火星熔盐堆堆芯概念设计

　　摘要 火星探测近来成为空间研究的一个主流趋势。建立火星基地是人类研究和开发火星的必然选择。与太 阳能储能系统相比，核反应堆作为火星基地的能源系统，在系统质量、操作灵活性和环境适应性等方面具有显 著优势。给出了火星熔盐堆(Mars Molten Salt Reactor，M2 SR-1)的堆芯设计方案，并建立堆芯计算模型，以 MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)和ORIGEN为计算工具，从物理、安全、热工等方面对M2 SR-1进 行了计算分析。分析结果表明：M2 SR-1在满功率运行下可满足8 a的寿期要求，在不同假设掉落环境下，有效增 殖因数均小于0.98，满足临界安全要求。本研究可以为星球表面熔盐堆设计提供参考。

　　关键词 熔盐堆，钍基熔盐堆，火星表面，临界安全

　　根 据 美 国 国 家 航 空 航 天 局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)火星 探测计划，火星探测分两个阶段[1] 。第一阶段就地 资源利用(In-Situ Resource Utilization，ISRU)，ISRU 化学处理单元[2] ，通过一系列泵来吸取火星空气，使 之与地球上搬来的氢反应，生产出供返回舱使用的 火箭推进剂甲烷和水，产生的水裂解成氢气和氧气， 氧气储存为火箭推进剂，氢气则继续进入反应链用 于产生更多甲烷和水。

　　第二阶段为船员阶段，船员 长期驻留火星，并在火星表面开展科学实验和地质 勘察等。 不论是ISRU，还是船员阶段的科学实验，以及 维持生命需要的保障系统，都需要能源。根据火星 探测任务 ，NASA 研究表明 ，火星表面基地需要 40 kW的电能，且需要长期运行8 a [3] 。与其他能源 相比，核反应堆电源具有功率大、寿命长、生存能力 强、不依赖阳光、可全天候工作等特点[4‒5] ，是火星基 地的理想电能。

　　2012 年，美国俄亥俄州立大学在 NASA的资助下开展了熔盐空间堆的初步研究，研 究表明，熔盐堆应用于空间能源系统具有低压、高功 率密度、高燃耗、高温等特点[6] 。 火星熔盐堆 M2 SR-1(Mars Molten Salt Reactor) 为快堆，堆芯采用热管冷却，热电转换为斯特林发电 机，采用热管式辐射器进行废热排放，堆芯反应性采 用控制鼓控制，辐射屏蔽模式采用火星土壤屏蔽模 式。堆芯为一体化设计，燃料盐填充堆芯容器，热管 直接插入燃料盐中[7] 。本文给出火星熔盐堆M2 SR- 1 的堆芯设计方案，并从物理、安全、热工等方面对M2 SR-1进行了计算分析。本研究分析可以为火星 熔盐堆提供技术储备和理论设计参考。

　　1 堆芯描述与计算方法

　　1.1 堆芯描述

　　主要包括：燃料盐、热管、堆芯容器、反射层，控 制鼓、反射层包壳等。堆芯总体主要参数见表1。 M2 SR-1燃料盐区由堆芯容器和热管围成，热管 和堆芯容器一体化设计，热管插入堆芯上半部分，插 入深度为 20 cm，燃料盐填充管壳侧及堆芯剩余下 半部分，即有热管段燃料盐区圆柱高20 cm，没有热 管段燃料盐区圆柱高5 cm，底部半球段燃料盐区球 半径为15 cm。热管的外半径为1.5 cm，堆芯共有61 根热管 ，间距一般取 3.5 cm。

　　堆芯容器内腔高 40 cm，内径 30 cm，壁厚 0.25 cm。堆芯容器下半部 分形状为半球形。径向反射层厚度为 14 cm，轴向 反射层厚度为5 cm。控制鼓外径为13.6 cm，中子吸 收体厚 1 cm，扇形包角为 120°。反射层包壳外径 58.9 cm，壁厚0.2 cm。 堆芯燃料盐的成分为LiF-UF(4 摩尔比为：65%： 35%)，燃料为235U，富集度为97.0%，7 Li丰度99.9%， 密度为4.83 g∙cm−3 。

　　二元盐LiF-UF4具有较高的重 金属溶解度和较低的蒸气压[8]。 反射层布置在堆芯容器与反射层包壳之间，材 料采用氧化铍，控制鼓均匀镶嵌在反射层中，控制鼓 的材料也为氧化铍，中子吸收体的材料为碳化硼。堆芯金属结构材料为Mo-Re合金，同时在堆芯容器 外侧涂覆一层厚 0.01 cm 的氧化钆，Re 合金和氧化 钆均是性能优异的谱移吸收体材料，对热中子具有 较大的吸收截面，对快中子的吸收截面较小，因此反 应堆在发射过程中因事故跌入水或湿沙子中时，该 材料可有效吸收堆内因水或湿沙子慢化产生的热中 子，从而有利于使反应堆处于次临界状态[9]。

