周繼時(shí)，李莎，劉磊，解家春，耿言

（1. 探月與航天工程中心，北京 100037；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3. 中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引 言

空間核動(dòng)力泛指在外層空間利用核能的裝置，該裝置把核衰變能（例如放射性同位素）、核裂變能（例如核反應(yīng)堆）或者核聚變能轉(zhuǎn)化為熱能、電能或者動(dòng)能，以滿足航天器飛行任務(wù)的能源需求。截至目前，人類共發(fā)射73顆核動(dòng)力航天器，美國(guó)32顆，蘇聯(lián)/俄羅斯40顆，中國(guó)1顆。美國(guó)主要發(fā)展和使用基于同位素核能源的航天器。蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)展的核動(dòng)力航天器大部分都是基于核裂變能源[1]。

隨著深空探測(cè)任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，航天器距離地球越來(lái)越遠(yuǎn)，采用核動(dòng)力成為航天器最有希望實(shí)現(xiàn)快速和更遠(yuǎn)深空探測(cè)的可靠技術(shù)途徑。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)將空間核動(dòng)力的發(fā)展瞄準(zhǔn)兆瓦級(jí)及以上的空間核電源、大功率核推進(jìn)系統(tǒng)。在同位素電源領(lǐng)域，重點(diǎn)支持研究了包括布雷頓、斯特林、熱電、熱光電等在內(nèi)的10項(xiàng)功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。在使用核裂變反應(yīng)堆的大功率電推進(jìn)系統(tǒng)研究領(lǐng)域，也資助開展了多項(xiàng)研究（見表1），其中研發(fā)的可變比沖磁流體火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket）擬將在國(guó)際空間站上搭載進(jìn)行飛行試驗(yàn)[2-6]。同傳統(tǒng)的化學(xué)火箭相比，電推進(jìn)雖然推力小，但比沖大，可以解決化學(xué)推進(jìn)比沖較小的天然不足[7]。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)一直在開展空間核動(dòng)力源方面的技術(shù)研究，目前同位素電池和熱離子反應(yīng)堆電源已經(jīng)突破關(guān)鍵技術(shù)。但是，從國(guó)內(nèi)調(diào)研的情況來(lái)看，包括工程總體、衛(wèi)星/探測(cè)器總體以及與之存在核技術(shù)接口的其他系統(tǒng)總體、核動(dòng)力源設(shè)計(jì)部門等各有關(guān)方面，在核動(dòng)力航天器的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行管理等各個(gè)層面，均沒有相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和研制規(guī)范可供參考使用。

本文在全面分析我國(guó)現(xiàn)有航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了核動(dòng)力航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系新增類別。重點(diǎn)是，基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和研制經(jīng)驗(yàn)，在保證核安全的前提下，從工程總體、航天器總體兩個(gè)層面提出了開展核動(dòng)力航天器設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，詳細(xì)闡述了核動(dòng)力源的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過調(diào)研分析國(guó)外在核動(dòng)力航天器使用方面的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有核安全法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等，提出了核動(dòng)力航天器在研制過程中正常工況、事故工況下的設(shè)計(jì)要求。

1 核動(dòng)力航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系研究

我國(guó)的航天器標(biāo)準(zhǔn)體系分成管理（M）、產(chǎn)品保證（Q）、工程（E）和產(chǎn)品（P）4個(gè)相互獨(dú)立、又緊密聯(lián)系的系列標(biāo)準(zhǔn)體系。M系列標(biāo)準(zhǔn)體系包括項(xiàng)目管理（M1）、產(chǎn)品管理（M2）、技術(shù)基礎(chǔ)管理（M3）和職能管理（M4）4個(gè)子體系。Q系列標(biāo)準(zhǔn)體系包括產(chǎn)品保證基礎(chǔ)（Q0），產(chǎn)品保證管理（Q1），質(zhì)量保證（Q2），可靠性保證（Q3），安全性保證（Q4），維修性保證（Q5），電子、電氣和機(jī)電（EEE）元器件保證（Q6），材料、零部件保證（Q7），工藝保證（Q8），軟件產(chǎn)品保證（Q9），地面設(shè)備保證（Qa）等11個(gè)子體系。E系列標(biāo)準(zhǔn)體系主要根據(jù)專業(yè)進(jìn)行劃分，包括工程系統(tǒng)（E0）、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)專業(yè)（E1）、控制專業(yè)（E2）、推進(jìn)專業(yè)（E3）等15個(gè)子體系。P系列標(biāo)準(zhǔn)體系中子體系的劃分，原則上與E系列標(biāo)準(zhǔn)體系子體系的劃分一致，只是根據(jù)專業(yè)產(chǎn)品的情況進(jìn)行了稍微調(diào)整。

