孫志勇

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

月表核電站堆芯物理特性設(shè)計(jì)研究

孫志勇

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

論文提出并初步論證了未來可用于月球表面核反應(yīng)堆電站的方案 HPCMR(heat-pipe cooled module fast reactor power system),整個(gè)電站由三個(gè)相同的模塊組成,每個(gè)模塊均包含有鋰熱管導(dǎo)熱的堆芯單元、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、鉀熱管輻射器單元、轉(zhuǎn)動(dòng)控制鼓單元,以及堆芯頂部屏蔽單元。并對(duì)其中子物理特性開展深入研究,結(jié)果表明,方案具有發(fā)射質(zhì)量少,固有安全特性好的優(yōu)點(diǎn)。

月球表面電站 HPCMR 堆芯物理特性

1 引言

隨著空間技術(shù)應(yīng)用需求的日益加大以及空間技術(shù)的不斷成熟，月球已經(jīng)成為各國21世紀(jì)深空探測(cè)的首要目標(biāo)。月球的探測(cè)和應(yīng)用之所以成為有航天能力國家的重點(diǎn)目標(biāo)，主要是因?yàn)樵虑蚓哂性S多優(yōu)點(diǎn)：一是作為距離地球最近的自然天體，月球上具有超高真空、無大氣活動(dòng)、無磁場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、弱重力、無污染等天然條件，是開展科學(xué)研究的天然實(shí)驗(yàn)室；二是天文觀測(cè)及對(duì)地球觀察的理想基地；三是人類探測(cè)太空并開發(fā)利用太空資源的前哨站與中轉(zhuǎn)站；四是月球上有將來可供人類利用的能源儲(chǔ)備等。

建立月球科研基地首先需解決能源供給問題。由于月球上的長(zhǎng)夜達(dá)14天之久，采用太陽能帆板加蓄電池陣很難滿足大功率需求。本論文研究是為解決月球基地的電能或熱能穩(wěn)定供應(yīng)等問題而開展的基礎(chǔ)技術(shù)研究。通過分析、論證和設(shè)計(jì)，給出一套經(jīng)濟(jì)安全的月球反應(yīng)堆系統(tǒng)方案，為進(jìn)一步開展各項(xiàng)技術(shù)研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 月表核電站方案HPCMR

HPCMR采用鋰熱管冷卻快堆，轉(zhuǎn)鼓控制，熱電偶轉(zhuǎn)換，鉀熱管輻射器及月壤屏蔽?；诜磻?yīng)堆安全和運(yùn)載能力方面的考慮，反應(yīng)堆電源采用集成模塊化設(shè)計(jì)，每塊單獨(dú)發(fā)射，在月球表面進(jìn)行組裝。每個(gè)模塊均包括一個(gè)堆芯單元(不足以達(dá)到臨界)、屏蔽體單元、控制轉(zhuǎn)鼓單元、熱電轉(zhuǎn)換裝置單元以及輻射器單元。反應(yīng)堆堆芯采用熱管冷卻，無冷卻劑回路；熱電轉(zhuǎn)換方式采用靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換，無運(yùn)動(dòng)部件；廢熱排放方式采用熱管式輻射器；以上幾點(diǎn)特性保證了反應(yīng)堆電源很高的可靠性和安全性。

堆芯分為三個(gè)模塊，其中每個(gè)堆芯模塊裝載102根燃料元件和42根鋰熱管，6套大控制轉(zhuǎn)鼓和6套小控制轉(zhuǎn)鼓。整個(gè)堆芯共裝載燃料元件306根，高溫鋰熱管126根，控制轉(zhuǎn)鼓12套。反應(yīng)堆堆芯總高950mm，活性區(qū)高度600mm，堆芯橫截面為正六邊形，對(duì)邊距為576mm，活性區(qū)橫截面也是正六邊形，對(duì)邊距為342mm。堆芯反射層包容整個(gè)堆芯，材料為BeO，其中側(cè)反射層厚117mm，上反射層厚120mm，下反射層厚130mm。堆芯周圍均布6套大控制鼓和6套小控制鼓，其中大控制鼓直徑156mm，小控制鼓直徑100mm?？刂乒闹黧w結(jié)構(gòu)材料為BeO，吸收體材料為B4C，B4C厚5mm，高600mm，鑲嵌在控制鼓主體上，包容角度120°，用于控制反應(yīng)堆的反應(yīng)性。