　　物理论文投稿刊物：《地球物理学报》创刊于1948年，是中国地球物理学会、中国科学院地质与地球物理研究所联合主办的有关地球物理科学的综合性学术刊物。主要刊载固体地球物理、应用地球物理、地磁和空间物理、大气和海洋地球物理，以及与地球物理密切相关的交叉学科研究成果的高质量论文。作者和读者对象主要为从事地球物理学、地球科学及其他相关学科的国内外科技工作者和大专院校师生。

　　1.2 计算方法

　　考虑到火星熔盐堆M2 SR-1几何结构的复杂性， 及高温下不同材料的膨胀效应，本文采用 MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)程序建模分 析。MCNP程序是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 (Los Alamos National Laboratory，LANL)开发的一 个运用蒙特卡罗方法进行输运计算的计算机程序[10] 。

　　MCNP程序的输入灵活，参数合理，能够完整 描述任何模型在体积结构和材料密度等方面的细 节。该程序的输出数据准确丰富，对于一个反应堆 系统能够给出诸如有效增殖系数、能谱、单群或多群 截面、中子产生和泄漏率等各种计算结果。MCNP 临界计算时，粒子数为20 000，循环代数为450。

　　本文燃耗计算采用 ORIGEN(The Oak Ridge Isotope Generation and Depletion Code)程 序 ， ORIGEN 程序是由美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)开发的进行核素的点燃 耗、衰变以及放射性材料处理的程序系统[11] ，输入文 件规范，数据库中包含1 700多种核素，广泛应用于 各类堆型反应堆(含熔盐堆)的燃耗计算。临界和燃 料 演 化 计 算 ，采 用 MCNP 与 ORIGEN 耦 合 程 序 MOBAT[12] 。

　　火星熔盐堆M2 SR-1的热工水力分析通过理论 计算得到。燃料盐与热管之间的热量传递主要有热 传导、对流换热和辐射换热等三种形式，从安全裕量 考虑，本文计算中主要考虑热传导。依据MCNP输 出的功率分布，通过热传导计算得到燃料盐最高温 度以及热管壁温最大值;根据燃料盐区的温差及流 动阻力给出堆芯流量。

　　2 堆芯设计

　　2.1 堆芯尺寸的选择

　　堆芯容器尺寸的选取与运行任务、安全限制、堆 芯几何和材料等有关。M2 SR-1的运行任务是在热 功率为 210 kW 下运行 8 a，即堆芯要有一定的后备 反应性来满足运行要求。安全限制方面，一般要求 发射掉落事故时，反应堆的有效增殖因数不超过 0.98。因此，活性区半径需尽可能的小，来提高控制 鼓控制反应性的能力，使发生发射掉落事故时，反应 堆的有效增殖因数小于0.98。为保证热量输出，保 持热管插入深度 20 cm 不变。

　　反射层厚度暂取 10 cm，控制鼓个数都为6个。堆芯容器尺寸对反应 性的影响见表1，其中方案1与2堆芯容器底部为柱 状，方案3堆芯容器底部是半球状。堆芯容器直径为28 cm时，堆 芯不临界，不能满足设计要求。本文在方案3的基 础上，继续优化控制鼓的设计。

　　控制鼓可控反应性价值的大小与控制鼓个数、控制鼓大小、吸收体厚度等有关。表3给出了控制 鼓可控反应性价值与控制鼓个数、控制鼓大小的关 系，其中控制鼓大小随反射层的厚度变化而变化，保 持控制鼓外径与反射层外径的间距为0.2 cm不变。通过下文的临界安全分析，只有方案5，在发生 发射掉落事故时，反应堆的有效增殖因数小于0.98， 满足设计要求。因此，本文选取方案5的堆芯尺寸、 反射层厚度、控制鼓个数，并在堆芯容器外侧涂覆一 层厚0.01 cm的氧化钆。

　　2.2 临界安全分析

　　目前为止，国际社会尚未制定在空间核动力源 应用领域的专门国际条约[13] 。联合国和平利用外层 空间委员会针对空间核动力源的应用专门草拟并于 1992 年通过了《关于在外层空间使用核动力源的原 则》。2009 年，联合国和平利用外层空间委员会又 与国际原子能机构共同制定了《外层空间核动力源 应用安全框架》。这两文件为空间核动力源的应用 提供了所应遵循的一般原则和具体的技术性规范， 对于备受关注的安全问题也提供了相应的安全 标准。 其中《关于在外层空间使用核动力源的原则》对 有关空间堆设计技术问题的进行规定。