核動(dòng)力航天器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，需要結(jié)合核動(dòng)力航天器研制特點(diǎn)，在現(xiàn)有航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和補(bǔ)充完善。本文所研究的核動(dòng)力航天器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系僅考慮到分系統(tǒng)級(jí)，所以P（產(chǎn)品）系列標(biāo)準(zhǔn)暫不做研究。為保證整個(gè)航天器標(biāo)準(zhǔn)體系的連貫性和系統(tǒng)性，按照我國(guó)現(xiàn)有的航天器標(biāo)準(zhǔn)體系分類方法和體系框架，核動(dòng)力航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系需要改進(jìn)的內(nèi)容包括：在工程系列標(biāo)準(zhǔn)體系中，增加核系統(tǒng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（暫定序號(hào)為Ef）、核安全系統(tǒng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（暫定序號(hào)為Eg）；在工程系列環(huán)境工程標(biāo)準(zhǔn)中增加航天器核輻射環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)（暫定序號(hào)為Ec-7）；在工程系列電源、總體電路專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中增加反應(yīng)堆電源標(biāo)準(zhǔn)（暫定序號(hào)為E7-1-5）；在工程系列衛(wèi)星地面接收站、監(jiān)測(cè)站、CDAS站標(biāo)準(zhǔn)中增加核輻射監(jiān)測(cè)站（暫定序號(hào)為Ee-5）如，表2所示。

表1 美國(guó)研發(fā)的大功率電推進(jìn)系統(tǒng)Table 1 High-power electric propulsion system developed in America

表2 核動(dòng)力航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系新增類別Table 2 New update category of nuclear powered spacecraft development standard system category by newly increased

2 核動(dòng)力航天器設(shè)計(jì)

核動(dòng)力航天器與一般航天器的最大區(qū)別是其在空間使用核能。無(wú)論是在地面還是在空間，核能均是一個(gè)十分敏感的話題，隨之而來(lái)的最直接的考慮是核安全設(shè)計(jì)和防護(hù)。

核動(dòng)力源和核安全系統(tǒng)是核動(dòng)力航天器獨(dú)有的系統(tǒng)，而由此又會(huì)引申出很多對(duì)其他系統(tǒng)的特殊要求。因?yàn)楹四茉诳臻g的利用形式只有核電源、核推進(jìn)和核熱源三種形式，最直接的影響就是航天器的電源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)，這些影響也勢(shì)必會(huì)引起整個(gè)航天器構(gòu)形、空間環(huán)境、軌道、飛行控制、總裝、測(cè)試、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)纫幌盗械淖兓?/p>

2.1 工程總體設(shè)計(jì)

航天工程一般包括航天器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用等系統(tǒng)。由于核安全非常敏感且影響極大，因此從工程總體層面就要統(tǒng)籌考慮各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的影響。

對(duì)于運(yùn)載火箭系統(tǒng)，從安全的角度考慮，其在進(jìn)行彈道設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮到，一旦在發(fā)射段出現(xiàn)故障，火箭盡量不要落在陸地上。

對(duì)于發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)，在開展安全性設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先保證一旦發(fā)生核泄漏事故后人員的安全性。此外，核動(dòng)力源對(duì)航天器的總裝環(huán)境也有特殊要求，導(dǎo)致發(fā)射場(chǎng)提供的總裝環(huán)境等也應(yīng)有所不同。

對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)，需時(shí)刻監(jiān)視核動(dòng)力源的安全性，保證航天器出現(xiàn)問題時(shí)，能及時(shí)按照預(yù)案對(duì)航天器進(jìn)行處置，確保其不會(huì)降落至地面。

對(duì)于地面應(yīng)用系統(tǒng)，需要考慮航天器上的核動(dòng)力源對(duì)科學(xué)探測(cè)載荷工作的影響。

對(duì)于衛(wèi)星/航天器系統(tǒng)，是與核直接相關(guān)的系統(tǒng)，無(wú)論是總體設(shè)計(jì)還是分系統(tǒng)、單機(jī)設(shè)計(jì)，都要充分考慮涉核這個(gè)特點(diǎn)。詳見后續(xù)內(nèi)容。

2.2 航天器總體設(shè)計(jì)

核動(dòng)力航天器總體設(shè)計(jì)的重要原則就是圍繞核動(dòng)力源及其安全防護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)開展。由于大功率核動(dòng)力航天器具有核輻射、大功率、高電壓、大電流的特點(diǎn)，導(dǎo)致在核動(dòng)力源、核安全系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，核動(dòng)力航天器與常規(guī)航天器都存在差別。核動(dòng)力源設(shè)計(jì)和核安全設(shè)計(jì)詳見本文第3節(jié)和第4節(jié)內(nèi)容。本文只介紹核動(dòng)力航天器總體在相關(guān)設(shè)計(jì)上獨(dú)有的要素。

2.2.1 一般性設(shè)計(jì)

核動(dòng)力航天器在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合我國(guó)現(xiàn)有航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和核動(dòng)力裝置的一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)重點(diǎn)考慮涉核系統(tǒng)及其對(duì)航天器設(shè)計(jì)提出的特殊要求，主要體現(xiàn)在如下方面：

1）軌道方面。核動(dòng)力航天器需運(yùn)行在足夠高的安全軌道（國(guó)際上約定核動(dòng)力航天器的啟動(dòng)軌道高度至少800km）。在設(shè)計(jì)壽命到期或出現(xiàn)嚴(yán)重故障后，航天器應(yīng)具備被推入安全軌道的能力。

2）在進(jìn)行核動(dòng)力航天器總裝以及涉核產(chǎn)品裝配、調(diào)試時(shí)，需要用到一些特殊的工藝，以確保安全性和正確性。

3）在地面測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證方面，需要制定核動(dòng)力航天器專門的綜合測(cè)試和試驗(yàn)環(huán)境條件、方法，特別是核動(dòng)力源和核安全系統(tǒng)需開展有針對(duì)性的環(huán)境試驗(yàn)、專項(xiàng)試驗(yàn)。

