代智文，劉天才，王成龍，張大林,*，田文喜，秋穗正，蘇光輝

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

隨著未來(lái)太空探索任務(wù)需求的日益提高，以及太陽(yáng)能供電在深空探索任務(wù)和星表探索任務(wù)中的局限性，空間核反應(yīng)堆電源是未來(lái)太空能源應(yīng)用的主要研究方向。目前主要研究單位有美國(guó)新墨西哥大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)、美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)、美國(guó)能源部(DOE)、俄羅斯聯(lián)邦原子能部等。我國(guó)的中國(guó)原子能科學(xué)研究院、西北核技術(shù)研究所、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等也開(kāi)展了空間堆的相關(guān)研究。空間核設(shè)施主要包含放射性同位素電源(RTG)、空間核反應(yīng)堆電源(簡(jiǎn)稱(chēng)空間堆)、核熱核電推進(jìn)等。根據(jù)太空軌道與星球表面所處的環(huán)境的差異性，如重力、散熱方式、中子屏蔽方式等，空間堆又分為軌道空間堆和星表空間堆。

空間堆熱工水力理論研究主要涉及以下方面：1) 空間堆系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和事故瞬態(tài)特性研究；2) 冷卻劑換熱特性、單冷卻劑通道及全堆芯的三維流動(dòng)換熱特性研究；3) 靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換(布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán))裝置特性分析?？臻g堆熱工水力試驗(yàn)研究主要研究燃料元件熱工性能，以及全堆芯尺度下啟動(dòng)、運(yùn)行、瞬態(tài)和停堆等狀態(tài)下反應(yīng)堆的熱工特性。本文針對(duì)空間堆熱工水力特性進(jìn)行研究。

1 空間堆發(fā)展概述

空間堆主要堆型有鈾鋯氫空間堆、熱離子空間堆、液態(tài)金屬冷卻空間堆、氣體冷卻空間堆與熱管冷卻空間堆5種。鈾鋯氫空間堆是美國(guó)最早探索的設(shè)計(jì)路線(xiàn)，如SNAP系列，但20世紀(jì)70年代后不再發(fā)展該堆型。熱離子空間堆的代表有俄羅斯的TOPAZ、美國(guó)的Space-R等，目前技術(shù)已非常成熟。液態(tài)金屬反應(yīng)堆多用于大功率(MW級(jí))飛船設(shè)計(jì)，如美國(guó)的SP-100與SCoRe等。氣體冷卻空間堆多采用He-Xe氣體的布雷頓循環(huán)，如普羅米修斯計(jì)劃、俄羅斯的MW級(jí)空間核動(dòng)力飛船等。熱管冷卻空間堆的方案較多，采用熱管可有效避免空間堆單點(diǎn)失效，且具有較好的等溫特性、高可靠性與保養(yǎng)成本低等特點(diǎn)，目前熱管反應(yīng)堆與斯特林轉(zhuǎn)換器結(jié)合的方案是空間堆研究的熱點(diǎn)方向，如美國(guó)的Kilopower計(jì)劃等。我國(guó)的空間堆研究起步較晚，目前仍處于研發(fā)階段，需開(kāi)展大量的研究工作。

1.1 軌道空間堆發(fā)展情況

軌道空間堆主要用于為深空探測(cè)器和地球探測(cè)器提供能量。美國(guó)和俄羅斯提出大量的軌道空間堆設(shè)計(jì)，美國(guó)于1962年發(fā)射了第1個(gè)軌道空間堆SNAP-10A，但20世紀(jì)70年代后放射性同位素電源的迅速發(fā)展且常規(guī)化學(xué)能源能滿(mǎn)足軌道空間探索需要，軌道空間堆的研究進(jìn)展緩慢，美國(guó)于20世紀(jì)90年代提出了大量的軌道空間堆的設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)展了試驗(yàn)研究。同時(shí)期，蘇聯(lián)也開(kāi)展了大量研究工作，研發(fā)了BUK、TOPAZ系列軌道空間堆，但由于蘇聯(lián)解體，研究被迫停止，直到2009年才重新提出MW級(jí)空間核動(dòng)力飛船設(shè)計(jì)。2018年3月，俄羅斯公布了核動(dòng)力巡航導(dǎo)彈“海燕”、深海無(wú)人核動(dòng)力潛航器“波塞冬”兩項(xiàng)戰(zhàn)略武器，從技術(shù)來(lái)看，可能正是對(duì)該空間堆技術(shù)成果的應(yīng)用。目前提出的軌道空間堆的主要技術(shù)參數(shù)列于表1。

