40 kWe低浓铀月表堆堆芯方案研究.pdf

2023 年 30 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.30.00640 kWe 低浓铀月表堆堆芯方案研究姜硕，胡古*，安伟健，王傲（中国原子能科学研究院，北京 102413）月球具有丰富的资源和重要的经济价值，是大国竞争的战略高地。中国目前通过探月工程一期、二期、三期的科学实践为月球科考与载人登月奠定基础，下一阶段将开展月球基地（包括无人月球科考站与有人月球科研试验站）的建设1。对于月球基地，首要解决的就是能源供应问题。考虑到月球昼夜时长和温差以及带电月尘的影响，具有不依赖阳光、环境适应性强、寿命长等优势的月表核反应堆电源将成为月球基地理想可靠的能源2。作为空间核反应堆电源的一种，出于对质量和体积的考虑，以往的月表核反应堆电源方案均采用高浓铀燃料方案。近些年来，受到国际政策和形势的影响，国际上开始提出基于低浓铀燃料的空间核反应堆电源方案。从地面研究堆进行燃料低浓化开始，截至 2022 年的 RERTR Program（the Reduced Enrichment for Re原search and Test Reactor Program，降低研究堆和实验堆燃料富集度计划）的国际会议，全球共有 108 个高浓铀的研究堆和医用同位素设施转为低浓铀或者关闭。最近数十年已有近 3 500 kg 高浓铀燃料从世界各地的研究堆场址运回其原产国。上述 2 项工作大幅减少了高浓铀的使用，降低了由此带来的扩散风险3。2020 年，美国发布的 第六号太空政策指令空间核电源和核推进国家战略4规定，“高浓铀的使用，应仅限于用其他核燃料或非核电源无法实现的任务，并必须做出方案评估”，这意味着美国在将来的空间核动力研究中会优先考虑低浓铀。本文分析了目前国内外星表核电源方案，并调研低浓铀燃料的发展情况，结合国内空间核动力发展水平，设计功率为 40 kWe、寿期大于 10 年的基于铀钼合金低浓铀燃料的月表核反应堆堆芯方案，并进行物理特性研究、特殊临界安全分析和初步热工分析。第一作者简介：姜硕（1999-），男，硕士生研究生。研究方向为空间核反应堆物理等。*通信作者：胡古（1978-），男，博士，研究员。研究方向为反应堆工程。摘要：月球基地的建立首先需解决能源供给问题，核电源系统具有功率大、寿命长、环境适应性强等优点，是月球基地及其他深空探测任务中理想的能源提供方案。使用低浓铀燃料是近年来空间核动力发展的重要趋势，该文提出一种基于铀钼合金的月球基地核电源系统的堆芯方案设计，经初步优化设计，给出该系统的总体堆芯参数，并从物理、热工方面对堆芯进行分析和计算。结果表明，该堆方案合理可行，可以在寿期内满足各项要求。关键词：核电源；月球核反应堆；低浓铀；反应堆物理计算；40 kWe 低浓铀中图分类号院TL413文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤30-0022-05Abstract:The establishment of the lunar base first needs to solve the problem of energy supply.the nuclear power systemhas the advantages of high power,long life and strong environmental adaptability,so it is an ideal energy supply scheme for thelunar base and other deep space exploration missions.The use of low enriched uranium fuel is an important trend in thedevelopment of space nuclear power in recent years.This paper presents a core design of nuclear power system for lunar