4）可靠性方面。為了保證達(dá)到航天器整體的可靠性要求，明確指出在航天器的整個(gè)壽命期間，核反應(yīng)堆可靠性應(yīng)達(dá)到0.9999。

5）安全性方面。在常規(guī)的航天器安全設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上特別強(qiáng)調(diào)了核安全。核安全需符合GB15146-2008系列《反應(yīng)堆外易裂變材料的核臨界安全》、GB 8871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》、GB 11806-2004《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)和航天器自身所規(guī)定的相關(guān)要求。核動(dòng)力航天器的核安全性設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是，使航天員和航天器在所有運(yùn)行工況下受到的電離輻射的照射保持在合理可行盡量低的水平。因此核動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行必須高質(zhì)量，以盡量減少能導(dǎo)致放射性物質(zhì)大量釋放的故障發(fā)生。應(yīng)確保在達(dá)到工作軌道前，發(fā)生一切可能事件時(shí)反應(yīng)堆均不能進(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)入堆芯等。詳細(xì)設(shè)計(jì)見本文第4節(jié)內(nèi)容。

2.2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

核動(dòng)力航天器與常規(guī)航天器在機(jī)械設(shè)計(jì)部分的主要不同點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：

1）核安全對(duì)構(gòu)形布局的特殊要求。結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)材料選擇，需考慮對(duì)核輻射有較好的屏蔽性。與核反應(yīng)堆有直接關(guān)系的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)，應(yīng)考慮反應(yīng)堆所產(chǎn)生高溫、高壓環(huán)境。應(yīng)當(dāng)考慮航天器載荷倉(cāng)和輻射隔離所需要的安全距離，對(duì)于使用空間堆的航天器，建議采用大型支撐桿起輻射隔離作用（見圖1）[2]。

2）設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軌道運(yùn)行期間的輻射環(huán)境在衛(wèi)星環(huán)境規(guī)范中規(guī)定。應(yīng)根據(jù)輻射環(huán)境，考慮防輻射問題，使設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品起到保護(hù)作用。

3）包裝和運(yùn)輸設(shè)計(jì)。核反應(yīng)堆或同位素等放射性原料和部件的包裝和運(yùn)輸設(shè)計(jì)，應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB15146.3-2008《反應(yīng)堆外易裂變材料的核臨界安全第8部分：堆外操作、貯存、運(yùn)輸輕水堆燃料的核臨界安全準(zhǔn)則》、GB11806-2004《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》，同時(shí)嚴(yán)格遵守國(guó)家對(duì)放射性物品運(yùn)輸安全管理?xiàng)l例、放射性物品道路運(yùn)輸管理規(guī)定等相關(guān)行業(yè)規(guī)定。

圖1 “木星冰月亮探測(cè)器”結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The structural configuration of the Jupiter ice Moon spacecraft

2.2.3 熱設(shè)計(jì)

由于大功率核動(dòng)力航天器需要排散大量的廢熱，對(duì)其散熱裝置的設(shè)計(jì)有著特殊的要求，需要采用新的、高效的技術(shù)來(lái)解決，必須在航天器總體層面上考慮熱能的綜合利用。比如采用核反應(yīng)堆電源，應(yīng)重點(diǎn)考慮采用高溫散熱等新技術(shù)，以降低散熱板的面積。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)，核動(dòng)力源必須提供詳細(xì)、精確的熱設(shè)計(jì)模型給航天器總體。

2.2.4 電氣設(shè)計(jì)

與常規(guī)航天器的主要不同點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：

1）設(shè)計(jì)依據(jù)部分，由于目前國(guó)軍標(biāo)中沒有關(guān)于空間核電源的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要參考GJB2042-94《衛(wèi)星電源系統(tǒng)通用規(guī)范》。

2）空間核電源是核能在空間的主要應(yīng)用形式之一?？臻g核電源與傳統(tǒng)的電源在發(fā)電原理、能量來(lái)源等方面有著本質(zhì)不同。對(duì)于核反應(yīng)堆電源，其功率較高，電壓和配電體制會(huì)發(fā)生根本性變化，電源控制、調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)也會(huì)與現(xiàn)有的航天器設(shè)計(jì)有著本質(zhì)區(qū)別。在供配電接口部分，針對(duì)核動(dòng)力航天器的不同等級(jí)功率需求，推薦使用以下一次母線電壓參考值：輸出電功率小于4kW時(shí)，母線電壓為+28V；輸出電功率在4～10kW范圍內(nèi)，母線電壓為+42V；輸出電功率在10～20kW范圍內(nèi)，母線電壓為+100V；輸出電功率大于50kW時(shí)，采用高壓配電體制。核動(dòng)力航天器整星二次電源電壓選擇建議為+28V和+42V。

2.2.5 磁設(shè)計(jì)

核動(dòng)力航天器磁設(shè)計(jì)主要是指磁矩估計(jì)和控制方法，應(yīng)符合Q/W1072-2004《航天器磁矩估計(jì)和控制方法》和總體有關(guān)磁矩技術(shù)指標(biāo)的要求。此外，需考慮因素有