1.2 星表空間堆發(fā)展情況

星表空間堆定位為“月球表面或火星表面”的核反應(yīng)堆，用于給科研人員或未來(lái)人類(lèi)殖民地提供能量支持。星表空間堆的運(yùn)行環(huán)境與軌道空間堆有所不同，需考慮星球重力、溫度、星表大氣等影響。星表空間堆的環(huán)境熱工參數(shù)列于表2。目前大功率的星表空間堆多采用非剛性展開(kāi)設(shè)計(jì)，以提高運(yùn)載火箭的空間利用率；運(yùn)行時(shí)將堆芯埋入星表土壤以降低對(duì)周?chē)O(shè)備和人員的輻射，降低反射層厚度，減少發(fā)射質(zhì)量。目前提出的星表空間堆列于表3。

1.3 空間堆設(shè)計(jì)與發(fā)展趨勢(shì)

空間堆設(shè)計(jì)過(guò)程中，需綜合考慮堆芯類(lèi)型、熱電轉(zhuǎn)換方式、輻射散熱器等優(yōu)缺點(diǎn)。熱離子燃料元件技術(shù)比較成熟，但效率較低、壽期較短；液態(tài)金屬冷卻劑如NaK、Li等，由于金屬沸點(diǎn)較高所以反應(yīng)堆回路不需要加壓，但存在冷卻劑腐蝕泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；氣冷空間堆由于其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，輻射換熱器面積較大，并需加壓到0.3～1.0 MPa，存在氣體密封等問(wèn)題。靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)相比于動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)更加成熟，且體積、重量非常小，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低；動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換效率較高，但轉(zhuǎn)換裝置及輻射散熱器較大，增加了質(zhì)量比功率，使得空間堆的經(jīng)濟(jì)性變差。

表1 軌道空間堆主要技術(shù)參數(shù)

表2 星表空間堆設(shè)計(jì)環(huán)境熱工參數(shù)

目前空間堆通常要求達(dá)到15 a的使用壽命，所以要考慮到太空極端條件下和反應(yīng)堆事故情況下的生存能力。圖1示出目前空間堆的主要設(shè)計(jì)方案按部件、轉(zhuǎn)換形式、研發(fā)時(shí)間等因素的分類(lèi)情況，由于20世紀(jì)90年代末斯特林熱電轉(zhuǎn)換器技術(shù)的成熟以及高溫?zé)峁塥?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，熱管冷卻空間堆與斯特林相結(jié)合的方式成為了空間堆設(shè)計(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)。

表3 星表空間堆的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 空間堆分類(lèi)與設(shè)計(jì)方案

圖2示出軌道空間堆和星表空間堆設(shè)計(jì)的主要參數(shù)指標(biāo)(質(zhì)量比功率、堆芯出口溫度、材料)之間的關(guān)系：對(duì)于軌道空間堆，質(zhì)量比功率越低，發(fā)射成本越低；堆芯出口溫度越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，但對(duì)堆芯材料的要求越高；堆芯出口溫度在1 000 K以下時(shí)，結(jié)構(gòu)材料可使用不銹鋼以降低成本和提高運(yùn)行可靠性。星表空間堆一般利用地表土壤屏蔽或作為反射層，可極大降低反應(yīng)堆重量，質(zhì)量比功率40 kg/kW之下的星表堆堆型的競(jìng)爭(zhēng)能力較強(qiáng)[21]，同樣在堆芯出口溫度1 000 K以下情況可使用不銹鋼以降低成本。目前研究方向趨向于質(zhì)量比功率、堆芯出口溫度相對(duì)較低的設(shè)計(jì)方案。

