火星熔鹽堆堆芯概念設(shè)計(jì)

　　摘要 火星探測(cè)近來成為空間研究的一個(gè)主流趨勢(shì)。建立火星基地是人類研究和開發(fā)火星的必然選擇。與太 陽能儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，核反應(yīng)堆作為火星基地的能源系統(tǒng)，在系統(tǒng)質(zhì)量、操作靈活性和環(huán)境適應(yīng)性等方面具有顯 著優(yōu)勢(shì)。給出了火星熔鹽堆(Mars Molten Salt Reactor，M2 SR-1)的堆芯設(shè)計(jì)方案，并建立堆芯計(jì)算模型，以 MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)和ORIGEN為計(jì)算工具，從物理、安全、熱工等方面對(duì)M2 SR-1進(jìn) 行了計(jì)算分析。分析結(jié)果表明：M2 SR-1在滿功率運(yùn)行下可滿足8 a的壽期要求，在不同假設(shè)掉落環(huán)境下，有效增 殖因數(shù)均小于0.98，滿足臨界安全要求。本研究可以為星球表面熔鹽堆設(shè)計(jì)提供參考。

　　關(guān)鍵詞 熔鹽堆，釷基熔鹽堆，火星表面，臨界安全

　　根 據(jù) 美 國 國 家 航 空 航 天 局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)火星 探測(cè)計(jì)劃，火星探測(cè)分兩個(gè)階段[1] 。第一階段就地 資源利用(In-Situ Resource Utilization，ISRU)，ISRU 化學(xué)處理單元[2] ，通過一系列泵來吸取火星空氣，使 之與地球上搬來的氫反應(yīng)，生產(chǎn)出供返回艙使用的 火箭推進(jìn)劑甲烷和水，產(chǎn)生的水裂解成氫氣和氧氣， 氧氣儲(chǔ)存為火箭推進(jìn)劑，氫氣則繼續(xù)進(jìn)入反應(yīng)鏈用 于產(chǎn)生更多甲烷和水。

　　第二階段為船員階段，船員 長期駐留火星，并在火星表面開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)和地質(zhì) 勘察等。 不論是ISRU，還是船員階段的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及 維持生命需要的保障系統(tǒng)，都需要能源。根據(jù)火星 探測(cè)任務(wù) ，NASA 研究表明 ，火星表面基地需要 40 kW的電能，且需要長期運(yùn)行8 a [3] 。與其他能源 相比，核反應(yīng)堆電源具有功率大、壽命長、生存能力 強(qiáng)、不依賴陽光、可全天候工作等特點(diǎn)[4‒5] ，是火星基 地的理想電能。

　　2012 年，美國俄亥俄州立大學(xué)在 NASA的資助下開展了熔鹽空間堆的初步研究，研 究表明，熔鹽堆應(yīng)用于空間能源系統(tǒng)具有低壓、高功 率密度、高燃耗、高溫等特點(diǎn)[6] 。 火星熔鹽堆 M2 SR-1(Mars Molten Salt Reactor) 為快堆，堆芯采用熱管冷卻，熱電轉(zhuǎn)換為斯特林發(fā)電 機(jī)，采用熱管式輻射器進(jìn)行廢熱排放，堆芯反應(yīng)性采 用控制鼓控制，輻射屏蔽模式采用火星土壤屏蔽模 式。堆芯為一體化設(shè)計(jì)，燃料鹽填充堆芯容器，熱管 直接插入燃料鹽中[7] 。本文給出火星熔鹽堆M2 SR- 1 的堆芯設(shè)計(jì)方案，并從物理、安全、熱工等方面對(duì)M2 SR-1進(jìn)行了計(jì)算分析。本研究分析可以為火星 熔鹽堆提供技術(shù)儲(chǔ)備和理論設(shè)計(jì)參考。

　　1 堆芯描述與計(jì)算方法

　　1.1 堆芯描述

　　主要包括：燃料鹽、熱管、堆芯容器、反射層，控 制鼓、反射層包殼等。堆芯總體主要參數(shù)見表1。 M2 SR-1燃料鹽區(qū)由堆芯容器和熱管圍成，熱管 和堆芯容器一體化設(shè)計(jì)，熱管插入堆芯上半部分，插 入深度為 20 cm，燃料鹽填充管殼側(cè)及堆芯剩余下 半部分，即有熱管段燃料鹽區(qū)圓柱高20 cm，沒有熱 管段燃料鹽區(qū)圓柱高5 cm，底部半球段燃料鹽區(qū)球 半徑為15 cm。熱管的外半徑為1.5 cm，堆芯共有61 根熱管 ，間距一般取 3.5 cm。