1）對(duì)剩磁有要求的衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和測(cè)試過程應(yīng)嚴(yán)格按剩磁矩控制流程進(jìn)行；剩磁較大的設(shè)備應(yīng)該布放在靠近航天器的中心；狀態(tài)相同、設(shè)備數(shù)量為偶數(shù)，應(yīng)盡量反向布置，考慮設(shè)備之間剩磁矩的相互抵消。

兩組患者治療效果對(duì)比，觀察組治療總有效率為93.3%，與對(duì)照組治療總有效率76.7%相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

2）衛(wèi)星磁矩和周圍環(huán)境磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的磁力矩和所有其他干擾力矩共同作用時(shí)，不應(yīng)使航天器姿軌控分系統(tǒng)的性能下降。

3）在整個(gè)航天器設(shè)計(jì)過程中，要盡量避免使用高磁導(dǎo)率軟磁材料。

4）整星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)方面，走線應(yīng)充分考慮到路徑最短，供電線與回流線盡量放置于同一束電纜中，妥善處理接地問題。

同時(shí)，核動(dòng)力航天器各設(shè)備和部件在開展磁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能采取措施，使下述原因?qū)е碌拇艌?chǎng)達(dá)最小化：

1）由磁性鐵磁材料所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如果核反應(yīng)堆熱電轉(zhuǎn)換部門采用磁流體發(fā)電機(jī)制，應(yīng)當(dāng)使磁流體熱電裝置外磁場(chǎng)最小化。

2）由電纜和設(shè)備所構(gòu)成的供電往返回路所產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)。

3）由電磁激勵(lì)裝置如繼電器、閥門、電動(dòng)部件等所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)。

整星在正樣階段時(shí)，必須進(jìn)行磁試驗(yàn)，對(duì)剩磁水平進(jìn)行評(píng)估，內(nèi)容包括退磁與磁補(bǔ)償。

2.2.6 推進(jìn)設(shè)計(jì)

核推進(jìn)也是核能在空間的主要應(yīng)用形式之一。核推進(jìn)屬于全新的推進(jìn)方式，與現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別。核熱推進(jìn)會(huì)造成較大的輻射危害，在近地軌道受到嚴(yán)格限制使用。大功率核電推進(jìn)噴出的物質(zhì)主要是離子化工質(zhì)，也會(huì)對(duì)空間環(huán)境有一定影響。以上方面在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

2.2.7 控制設(shè)計(jì)

3 核動(dòng)力源設(shè)計(jì)

3.1 基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

應(yīng)當(dāng)根據(jù)航天器對(duì)核動(dòng)力源的系統(tǒng)要求，包括發(fā)電功率、轉(zhuǎn)換效率、輻射劑量、質(zhì)量、體積、使用壽命等，首先確定選擇核反應(yīng)堆或同位素電源的方案，以保證航天器按要求完成任務(wù)和功能。對(duì)于選擇核反應(yīng)堆的方案，需要考慮的因素有：

1）綜合考慮熔點(diǎn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率等因素，選擇合適的反應(yīng)堆堆芯。超高溫反應(yīng)堆因功率較大（百千瓦級(jí)），建議采用快堆型，并結(jié)合堆芯設(shè)計(jì)和控制方式，確保核動(dòng)力航天器發(fā)射時(shí)的臨界安全。

2）核反應(yīng)堆需要解決系統(tǒng)部件材料之間，尤其是與冷卻劑的兼容性問題。

3）應(yīng)當(dāng)采取高效的熱控措施，以解決核動(dòng)力航天器大功率熱排放問題。對(duì)于長(zhǎng)期大功率工況，選擇板式輻射器。對(duì)于短期大功耗工況，選擇相變換熱器。

4）在各種工況下，保證核動(dòng)力航天器的安全性和可靠性，具體設(shè)計(jì)詳見本文第4節(jié)內(nèi)容。

5）對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)，要求核電源的壽命在10年以上。

3.2 反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計(jì)

核動(dòng)力航天器中，核反應(yīng)堆的全部運(yùn)行狀態(tài)分為正常運(yùn)行工況、一般事故工況、嚴(yán)重事故工況和極限事故工況。熱工水力設(shè)計(jì)應(yīng)在保證限制放射性產(chǎn)物釋放的屏障滿足各類工況的安全要求前提下，為反應(yīng)堆提供與航天器各種工況相適應(yīng)的、與堆芯產(chǎn)生熱量相匹配的傳熱能力，并為二回路系統(tǒng)提供合適的冷卻劑系統(tǒng)壓力、溫度等熱工參數(shù)。

基于安全性角度出發(fā)，熱工水力設(shè)計(jì)需要考慮的因素為：

1）在正常運(yùn)行工況和一般事故工況下，反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計(jì)應(yīng)保證燃料元件不產(chǎn)生傳熱破損。

2）在嚴(yán)重事故工況下，堆芯可能發(fā)生少量燃料元件傳熱破損的情況，反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計(jì)仍應(yīng)保證該工況下的堆芯熱工水力參數(shù)滿足事故分析準(zhǔn)則規(guī)定的有關(guān)要求，并能保證反應(yīng)堆安全停堆和順利排出堆芯余熱。