圖2 溫度對(duì)軌道空間堆(a)和星表空間堆(b)的影響

盡管空間堆具有廣闊的發(fā)展前景，但也面臨諸多挑戰(zhàn)：1) 雖然空間堆應(yīng)用潛力巨大，但由于目前使用化學(xué)能源就可滿(mǎn)足需求，空間堆發(fā)展與研制依舊緩慢；2) 投資過(guò)高、技術(shù)復(fù)雜、對(duì)耐高溫材料依賴(lài)大且研發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，目前研究方向趨向于低成本、研發(fā)周期短、較為成熟的技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，如熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)、高溫?zé)峁芗夹g(shù)、先進(jìn)斯特林轉(zhuǎn)換器(ASE)技術(shù)等；3) 太空環(huán)境惡劣，任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)高。目前熱門(mén)的空間堆設(shè)計(jì)采用多回路、模塊化的設(shè)計(jì)方案，發(fā)生事故時(shí)可保持空間堆在低功率下運(yùn)行，避免單點(diǎn)失效，降低單次發(fā)射失敗的損失。

2 空間堆熱工水力特性研究

在空間堆熱工水力特性理論研究方面，主要進(jìn)行的研究有：1) 空間堆系統(tǒng)熱工水力安全分析。由于空間堆的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境、廢熱排出方式等與常規(guī)反應(yīng)堆有較大差異，適用于空間堆系統(tǒng)安全分析的通用程序很少，研究人員多通過(guò)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的系統(tǒng)分析程序?qū)μ囟ǖ目臻g堆系統(tǒng)進(jìn)行研究。2) 冷卻劑的換熱特性、單冷卻劑通道及全堆芯的三維流動(dòng)換熱。冷卻劑包括金屬冷卻劑、氣體冷卻劑、高溫?zé)峁艿取?) 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換裝置特性分析，包括熱離子燃料元件、斯特林轉(zhuǎn)換器、布雷頓轉(zhuǎn)換裝置等。

在試驗(yàn)研究方面，主要進(jìn)行了燃料元件熱工性能分析以及全堆芯尺度下空間堆啟動(dòng)、運(yùn)行、瞬態(tài)行為和停堆等工況的系統(tǒng)響應(yīng)情況研究。

2.1 熱離子空間堆熱工水力特性

熱離子空間堆(簡(jiǎn)稱(chēng)熱離子堆)是目前研究較為成熟的一種空間堆，其特點(diǎn)是采用了堆內(nèi)熱離子轉(zhuǎn)換燃料元件(TFE)，如俄羅斯的TOPAZ-Ⅱ與美國(guó)的Space-R等。

在熱離子堆理論研究方面，多數(shù)研究集中在俄羅斯設(shè)計(jì)的TOPAZ系列堆型上，系統(tǒng)性研究了熱離子堆的啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和各種事故工況下反應(yīng)堆的響應(yīng)情況(表4)。

在堆芯及裝置局部精細(xì)模擬方面，鄒佳訊等[40]使用FLUENT軟件建立了TOPAZ-Ⅱ堆芯的三維流動(dòng)換熱模型，得到了堆芯三維流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布。黃東興[41]對(duì)TFE燃料元件的溫度分布及輸出伏安特性進(jìn)行了研究，計(jì)算了二極管的發(fā)射極與接收極沿軸向的溫度分布、電壓分布、電流密度分布以及輸出電流與輸出電壓的關(guān)系。

