文青龍, 秦 晟, 段振剛, 張瑞謙

(1.重慶大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院核工程與核技術(shù)系, 重慶 400044; 2.重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044; 3.兩江新能源(核能與動(dòng)力)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044;4.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都 610213)

0 引言

空間探索對于消除地球人口過剩、克服地球資源減少的問題有巨大的意義。 空間探索任務(wù)遇到的挑戰(zhàn)之一就是航天器的能源,它需要更強(qiáng)大、耐用和可靠的動(dòng)力來源。 空間核反應(yīng)堆是空間推進(jìn)能量密度最高的方式之一,因此空間核動(dòng)力逐漸成為空間探索的最佳選擇。 隨著深空探索技術(shù)的發(fā)展,對空間反應(yīng)堆的輕量化、高效率、大功率提出了更高的要求,一些新式空間核反應(yīng)堆概念方案也相繼被提出。 關(guān)注度較高的包括熱管冷卻反應(yīng)堆[1]、氣冷空間堆[2]和液態(tài)金屬冷卻堆[3]等,其中氣冷空間堆與其他反應(yīng)堆相比有許多優(yōu)點(diǎn)。 它可以消除腐蝕問題從而延長使用壽命。 它的設(shè)計(jì)很靈活,不需要很多修改就可以輕松拓展。 它還擁有有限的系統(tǒng)總質(zhì)量、復(fù)雜性和高轉(zhuǎn)換效率。 其中,使用He-Xe 混合氣體冷卻的反應(yīng)堆具有效率高、質(zhì)量輕的獨(dú)特優(yōu)勢[4]。 此外,空間反應(yīng)堆使用的能量轉(zhuǎn)換方式主要包括靜態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換等,其中靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)比較成熟,但轉(zhuǎn)換效率相對較低。 在大功率空間核反應(yīng)堆中,使用動(dòng)態(tài)循環(huán)進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)換是合理的,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式包括朗肯循環(huán)、斯特林循環(huán)和布雷頓循環(huán)[5],其中,當(dāng)功率在百千萬級及以上時(shí)使用布雷頓循環(huán)更加合適。

雖然國際上已經(jīng)提出一些He-Xe 氣冷空間堆的概念,但仍未有一項(xiàng)技術(shù)方案取得大家的認(rèn)可,一些關(guān)鍵技術(shù)仍然在激烈討論之中。 因此,為了獲得更優(yōu)異的He-Xe 氣冷堆性能,本研究將開展新型兆瓦級空間氣冷堆推進(jìn)系統(tǒng)[6]的堆芯物理及輻射屏蔽概念設(shè)計(jì),分析堆芯的熱工水力性能,評價(jià)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式及其性能,在此基礎(chǔ)上開展了兆瓦級大型天基核動(dòng)力系統(tǒng)桁架及廢熱排放關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 氦氙堆核動(dòng)力系統(tǒng)簡介

圖1 氦氙冷卻空間堆核動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

反應(yīng)堆可在3.6 MWe 滿功率下運(yùn)行10 年,該設(shè)計(jì)壽命可滿足太陽系內(nèi)的空間運(yùn)輸任務(wù)或地面任務(wù)的要求、風(fēng)險(xiǎn)以及成本。 采用Xe-He 混合氣體冷卻反應(yīng)堆堆芯,通過B4C 控制棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性控制,為了獲得較大的反應(yīng)性控制并減少控制棒夾持組件,控制棒的尺寸相對燃料棒大。 輻射屏蔽采用不銹鋼包裹的屏蔽材料進(jìn)行屏蔽,由于中子屏蔽材料LiH 容易出現(xiàn)腫脹,應(yīng)限制其工作溫度。 伽馬屏蔽采用W-B4C,具有較好的屏蔽和質(zhì)量減輕效果[8]。

為盡量獲得兆瓦級空間核動(dòng)力系統(tǒng)較大的功率輸出,采用閉式布雷頓循環(huán)[9]進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)換。 散發(fā)大量廢熱是實(shí)現(xiàn)高功率(兆瓦級)大型空間反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)(Large Space Reactor Structure, LSS)必須考慮的技術(shù)問題之一,液滴輻射器(Liquid Droplet Radiator,LDR)是目前解決此問題最重要的方法之一,其輕巧的結(jié)構(gòu)、對隕石撞擊的高抵抗力、發(fā)射時(shí)所需的存儲(chǔ)空間小以及易于在空間展開等優(yōu)點(diǎn),使其成為LSS 極具吸引力的散熱系統(tǒng)。 因此,本設(shè)計(jì)選用液滴輻射器產(chǎn)生液滴的方式向太空排出系統(tǒng)余熱,液滴能與太空進(jìn)行更充分的熱交換。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 計(jì)算方法