basebased on U-Mo alloy.After preliminary optimization design,the overall core parameters of the system are given.The core isanalyzed and calculated from the physical and thermal aspects.The results show that the reactor scheme is reasonable and feasibleand can meet all the requirements in the life period.Keywords:nuclear power;lunar nuclear reactor;low enriched uranium;reactor physics calculation;40 kWe low enricheduranium22-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 30 期1堆芯方案选型1.1堆型根据反应堆按照中子能谱的软硬程度和不同能区的中子对裂变反应的贡献比例大小，可以将反应堆分为热中子堆、超热中子堆和快中子堆。相对于其他 2 种堆型，快中子堆不需要慢化剂，堆芯布置更加紧凑，可以减小堆芯的体积和质量，并且快中子堆的中子泄漏最大，比较适合采用堆外控制的方式进行反应性的控制，可以进一步简化堆芯的结构，提高系统可靠性。从目前国内外空间核动力技术的发展趋势来看，目前已发射的空间核反应堆电源大多采用快中子堆方案。因此，本方案采用快中子反应堆。1.2燃料月表核反应堆燃料需要具备高熔点、高导热率、相容性好、原料易得、易于加工和成本低等普遍性特点。目前用于快中子堆的 U-235 燃料主要有 UAl、UMo、UZrH等金属合金燃料，UO2、（U，Pu）O2、（U，Pu）C 和（U，Pu）N等陶瓷燃料，UN、UC 等碳化物以及氮化物燃料。对于陶瓷燃料，由于 O、N、C 等核素挤占了 U 的空间，使得这些燃料的 U 密度均不是很高。所有燃料中，U 密度最高的是纯金属 U，其 U 密度达到 19.05 g/cm3，但其高温材料性能无法满足长周期应用需求。在 U 中加入一些金属材料形成合金可有效提升其高温材料性能。美国 Kilopower 反应堆比较了 UMo、UZr 和 UV 等金属合金燃料。在快中子堆内，Zr 的中子学性能比 Mo稍差，且在相同 U 质量分数时，UZr 合金的铀密度也更低。V 的中子学性能也稍差于 Mo，研究相对不充分，技术成熟度较低。因此，最终选择 UMo 合金作为美国Kilopower 反应堆的燃料。因此，本方案也选择 UMo 合金作为燃料5。1.3堆芯冷却方式堆芯冷却方式可大致分为回路式与热管式 2 种：回路式冷却可以使用主泵来驱动冷却剂流动，冷却能力强，相关技术成熟，但在冷却剂主管道破裂或主泵故障时会出现 LOCA/LOFA 事故从而导致单点失效，从安全角度考虑必须设置应急冷却和堆芯淹没系统。热管式冷却依靠气液相变、毛细作用等实现非能动冷却，不需要任何能动设备驱动，单根热管失效不影响其他热管传热（在传热极限许可范围内），可有效避免单点失效，但热管存在特定的传热极限，难以应用于高功率反应堆，另外热管对于工质、管材及运行温度有特定要求，在某些温区未必存在可实际选用的热管6。本课题涉及的月表核反应堆电源系统功率水平较低，对总体冷却能力要求宽松，同时考虑到热管冷却在安全可靠性方面具有突出优势，因此选择热管式冷却方式。1.4反射层材料在堆芯燃料外部布置具有反照率的反射层可以减小堆芯的质量和尺寸，从而减少燃料的装量并使得堆芯更加紧凑7。目前大多数空间核反应堆采用 Be 和 BeO 作为反射层材料。遵循尽量简化堆芯结构的原则，本方案中堆芯采用转鼓控制反应性，其他的反射层候选材料都无法提供足够的反应性价值。与 BeO 相比，Be 的宏观散射截面更低，但 Be 的延展性更好，对温度和辐照引起的膨胀和开裂不敏感，因此采用 Be 作为径向反射层的主要材料。而对于轴向反射层，为了减小温度引起的材料膨胀效应，采用 BeO 作为轴向反射层材料。