核動力航天器總體設(shè)計(jì)研究

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. 中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引 言

空間核動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顆核動力航天器，美國32顆，蘇聯(lián)/俄羅斯40顆，中國1顆。美國主要發(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)展的核動力航天器大部分都是基于核裂變能源[1]。

隨著深空探測任務(wù)越來越復(fù)雜，航天器距離地球越來越遠(yuǎn)，采用核動力成為航天器最有希望實(shí)現(xiàn)快速和更遠(yuǎn)深空探測的可靠技術(shù)途徑。進(jìn)入21世紀(jì)，美國將空間核動力的發(fā)展瞄準(zhǔn)兆瓦級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，我國一直在開展空間核動力源方面的技術(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，從國內(nèi)調(diào)研的情況來看，包括工程總體、衛(wèi)星/探測器總體以及與之存在核技術(shù)接口的其他系統(tǒng)總體、核動力源設(shè)計(jì)部門等各有關(guān)方面，在核動力航天器的設(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力航天器設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，詳細(xì)闡述了核動力源的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過調(diào)研分析國外在核動力航天器使用方面的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國現(xiàn)有核安全法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)等，提出了核動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 核動力航天器研制標(biāo)準(zhǔn)體系研究

我國的航天器標(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。

核動力航天器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，需要結(jié)合核動力航天器研制特點(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。本文所研究的核動力航天器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系僅考慮到分系統(tǒng)級，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，按照我國現(xiàn)有的航天器標(biāo)準(zhǔn)體系分類方法和體系框架，核動力航天器研制標(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)（暫定序號為Ef）、核安全系統(tǒng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（暫定序號為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)（暫定序號為E7-1-5）；在工程系列衛(wèi)星地面接收站、監(jiān)測站、CDAS站標(biāo)準(zhǔn)中增加核輻射監(jiān)測站（暫定序號為Ee-5）如，表2所示。

表1 美國研發(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 核動力航天器設(shè)計(jì)

核動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，隨之而來的最直接的考慮是核安全設(shè)計(jì)和防護(hù)。

核動力源和核安全系統(tǒng)是核動力航天器獨(dú)有的系統(tǒng)，而由此又會引申出很多對其他系統(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)，這些影響也勢必會引起整個(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、測控、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。

對于發(fā)射場系統(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，核動力源對航天器的總裝環(huán)境也有特殊要求，導(dǎo)致發(fā)射場提供的總裝環(huán)境等也應(yīng)有所不同。

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

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

對于衛(wèi)星/航天器系統(tǒng)，是與核直接相關(guān)的系統(tǒng)，無論是總體設(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)

核動力航天器總體設(shè)計(jì)的重要原則就是圍繞核動力源及其安全防護(hù)設(shè)計(jì)來開展。由于大功率核動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，核動力航天器與常規(guī)航天器都存在差別。核動力源設(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)

核動力航天器在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合我國現(xiàn)有航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和核動力裝置的一般設(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。核動力航天器需運(yùn)行在足夠高的安全軌道（國際上約定核動力航天器的啟動軌道高度至少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）在地面測試和試驗(yàn)驗(yàn)證方面，需要制定核動力航天器專門的綜合測試和試驗(yàn)環(huán)境條件、方法，特別是核動力源和核安全系統(tǒng)需開展有針對性的環(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)考慮航天器載荷倉和輻射隔離所需要的安全距離，對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)格遵守國家對放射性物品運(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)

由于大功率核動力航天器需要排散大量的廢熱，對其散熱裝置的設(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、能量來源等方面有著本質(zhì)不同。對于核反應(yīng)堆電源，其功率較高，電壓和配電體制會發(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，針對核動力航天器的不同等級功率需求，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）對剩磁有要求的衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和測試過程應(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比，觀察組治療總有效率為93.3%，與對照組治療總有效率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碌拇艌鲞_(dá)最小化：