在試驗(yàn)研究方面，目前的試驗(yàn)大多圍繞單個(gè)TFE燃料元件熱電特性展開(kāi)。TFE試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)架最初是在俄羅斯科學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)(LUTCH)搭建并測(cè)試，后來(lái)在TOPAZ國(guó)際計(jì)劃(TIP)期間在美國(guó)重新組裝，主要有兩個(gè)試驗(yàn)：V-71試驗(yàn)和Ya-21u試驗(yàn)。V-71試驗(yàn)是TFE的早期設(shè)計(jì)，Ya-21u試驗(yàn)對(duì)電極間距、Cs蒸氣系統(tǒng)等進(jìn)行了改造。俄羅斯進(jìn)行了局部燃料元件特性試驗(yàn)與全堆尺度的核加熱與電加熱的試驗(yàn)，如在Rig試驗(yàn)臺(tái)架[42]進(jìn)行TFE燃料元件性能分析，在Baikal試驗(yàn)臺(tái)架[43]進(jìn)行TOPZA-Ⅱ電加熱測(cè)試，并開(kāi)發(fā)了熱離子堆仿真程序，但相關(guān)文獻(xiàn)較少。Paramonov等[44]利用YA-21試驗(yàn)臺(tái)架研究了TFE燃料元件在填充氣體有雜質(zhì)時(shí)的工作情況，發(fā)現(xiàn)污染氣體的進(jìn)入會(huì)降低發(fā)射極溫度和輸出負(fù)載電壓。美國(guó)海軍研究生院[45]進(jìn)行了單根TFE燃料元件電加熱試驗(yàn)，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)熱工模型進(jìn)行了驗(yàn)證。目前試驗(yàn)大多集中于單根熱離子燃料元件的穩(wěn)態(tài)熱工分析，有關(guān)單根熱離子及全堆尺度的瞬態(tài)熱電分析較少。

表4 TOPAZ熱離子堆熱工水力特性研究進(jìn)展

綜上所述，美俄均對(duì)熱離子堆開(kāi)展了大量的理論和試驗(yàn)研究，中國(guó)原子能科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)等也正在進(jìn)行有關(guān)的研究工作。目前熱離子堆的技術(shù)已相當(dāng)成熟，但相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)文獻(xiàn)較少，由于其功率低(3～5 kW)、壽期短(<5 a)和轉(zhuǎn)換效率低(<6%)等問(wèn)題，滿(mǎn)足不了現(xiàn)實(shí)需求，已逐漸被新型反應(yīng)堆技術(shù)所取代。未來(lái)研究方向趨向于多維物理場(chǎng)耦合研究、堆芯精細(xì)化數(shù)值模擬的相關(guān)研究工作。

2.2 熱管冷卻空間堆熱工水力特性

熱管冷卻空間堆(簡(jiǎn)稱(chēng)熱管堆)的種類(lèi)繁多，但基本結(jié)構(gòu)相似，是近幾年研究的熱點(diǎn)，如SAIRS、HP-STMCs和剛完成地面試驗(yàn)的Kilopower計(jì)劃等。

在熱管堆理論研究方面，研究了熱管堆系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)響應(yīng)特性，如熱管堆啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、控制鼓故障、熱管部分喪失、斯特林轉(zhuǎn)換器失效等。Gaeta等[46]對(duì)熱管堆各部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模及穩(wěn)態(tài)和事故條件下瞬態(tài)研究。NASA與LANL研究了Kilopower的系統(tǒng)的響應(yīng)特性[47-48]。劉松濤等[49]基于SAIRS研究了其控制鼓故障導(dǎo)致的反應(yīng)性引入、熱電轉(zhuǎn)換裝置失效和輻射散熱器部分喪失等事故，其計(jì)算結(jié)果肯定了SAIRS的安全性。田曉艷等[50]研究了雙模式熱管堆在推進(jìn)模式和電源模式時(shí)，芯塊最高溫度、高溫下氫氣物性和固體燃料多流程不同推進(jìn)器通道之間的多維耦合換熱，以及在推進(jìn)模式時(shí)，反應(yīng)性引入事故和堆芯失流事故下的系統(tǒng)安全特性[51]。李華琪等[52]建立HP-STMCs的堆芯穩(wěn)態(tài)熱工模型，并基于CFD的UDF添加了反應(yīng)性反饋模型和功率瞬變模型。