3）在極限事故工況下，堆芯可能發(fā)生較多燃料元件傳熱破損的情況，反應(yīng)堆熱工水力設(shè)計(jì)仍應(yīng)保證該工況下的堆芯熱工水力參數(shù)滿足事故分析準(zhǔn)則規(guī)定。的有關(guān)要求，并能保證反應(yīng)堆安全停堆，維持次臨界狀態(tài)；確保堆芯有可冷卻幾何形狀，并順利排出堆芯余熱。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)包括工藝過程接合處起、直至直接控制核反應(yīng)堆裝置參數(shù)的器件為止所使用的所有設(shè)備和部件（硬件和軟件）?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能跟蹤和適應(yīng)核反應(yīng)堆在飛行中的各種負(fù)載變化，確保核動(dòng)力航天器的姿態(tài)機(jī)動(dòng)性，并將核反應(yīng)堆的參數(shù)維持在運(yùn)行工況規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.4 輻射屏蔽設(shè)計(jì)[1,8]

核動(dòng)力航天器輻射屏蔽設(shè)計(jì)主要考慮的因素有：

1）核反應(yīng)堆輻射屏蔽結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)定載荷條件下的強(qiáng)度和剛度要求。

2）根據(jù)輻射源特點(diǎn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)和屏蔽計(jì)算選擇屏蔽材料。

3）屏蔽體中不同屏蔽材料層的布置、各層的最小厚度，應(yīng)根據(jù)屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)性設(shè)計(jì)來(lái)確定。

4）停堆后表面仍有較強(qiáng)放射性的設(shè)備及部位，應(yīng)設(shè)置局部屏蔽體。

5）在滿足輻射安全要求的前提下，應(yīng)綜合考慮反應(yīng)堆一次屏蔽和二次屏蔽，以達(dá)到盡量縮小屏蔽體體積，減輕屏蔽體重量的目的。

6）一次屏蔽應(yīng)能屏蔽來(lái)自反應(yīng)堆堆芯的γ和中子輻射；二次屏蔽應(yīng)保證航天員所受的輻射劑量低于規(guī)定的限值。

7）輻射屏蔽設(shè)計(jì)應(yīng)與核動(dòng)力裝置系統(tǒng)，設(shè)備布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)進(jìn)行，確保設(shè)計(jì)的屏蔽體合理、有效、可靠。

8）核反應(yīng)堆或同位素電源的輻射屏蔽設(shè)計(jì)應(yīng)滿足表3規(guī)定的輻射劑量場(chǎng)設(shè)計(jì)限值。

表3 輻射劑量場(chǎng)設(shè)計(jì)限值Table 3 The design limit of radiation dosage field

4 核安全設(shè)計(jì)[1,9-13]

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

核安全設(shè)計(jì)的總目標(biāo)是，建立并維持一套有效的防御措施，以保護(hù)地球生物圈內(nèi)的人和環(huán)境，使其免受核動(dòng)力航天器的開發(fā)和應(yīng)用可能帶來(lái)的放射性危害。

輻射防護(hù)目標(biāo)是，確保空間核動(dòng)力源內(nèi)的或由有計(jì)劃地從空間核動(dòng)力源釋放出的任何放射性物質(zhì)引起的輻射，在一切運(yùn)行狀態(tài)下均低于規(guī)定限值，并要確保任何事故的放射性后果能得到緩解。

技術(shù)安全目標(biāo)是，要采取一切合理可行的措施防止空間核動(dòng)力源發(fā)生事故及一旦發(fā)生事故時(shí)緩解其后果；對(duì)于在設(shè)計(jì)空間核動(dòng)力源時(shí)考慮過的一切可能事故，包括概率非常低的事故，要以高可信度確保任何放射性后果是低于規(guī)定限值的；要確保有嚴(yán)重放射學(xué)后果的事故的發(fā)生幾率極低。

對(duì)于在核動(dòng)力航天器上執(zhí)行任務(wù)的航天員，任務(wù)期間接受來(lái)自空間核動(dòng)力源的輻照劑量限值為50mSv/y。對(duì)于地球上人員的輻射劑量規(guī)定限值參照GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。此外，核動(dòng)力航天器的應(yīng)用應(yīng)盡量避免對(duì)地球軌道空間環(huán)境、其他天體環(huán)境產(chǎn)生放射性污染。

4.2 設(shè)計(jì)總要求

核動(dòng)力航天器的核安全設(shè)計(jì)應(yīng)考慮任務(wù)全周期的所有階段；必須貫徹縱深防御的概念，從而提供多層次的保護(hù)，防止放射性危害。

4.2.1 縱深防御

縱深防御是指，在設(shè)計(jì)中要求提供多層次的設(shè)備和規(guī)程，用以防止事故，或者一旦事故發(fā)生時(shí)保證適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

各類核動(dòng)力航天器在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)選擇縱深防御級(jí)數(shù)，并論證所采用的防御級(jí)數(shù)是足夠的和恰當(dāng)?shù)?。第一?jí)防御是防止偏離正常工況，這要求按照恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量水平和工程實(shí)踐，正確并保守地設(shè)計(jì)。第二級(jí)防御是對(duì)偏離正常工況的控制，以防止預(yù)計(jì)事件升級(jí)為事故工況。第三級(jí)防御是，設(shè)想上一級(jí)防御或許未能阻止某些預(yù)計(jì)事件或假想始發(fā)事件的升級(jí)，并由此可能釀成更嚴(yán)重的事件，盡管這是極少發(fā)生的；在設(shè)計(jì)中，應(yīng)預(yù)先考慮這些不大可能的事件，并提供固有安全特性、故障時(shí)仍能安全運(yùn)行的設(shè)計(jì)、附加設(shè)備和程序，以便控制事件的后果，并在此類事件之后達(dá)到穩(wěn)定可接受的狀態(tài)。第四級(jí)防御是處理可能超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，確保事故后果得到緩解。