1）由磁性鐵磁材料所產(chǎn)生的磁場，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。

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

整星在正樣階段時(shí)，必須進(jìn)行磁試驗(yàn)，對剩磁水平進(jìn)行評估，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)，也會對空間環(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)航天器對核動力源的系統(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），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，以解決核動力航天器大功率熱排放問題。對于長期大功率工況，選擇板式輻射器。對于短期大功耗工況，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）對于深空探測任務(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）。控制系統(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，確保核動力航天器的姿態(tài)機(jī)動性，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)定的輻射劑量場設(shè)計(jì)限值。

表3 輻射劑量場設(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，使其免受核動力航天器的開發(fā)和應(yīng)用可能帶來的放射性危害。

輻射防護(hù)目標(biāo)是，確?？臻g核動力源內(nèi)的或由有計(jì)劃地從空間核動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力源發(fā)生事故及一旦發(fā)生事故時(shí)緩解其后果；對于在設(shè)計(jì)空間核動力源時(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。

對于在核動力航天器上執(zhí)行任務(wù)的航天員，任務(wù)期間接受來自空間核動力源的輻照劑量限值為50mSv/y。對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，核動力航天器的應(yīng)用應(yīng)盡量避免對地球軌道空間環(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)選擇縱深防御級數(shù)，并論證所采用的防御級數(shù)是足夠的和恰當(dāng)?shù)?。第一級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)。第二級防御是對偏離正常工況的控制，以防止預(yù)計(jì)事件升級為事故工況。第三級防御是，設(shè)想上一級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，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

核動力航天器的安全評價(jià)包括分析航天器對一系列可能導(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，以便只對每組中的極限事件進(jìn)行定量分析；②說明極限事件的進(jìn)程及其后果；③論證與空間核動力源應(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

對核動力航天器應(yīng)用核動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)，在不必啟動任何動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)境主要指空間核動力源的設(shè)計(jì)、制造、組裝、試驗(yàn)、測試、運(yùn)輸和儲存等相關(guān)操作環(huán)境，與地面核動力裝置類似。

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、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)生的輻射場和空間輻射場，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

對于應(yīng)用于短壽命軌道任務(wù)的核動力航天器，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力源推送至長壽命軌道。

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)和測試階段，應(yīng)滿足核材料操作、研究堆、動力廠等方面的安全要求。在地面輸運(yùn)和儲存階段，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)自動停堆系統(tǒng)。停堆系統(tǒng)有效性、動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)事件自動啟動所需的保護(hù)動作以中止事件，使反應(yīng)堆處于安全條件下。

12）反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)必要的自行動作一經(jīng)啟動就不能通過人為動作加以阻止或妨礙，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等。

14）對于空間核反應(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、更復(fù)雜航天活動的發(fā)展趨勢：

1）兆瓦級以上的大功率核動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)模深空探測活動的開展，數(shù)百千瓦、兆瓦級的電力需求會日益迫切。大功率核動力航天器技術(shù)一經(jīng)突破，將對空間技術(shù)發(fā)展帶來革命性變化。

2）同位素核動力航天器將進(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)。在深空探測的一些小型任務(wù)中，需要百瓦量級、長壽命的小功率核動力航天器，同位素電源正好滿足此需求。

由于核能來自放射性同位素衰變、重核裂變或輕核聚變，核動力航天器在設(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)。國外在成功應(yīng)用空間核動力方面的經(jīng)驗(yàn)表明，制定合適的安全原則和策略，開展有針對性的防護(hù)設(shè)計(jì)和充分地面驗(yàn)證，可以將核動力源安全可控地用在深空探測領(lǐng)域。

本文基于我國航天器現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系，給出了開展核動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)了核動力航天在總體設(shè)計(jì)、核動力源設(shè)計(jì)、核安全設(shè)計(jì)方面的技術(shù)特點(diǎn)，可以為我國未來研制核動力航天器提供一定的參考。

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