空間同位素熱/電源安全性技術(shù)指標體系框架研究

胡文軍，劉繼忠，唐玉華，陳軍紅，張 瑋，張 哲，李上明，胡紹全

（1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621900；2.探月與航天工程中心，北京 100084）

引 言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人類探索的腳步逐漸邁向月球及更深遠的太空，但傳統(tǒng)的化學(xué)電源和太陽電池無法滿足航天器在月球及外層空間嚴峻環(huán)境條件下的溫控和供電需求，空間核能源成為深空探測的必備裝置之一[1]。由于核能源固有的放射性，裝載核能源的航天器一旦發(fā)生事故，有可能對地球生物圈中的人與環(huán)境帶來極大的危害。在過去幾十年，美國攜帶核能源裝置SNAP-9A 的導(dǎo)航衛(wèi)星“探測器-5B”（Transit 5BN-3）發(fā)射失??；裝載核動力裝置的“雨云-B號”（Nimbus-B）氣象衛(wèi)星在進入軌道時發(fā)生故障，運載火箭在高空自毀，裝載的同位素熱源墜入海洋；“阿波羅13號”（Apollo-13）太空船服務(wù)艙爆炸后，載有同位素電源的登月艙再入大氣，墜入2 000 m的湯加海溝。蘇聯(lián)在發(fā)射攜帶核動力裝置的雷達偵察衛(wèi)星時，因發(fā)動機失靈導(dǎo)致航天器沒有進入預(yù)定軌道而墜入太平洋，一顆攜帶核動力裝置的蘇聯(lián)雷達偵察衛(wèi)星“宇宙954號”（Space-954）墜落在加拿大的西北部冰源地區(qū)，碎片落在地球表面，放射性物質(zhì)污染了地表；1996年，搭載同位素電源的“火星96”（Mars 96）飛船發(fā)生地球大氣再入，同位素電源沉入太平洋海底[2-6]，雖未報道對人類和生物圈的影響，但帶核能源的航天任務(wù)日益成為世界各國關(guān)注的焦點。

與陸地上的核設(shè)施相比，空間核系統(tǒng)具有高移動性特點，為安全性帶來了更大的風(fēng)險[7]。為此聯(lián)合國大會于1992 年通過了《關(guān)于在外層空間使用核動力源的原則》[8]，使得在外層空間使用核動力源有了國際層面的法律制度。而《外層空間核動力源應(yīng)用安全框架》則為各國提供了切實可行的安全標準和技術(shù)指南[9-10]。美國和俄羅斯根據(jù)《外層空間核動力源應(yīng)用安全框架》的要求，制定了空間核能應(yīng)用相關(guān)的安全性試驗內(nèi)容[11]。

雖然我國在飛行安全評價[12]、草原駕駛安全[13]等安全體系構(gòu)建方面進行了研究，由于在外空環(huán)境中運用核能具有獨特性，以及空間核能源事故風(fēng)險具有很高的不確定性和可變性，可借鑒性有限。為了最大限度確?？臻g核能源使用的安全性，須考慮空間使用核能全過程的安全性因素，并對其進行審查和評估，確認其安全性指標是否滿足航天器空間使用要求。本文僅對空間同位素熱/電源（Radioisotope Heat Unit，RHU /Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）安全技術(shù)指標體系進行研究。

1 應(yīng)用環(huán)境剖面分析

空間同位素熱/電源從產(chǎn)品交付到最終廢棄處置包括地面運輸、發(fā)射準備、發(fā)射及部署、運行和廢棄處置等任務(wù)剖面，見圖1所示。

1.1 研制階段

研制階段是指從同位素熱源設(shè)計、安全性初步論證、制造等一系列過程。其中影響RHU產(chǎn)品安全性的因素包括源芯設(shè)計、包殼設(shè)計、焊接質(zhì)量。最終與空間同位素熱/電源應(yīng)用相關(guān)的安全性技術(shù)指標體系見圖2所示。其他指標安全性問題可按相關(guān)標準執(zhí)行。

1.2 運輸階段

正常的地面貯存/運輸（含場內(nèi)轉(zhuǎn)運）環(huán)境下，影響RHU/RTG安全性的主要因素是運輸振動、沖擊、貯存環(huán)境條件等。要求RHU/RTG在經(jīng)歷正常的地面貯存/運輸環(huán)境后，不發(fā)生放射性物質(zhì)的泄漏。其中，RHU/RTG表面輻射率和漏率指標與產(chǎn)品基礎(chǔ)要求一致，其他技術(shù)指標需要根據(jù)運輸工具、運輸路線及貯存環(huán)境條件，給出安全試驗需要考核的振動譜、沖擊譜、過載值，貯存/運輸過程中溫度、濕度的變化范圍以及大氣壓的變化范圍，以便于地面試驗，用于考核RHU/RTG安全性。因此，可建立正常環(huán)境下地面貯/運階段的技術(shù)指標體系如圖3所示。