本文使用清華大學(xué)工物系REAL 團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的堆用蒙特卡洛程序(Reactor Monte Carlo code,RMC)進(jìn)行堆芯物理計(jì)算。 RMC 針對反應(yīng)堆計(jì)算分析中的基本需求,同時(shí)結(jié)合先進(jìn)與新概念反應(yīng)堆設(shè)計(jì)時(shí)幾何結(jié)構(gòu)靈活、中子能譜復(fù)雜及材料組分多樣、各向異性及泄露強(qiáng)等特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā),是多物理多尺寸耦合核能系統(tǒng)數(shù)值分析平臺(tái)的物理計(jì)算核心。 本文利用RMC 對所設(shè)計(jì)的兆瓦級空間氣冷堆進(jìn)行了徑向中子通量展平,并進(jìn)行了臨界計(jì)算、燃耗計(jì)算及控制棒積分價(jià)值計(jì)算。 燃耗計(jì)算選擇的源迭代參數(shù)為每代10 000 個(gè)粒子,共320 代,忽略前20 代,其余計(jì)算選擇的源迭代參數(shù)均為每代粒子數(shù)50 000,共320 代,忽略前20 代,計(jì)算結(jié)果表明誤差在0.02%以內(nèi)。

2.2 中子物理

堆芯的橫截面如圖2 所示,設(shè)計(jì)17 圈共612 根燃料棒,燃料棒呈正三角形排列,間距為16 cm,如圖3 所示。 從內(nèi)到外對稱分布有3 圈共計(jì)19 根控燃料棒制棒,每根控制棒占據(jù)7 根燃料棒的位置,控制棒導(dǎo)向管及堆內(nèi)壁結(jié)構(gòu)材料均制成與燃料棒相同尺寸的外形,用以防止冷卻劑旁通以更好地冷卻堆芯。

圖2 堆芯橫截面

圖3 燃料棒布置

本設(shè)計(jì)的堆芯包含612 根燃料棒,且還有控制棒、結(jié)構(gòu)材料和反射層等,若進(jìn)行全堆芯建模則計(jì)算量太大,會(huì)浪費(fèi)大量計(jì)算機(jī)資源、大大降低計(jì)算效率。本文選擇對堆芯1/12 部分進(jìn)行建模。 邊界上由于對稱性設(shè)置為全反射邊界條件,該1/12 堆芯活性區(qū)模型有44 根整燃料棒和14 根半燃料棒,有第一圈1 根控制棒的1/12 部分,有第二圈6 根控制棒中1 根的1/2 部分,有第三圈12 根控制棒中2 根的各1/2 部分,其余材料均為全堆芯的1/12。 這樣處理后可極大地減小計(jì)算量,節(jié)省計(jì)算機(jī)資源,提高計(jì)算效率。

保證反應(yīng)堆內(nèi)中子通量盡可能地分布均勻是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問題。 為了更直觀地分析各種工況下的中子通量分布,通過將各工況下每個(gè)柵元的中子通量除以該工況下柵元中子通量的最大值以對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,得到一個(gè)更為直觀的相對中子通量分布圖。 功率峰因子是燃料區(qū)域內(nèi)中子通量的最大值與中子通量平均值的比值,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低功率峰因子。 為研究不同位置的控制棒對徑向中子通量分布及功率峰因子的影響,初始研究共設(shè)計(jì)了4 組工況,分別為不插入控制棒、第一圈控制棒完全插入、第二圈控制棒完全插入、第三圈控制棒完全插入,所得徑向中子通量分布如圖4 所示,各工況下的徑向功率峰因子如表1 所示。 結(jié)果表明,未插入控制棒時(shí),中心區(qū)域的中子通量較高,向外逐漸減小,此時(shí)功率峰因子為1.237;第一圈控制棒完全插入后,中心區(qū)域的中子通量降低,尤其是在靠近控制棒的區(qū)域,由于原本中心區(qū)域中子通量很高,此時(shí)中子通量降低得很多,中子通量分布變得更平坦一些,功率峰因子降低到1.174;第二圈控制棒完全插入后,控制棒附近區(qū)域的中子通量受到抑制,整體的中子通量分布更加平坦,功率峰因子降為1.185;第三圈控制棒完全插入后,外部區(qū)域的中子通量受到抑制而降低,中心區(qū)域的中子通量仍然很高,此時(shí)中子通量分布更加不均勻,功率峰因子并未降低反而增加到1.458。