在堆芯及裝置局部精細(xì)模擬方面，多通過(guò)CFD對(duì)堆芯精細(xì)化建模，Kapernick等[53]利用FLUENT對(duì)3～6根燃料棒束包圍熱管的燃料組件進(jìn)行了模擬，得到燃料組件三維溫度分布。張文文等[54]利用FLUENT的UDF對(duì)新型熱管堆堆芯進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，得到了控制鼓意外轉(zhuǎn)動(dòng)與單根熱管失效情況下的堆芯溫度分布。熱管方面主要研究了熱管啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及各種傳熱極限等，1965年，Cotter[55]首先較為系統(tǒng)地研究了熱管的理論模型、工作方程和毛細(xì)極限，奠定了熱管的理論研究基礎(chǔ)。Beard等[56-57]基于Kilopower計(jì)劃的需求，對(duì)空間堆中常用的3種熱管(水熱管、堿金屬熱管及脈動(dòng)熱管)進(jìn)行分析和對(duì)比，分析了常規(guī)溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管在空間堆任務(wù)中的局限性，對(duì)新型混合絲網(wǎng)槽熱管進(jìn)行試驗(yàn)研究。王成龍等[58]采用有限元方法對(duì)熱管瞬態(tài)啟動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，啟動(dòng)過(guò)程采用Cotter熱管極限理論判定熱管的啟動(dòng)狀態(tài)。胡攀等[59]利用有限元法分析了燃料組件的接觸熱阻對(duì)傳熱的影響。由于熱管啟動(dòng)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)的特殊性，目前熱管堆的CFD研究多針對(duì)于堆芯組件，熱管并沒(méi)有較為準(zhǔn)確的CFD計(jì)算方法。斯特林熱電轉(zhuǎn)換器方面主要研究了其冷熱端溫度變化時(shí)的響應(yīng)特性，F(xiàn)AN等[60]研究了斯特林轉(zhuǎn)換器的熱端與冷端溫度對(duì)熱電轉(zhuǎn)換效率的影響。梁光照[61]總結(jié)了斯特林轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各部件的運(yùn)動(dòng)方程與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的判別條件等，并通過(guò)12.5 kW斯特林轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的正確性。Kilopower項(xiàng)目采用了Sunpower公司為空間項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)斯特林轉(zhuǎn)換器(ASC)[62]，但該型轉(zhuǎn)換器部件參數(shù)與仿真過(guò)程由于涉密未向外公布。

圖3 HPR-1 試驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)研究方面，NASA在馬歇爾太空飛行中心的裂變?cè)囼?yàn)裝置(EFF-TF)上開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)[63-64]。該試驗(yàn)分為組件級(jí)與堆芯級(jí)試驗(yàn)(SAFE-30/100)，完成了30 kWt、100 kWt功率下的試驗(yàn)研究[65-66]。組件級(jí)試驗(yàn)用于研究電加熱堆芯、熱管等器件的性能及制造方案，為堆芯級(jí)試驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)支持；堆芯級(jí)試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)熱管部件和系統(tǒng)可靠性、驗(yàn)證熱工分析程序、驗(yàn)證堆芯的排熱能力。2005年進(jìn)行了HPR-1試驗(yàn)[67]，HPR-1結(jié)構(gòu)與HOMER結(jié)構(gòu)近似，熱管束蒸發(fā)段與堆芯連接，冷凝段浸入冷卻水池中，如圖3所示，通過(guò)試驗(yàn)分析了熱管堆的啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、改變功率、停堆等工況。2012年進(jìn)行了DUFF試驗(yàn)，如圖4所示，該試驗(yàn)臺(tái)采用了半球型反射層，位于反射層中心的239Pu核燃料通過(guò)水熱管與外部的斯特林轉(zhuǎn)換器連接，測(cè)試了單個(gè)斯特林轉(zhuǎn)換器及單根熱管從堆芯的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)傳熱情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性[68-69]，但該試驗(yàn)并沒(méi)有考慮斯特林轉(zhuǎn)換器和熱管的連接方式。2015年進(jìn)行了更加系統(tǒng)性的試驗(yàn)KRUSTY，試驗(yàn)裝置如圖5所示。結(jié)果顯示，堆芯溫度與斯特林轉(zhuǎn)換器熱端溫差約為200 K，當(dāng)關(guān)閉全部斯特林模擬器，單靠?jī)蓚€(gè)斯特林轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生120 W電功率[70-72]，但該試驗(yàn)未考慮到影子屏蔽的影響，且斯特林轉(zhuǎn)換器和熱管接觸的熱損失過(guò)高。