　　如：核反应 堆在达到工作轨道或行星际飞行轨道前不得使其进 入临界状态;核反应堆的设计和建造应确保在达到 工作轨道前发生一切可能事件时均不能进入临界状 态，此种事件包括火箭爆炸、再入、撞击地面或水面、 沉入水下或水进入堆芯。 M2 SR-1 在发射阶段，堆芯熔盐是固态，且受反 射层的控制鼓控制，堆芯处于次临界状态。在进行 返回地面的临界安全分析时，假设M2 SR-1掉落到地 面上时存在反射层和控制鼓同时脱落的情况，但堆 芯结构保持不变，有反射层时控制鼓的吸收体正对 堆芯活性区[9] 。

　　反应堆返回地面的临界安全问题与掉落环境密 切相关，进行反应堆掉落临界安全分析时，主要针对 两种情况进行分析：1)反应堆掉入水中，并被水包 围;2)反应堆掉入干沙子中，并被干沙子覆盖。从参考文献[8]的分析可以发现，反应堆掉入湿沙中的情 况，对反应堆安全的影响介于水和干沙之间，因此， 本文不做分析。对于上述两种情况，分别存在反射 层和控制鼓是否脱落及堆芯内部空腔是否进水的问 题。在计算堆芯内部空腔进水时，将堆芯内热管中 的锂以及其他工质和空隙均以水代替。

　　A代表反射层存在，B代表反射层脱落;1代 表反应堆掉入干沙中，堆芯未进水;2代表反应堆掉 入干沙中，堆芯进水;3 代表反应堆掉入水中，堆芯 未进水;4代表反应堆掉入水中，堆芯进水。 从表4中可以看出，不论反射层存不存在，熔盐 堆掉入干沙中，且堆芯进水时，这种情况最危险。此 时干沙子紧贴堆芯，对中子起到了很好反射作用，且 堆芯进水，对中子起到慢化作用。

　　2.3 堆芯物理分析 对方案

　　5 进行堆芯物理分析，当反应堆处于冷 态时(假设反应堆温度为300 K，固态燃料盐密度根 据液态的密度公式外推得到)，计算得到有效增殖因 数为1.063 48±0.000 28，当反应堆处于热态时(假设 反应堆温度为1 200 K)，计算得到有效增殖因数为 1.006 77±0.000 25，折 合 成 等 温 温 度 系 数 为 − 5.89×10−5 K−1 ，由此，可以看出熔盐堆具有较大的负温度系数，固有安全性高。这主要是由于燃料盐的 热膨胀，导致燃料盐体积变化，即活性区大小变化， 导致的较大负温度系数。 利用MCNP和ORIGEN程序耦合计算了方案5 全堆芯平均燃耗。在寿期末时反应 堆的有效增殖因数大于 1，表明反应堆的剩余反应 性可满足满功率运行8 a的寿期要求。

　　2.4 堆芯热工分析

　　堆芯热工分析的基本任务是确定燃料盐的流动 特性和传热特性，保证在任何工况下都能及时输出 堆芯热量。M2 SR-1热管和堆芯容器一体化设计，燃 料盐填充堆芯容器，热管插入燃料盐中。在堆芯容 器中，燃料盐中燃料发生裂变反应产生热量，加热热 管热端，通过热管将堆芯产生的热量导入到能量转 换器的热管换热器中，能量转换器将其转换为电能， 未被利用的热能经废热排放系统，排放到火星大气 中。热管插入堆芯上半部分，有利于加强燃料盐的 自然对流，提高热管换热能力。燃料盐为半透明介 质且温度很高，存在辐射传热过程[14] 。 经分析计算得到燃料盐的最高温度为1 484 K， 小于燃料盐的沸点温度 ;热管包壳最高温度为 1 395 K，小于 Mo-Re 合金使用温度，可满足安全要 求。即使堆芯内传热功率最高的热管失效，由于燃 料盐是液态可流动的，边上的热管也能很好地带走 多余的热量。

　　3 结语

　　本文给出火星熔盐堆M2 SR-1的堆芯设计方案， 并从物理、安全、热工等方面对M2 SR-1进行了计算 分析。堆芯方案采用热管和堆芯容器一体化设计， 热管插入堆芯上半部分，插入深度为20 cm，堆芯底 部为半球状，该设计方案有利于减少燃料盐的装载 量，同时加强燃料盐的自燃对流。分析结果表明： M2 SR-1 在满功率运行下可满足 8 a 的寿期要求;在 不同假设掉落环境下，有效增加因子均小于0.98，满 足临界安全要求。

　　作者：于世和1 孙 强1 赵 恒1 严 睿1 邹 杨1 兰 兵2

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jzlw/23968.html