圖3 RHU/RTG地面運輸階正常環(huán)境下的安全指標體系Fig.3 Safety index system of RHU/RTG at normal transportation environment on the ground

地面運輸階段事故環(huán)境下，可能導(dǎo)致的同位素燃料擴散的事故包括：運輸過程中的跌落、運輸過程中的交通事故等?？赡艿氖鹿蕡鼍耙姳?。對表1進行分析，可建立地面運輸階段事故環(huán)境的安全指標體系如圖4所示。

其中，運輸過程由于采用的運輸工具不同，其安全指標也不同。目前，根據(jù)我國國情，只考慮公路運輸和鐵路運輸。

安全技術(shù)指標體系的確定采用包容性原則，地面運輸（含場內(nèi)轉(zhuǎn)運）階段事故環(huán)境下的安全指標主要包括墜落高度、火燒溫度和時間、貫穿、穿刺、水浸等，因此可以參照IAEA SSR-6（2012）《放射性物質(zhì)安全運輸條例》[14]和GB11806（2004）《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》[15]規(guī)定，確定RHU/RTG的安全技術(shù)指標體系。

表1 地面運輸階段可能的事故場景Table 1 The typical accident situation of ground transportation phase

圖4 RHU/RTG地面運輸階段事故環(huán)境下的安全指標體系Fig.4 Safety index system of RHU/RTG at hypothesis accident in transportation phases on the ground

1.3 裝器階段

正常條件下的裝器，主要考慮RHU/RTG與操作人員的近距離接觸，必須對RHU/RTG表面的放射性活度（或表面劑量率）和238PuO2的泄漏率進行控制，其安全性指標就是產(chǎn)品的基礎(chǔ)安全指標。

1.4 發(fā)射準備階段

在正常的發(fā)射準備階段，RHU/RTG已完成在火箭上裝器，不需考慮安全性要求。

如在發(fā)射準備階段，發(fā)生推進劑的燃燒和爆炸事故，需RHU/RTG能抵抗推進劑燃燒的溫度、爆炸產(chǎn)生的沖擊波以及火箭碎片的撞擊。因此可建立發(fā)射準備階段事故環(huán)境的安全指標體系如圖5所示。

圖5 RHU/RTG發(fā)射準備階段事故環(huán)境下的安全指標體系Fig.5 Safety index system of RHU/RTG at hypothesis accident intransportation phases in launch preparative phases

1.5 發(fā)射及部署階段

空間同位素熱/電源在發(fā)射及部署階段的安全性技術(shù)指標體系與使用運載火箭的型號和任務(wù)有關(guān)。以我國“長征3號乙”運載火箭發(fā)射的飛行時序[16]為例進行說明。將發(fā)射過程分為8個任務(wù)階段，見表2。一是發(fā)射早期階段，即1～2任務(wù)階段；二是發(fā)射后期階段，即3～8任務(wù)階段。

根據(jù)表2可以知道，在發(fā)射及部署階段，RHU/RTG在正常環(huán)境下，經(jīng)歷的主要力學(xué)環(huán)境是各階段點火、分離引起的沖擊過載（加速度）、振動以及飛行過程中的振動。因此可以構(gòu)建發(fā)射及部署階段的正常環(huán)境技術(shù)指標體系如圖6所示。

如果在發(fā)射準備階段和發(fā)射階段任務(wù)失敗，RHU/RTG需要經(jīng)歷熱環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和化學(xué)環(huán)境。其中熱環(huán)境包括推進劑燃燒、推進劑爆炸火球燒蝕、再入環(huán)境的氣動燒蝕等；力學(xué)環(huán)境包括爆炸超壓、爆炸碎片撞擊、低速墜地撞擊、再入后的高溫高速撞擊地面或水面、再入過程的內(nèi)壓增長、落入深海的外壓作用等；化學(xué)環(huán)境主要包括肼類推進劑對金屬包殼的腐蝕、海水腐蝕等。

據(jù)此可以建立RHU/RTG在發(fā)射及部署階段故障條件的安全性技術(shù)指標體系如圖7所示。

1.6 運行及廢棄階段

在運行階段可能的事故環(huán)境是RHU/RTG或航天器遭受空間碎片的撞擊，導(dǎo)致RHU/RTG或航天器損壞。這種事故條件下，損壞的RHU/RTG或航天器仍然在軌道上運行，放射性物質(zhì)不會造成對人類和生物圈的影響。