3 堆芯物理特性分析

物理計(jì)算主要采用MCNP程序。計(jì)算中忽略堆芯反射層外其他結(jié)構(gòu)和部件，計(jì)算模型數(shù)據(jù)庫選用國際通用的ENDF/B-VI。

3.1 堆芯反應(yīng)性分析

堆芯臨界分析計(jì)算結(jié)果見表1，計(jì)算結(jié)果表明，堆芯的總體反應(yīng)性系數(shù)為負(fù)值。

表中數(shù)據(jù)表明，堆芯初步方案能夠滿足月球表用反應(yīng)堆的要求。月球表面反應(yīng)堆總共設(shè)置6套大轉(zhuǎn)鼓和6套小轉(zhuǎn)鼓，兩種轉(zhuǎn)鼓均能夠滿足獨(dú)立停堆的要求，事故情況下，即便最大價(jià)值的一套大轉(zhuǎn)鼓卡在外側(cè)，其余轉(zhuǎn)鼓也能實(shí)現(xiàn)安全停堆。

從表2可以看出，HPCMR堆芯在受熱膨脹時(shí)，軸向膨脹引入負(fù)反應(yīng)性，徑向膨脹引入正反應(yīng)性，從總體效果呈負(fù)反應(yīng)性效應(yīng)。燃料多普勒效應(yīng)為負(fù)，在1100K至1700K的范圍內(nèi)，燃料的溫度系數(shù)為-2.2×10-6△k/k/℃。

表1 反應(yīng)性和控制鼓價(jià)值計(jì)算結(jié)果

3.2 堆芯釋熱分析

月球表面反應(yīng)堆設(shè)計(jì)為快中子反應(yīng)堆，側(cè)面帶有鈹反射層，每根燃料元件的平均功率為5.06kW?？熘凶有孤冻龆研镜絺?cè)反射層中受到鈹反射層的慢化和反射作用，導(dǎo)致堆芯邊緣燃料元件裂變率與堆芯內(nèi)部燃料元件相比更高，因此堆芯功率峰所在的位置在堆芯邊緣，其最大功率峰因子達(dá)到1.39，考慮到堆芯獨(dú)特的熱管冷卻方式，邊緣燃料元件冷卻壓力并不太大，除了最外一圈燃料元件，其余燃料元件的最大功率峰因子僅為1.158。

3.3 堆芯燃耗分析

HPCMR反應(yīng)堆為熱管冷卻快堆，堆芯中子能譜較硬，超過了一般鈉冷卻快堆，從中子能譜分析，絕大多數(shù)中子處于能量100keV～10MeV區(qū)間內(nèi)，超出了U、Re的共振吸收區(qū)間。錒系核素對(duì)反應(yīng)堆的影響遠(yuǎn)大于裂變產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)堆的影響。隨著反應(yīng)堆燃耗的加深，錒系核素積累較為明顯，壽期末，236U積累達(dá)到1.4kg，239Pu的累積量也達(dá)到160g。235U消耗量大約7kg，相對(duì)燃耗4.8%，燃料芯體絕對(duì)燃耗17230MWD/tU，燃耗相對(duì)較淺。HPCMR滿功率運(yùn)行3600天后，反應(yīng)堆有效增殖系數(shù)大于1，并有0.6%Δk/k的裕量。證明反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性足夠運(yùn)行十年的要求。