　　堆芯容器內(nèi)腔高 40 cm，內(nèi)徑 30 cm，壁厚 0.25 cm。堆芯容器下半部 分形狀為半球形。徑向反射層厚度為 14 cm，軸向 反射層厚度為5 cm�？刂乒耐鈴綖�13.6 cm，中子吸 收體厚 1 cm，扇形包角為 120°。反射層包殼外徑 58.9 cm，壁厚0.2 cm。 堆芯燃料鹽的成分為LiF-UF(4 摩爾比為：65%： 35%)，燃料為235U，富集度為97.0%，7 Li豐度99.9%， 密度為4.83 g∙cm−3 。

　　二元鹽LiF-UF4具有較高的重 金屬溶解度和較低的蒸氣壓[8]。 反射層布置在堆芯容器與反射層包殼之間，材 料采用氧化鈹，控制鼓均勻鑲嵌在反射層中，控制鼓 的材料也為氧化鈹，中子吸收體的材料為碳化硼。堆芯金屬結(jié)構(gòu)材料為Mo-Re合金，同時(shí)在堆芯容器 外側(cè)涂覆一層厚 0.01 cm 的氧化釓，Re 合金和氧化 釓均是性能優(yōu)異的譜移吸收體材料，對(duì)熱中子具有 較大的吸收截面，對(duì)快中子的吸收截面較小，因此反 應(yīng)堆在發(fā)射過程中因事故跌入水或濕沙子中時(shí)，該 材料可有效吸收堆內(nèi)因水或濕沙子慢化產(chǎn)生的熱中 子，從而有利于使反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)[9]。

　　物理論文投稿刊物：《地球物理學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊于1948年，是中國地球物理學(xué)會(huì)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合主辦的有關(guān)地球物理科學(xué)的綜合性學(xué)術(shù)刊物。主要刊載固體地球物理、應(yīng)用地球物理、地磁和空間物理、大氣和海洋地球物理，以及與地球物理密切相關(guān)的交叉學(xué)科研究成果的高質(zhì)量論文。作者和讀者對(duì)象主要為從事地球物理學(xué)、地球科學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的國內(nèi)外科技工作者和大專院校師生。

　　1.2 計(jì)算方法

　　考慮到火星熔鹽堆M2 SR-1幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性， 及高溫下不同材料的膨脹效應(yīng)，本文采用 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)程序建模分 析。MCNP程序是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室 (Los Alamos National Laboratory，LANL)開發(fā)的一 個(gè)運(yùn)用蒙特卡羅方法進(jìn)行輸運(yùn)計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序[10] 。

　　MCNP程序的輸入靈活，參數(shù)合理，能夠完整 描述任何模型在體積結(jié)構(gòu)和材料密度等方面的細(xì) 節(jié)。該程序的輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確豐富，對(duì)于一個(gè)反應(yīng)堆 系統(tǒng)能夠給出諸如有效增殖系數(shù)、能譜、單群或多群 截面、中子產(chǎn)生和泄漏率等各種計(jì)算結(jié)果。MCNP 臨界計(jì)算時(shí)，粒子數(shù)為20 000，循環(huán)代數(shù)為450。

　　本文燃耗計(jì)算采用 ORIGEN(The Oak Ridge Isotope Generation and Depletion Code)程 序 ， ORIGEN 程序是由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)開發(fā)的進(jìn)行核素的點(diǎn)燃 耗、衰變以及放射性材料處理的程序系統(tǒng)[11] ，輸入文 件規(guī)范，數(shù)據(jù)庫中包含1 700多種核素，廣泛應(yīng)用于 各類堆型反應(yīng)堆(含熔鹽堆)的燃耗計(jì)算。臨界和燃 料 演 化 計(jì) 算 ，采 用 MCNP 與 ORIGEN 耦 合 程 序 MOBAT[12] 。

　　火星熔鹽堆M2 SR-1的熱工水力分析通過理論 計(jì)算得到。燃料鹽與熱管之間的熱量傳遞主要有熱 傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱等三種形式，從安全裕量 考慮，本文計(jì)算中主要考慮熱傳導(dǎo)。依據(jù)MCNP輸 出的功率分布，通過熱傳導(dǎo)計(jì)算得到燃料鹽最高溫 度以及熱管壁溫最大值;根據(jù)燃料鹽區(qū)的溫差及流 動(dòng)阻力給出堆芯流量。

　　2 堆芯設(shè)計(jì)