表2 “長征3號乙”運載火箭典型的飛行時序Table 2 The typical flight sequence of Long March 3B rocket

圖6 RHU/RTG發(fā)射及部署階段正常環(huán)境下的安全指標體系Fig.6 Safety index system of RHU/RTG at launch and enter orbit phases in normal environment

使用RTG/RHU的航天器在廢棄后，RTG/RHU若保持完整結(jié)構(gòu)，可將帶有RTG/RHU的航天器放置在廢棄軌道上或提升到高軌上，無需對事故條件下的安全性進行地面驗證。

2 安全認證技術(shù)指標體系構(gòu)建

圖7 RHU/RTG發(fā)射及部署階段事故環(huán)境下的安全指標體系Fig.7 Safety index system of RHU/RTG during launch and entering orbit phases in accident environment

根據(jù)對空間同位素熱/電源任務(wù)剖面的分析，要求RHU/RTG在正常環(huán)境下，距離RHU/RTG表面一定范圍內(nèi)，輻射劑量在規(guī)定的范圍內(nèi)，表面污染滿足相關(guān)規(guī)定要求；在事故工況下，238PuO2不能泄漏，據(jù)此可以建立如圖8所示的正常環(huán)境條件下的安全指標體系和圖9所示的事故工況下的安全技術(shù)指標體系。

分析圖8和圖9，發(fā)現(xiàn)不同任務(wù)剖面在正常和事故環(huán)境下有部分技術(shù)指標重復(fù)。根據(jù)技術(shù)指標包容的原則，對相同的指標采用最嚴酷的參數(shù)作為最終的考核指標，可以對技術(shù)指標進行合并，最終可建立如圖10所示的安全認證技術(shù)指標體系，其中RHU的基本安全技術(shù)指標、地面儲運環(huán)境下的安全技術(shù)指標為通用安全技術(shù)指標，可以根據(jù)現(xiàn)有的法律法規(guī)和標準要求確定具體的技術(shù)指標值；發(fā)射環(huán)境下的安全技術(shù)指標、再入環(huán)境的安全技術(shù)指標為特殊技術(shù)指標，需要根據(jù)航天任務(wù)和使用的運載火箭才能確定具體指標值。

圖8 空間同位素熱/電源正常環(huán)境下的安全指標體系Fig.8 Technology index system for RHU/RTG under normal environment conditions

圖9 同位素熱/電源假想事故條件下的安全指標體系Fig.9 Technology index system for RHU/RTG under accident environment conditions

圖10 同位素熱/電源安全認證技術(shù)指標體系Fig.10 Technology index system of safety verification for RHU/RTG

該技術(shù)指標體系共四大類型29項技術(shù)指標，涵蓋空間同位素熱/電源產(chǎn)品安全基本要求和各任務(wù)剖面的正常和事故環(huán)境要求?？蓾M足我國空間同位素熱/電源安全認證的技術(shù)要求，并在某型號航天任務(wù)中得到應(yīng)用。

3 結(jié) 論

人類從近地軌道探測邁向深空探測的過程中，為了彌補太陽能電源和化學(xué)能電源的不足，如月夜長時間低溫、遠離太陽系無光照等，通過引入核動力源來解決航天器能源問題。空間核動力源中存在著放射性材料或核燃料，一旦發(fā)生事故容易給人與環(huán)境帶來危害。因此，對使用空間核動力源的航天發(fā)射任務(wù)，需要對空間核動力源進行安全認證，確保在正常使用環(huán)境和事故條件下不對人類和環(huán)境造成影響。我國在“嫦娥3號”任務(wù)中首次使用了放射性同位素熱源作為空間核動力源，由于我國沒有空間核動力源安全認證相關(guān)的技術(shù)標準[17-18]，其安全性認證由俄羅斯完成。本文通過空間同位素熱/電源應(yīng)用環(huán)境剖面的分析，開展了空間同位素熱/電源安全技術(shù)指標體系框架研究，確定了不同環(huán)境剖面下正常和假想事故條件的安全技術(shù)指標體系，基本覆蓋了同位素熱/電源在全生命周期中的各種環(huán)境條件。通過正常和事故條件下的指標進行分析，對同類型指標進行合并，構(gòu)建了我國空間同位素熱/電源安全認證技術(shù)指標體系，為航天發(fā)射安全體系建設(shè)提供了輔助的決策手段，也為涉核航天發(fā)射安全分析與評估技術(shù)的研究提供了理論支撐。

致 謝

特別感謝探月與航天工程中心、北京空間飛行器總體設(shè)計部和北京宇航系統(tǒng)工程研究所的支持。