4.2.2 設(shè)計(jì)的安全分析

核動(dòng)力航天器的安全評(píng)價(jià)包括分析航天器對(duì)一系列可能導(dǎo)致預(yù)計(jì)事件或事故工況的假設(shè)始發(fā)事件的響應(yīng)。按下列方式分析假設(shè)始發(fā)事件及其后果：①事件按類型分組，以便只對(duì)每組中的極限事件進(jìn)行定量分析；②說(shuō)明極限事件的進(jìn)程及其后果；③論證與空間核動(dòng)力源應(yīng)用有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)及安全裕度是可接受的。

4.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)限值

對(duì)核動(dòng)力航天器應(yīng)用核動(dòng)力源的每一種正常工況及事故工況，要規(guī)定有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)限值。這些限值必須能確保在正常工況及事故工況下，放射性物質(zhì)的產(chǎn)生和釋放所引起的后果在規(guī)定的輻射防護(hù)要求范圍內(nèi)。對(duì)事件序列要進(jìn)行比較，以確定最關(guān)鍵的參數(shù)值，便于以合理裕度用于各個(gè)系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)。

4.2.4 可靠性設(shè)計(jì)

為保證執(zhí)行安全功能所需的可靠性，對(duì)某些安全系統(tǒng)或部件應(yīng)確定其最大不可利用率限值，經(jīng)國(guó)家核安全部門認(rèn)可后，作為基準(zhǔn)或用作驗(yàn)收準(zhǔn)則。

為達(dá)到和保持結(jié)構(gòu)、部件和系統(tǒng)執(zhí)行安全功能的重要性所要求的可靠性，一般應(yīng)采用下列各項(xiàng)措施：①設(shè)計(jì)上保證單一故障不會(huì)使系統(tǒng)喪失其執(zhí)行預(yù)定安全功能的能力；②減少共因故障的可能，從而可提高可靠性；③若條件許可，采用功能獨(dú)立、實(shí)體隔離等方法，以提高系統(tǒng)可靠性；④在設(shè)計(jì)安全重要部件時(shí)，考慮系統(tǒng)或部件發(fā)生故障時(shí)，在不必啟動(dòng)任何動(dòng)作的情況下就可以進(jìn)入一種安全狀態(tài)。

4.2.5 需考慮的環(huán)境

地面階段的環(huán)境主要指空間核動(dòng)力源的設(shè)計(jì)、制造、組裝、試驗(yàn)、測(cè)試、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等相關(guān)操作環(huán)境，與地面核動(dòng)力裝置類似。

發(fā)射階段的環(huán)境主要與運(yùn)載火箭飛行過程有關(guān)，包括振動(dòng)、沖擊、加速、噪聲等，此外還包括入軌過程所經(jīng)歷的空間環(huán)境。

運(yùn)行階段和壽終處置階段的環(huán)境主要包括，同位素或反應(yīng)堆運(yùn)行產(chǎn)生的輻射場(chǎng)和空間輻射場(chǎng)，低溫、真空和微重力環(huán)境，以及微流星體、空間碎片和能夠卡住活動(dòng)結(jié)構(gòu)的微小顆粒等固有空間環(huán)境。

4.2.6 壽終處置的設(shè)計(jì)要求

對(duì)于應(yīng)用于短壽命軌道任務(wù)的核動(dòng)力航天器，當(dāng)任務(wù)完成或任務(wù)失敗時(shí)，姿軌控系統(tǒng)必須有能力將空間核動(dòng)力源推送至長(zhǎng)壽命軌道。

4.3 應(yīng)用放射性同位素源航天器的核安全設(shè)計(jì)

放射性同位素源航天器的安全設(shè)計(jì)要求是，在正常工況及任何事故工況下，都應(yīng)保持對(duì)放射性同位素材料的包容，確保沒有放射性物質(zhì)散入環(huán)境，避免對(duì)人和環(huán)境造成危害。具體設(shè)計(jì)要求包括：

1）放射性同位素宜選用以α衰變?yōu)橹鞯暮怂?，伴生γ衰變和自發(fā)裂變應(yīng)盡量少。

2）放射性同位素材料應(yīng)具有合適的化學(xué)形態(tài)和物理形態(tài)，應(yīng)不溶于水，耐高溫，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易蒸發(fā)和升華，破碎時(shí)以生成大碎塊為主，不產(chǎn)生可吸入的顆粒和粉塵。

3）為包容放射性同位素材料，應(yīng)在材料外設(shè)置多層包殼。包殼應(yīng)具有熔點(diǎn)高、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。包殼在阻止放射性同位素材料釋放的同時(shí)，應(yīng)能夠釋放衰變過程中產(chǎn)生的氣體，以避免內(nèi)部壓力過高。

4）在所需放射性同位素材料較多的情況下，宜將其分成多個(gè)獨(dú)立的模塊化單元，每個(gè)模塊化單元都有獨(dú)立的包殼，以提高事故情況下的防護(hù)能力。