3.4 發(fā)射過程中的臨界安全問題

對(duì)于空間用快堆系統(tǒng)，較大的危險(xiǎn)來自于發(fā)射過程中的掉落事故。由于通常快堆采用高富集度的燃料元件，燃料裝載相對(duì)較大，因此如果發(fā)射失敗，反應(yīng)堆落入水中，存在臨界安全風(fēng)險(xiǎn)。因此本文堆芯方案，堆芯分為3個(gè)模塊，每個(gè)模塊單獨(dú)發(fā)射，另外，結(jié)構(gòu)材料選用鉬錸合金，其中錸具有較大的熱中子吸收截面，能夠有效降低臨界事故風(fēng)險(xiǎn)。

表2 反應(yīng)性溫度效應(yīng)

計(jì)算表明，單獨(dú)一個(gè)模塊落入水中，若堆芯保持完好，內(nèi)部沒有進(jìn)水，則反應(yīng)堆系統(tǒng)Keff=0.77964；若堆芯內(nèi)部充滿水時(shí)，Keff=0.87741。兩種情況下，堆芯模塊均偏離臨界很遠(yuǎn)，不會(huì)發(fā)生臨界安全事故。

3.5 堆芯熱管失效

HPCMR在月球表面運(yùn)行過程中，存在一些可能導(dǎo)致對(duì)內(nèi)熱管失效的因素。例如堆芯熱管意外破裂等，在這種情況下如果不能有效地將局部熱量帶出對(duì)外而發(fā)生燃料元件熔化，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)堆來說后果是災(zāi)難性的，可能發(fā)生一系列連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致整個(gè)堆芯熔化。

事故工況下，從保守角度考慮假定失效熱管相鄰燃料元件為熱通道燃料元件，且其周圍熱管為非對(duì)稱分布。計(jì)算分析結(jié)果如下：壽期初，燃料芯塊中最高溫度為1810K，包殼中最高溫度為1805K，密實(shí)金屬細(xì)絲填充區(qū)中最高溫度為1805K。壽期末，燃料芯塊中最高溫度為1880K，包殼中最高溫度為1875K，密實(shí)金屬細(xì)絲填充區(qū)中最高溫度為1875K。

結(jié)果表明，事故情況下，當(dāng)一根堆內(nèi)熱管失效時(shí)，其周圍的燃料元件能夠被相鄰熱管有效冷卻，整個(gè)系統(tǒng)安全性能夠得到保證。

4 結(jié)語

論文對(duì)月球表面核反應(yīng)堆電站的概念堆芯主要物理特性進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明HPCMR的堆芯方案滿足月表電站需求，并且具有較高的固有安全特性：(1)反應(yīng)堆在發(fā)射過程中，單個(gè)模塊落入水中或濕沙子中，反應(yīng)堆偏離臨界很遠(yuǎn)，不會(huì)造成發(fā)射臨界事故，從而對(duì)環(huán)境造成核污染。(2)堆芯采用熱管冷卻，不會(huì)因?yàn)槔鋮s回路破口而發(fā)生LOCA事故，并且每一根燃料棒周圍至少與兩根熱管相鄰，若一根熱管發(fā)生故障失效，燃料發(fā)熱也能夠安全導(dǎo)出，而不會(huì)發(fā)生堆芯燒毀。(3)反應(yīng)堆除了冗余設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制鼓之外沒有任何其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件，包括堆內(nèi)熱管、熱電偶熱電轉(zhuǎn)換模塊、堆外熱管、熱管式換熱器等部件均為非能動(dòng)部件，具有很高的可靠性。

[1]孫志勇.月球表面用核反應(yīng)堆電源技術(shù)方案物理概念設(shè)計(jì),2010年,內(nèi)部報(bào)告.

[2]陳綱.月球表面用核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)熱工分析報(bào)告,2010年,內(nèi)部報(bào)告.

[3]胡古,孫志勇.陳綱等月球表面用核反應(yīng)堆電源調(diào)研及可行性方案初步研究,2010年,內(nèi)部報(bào)告.