1.5控制方式对于月表核反应堆，需要采取各种有效的控制方式，在保证反应堆安全的前提下，控制反应堆的剩余反应性，以满足反应堆长期运行的需要。目前空间堆使用的控制方式主要为控制棒、滑移反射层和控制鼓。相对于其他 2 种控制手段，控制鼓通过改变鼓体上的中子吸收体相对于堆芯的位置来改变对中子的吸收，从而控制堆芯反应性，在调节反应性的过程中，运动幅度较小，对整个系统的稳定性影响较小，同时对堆芯功率分布的扰动也较小，能够避免出现较大的功率峰因子。因此，本方案采用控制鼓进行反应性的控制。1.6结构材料空间热管堆的材料选型聚焦热管管壳用结构材料，针对约 800 益的服役温度，综合考虑可制造性、可焊性、中子特性、热物理性能、机械性能、蠕变性能、相容性、耐辐照性和性能稳定性等要求，选定镍基合金作为热管堆首选的结构材料类型。2方案设计2.1堆芯结构堆芯部分由一整块燃料组成，燃料的设计参考了美国的 Kilopower 方案，由内径为3.3cm、外径为 17.6cm，长度 40 cm 的 UMo 合金燃料和厚度为 0.05 cm 的23-2023 年 30 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationHaynes 230 合金包壳组成。包壳和燃料中间预留 0.3cm的空隙，以满足燃料的径向膨胀和肿胀。U-235 的富集度为 19.75%，密度约为 17.476 g/cm3。燃料芯块的两端为长度为 10 cm 的 BeO 反射层，在上端反射层的上方放置支撑弹簧，以压紧反射层和燃料芯块并在燃料芯块轴向肿胀时提供缓冲。燃料的径向反射层为厚度14.3 cm 的金属 Be，为防止金属 Be 在受热时发生软化和升华，在径向反射层和燃料之间布置一层隔热层。同时，为了防止反应堆受到撞击，在径向反射层外围包裹一层 Haynes 230 合金。为满足传热的要求，本方案中采用 60 根热管，热管直径为 2cm，分别以 3 圈的方式进行布置。其中，最内圈热管共 11 根，中圈热管共 18 根，外圈热管共 31 根。控制鼓的主体材料为和径向反射层相同的金属Be，吸收体为 B4C，厚度 1.0 cm。为降低控制鼓的价值，选择 10B 的富集度为 80%。控制鼓使用 0.05 cm 的Haynes 230 合金筒体包裹，控制鼓筒体与反射层之间留有 0.05 cm 的空隙，填充氦气。为保证特殊临界安全，在堆芯内布置一根控制棒。控制棒半径为 3.2 cm，高度为 41 cm，主体材料为 B4C，在其外部预留一层 0.05cm 的空隙，并包裹一层 0.05cm 的Haynes 230 合金。为了更好地吸收掉落事故下的中子，采用富集度为 90%的10B。具体堆芯结构如图 1 所示。2.2反应堆对性能物理特性分析利用 RMC 程序对反应堆的初始剩余反应性和停堆深度进行计算，结果见表 1。计算得到堆芯初始剩余反应性为 3.021 8%驻k/k，停堆深度为 12.019 7%驻k/k，2种情况下的 keff 都能满足设计准则。分别改变堆芯材料的尺寸、密度和温度截面，计算不同温度下的反应性，计算可得全堆的多普勒效应/能谱反应性为 0.042 303%驻k/k，材料膨胀反应性为-0.659 973%驻k/k，反应堆全堆总的温度反应性仅为-0.629 476%驻k/k。与其他小型快中子堆相比，本方案中的全堆负温度系数较小，有利于反应堆反应性控制。根据堆芯内引起裂变反应的中子能量分布计算可以得出堆芯内能谱偏硬，其中，快中子引起的裂变约70%，而热中子引起的裂变数份额不到 2%。2.3燃耗分析装入堆芯的单位质量核燃料所产生的总能量称为燃耗深度，燃耗深度表征了燃料贫化程度，其单位为MWD/KgHM（MegaWatt-Day/Kilogram of Heavy Met原al）。在计算燃耗以及功率分布时，将堆芯燃料内部划分为径向 22 环和轴向 16 层，一共划分了 352 个燃料区，取堆芯燃料平均功率为 240 kWt，运行时间为 10年，等分为 10 个燃耗步长。计算结果表明，反应堆以额定功率运行期间，keff近乎线性下降。