圖4 DUFF試驗(yàn)裝置

圖5 KRUSTY試驗(yàn)裝置

綜上所述，熱管堆由于其優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展，是目前研究的熱點(diǎn)方向，但也存在一些問(wèn)題：1) 目前研究仍無(wú)法完整、準(zhǔn)確地模擬熱管的瞬態(tài)過(guò)程，且基于空間堆應(yīng)用的熱管模型多采用溝槽吸液芯式熱管建立，其他類(lèi)型熱管計(jì)算模型研究較少；2) 目前熱管堆系統(tǒng)分析大多是基于靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行的，使用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的熱管堆相關(guān)分析較少；3) 國(guó)外已開(kāi)展了大量熱管堆的試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)對(duì)熱管堆的研究大多處于理論方面。

2.3 液態(tài)金屬冷卻空間堆熱工水力特性

液態(tài)金屬冷卻空間堆(簡(jiǎn)稱(chēng)液態(tài)金屬堆)的早期研究主要關(guān)注SP-100型液態(tài)金屬堆，近期的研究熱點(diǎn)是El-Genk等提出的SCoRe設(shè)計(jì)，該空間堆設(shè)計(jì)具有堆芯溫度低、質(zhì)量比功率低等優(yōu)點(diǎn)，并采用獨(dú)立冷卻劑回路設(shè)計(jì)方案，可避免單點(diǎn)失效。

液態(tài)金屬堆的理論研究方面，El-Genk等[73-76]通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)分析程序SNPSAM對(duì)SP-100的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析。該團(tuán)隊(duì)又通過(guò)MATLAB SIMULINK建立了SCoRe的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)(DynMo-TE)，分析了該液態(tài)金屬堆的啟動(dòng)過(guò)程熱電特性和功率負(fù)荷響應(yīng)能力[77]。Fletcher等[78]利用熱工水力分析程序ATHENA對(duì)SP-100的電磁泵事故、熱管輻射散熱器失效事故進(jìn)行了研究。

在堆芯及裝置局部精細(xì)模擬方面，Schriener等[79]建立了SCoRe-N5的三維中子熱工水力耦合模型，計(jì)算了全堆芯的溫度分布。2015年，Schriener等[80-83]利用STAR-CCM+對(duì)SCoRe的固體堆芯改進(jìn)型SC-SCoRe開(kāi)展了大量研究：分析了NaK-56與NaK-78兩種金屬冷卻劑的換熱特性，基于Alanov和Ushakov圓通道NaK冷卻劑的Nu計(jì)算公式進(jìn)行修正，得到了三瓣型冷卻劑通道的Nu關(guān)系式；對(duì)三瓣型堆芯冷卻劑通道進(jìn)行精細(xì)化建模，對(duì)不同的湍流處理模型進(jìn)行了分析，分別研究了兩層可實(shí)現(xiàn)的κ-ε模型、切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)κ-ω模型和大渦模擬模型(DES)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；分析了堆芯入口腔室內(nèi)冷卻劑流動(dòng)混合及溫度分布，研究了當(dāng)使用兩種堆芯結(jié)構(gòu)材料(316L和ODS-Mo)時(shí)的全堆芯三維溫度分布。

