火星熔鹽堆堆芯概念設計

　　摘要 火星探測近來成為空間研究的一個主流趨勢。建立火星基地是人類研究和開發(fā)火星的必然選擇。與太 陽能儲能系統(tǒng)相比，核反應堆作為火星基地的能源系統(tǒng)，在系統(tǒng)質量、操作靈活性和環(huán)境適應性等方面具有顯 著優(yōu)勢。給出了火星熔鹽堆(Mars Molten Salt Reactor，M2 SR-1)的堆芯設計方案，并建立堆芯計算模型，以 MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)和ORIGEN為計算工具，從物理、安全、熱工等方面對M2 SR-1進 行了計算分析。分析結果表明：M2 SR-1在滿功率運行下可滿足8 a的壽期要求，在不同假設掉落環(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計提供參考。

　　關鍵詞 熔鹽堆，釷基熔鹽堆，火星表面，臨界安全

　　根 據 美 國 國 家 航 空 航 天 局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)火星 探測計劃，火星探測分兩個階段[1] 。第一階段就地 資源利用(In-Situ Resource Utilization，ISRU)，ISRU 化學處理單元[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，生產出供返回艙使用的 火箭推進劑甲烷和水，產生的水裂解成氫氣和氧氣， 氧氣儲存為火箭推進劑，氫氣則繼續(xù)進入反應鏈用 于產生更多甲烷和水。

　　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實驗和地質 勘察等。 不論是ISRU，還是船員階段的科學實驗，以及 維持生命需要的保障系統(tǒng)，都需要能源。根據火星 探測任務 ，NASA 研究表明 ，火星表面基地需要 40 kW的電能，且需要長期運行8 a [3] 。與其他能源 相比，核反應堆電源具有功率大、壽命長、生存能力 強、不依賴陽光、可全天候工作等特點[4‒5] ，是火星基 地的理想電能。

　　2012 年，美國俄亥俄州立大學在 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[6] 。 火星熔鹽堆 M2 SR-1(Mars Molten Salt Reactor) 為快堆，堆芯采用熱管冷卻，熱電轉換為斯特林發(fā)電 機，采用熱管式輻射器進行廢熱排放，堆芯反應性采 用控制鼓控制，輻射屏蔽模式采用火星土壤屏蔽模 式。堆芯為一體化設計，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 的堆芯設計方案，并從物理、安全、熱工等方面對M2 SR-1進行了計算分析。本研究分析可以為火星 熔鹽堆提供技術儲備和理論設計參考。

　　1 堆芯描述與計算方法

　　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計，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。

　　堆芯容器內腔高 40 cm，內徑 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。控制鼓外徑為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。堆芯金屬結構材料為Mo-Re合金，同時在堆芯容器 外側涂覆一層厚 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，對熱中子具有 較大的吸收截面，對快中子的吸收截面較小，因此反 應堆在發(fā)射過程中因事故跌入水或濕沙子中時，該 材料可有效吸收堆內因水或濕沙子慢化產生的熱中 子，從而有利于使反應堆處于次臨界狀態(tài)[9]。

　　物理論文投稿刊物：《地球物理學報》創(chuàng)刊于1948年，是中國地球物理學會、中國科學院地質與地球物理研究所聯(lián)合主辦的有關地球物理科學的綜合性學術刊物。主要刊載固體地球物理、應用地球物理、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的交叉學科研究成果的高質量論文。作者和讀者對象主要為從事地球物理學、地球科學及其他相關學科的國內外科技工作者和大專院校師生。

　　1.2 計算方法

　　考慮到火星熔鹽堆M2 SR-1幾何結構的復雜性， 及高溫下不同材料的膨脹效應，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驗室 (Los Alamos National Laboratory，LANL)開發(fā)的一 個運用蒙特卡羅方法進行輸運計算的計算機程序[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構和材料密度等方面的細 節(jié)。該程序的輸出數(shù)據準確豐富，對于一個反應堆 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、中子產生和泄漏率等各種計算結果。MCNP 臨界計算時，粒子數(shù)為20 000，循環(huán)代數(shù)為450。

　　本文燃耗計算采用 ORIGEN(The Oak Ridge Isotope Generation and Depletion Code)程 序 ， ORIGEN 程序是由美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)開發(fā)的進行核素的點燃 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)據庫中包含1 700多種核素，廣泛應用于 各類堆型反應堆(含熔鹽堆)的燃耗計算。臨界和燃 料 演 化 計 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 計算得到。燃料鹽與熱管之間的熱量傳遞主要有熱 傳導、對流換熱和輻射換熱等三種形式，從安全裕量 考慮，本文計算中主要考慮熱傳導。依據MCNP輸 出的功率分布，通過熱傳導計算得到燃料鹽最高溫 度以及熱管壁溫最大值;根據燃料鹽區(qū)的溫差及流 動阻力給出堆芯流量。