5）當(dāng)放射性同位素電池的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或熱排放系統(tǒng)失效時(shí)，必須有可靠的途徑將材料的衰變熱導(dǎo)出，從而使溫度保持在設(shè)計(jì)限值以內(nèi)。

6）放射性同位素?zé)嵩吹陌鼩?yīng)能夠避免放射性材料對(duì)航天器的設(shè)備和設(shè)施產(chǎn)生不利影響。除包殼外，還可根據(jù)具體需要采取輻射防護(hù)措施。

7）應(yīng)根據(jù)運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)的冷卻條件限制放射性同位素材料的裝量。

8）發(fā)生意外再入大氣層時(shí)，應(yīng)保證放射性同位素?zé)嵩吹耐暾?，杜絕放射性材料泄漏。

4.4 應(yīng)用核反應(yīng)堆航天器的核安全設(shè)計(jì)

應(yīng)用核反應(yīng)堆的航天器，在地面設(shè)計(jì)、制造、組裝、試驗(yàn)和測(cè)試階段，應(yīng)滿足核材料操作、研究堆、動(dòng)力廠等方面的安全要求。在地面輸運(yùn)和儲(chǔ)存階段，反應(yīng)堆在可能的最佳慢化條件下，其有效增殖因子應(yīng)不大于0.98。除只會(huì)產(chǎn)生可忽略放射性的零功率地面試驗(yàn)，核反應(yīng)堆在到達(dá)工作軌道前，發(fā)生一切可能事件時(shí)反應(yīng)堆均不能進(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)入堆芯等。發(fā)生具有潛在嚴(yán)重放射性后果的事故的概率應(yīng)小于10–5。在計(jì)劃任務(wù)中不應(yīng)有反應(yīng)堆再入，如發(fā)生意外再入并與地面撞擊，反應(yīng)堆應(yīng)始終保持在次臨界狀態(tài)。運(yùn)行過的反應(yīng)堆意外再入時(shí)，應(yīng)保持完整或完全燒毀。具體設(shè)計(jì)要求包括：

1）空間核反應(yīng)堆（尤其是應(yīng)用于短壽命軌道的空間核反應(yīng)堆）宜選用高富集度U-235作為燃料。

2）在設(shè)計(jì)堆芯的燃料元件和組件、反射層和其他部件時(shí)，必須考慮與反應(yīng)堆整體有關(guān)的中子學(xué)、熱工水力學(xué)、機(jī)械、材料、化學(xué)和輻射相關(guān)事項(xiàng)。

3）在設(shè)計(jì)堆芯時(shí)，應(yīng)針對(duì)各種運(yùn)行計(jì)劃，考慮從壽期初到壽期末所有可預(yù)見堆芯狀態(tài)；不會(huì)超過所有運(yùn)行狀態(tài)下規(guī)定的最大允許設(shè)計(jì)限值。

4）反應(yīng)性控制系統(tǒng)必須能在反應(yīng)堆所有運(yùn)行狀態(tài)下有效運(yùn)作，而且該系統(tǒng)將在所有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（包括控制系統(tǒng)本身失效）情況下保持其停堆能力。

5）反應(yīng)性控制機(jī)構(gòu)必須能夠提供足夠的負(fù)反應(yīng)性，以便在所有運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下都能夠使反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)并保持這種狀態(tài)。

6）必須對(duì)反應(yīng)性控制系統(tǒng)的正反應(yīng)性最大增率做出規(guī)定，并將其限制在能夠證明的合理數(shù)值。

7）必須在設(shè)計(jì)中包括至少一個(gè)自動(dòng)停堆系統(tǒng)。停堆系統(tǒng)有效性、動(dòng)作速度和停堆裕度必須能夠滿足規(guī)定限值和條件。停堆系統(tǒng)任何單一故障不得妨礙該系統(tǒng)在需要時(shí)執(zhí)行其安全功能。

8）反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)必須提供從燃料到最終熱阱的長(zhǎng)期、可靠的熱傳輸。反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須能夠?yàn)榉磻?yīng)堆提供具有可接受和經(jīng)證明之裕度的充分冷卻。

9）應(yīng)有可靠的余熱移出途徑排出停堆后堆芯的剩余發(fā)熱，防止燃料溫度超出限值。

10）必須設(shè)計(jì)有足夠的儀器儀表，以監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆的主要參數(shù)（如功率、冷卻劑溫度等）和與安全相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)。

11）反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)必須是自動(dòng)化系統(tǒng)并獨(dú)立于其他系統(tǒng)，必須能夠?qū)Ω鞣N假想始發(fā)事件自動(dòng)啟動(dòng)所需的保護(hù)動(dòng)作以中止事件，使反應(yīng)堆處于安全條件下。

12）反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)必要的自行動(dòng)作一經(jīng)啟動(dòng)就不能通過人為動(dòng)作加以阻止或妨礙，并且在事故后一定時(shí)間內(nèi)不需要人為手動(dòng)干預(yù)。

13）在設(shè)計(jì)中必須采取可靠措施，確保反應(yīng)堆因各種事故意外再入時(shí)，在各種情形下都能夠保持次臨界狀態(tài)。掉落情形包括堆芯重構(gòu)和密實(shí)、堆芯內(nèi)部充水增強(qiáng)慢化、水淹沒或濕沙子覆蓋增強(qiáng)反射、中子吸收體可能移動(dòng)等。