表1 不同工況下的徑向功率峰因子

圖4 不同工況下中子通量分布

本文還對所設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆進(jìn)行了臨界計(jì)算,研究了燃料富集度對反應(yīng)性的影響。 燃料富集度區(qū)間為84%到98%,以2%為步長,對初始有效增殖系數(shù)和完全停堆時(shí)有效增殖系數(shù)共進(jìn)行了16 組計(jì)算。 反應(yīng)堆初始有效增殖系數(shù)隨燃料富集度變化關(guān)系曲線如圖5 所示,可以看出初始有效增殖系數(shù)隨燃料富集度的增加基本上呈線性變化,燃料富集度每增加2%,初始有效增殖系數(shù)增加0.010 641。 反應(yīng)堆完全停堆時(shí)有效增殖系數(shù)隨燃料富集度變化關(guān)系曲線如圖6 所示,可以看出反應(yīng)堆完全停堆時(shí)有效增殖系數(shù)隨燃料富集度的增加也基本上呈線性變化,燃料富集度每增加2%,完全停堆時(shí)有效增殖系數(shù)增加0.010 911。 本文最終選擇的燃料富集度為92%,初始有效系數(shù)為1.152 219,能保證反應(yīng)堆具有較大的剩余反應(yīng)性,可運(yùn)行足夠長時(shí)間,控制棒完全插入反應(yīng)堆時(shí)有效增殖系數(shù)為0.879 481,能保證反應(yīng)堆具有足夠的停堆深度,可保證反應(yīng)堆的安全。

圖5 初始Keff 隨燃料富集度變化關(guān)系

圖6 停堆Keff 隨燃料富集度變化關(guān)系

2.3 燃耗計(jì)算

燃耗計(jì)算所選擇的燃料富集度為92%,反應(yīng)堆總的熱功率為3.6 MWt,共進(jìn)行73 個(gè)燃耗步計(jì)算,每個(gè)燃耗步長為100 天。

——堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國策，科學(xué)規(guī)劃生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間，不斷探索創(chuàng)新自然資源管理利用方式，大力推進(jìn)資源節(jié)約集約和高效利用，為全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了有力保障。

有效增殖系數(shù)隨滿功率運(yùn)行時(shí)間的變化如圖7 所示,可以看出,隨著反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行,Keff 隨運(yùn)行時(shí)間基本呈負(fù)線性變化。 計(jì)算結(jié)果表明,初始Keff 為1. 152 342 ,滿功率運(yùn)行20 年后Keff 為1. 056 452 ,此時(shí)燃耗深度達(dá)到72. 781 MWd/kg。由計(jì)算結(jié)果分析,該反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)當(dāng)超過20 年。

圖7 燃耗計(jì)算

2.4 熱工水力

采用子通道程序?qū)?/12 模型進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得反應(yīng)堆的流動(dòng)和傳熱特性。 1/12 堆芯的流量分配和溫度分布如圖8 和圖9 分別所示。 通過調(diào)整流量分配達(dá)到溫度展平,而改變控制棒棒位及整體流量對溫度展平的作用不太明顯。 調(diào)整流量分配后的最高溫度和最低溫度差為98.66 ℃。 如圖7 所示,燃料棒區(qū)域分配比較大的流量,而控制棒區(qū)域分配相對小的流量,這是為了讓冷卻劑更好地帶走燃料芯塊產(chǎn)生的熱量,從而達(dá)到溫度展平的目的。 通過上述措施,溫度分布比較均勻,得到了良好的展平效果如圖9所示。