綜上所述，早期SP-100的相關(guān)試驗(yàn)研究由于涉密原因美國(guó)國(guó)防部沒(méi)有公布，近期的研究工作大多是El-Genk等對(duì)其提出的SCoRe設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，目前仍處于概念設(shè)計(jì)階段。基于空間堆的液態(tài)金屬冷卻劑流動(dòng)換熱特性的試驗(yàn)研究較少，目前對(duì)液態(tài)金屬堆的研究大多通過(guò)CFD方法，通過(guò)CFD精確模擬對(duì)理論設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正。

2.4 氣體冷卻空間堆熱工水力特性

氣體冷卻空間堆(簡(jiǎn)稱(chēng)氣冷堆)多用于核熱推進(jìn)，采用氣冷堆設(shè)計(jì)的空間堆有美國(guó)的普羅米修斯計(jì)劃、S4等，動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換裝置多采用He-Xe氣體布雷頓循環(huán)(CBC)。俄羅斯在MW級(jí)空間核動(dòng)力飛船方面做了大量的研究工作，并在核動(dòng)力巡航導(dǎo)彈與深海核動(dòng)力無(wú)人潛航器等方面得到了應(yīng)用，但由于設(shè)計(jì)技術(shù)保密等因素，文獻(xiàn)及報(bào)道很少。

在氣冷堆理論研究方面，El-Genk等[84-85]研究了S4的CBC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在DynMo分析程序的基礎(chǔ)上添加了布雷頓循環(huán)分析模塊與PID控制器，通過(guò)該程序得到了S4的啟動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的功率、熱效率、布雷頓轉(zhuǎn)換器的透平及壓氣機(jī)熱工參數(shù)等。但由于S4仍處于設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)有限，該結(jié)果僅粗略驗(yàn)證了DynMo的分析能力。King等[86-88]計(jì)算了S4的不同吸收材料對(duì)空間堆溫度、燃耗反應(yīng)系數(shù)與壽期的影響，用Solidworks的FloWorks插件計(jì)算了S4堆芯的溫度和壓力的三維分布，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)早期堆芯設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)冷卻劑通道以展平堆芯溫度分布，提高了反應(yīng)堆的安全性。美國(guó)海軍反應(yīng)堆主承包商團(tuán)隊(duì)(NRPCT)[89]對(duì)普羅米修斯計(jì)劃進(jìn)行了詳細(xì)研究，對(duì)比MATLAB、RELAP5-3D和TRACE在系統(tǒng)分析中的局限性，并通過(guò)上述3種系統(tǒng)分析程序?qū)Ψ磻?yīng)堆啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及各種事故等工況進(jìn)行瞬態(tài)模擬，對(duì)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算。游爾勝等[90]在高溫氣冷堆研究基礎(chǔ)上，對(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)、工質(zhì)材料、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行了熱工分析，提出一種氣冷球狀堆在空間應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。

El-Genk等[91-92]對(duì)惰性氣體及其混合氣體進(jìn)行研究，比較了它們的物性及在布雷頓循環(huán)中各自的優(yōu)劣勢(shì)，但該分析都是基于氣冷堆核電站的運(yùn)行環(huán)境。李楊柳等[93]基于He-Xe混合氣體物性、傳熱關(guān)系式、摩擦系統(tǒng)等研究開(kāi)發(fā)了He-Xe冷卻劑的單通道分析程序，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了程序的正確性。李智等[94-95]對(duì)布雷頓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了適用于太空的循環(huán)比功最優(yōu)化方案，并研究了混合工質(zhì)成分變化對(duì)布雷頓循環(huán)的影響。郭凱倫等[96]以MW級(jí)核電推進(jìn)系統(tǒng)布雷頓循環(huán)使用的多種工質(zhì)及其混合氣進(jìn)行研究，分析了不同比例混和下氣體的熱物性、布雷頓循環(huán)效率。Juhasz等[97]對(duì)布雷頓系統(tǒng)的輻射散熱器進(jìn)行計(jì)算，得出換熱面積與冷端溫度的關(guān)系及輻射散熱器溫度的分布。目前由于運(yùn)載能力、空間電力需求、氣冷堆相關(guān)技術(shù)不夠成熟等原因，對(duì)氣冷堆的研究仍停留在理論研究層面，試驗(yàn)研究并沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)披露。