14）對(duì)于空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，應(yīng)有獨(dú)立電源模塊，以使與反應(yīng)堆安全相關(guān)系統(tǒng)具有獨(dú)立于反應(yīng)堆運(yùn)行模式和熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而運(yùn)行的能力。

5 結(jié) 論

由于不受太陽(yáng)光照的影響，且單位能量密度大，在空間使用核能源，已成為人類開展更遠(yuǎn)深空探測(cè)、更復(fù)雜航天活動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)：

1）兆瓦級(jí)以上的大功率核動(dòng)力航天器將成為研發(fā)主要方向。隨著大功率相控陣?yán)走_(dá)、通信系統(tǒng)等的應(yīng)用和發(fā)展，以及月球基地、更遠(yuǎn)和更大規(guī)模深空探測(cè)活動(dòng)的開展，數(shù)百千瓦、兆瓦級(jí)的電力需求會(huì)日益迫切。大功率核動(dòng)力航天器技術(shù)一經(jīng)突破，將對(duì)空間技術(shù)發(fā)展帶來(lái)革命性變化。

2）同位素核動(dòng)力航天器將進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展時(shí)期。經(jīng)過多次成功的飛行驗(yàn)證和使用，證明同位素?zé)嵩?電源系統(tǒng)具有技術(shù)成熟度高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)。在深空探測(cè)的一些小型任務(wù)中，需要百瓦量級(jí)、長(zhǎng)壽命的小功率核動(dòng)力航天器，同位素電源正好滿足此需求。

由于核能來(lái)自放射性同位素衰變、重核裂變或輕核聚變，核動(dòng)力航天器在設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)、運(yùn)行和廢棄處置全過程，都必須首先聚焦做好核安全和輻射安全的防護(hù)。國(guó)外在成功應(yīng)用空間核動(dòng)力方面的經(jīng)驗(yàn)表明，制定合適的安全原則和策略，開展有針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì)和充分地面驗(yàn)證，可以將核動(dòng)力源安全可控地用在深空探測(cè)領(lǐng)域。

本文基于我國(guó)航天器現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系，給出了開展核動(dòng)力航天器研制需要進(jìn)一步發(fā)展和完善的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)總結(jié)了核動(dòng)力航天在總體設(shè)計(jì)、核動(dòng)力源設(shè)計(jì)、核安全設(shè)計(jì)方面的技術(shù)特點(diǎn)，可以為我國(guó)未來(lái)研制核動(dòng)力航天器提供一定的參考。

[1]周繼時(shí)，朱安文，耿言. 空間核能源應(yīng)用的安全性設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2015，2（4）：302-312.Zhou J S，Zhu A W，Geng Y. Safety design，analysis and estimation for the use of nuclear power source in outer space[J]. Journal of Deep Space Exploration，2015，2（4）：302-312.

[2]朱安文. 空間核電源國(guó)外調(diào)研分析報(bào)告[R]. 北京：中國(guó)航天科技集團(tuán)，2013.Zhu A W. Investigation analysis report on nuclear power of space from abroad[R]. Beijing：China Aerospace Science and Technology Corporation，2013.

[3]Bennett G L，Enterprises M，Johnson E W，et al. First flights：nuclear power to advance space exploration[C]// Proceedings of International Air ＆Space Symposium and Exposition. [S.l.]：AIAA，2003：2-4.

[4]Cataldo R L，Bennett G L. U. S. Space radioisotope power systems and applications：past，resent and future[R]. USA：NASA Glenn Research Center，2011.

[5]Nikolai N P S，Vladimir A P，Veniamin A U. Russian experience in development of nuclear power system and nuclear thermal propulsion systems of the first generation as the basis for development of advanced power and propulsion complexes for peaceful exploration of near and deep space [R]. [S.l.]：IAC，2005

[6]James R S，James S S. NASA’s nuclear electric propulsion technology project [C]// The 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit. [S.l.]：AIAA，1992

[7]李俊峰，寶音賀西. 深空探測(cè)中的動(dòng)力學(xué)與控制[J]. 力學(xué)與實(shí)踐，2007，2009（4）：1-8.Li J F，Baoyin H X. Dynamics and control in deep space Exploration[J]. Mechanics in Engineering，2007，2009（4）：1-8.

[8]李德平，潘自強(qiáng). 輻射防護(hù)手冊(cè)：輻射安全[M]. 北京：原子能出版社.

[9]Albert C M，Haskin F E，Veniamin A U. Space nuclear safety [M].Malabar（USA）：KRIEGER Publishing Company，2008.

[10]United Nations. Principles relevant to the use of nuclear power sources in outer space [C]//VIENNA：United Nations，85thPlenary Meeting.[S.l.]：United Nations，1992.

[11]United Nations Committee on the Peaceful Use of Space Scientific and Technical Subcommittee and International Atomic Energy Agency.Safety framework for nuclear power sources applications in outer space[R]. VIENNA：United Nations，2009.

[12]Bennett G L. Safety status of space radioisotope and reactor power sources [C]// Proceedings of the 25thIntersociety Energy Conversion Engineering Conference. New York：American Institute of Chemical Engineers，1990.

[13]Damon D，Temme M，Brown N. Space nuclear reactor safety [C]//Proceedings of the 25thIntersociety Energy Conversion Engineering Conference. New York：American Institute of Chemical Engineers，1990.