內(nèi)；在降溫區(qū)(即III區(qū)),未發(fā)生溫度突升的包覆顆粒表面平均降溫速率在71.3～75.9 K/s范圍內(nèi)。

結(jié)合表3和圖6可知,高溫?zé)釠_擊試驗過程中發(fā)生溫度突升的包覆顆粒均發(fā)生了炸裂,包覆顆粒炸裂后脫離鎢靶,紅外測溫儀測量溫度實際為鎢靶上盲孔底部的溫度,由于鎢靶的盲孔底部溫度較高,測量溫度在包覆顆粒脫離鎢靶時迅速上升；高溫?zé)釠_擊試驗過程中未發(fā)生溫度突升的包覆顆粒均粘黏在盲孔內(nèi),測量溫度始終為包覆顆粒表面溫度,因而未出現(xiàn)溫度突升現(xiàn)象。

在目標(biāo)峰值溫度2800 K時的高溫?zé)釠_擊試驗中,包覆顆粒表面峰值溫度較高(不小于2451.7 K),平均升溫速率較大(不小于76.0 K/s),包覆顆粒的SiC包覆材料或在高溫作用下發(fā)生熔化并在冷卻后粘黏在盲孔內(nèi),或在較大熱沖擊下,發(fā)生炸裂。兩種現(xiàn)象的臨界平均升溫速率在77.9 K/s附近,當(dāng)平均升溫速率高于該臨界值時,包覆顆粒SiC包覆材料容易發(fā)生炸裂,當(dāng)平均升溫速率不大于該臨界值時,容易發(fā)生局部熔化,在這兩種情況中,包覆顆粒的包覆層均已失效。表明包覆顆粒表面溫度經(jīng)歷了30 s升溫至2800 K的快速瞬變過程產(chǎn)生的熱沖擊和高溫超過了SiC包覆材料的可承受范圍。

在核熱推進(jìn)系統(tǒng)啟動過程中,堆芯設(shè)計升溫時間為30 s時,SiC包覆材料球形燃料顆粒能夠允許的堆芯運行溫度為1800 K,運行溫度在2300 K時存在SiC包覆材料破裂的風(fēng)險,運行溫度不能達(dá)到2800 K,尚不能滿足核熱推進(jìn)系統(tǒng)在30 s內(nèi)升溫至3000 K的需求。

美國NERVA計劃通過多次核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)地面試驗,多次改進(jìn)燃料元件設(shè)計,最終形成以碳化鋯為包覆材料的六棱柱式燃料元件［14］,布魯克海文國家實驗室提出的顆粒床反應(yīng)堆設(shè)計中燃料顆粒包覆材料為碳化鋯［4］。但是,碳化鋯材料能否承受30 s內(nèi)升溫至3000 K的熱沖擊,仍需要進(jìn)一步開展試驗研究。

4 結(jié)論

1)當(dāng)目標(biāo)峰值溫度在1800 K附近,平均升溫速率在49.4～51.6 K/s范圍內(nèi),球形燃料顆粒SiC包覆材料能夠承受熱沖擊；

2)當(dāng)目標(biāo)峰值溫度在2300 K附近,平均升溫速率在66.6～67.9 K/s的范圍內(nèi),熱沖擊靠近球形燃料顆粒SiC包覆材料承受能力的極限,開始出現(xiàn)包覆顆粒失效；

3)當(dāng)目標(biāo)峰值溫度在2800 K附近,平均升溫速率高于76.0 K/s時,球形燃料顆粒SiC包覆材料無法承受熱沖擊和高溫；

4)SiC包覆材料球形燃料顆粒能夠承受30 s內(nèi)升至1800 K的熱沖擊,不過仍不能滿足核熱推進(jìn)系統(tǒng)在30 s內(nèi)升溫至3000 K的需求,需要進(jìn)一步改進(jìn)SiC包覆材料耐熱沖擊性能,或者選用耐熱沖擊性能更好的碳化鋯等材料,開展進(jìn)一步試驗研究。