相比于寿期初热态的工况，寿期末热态工况下的 keff 下降到 1.020 82依0.000 446，反应性为2.039 5%驻k/k，减少约 0.352 4%驻k/k。寿期末热态 keff大于1.015，且仍有部分裕量符合设计准则。反应堆运行 10 年后，排除误差因素后，仍有足够的后备反应性，可满足寿期末功率调节要求。渊a冤堆芯 YZ平面内截图渊b冤堆芯 XY 平面内截图渊c冤堆芯 XZ平面内截图图 1反应堆堆芯设计方案堆芯状态 控制鼓 keff/(%kk-1)寿期初、冷态 吸收体向外 1.031 160.000 436 3.021 80.040 7 寿期初、冷态 吸收体向内 0.892 700.000 378-12.019 70.047 2 表 1冷态寿期初剩余反应性和停堆深度反射层燃料热管反射层燃料热管控制鼓24-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 30 期渊下转 29 页冤反应堆的平均燃耗约为 1.815 MWD/KgHM，通过计算可知，消耗的 U-235 的质量为 989.069 7 g，对应的燃耗深度为 0.205%，最大燃耗深度为 0.357%，小于目前铀钼合金要求的平均燃耗深度 0.5%和最大燃耗深度的 0.8%。2.4特殊临界安全分析月表核反应堆电源在发射过程中可能会因为发生事故而掉落返回地球，由于掉落环境的复杂性，可能会导致反应堆的堆芯发生临界安全问题。美国在所有星表堆电源的设计方案中均要求反应堆在掉落地球后有效增殖系数小于 0.985。出于保守考虑，本方案将此设计准则为有效增殖系数小于 0.98。在计算时，假设掉落环境的外围尺寸为 2 m伊2 m，反应堆置于反射材料的中心位置，因为其厚度已经超过中子扩散长度的 3 倍，反照率与无限厚的材料相当。在所有掉落环境中，热管内部均按照进水而非沙计算，因为热管位于燃料内部，引入慢化剂的水会比沙更危险。根据以上假设，共分为 5 种计算工况，分别为：淤径向反射层、上下端部反射层均未失去，控制鼓朝向里锁死；于径向反射层与控制鼓一同失去，上下端部反射层未失去；盂径向反射层与控制鼓一同失去，下端部反射层失去，上端部反射层未失去；榆径向反射层与控制鼓一同失去，上端部反射层失去，下端部反射层未失去；虞径向反射层、控制鼓、上下端部反射层一同失去。在计算时，干沙子的密度设置为 1.7 g/cm3；水直接使用纯水的参数，密度设置为 1.0 g/cm3；湿沙子则假设为 64%的干沙子和 36%的水直接进行混合，整体的密度设置为 2.06 g/cm3（参考 Fission Surface Power（FSP）8）。计算结果见表 2。表 2特殊临界安全计算结果针对发射失败掉落事故下各种反应堆假设模型的临界计算结果表明在各种情况下，有效增殖系数始终小于 0.98，满足反应堆特殊临界安全的设计限值。2.5初步热工分析初步热工分析的重点为稳态工况和单点失效工况下燃料的温度分布，计算是否满足许用限值和设计经验准则等。在正常工况下，60 根热管的壁面设置为恒温壁面，温度设置为 950 K。在单点失效工况下，分别将内、中、外 3 圈热管中的某一根热管设置为绝热壁面。计算结果如图 25 所示。图 2正常工况下燃料温度分布云图图 3内圈热管失效下燃料温度分布云图图 4中圈热管失效下燃料温度分布云图、图 5外圈热管失效下燃料温度分布云图计算结果表明稳态工况下燃料的最高温度为成分 各特殊临界工况下的keff 干沙 0.905 13 0.913 86 0.902 52 0.910 05 0.898 61 湿沙 0.905 39 0.976 54 0.969 17 0.977 67 0.974 40 水 0.904 50 0.965 01 0.956 54 0.957 53 0.952 99 25-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 30 期损耗，电机工作时相比于交流异步电机而言，同等条件下，能量回收率较高。2）储能装置。电池的荷电状态 SOC（System onchip）、电池的充电性能等会影响电机再生能量的提取和储存。