　　2.1 堆芯尺寸的選擇

　　堆芯容器尺寸的選取與運(yùn)行任務(wù)、安全限制、堆 芯幾何和材料等有關(guān)。M2 SR-1的運(yùn)行任務(wù)是在熱 功率為 210 kW 下運(yùn)行 8 a，即堆芯要有一定的后備 反應(yīng)性來滿足運(yùn)行要求。安全限制方面，一般要求 發(fā)射掉落事故時(shí)，反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)不超過 0.98。因此，活性區(qū)半徑需盡可能的小，來提高控制 鼓控制反應(yīng)性的能力，使發(fā)生發(fā)射掉落事故時(shí)，反應(yīng) 堆的有效增殖因數(shù)小于0.98。為保證熱量輸出，保 持熱管插入深度 20 cm 不變。

　　反射層厚度暫取 10 cm，控制鼓個(gè)數(shù)都為6個(gè)。堆芯容器尺寸對(duì)反應(yīng) 性的影響見表1，其中方案1與2堆芯容器底部為柱 狀，方案3堆芯容器底部是半球狀。堆芯容器直徑為28 cm時(shí)，堆 芯不臨界，不能滿足設(shè)計(jì)要求。本文在方案3的基 礎(chǔ)上，繼續(xù)優(yōu)化控制鼓的設(shè)計(jì)。

　　控制鼓可控反應(yīng)性價(jià)值的大小與控制鼓個(gè)數(shù)、控制鼓大小、吸收體厚度等有關(guān)。表3給出了控制 鼓可控反應(yīng)性價(jià)值與控制鼓個(gè)數(shù)、控制鼓大小的關(guān) 系，其中控制鼓大小隨反射層的厚度變化而變化，保 持控制鼓外徑與反射層外徑的間距為0.2 cm不變。通過下文的臨界安全分析，只有方案5，在發(fā)生 發(fā)射掉落事故時(shí)，反應(yīng)堆的有效增殖因數(shù)小于0.98， 滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本文選取方案5的堆芯尺寸、 反射層厚度、控制鼓個(gè)數(shù)，并在堆芯容器外側(cè)涂覆一 層厚0.01 cm的氧化釓。

　　2.2 臨界安全分析

　　目前為止，國際社會(huì)尚未制定在空間核動(dòng)力源 應(yīng)用領(lǐng)域的專門國際條約[13] 。聯(lián)合國和平利用外層 空間委員會(huì)針對(duì)空間核動(dòng)力源的應(yīng)用專門草擬并于 1992 年通過了《關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原 則》。2009 年，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì)又 與國際原子能機(jī)構(gòu)共同制定了《外層空間核動(dòng)力源 應(yīng)用安全框架》。這兩文件為空間核動(dòng)力源的應(yīng)用 提供了所應(yīng)遵循的一般原則和具體的技術(shù)性規(guī)范， 對(duì)于備受關(guān)注的安全問題也提供了相應(yīng)的安全 標(biāo)準(zhǔn)。 其中《關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則》對(duì) 有關(guān)空間堆設(shè)計(jì)技術(shù)問題的進(jìn)行規(guī)定。

　　如：核反應(yīng) 堆在達(dá)到工作軌道或行星際飛行軌道前不得使其進(jìn) 入臨界狀態(tài);核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和建造應(yīng)確保在達(dá)到 工作軌道前發(fā)生一切可能事件時(shí)均不能進(jìn)入臨界狀 態(tài)，此種事件包括火箭爆炸、再入、撞擊地面或水面、 沉入水下或水進(jìn)入堆芯。 M2 SR-1 在發(fā)射階段，堆芯熔鹽是固態(tài)，且受反 射層的控制鼓控制，堆芯處于次臨界狀態(tài)。在進(jìn)行 返回地面的臨界安全分析時(shí)，假設(shè)M2 SR-1掉落到地 面上時(shí)存在反射層和控制鼓同時(shí)脫落的情況，但堆 芯結(jié)構(gòu)保持不變，有反射層時(shí)控制鼓的吸收體正對(duì) 堆芯活性區(qū)[9] 。

　　反應(yīng)堆返回地面的臨界安全問題與掉落環(huán)境密 切相關(guān)，進(jìn)行反應(yīng)堆掉落臨界安全分析時(shí)，主要針對(duì) 兩種情況進(jìn)行分析：1)反應(yīng)堆掉入水中，并被水包 圍;2)反應(yīng)堆掉入干沙子中，并被干沙子覆蓋。從參考文獻(xiàn)[8]的分析可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)堆掉入濕沙中的情 況，對(duì)反應(yīng)堆安全的影響介于水和干沙之間，因此， 本文不做分析。對(duì)于上述兩種情況，分別存在反射 層和控制鼓是否脫落及堆芯內(nèi)部空腔是否進(jìn)水的問 題。在計(jì)算堆芯內(nèi)部空腔進(jìn)水時(shí)，將堆芯內(nèi)熱管中 的鋰以及其他工質(zhì)和空隙均以水代替。