綜上所述，目前氣冷堆在核熱推進(jìn)方面研究較為深入，相比于前幾種堆型，采用氣冷的空間堆設(shè)計(jì)不多，其設(shè)計(jì)仍處于概念設(shè)計(jì)階段，如美國(guó)的普羅米修斯計(jì)劃進(jìn)行幾年后便停滯，直到2015年才提出最終設(shè)計(jì)方案。俄羅斯的研究相對(duì)較為深入，但向外披露的文獻(xiàn)與數(shù)據(jù)極少。

3 結(jié)論

空間堆相比常規(guī)能源具有質(zhì)量比功率低(10～200 kg/kW)、功率高(kW～MW量級(jí))、壽期時(shí)間長(zhǎng)(>10 a)等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的空間探索中具有極大的應(yīng)用前景。國(guó)外尤其是美國(guó)和俄羅斯提出了大量的空間堆設(shè)計(jì)，并在理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究上開(kāi)展大量的研究工作，但空間堆發(fā)展與研制依舊緩慢，任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)高、投資過(guò)高、技術(shù)復(fù)雜、研發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)是目前空間堆發(fā)展面臨的主要問(wèn)題。早期熱離子堆技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟，而氣冷堆與液冷堆的研究較少，目前熱管與斯特林轉(zhuǎn)換器結(jié)合的方案是空間堆設(shè)計(jì)的熱門(mén)方向。

空間堆熱工水力研究方面，美俄均對(duì)熱離子堆開(kāi)展了大量的理論和試驗(yàn)研究，但相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)文獻(xiàn)較少，未來(lái)研究方向趨向于多維物理場(chǎng)耦合研究。熱管堆基于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的系統(tǒng)特性分析不夠全面，局部部件如熱管、斯特林轉(zhuǎn)換器等還需進(jìn)一步研究?；谔諚l件下的液態(tài)金屬冷卻劑流動(dòng)特性研究不夠充分，采用CFD模擬數(shù)據(jù)難以得到驗(yàn)證?？傮w上空間堆熱工水力試驗(yàn)開(kāi)展較少，大部分反應(yīng)堆設(shè)計(jì)仍停留在概念設(shè)計(jì)階段。

深空探索對(duì)于我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防戰(zhàn)略均具有舉足輕重的地位，空間核動(dòng)力研究對(duì)我國(guó)航天事業(yè)具有重要的意義。本文認(rèn)為我國(guó)發(fā)展空間堆應(yīng)從以下3個(gè)方面重點(diǎn)開(kāi)展：1) 應(yīng)針對(duì)我國(guó)航天研究實(shí)際情況論證需求，如火箭運(yùn)載器載重能力、探測(cè)設(shè)備需求的功率、空間堆所處環(huán)境(用于星表或軌道探測(cè)器)等，明確空間堆的技術(shù)指標(biāo)；2) 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)頂層設(shè)計(jì)框架，建立科學(xué)的空間堆研究體系與方法，選擇合適的空間堆類(lèi)型進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)；3) 由于我國(guó)空間堆相關(guān)研究起步較晚，關(guān)鍵部件的研究應(yīng)在較為成熟的技術(shù)中進(jìn)行選擇，如熱離子技術(shù)、熱管技術(shù)、熱電偶轉(zhuǎn)換技術(shù)等，并選擇適當(dāng)?shù)难邪l(fā)方案。