电池的充电特性参数需与电机的输出特性参数匹配。另外，一般情况下，只有当蓄电池 SOC 处于特定范围时才具备比较良好的充电性能。3）制动工况。车速与制动强度会直接影响制动能量回收的效果，不同车速的制动工况，能量消耗区别很大，比如在城市行驶环境中，由于制动频率高、制动强度适中，能量回收效果比较好；在车流量较小的国道低速行驶，因为车速较低，制动强度较小，可选择较大的再生制动比例，具备最佳的制动能量回收效果；在高速公路行驶环境中，制动频率低、制动强度大，此时由于再生制动具有延迟性，为满足制动安全的首要条件，再生制动比例较小，从而导致能量回收效果较差。此外，路况、天气、温度等自然环境条件对汽车制动回能的回收也都有影响，不过相对较小。当然，影响能量回收效率的最关键因素还是制动力控制和能量管理控制的问题，能否同时实现“利用附着系数最大化”和“能量回收率最大化”的双重目标关键在于制定合理的再生制动比例控制方案。5结束语能否同时取得高制动效能和制动安全的关键是制定合理的防滑控制方案，为把握此关键，本文在制动打滑的理论分析基础上，得出车辆制动防滑控制目标，进而拟定制动力分配比例控制和车轮防滑控制方案，并在此基础上优化再生制动比例，以满足制动防滑控制要求为前提，制定再生制动能量回收控制方案。为后续仿真模型的建立做理论基础。参考文献院1 刘海贞.新型电子液压制动系统及其控制方法研究D.长春：吉林大学，2018.2 刘梦琪.异步电机低速电制动控制J.电机与控制应用，2022，49（1）：34-38.3 张利芬.轮毂驱动电动汽车线控电制动控制策略研究D.芜湖：安徽工程大学，2018.4 余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社，2011：59-76.5 SHIN M.Motion control of micro-scale electric vehicle byDYC considering lane marker information C/The 8th IEEEInternational Workshop on Advanced Motion Control，2004：47-52.1 060 K，在设计限值范围内，满足设计准则。方案进一步计算了 3 种热管单点失效情况，燃料最高温度分别为 1 110、1 160 和 1 130 K，均满足燃料最高温度限值1 170 K，满足热管冷却反应堆的系统固有安全性要求。3结束语本文提出了一套基于低浓铀铀钼合金燃料采用热管冷却快堆、自由活塞式斯特林发电机热电转换、功率40 kWe、适用于月球基地的核电源堆芯方案，并重点针对反应堆模块，展开了方案选型、物理特性参数分析、特殊临界安全分析和热工计算分析等工作。计算分析的结果表明，本方案中设计的反应堆堆芯可以满足各项设计指标和准则，具有安全可靠、技术成熟度高等特点。参考文献院1 于志坚，李海涛.月球与行星探测测控系统建设与发展J.深空探测学报（中英文），2021，8（6）：543-554.2 苏著亭，杨继材，柯国土.空间核动力M.上海：上海交通大学出版社，2016.3 伍浩松，赵宏.全球在减少高浓铀使用领域获得丰硕成果J.国外核新闻，2020（4）：1-2.4 Memorandum on the National Strategy for Space NuclearPower and Propulsion（Space Policy Directive-6）R.TheWrite House，2020.5 侯可可，林俊，严超，等.一种铀钼铌合金燃料芯块及其制备方法以及应用：CN114350997AP.2022.6 余红星，马誉高，张卓华，等.热管冷却反应堆的兴起和发展J.核动力工程，2019，40（4）：1-8.7 庄乃亮，宋永念，汤晓斌，等.一种堆芯结构及空间核反应堆：CN114628050AP.2022.8 Fission Surface Power Team.Fission surface power systeminitial concept definitionR.NASA/TM-2010-216772，2010.渊上接 25 页冤29-