　　A代表反射層存在，B代表反射層脫落;1代 表反應(yīng)堆掉入干沙中，堆芯未進(jìn)水;2代表反應(yīng)堆掉 入干沙中，堆芯進(jìn)水;3 代表反應(yīng)堆掉入水中，堆芯 未進(jìn)水;4代表反應(yīng)堆掉入水中，堆芯進(jìn)水。 從表4中可以看出，不論反射層存不存在，熔鹽 堆掉入干沙中，且堆芯進(jìn)水時(shí)，這種情況最危險(xiǎn)。此 時(shí)干沙子緊貼堆芯，對(duì)中子起到了很好反射作用，且 堆芯進(jìn)水，對(duì)中子起到慢化作用。

　　2.3 堆芯物理分析 對(duì)方案

　　5 進(jìn)行堆芯物理分析，當(dāng)反應(yīng)堆處于冷 態(tài)時(shí)(假設(shè)反應(yīng)堆溫度為300 K，固態(tài)燃料鹽密度根 據(jù)液態(tài)的密度公式外推得到)，計(jì)算得到有效增殖因 數(shù)為1.063 48±0.000 28，當(dāng)反應(yīng)堆處于熱態(tài)時(shí)(假設(shè) 反應(yīng)堆溫度為1 200 K)，計(jì)算得到有效增殖因數(shù)為 1.006 77±0.000 25，折 合 成 等 溫 溫 度 系 數(shù) 為 − 5.89×10−5 K−1 ，由此，可以看出熔鹽堆具有較大的負(fù)溫度系數(shù)，固有安全性高。這主要是由于燃料鹽的 熱膨脹，導(dǎo)致燃料鹽體積變化，即活性區(qū)大小變化， 導(dǎo)致的較大負(fù)溫度系數(shù)。 利用MCNP和ORIGEN程序耦合計(jì)算了方案5 全堆芯平均燃耗。在壽期末時(shí)反應(yīng) 堆的有效增殖因數(shù)大于 1，表明反應(yīng)堆的剩余反應(yīng) 性可滿足滿功率運(yùn)行8 a的壽期要求。

　　2.4 堆芯熱工分析

　　堆芯熱工分析的基本任務(wù)是確定燃料鹽的流動(dòng) 特性和傳熱特性，保證在任何工況下都能及時(shí)輸出 堆芯熱量。M2 SR-1熱管和堆芯容器一體化設(shè)計(jì)，燃 料鹽填充堆芯容器，熱管插入燃料鹽中。在堆芯容 器中，燃料鹽中燃料發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量，加熱熱 管熱端，通過熱管將堆芯產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入到能量轉(zhuǎn) 換器的熱管換熱器中，能量轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為電能， 未被利用的熱能經(jīng)廢熱排放系統(tǒng)，排放到火星大氣 中。熱管插入堆芯上半部分，有利于加強(qiáng)燃料鹽的 自然對(duì)流，提高熱管換熱能力。燃料鹽為半透明介 質(zhì)且溫度很高，存在輻射傳熱過程[14] 。 經(jīng)分析計(jì)算得到燃料鹽的最高溫度為1 484 K， 小于燃料鹽的沸點(diǎn)溫度 ;熱管包殼最高溫度為 1 395 K，小于 Mo-Re 合金使用溫度，可滿足安全要 求。即使堆芯內(nèi)傳熱功率最高的熱管失效，由于燃 料鹽是液態(tài)可流動(dòng)的，邊上的熱管也能很好地帶走 多余的熱量。

　　3 結(jié)語

　　本文給出火星熔鹽堆M2 SR-1的堆芯設(shè)計(jì)方案， 并從物理、安全、熱工等方面對(duì)M2 SR-1進(jìn)行了計(jì)算 分析。堆芯方案采用熱管和堆芯容器一體化設(shè)計(jì)， 熱管插入堆芯上半部分，插入深度為20 cm，堆芯底 部為半球狀，該設(shè)計(jì)方案有利于減少燃料鹽的裝載 量，同時(shí)加強(qiáng)燃料鹽的自燃對(duì)流。分析結(jié)果表明： M2 SR-1 在滿功率運(yùn)行下可滿足 8 a 的壽期要求;在 不同假設(shè)掉落環(huán)境下，有效增加因子均小于0.98，滿 足臨界安全要求。

　　作者：于世和1 孫 強(qiáng)1 趙 恒1 嚴(yán) 睿1 鄒 楊1 蘭 兵2

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