　　2 堆芯設計

　　2.1 堆芯尺寸的選擇

　　堆芯容器尺寸的選取與運行任務、安全限制、堆 芯幾何和材料等有關。M2 SR-1的運行任務是在熱 功率為 210 kW 下運行 8 a，即堆芯要有一定的后備 反應性來滿足運行要求。安全限制方面，一般要求 發(fā)射掉落事故時，反應堆的有效增殖因數(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 鼓控制反應性的能力，使發(fā)生發(fā)射掉落事故時，反應 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，控制鼓個數(shù)都為6個。堆芯容器尺寸對反應 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，堆 芯不臨界，不能滿足設計要求。本文在方案3的基 礎上，繼續(xù)優(yōu)化控制鼓的設計。

　　控制鼓可控反應性價值的大小與控制鼓個數(shù)、控制鼓大小、吸收體厚度等有關。表3給出了控制 鼓可控反應性價值與控制鼓個數(shù)、控制鼓大小的關 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，反應堆的有效增殖因數(shù)小于0.98， 滿足設計要求。因此，本文選取方案5的堆芯尺寸、 反射層厚度、控制鼓個數(shù)，并在堆芯容器外側涂覆一 層厚0.01 cm的氧化釓。

　　2.2 臨界安全分析

　　目前為止，國際社會尚未制定在空間核動力源 應用領域的專門國際條約[13] 。聯(lián)合國和平利用外層 空間委員會針對空間核動力源的應用專門草擬并于 1992 年通過了《關于在外層空間使用核動力源的原 則》。2009 年，聯(lián)合國和平利用外層空間委員會又 與國際原子能機構共同制定了《外層空間核動力源 應用安全框架》。這兩文件為空間核動力源的應用 提供了所應遵循的一般原則和具體的技術性規(guī)范， 對于備受關注的安全問題也提供了相應的安全 標準。 其中《關于在外層空間使用核動力源的原則》對 有關空間堆設計技術問題的進行規(guī)定。

　　如：核反應 堆在達到工作軌道或行星際飛行軌道前不得使其進 入臨界狀態(tài);核反應堆的設計和建造應確保在達到 工作軌道前發(fā)生一切可能事件時均不能進入臨界狀 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)。在進行 返回地面的臨界安全分析時，假設M2 SR-1掉落到地 面上時存在反射層和控制鼓同時脫落的情況，但堆 芯結構保持不變，有反射層時控制鼓的吸收體正對 堆芯活性區(qū)[9] 。

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

　　A代表反射層存在，B代表反射層脫落;1代 表反應堆掉入干沙中，堆芯未進水;2代表反應堆掉 入干沙中，堆芯進水;3 代表反應堆掉入水中，堆芯 未進水;4代表反應堆掉入水中，堆芯進水。 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，且堆芯進水時，這種情況最危險。此 時干沙子緊貼堆芯，對中子起到了很好反射作用，且 堆芯進水，對中子起到慢化作用。

　　2.3 堆芯物理分析 對方案

　　5 進行堆芯物理分析，當反應堆處于冷 態(tài)時(假設反應堆溫度為300 K，固態(tài)燃料鹽密度根 據液態(tài)的密度公式外推得到)，計算得到有效增殖因 數(shù)為1.063 48±0.000 28，當反應堆處于熱態(tài)時(假設 反應堆溫度為1 200 K)，計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，導致燃料鹽體積變化，即活性區(qū)大小變化， 導致的較大負溫度系數(shù)。 利用MCNP和ORIGEN程序耦合計算了方案5 全堆芯平均燃耗。在壽期末時反應 堆的有效增殖因數(shù)大于 1，表明反應堆的剩余反應 性可滿足滿功率運行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是確定燃料鹽的流動 特性和傳熱特性，保證在任何工況下都能及時輸出 堆芯熱量。M2 SR-1熱管和堆芯容器一體化設計，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)生裂變反應產生熱量，加熱熱 管熱端，通過熱管將堆芯產生的熱量導入到能量轉 換器的熱管換熱器中，能量轉換器將其轉換為電能， 未被利用的熱能經廢熱排放系統(tǒng)，排放到火星大氣 中。熱管插入堆芯上半部分，有利于加強燃料鹽的 自然對流，提高熱管換熱能力。燃料鹽為半透明介 質且溫度很高，存在輻射傳熱過程[14] 。 經分析計算得到燃料鹽的最高溫度為1 484 K， 小于燃料鹽的沸點溫度 ;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。即使堆芯內傳熱功率最高的熱管失效，由于燃 料鹽是液態(tài)可流動的，邊上的熱管也能很好地帶走 多余的熱量。

　　3 結語

　　本文給出火星熔鹽堆M2 SR-1的堆芯設計方案， 并從物理、安全、熱工等方面對M2 SR-1進行了計算 分析。堆芯方案采用熱管和堆芯容器一體化設計， 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，該設計方案有利于減少燃料鹽的裝載 量，同時加強燃料鹽的自燃對流。分析結果表明： M2 SR-1 在滿功率運行下可滿足 8 a 的壽期要求;在 不同假設掉落環(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1 趙 恒1 嚴 睿1 鄒 楊1 蘭 兵2

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