圖8 流量分配

圖9 堆芯徑向溫度分布

冷卻劑、包殼、芯塊溫度沿軸向的分布如圖10 所示。 芯塊最高溫度出現(xiàn)在堆芯軸向中心位置,約為1 785.5 ℃,低于UO2所允許的最高溫度1 800 ℃。 包殼最高溫度出現(xiàn)在中心與出口之間,且比堆芯的最高溫度靠后。 冷卻劑溫度沿著軸向位置逐漸升高,冷卻劑入口溫度為480 ℃,出口溫度為1 000 ℃。

圖10 燃料芯塊、冷卻劑、包殼軸向溫度變化

2.5 動(dòng)力轉(zhuǎn)換

動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用兩個(gè)閉式布雷頓循環(huán)回路作為熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng),將反應(yīng)堆中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能,廢熱排放采用液滴輻射換熱器,液滴直接與空間低溫環(huán)境接觸,如圖11 所示。

圖11 閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模擬流程

本文模擬閉式布雷頓循環(huán),給定的基準(zhǔn)工況為反應(yīng)堆出口溫度T4= 1 326 K,反應(yīng)堆入口壓力p4=3 MPa,壓縮機(jī)入口溫度T1=300 K,He-Xe 工質(zhì)質(zhì)量流量qm=20 kg/s,此時(shí)壓縮機(jī)壓縮比為2.155,考慮到回?zé)岫冗^高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量增大,所以選取回?zé)岫圈?0.85。 閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算如圖12 所示。通過計(jì)算可知,系統(tǒng)電功率可達(dá)到1.511 MW,系統(tǒng)效率為37.42%。

圖12 閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

2.6 輻射屏蔽

在空間核反應(yīng)堆工作過程中,反應(yīng)堆堆芯會(huì)產(chǎn)生大量的輻射并向外釋放,為防止系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和儀器設(shè)備在受到照射后發(fā)熱、活化以及性能劣化,需要對其進(jìn)行輻射屏蔽。 阿爾法粒子、電子、低能量的中子很容易受到堆芯材料阻擋,運(yùn)動(dòng)距離短,因此輻射屏蔽的對象主要是伽馬射線和快中子。 空間核動(dòng)力通常采用影子屏蔽的方式進(jìn)行輻射屏蔽。 一般要求屏蔽后的劑量平面上的中子注量容許限值為1×1012n·cm-2·s-1(快中子,能量大于0.1 Mev),伽馬射線吸收劑量的容許極限分別為1.0 M rad,因此輻射防護(hù)的要求就是在設(shè)計(jì)壽命內(nèi),屏蔽后的劑量平面輻射值不能超過輻射量的容許極限。 為了確保儀器設(shè)備的安全性,在劑量平面輻射值與容許極限之間設(shè)置了10%的余量。 本設(shè)計(jì)的He-Xe 氣冷空間快堆的預(yù)期壽命是10 年,因此要求中子注量和伽馬射線吸收劑量在劑量平面的限值分別為2.853 882×103n·cm-2·s-1和2.853 882×10-3rad。

可見空間核動(dòng)力系統(tǒng)的影子屏蔽的位置如圖13所示,屏蔽層遮擋住反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射,動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備以及電子設(shè)備等處于屏蔽層的陰影之下,從而得到保護(hù)。 反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的快中子和伽馬射線在到達(dá)屏蔽層之前,軸向上會(huì)經(jīng)過反射層,冷卻劑、熱屏蔽層、結(jié)構(gòu)材料也會(huì)對輻射劑量產(chǎn)生一些影響。 屏蔽層的外圍具有B4C 層,其中設(shè)置有冷卻劑管道,可以降低He-Xe 混合氣體的輻射劑量。 對反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)做出簡化,保留尺寸較大和對輻射劑量有較大影響的結(jié)構(gòu)和材料。 對于屏蔽層,忽略徑向外圍結(jié)構(gòu),只保留起主要屏蔽功能的結(jié)構(gòu)。 簡化后的空間核動(dòng)力系統(tǒng)影子屏蔽布局如圖13 所示。 影子屏蔽的結(jié)構(gòu)組成,分為中子屏蔽材料與伽馬屏蔽材料兩部分。伽馬屏蔽材料置于中子屏蔽材料內(nèi)部,有利于質(zhì)量優(yōu)化。 由于徑向上遠(yuǎn)離中心處輻射劑量降低,為了避免外圍過度屏蔽及減輕質(zhì)量,對屏蔽層外圍進(jìn)行一部分切割。 劑量平面位于距堆芯底部182 cm 處。反射層材料為BeO,冷卻劑為He-Xe 混合氣體,熱屏蔽使用B4C 材料,結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼。 由于LiH 具有密度低和中子屏蔽能力強(qiáng)的特點(diǎn),所以選擇LiH作為中子屏蔽材料。 伽馬屏蔽材料選用W-B4C 復(fù)合材料。

圖13 空間核動(dòng)力系統(tǒng)影子屏蔽布局

如圖14 所示,輻射屏蔽只要求在軸向劑量平面上的中子和光子滿足容許極限,而在徑向上不做嚴(yán)格的要求。 中子和光子在到達(dá)劑量平面前,會(huì)經(jīng)過反射層、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料、熱屏蔽層、屏蔽層。 將這些結(jié)構(gòu)在軸向上取設(shè)計(jì)尺寸,徑向取相同尺寸建立計(jì)算模型。

圖14 軸向中子通量分布

2.7 廢熱排放

大型天基核動(dòng)力系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間均有密切聯(lián)系,而熱控制系統(tǒng)幾乎和所有分系統(tǒng)相互影響。 熱控制既要保證航天器上各種儀器設(shè)備、各個(gè)分系統(tǒng)零部件所需要的熱環(huán)境條件,反過來任何分系統(tǒng)的技術(shù)方案和參數(shù)的確定,又直接影響熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

液滴式輻射器是熱控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一,液滴式輻射發(fā)生器必須能形成設(shè)計(jì)好的液滴層。 研究表明,比較合適的液滴流的數(shù)量在105 到107 之間,對于MW 級的LDR,每條液滴流中應(yīng)含有約105 個(gè)液滴,液滴速度的合理范圍是3 到30 m/s 之間,其直徑在50 到500 μm 之間。

為形成具有均勻速度和直徑的液滴,最合適的是外加周期性擾動(dòng)崩解毛細(xì)射流,本設(shè)計(jì)采用壓電轉(zhuǎn)換器與孔板相接,通過振動(dòng)孔板,使其與流體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)而給射流施加擾動(dòng)。 產(chǎn)生的液滴速度不超過8 m/s 時(shí),液滴損失率不超過1/106,對于3×10 的孔陣,液滴速度在4～5 m/s 時(shí),液滴損失率小于1/108。

設(shè)計(jì)后的液滴式輻射器,液滴飛行距離為22 m,液滴飛行速度約5 m/s。 液滴發(fā)生器孔數(shù)約416 000個(gè),液滴數(shù)約為91 520 000 000 個(gè),單個(gè)液滴直徑約100 μm。

3 結(jié)語

本文提出了一種新的3.6 MW 的空間高溫氣冷反應(yīng)堆的概念設(shè)計(jì),它具有效率高、重量輕等獨(dú)特優(yōu)勢。 本文以該高溫氣冷堆為研究對象,對其進(jìn)行了中子學(xué)、熱工水力、動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和輻射防護(hù)計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明:(1)堆芯能夠順利達(dá)到臨界狀態(tài),并且控制棒在完全插入堆芯的Keff 為0.879 481 ,可以保證反應(yīng)堆具有足夠的停堆深度。 同時(shí),在3.6 MW熱功率下運(yùn)行20 年后的Keff 大于1,能夠保證反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的正常運(yùn)行。 (2)在進(jìn)行流量分配后,19 kg/s 流量下的堆芯溫度展平效果比較好,最高和最低溫度相差91.08 ℃。 冷卻劑入口流速29.1 m/s,出口流速42 m/s,壓強(qiáng)變化在0.2 bar 左右。 包殼和芯塊的溫度沿軸向有先增加后降低,燃料芯塊的溫度沿軸向變化比較大,最高溫度在堆芯的軸向中心位置,為1 900 ℃。 冷卻劑入口溫度為640 ℃,出口溫度為1 000 ℃。 傳熱系數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢。 (3)以He-Xe 混合氣體為工質(zhì)的閉式布雷頓動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)回?zé)岫葹?.8,質(zhì)量流量為19 kg/s,壓縮比為2.3,熱電轉(zhuǎn)換效率為25.2%,發(fā)電功率為0.988 MW。(4)以LiH 為中子屏蔽材料、W-B4C 為光子屏蔽材料,在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)劑量平面的中子通量小于2 000 n/cm2·s,滿足對輻射屏蔽的要求。