熱管空間核反應(yīng)堆電源的研究進(jìn)展

王 傲 申鳳陽 胡 古 郭 鍵 安偉健

（中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部 北京 102413）

在過去的幾十年里，對太陽系的探索給各個國家的科學(xué)和工程領(lǐng)域帶來了巨大的收獲。隨著人類不斷對宇宙太空的深入探索，對于提供能量的電源的要求也在逐步提高，傳統(tǒng)的化學(xué)電源、太陽能電源等方案由于使用壽命短、依賴陽光等缺點，無法滿足長距離的深空探測。核反應(yīng)堆電源由于具有工作壽期長、無需光照和氧化劑等優(yōu)點，是實現(xiàn)深空探測的首選方案之一。

從20世紀(jì)50年代起，美、俄設(shè)計了多種核反應(yīng)堆電源方案［1］，例如俄羅斯的ROMASHK、BUK、TOPAZ 和 TOPAZ-2［2］；美國的核輔助動力 系 統(tǒng)（Systems for Nuclear Auxiliary Power-10A，SNAP-10A）和Kilopower等。其中，美國目前正在研究的新型Kilopower具備非能動性、壽期長（連續(xù)運行壽命可達(dá)15 a）、可靠性高等優(yōu)勢，其采用的熱管堆成為了目前空間核反應(yīng)堆領(lǐng)域的研究重點。通過對熱管堆的研究，對于進(jìn)一步研究和優(yōu)化未來空間核動力電源具有深刻的意義。本文通過介紹幾種典型的熱管堆應(yīng)用，來進(jìn)一步了解熱管研究堆的發(fā)展和研究方向。

1 熱管的工作原理和優(yōu)點

熱管是1963年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，LANL）的 Grover發(fā)明的一種傳熱元件［3］，其主要通過管內(nèi)工質(zhì)的相變，利用汽化和冷凝的高潛熱和毛細(xì)抽吸現(xiàn)象，無需外界動力便可以進(jìn)行傳熱。在熱管中，工作流體保持在芯與壁之間的間隙內(nèi)，在中心區(qū)域留下一個空隙。熱管沿軸向由三個不同的區(qū)域組成：蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū)。當(dāng)蒸發(fā)區(qū)被加熱時，工質(zhì)開始沸騰并蒸發(fā)，蒸汽從多孔芯中逸出，擴散到中心空隙，壓力沿?zé)峁茌S向發(fā)生不同變化，蒸汽向較低壓力的冷凝區(qū)域移動，該區(qū)域溫度較低，導(dǎo)致蒸汽凝結(jié)，釋放出汽化潛熱，這些熱量通過熱管管壁傳遞到外部環(huán)境，冷凝液體通過毛細(xì)管作用回到蒸發(fā)區(qū)域，在那里再次蒸發(fā)。圖1顯示了工作熱管中蒸汽和液體的流動情況。

熱管傳熱具有下述優(yōu)點：1）非能動性，不用熱泵驅(qū)動；2）傳熱能力強；3）可變換熱通量。熱管中的蒸發(fā)和冷凝過程在通道空間中是分開的，所以可以獨立改變加熱面積，從而改變熱流密度；4）優(yōu)良的等溫性。由于從蒸發(fā)段流向冷凝端的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)方程可知，其溫降也很?。?）熱管傳熱系統(tǒng)安全可靠性高。在熱管換熱系統(tǒng)中，少數(shù)熱管損壞對整個熱管換熱系統(tǒng)的影響較小。

圖1 熱管工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of heatpipe operation

2 幾種典型的熱管式核反應(yīng)堆

2.1 HPS核反應(yīng)堆電源

火星作為地球的近鄰，一直是人類進(jìn)行深空探測和開發(fā)的首選目標(biāo)，所需電源要能夠在極端條件下長期發(fā)電。美國在火星星表電源方面開展了大量研究，通過借鑒美國40年的開發(fā)經(jīng)驗，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，LANL）希望能夠開發(fā)出一種成本低于1億美元的系統(tǒng)。熱管電源系統(tǒng)（Heatpipe Power System，HPS）是一種結(jié)構(gòu)緊湊的空間裂變電源，該系統(tǒng)具有研發(fā)周期短、費用低、安全簡單等特點。HPS的反應(yīng)堆截面示意圖和燃料元件與熱管布置圖如圖2所示［4］。

圖2 HPS的反應(yīng)堆截面示意圖[4]Fig.2 Cross-section diagram of the HPS[4]

堆芯由12個獨立的模塊組成，每個模塊分別由4個燃料棒組成，連接到一個中央鈉熱管，通過鈉熱管將熱量傳遞到一個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，多余的熱量從能量轉(zhuǎn)換器的冷端輻射進(jìn)入太空。HPS燃料組件包殼材料為錸鉬合金或鈮鋯合金，前期設(shè)計有兩種燃料類型可供選擇：氮化鈾（Nitride Uranium，UN）和二氧化鈾（Uranium Oxide，UO2）。氮化鈾的鈾含量相對較高，可以保證堆芯的結(jié)構(gòu)緊湊，燃料溫度峰值大約限制在1 800 K。二氧化鈾的鈾含量比氮化鈾低，可以在高于氮化鈾燃料元件的溫度下運行。

HPS各個模塊在正常運行過程中是獨立的，如果一個模塊熱管發(fā)生故障，熱量將傳導(dǎo)到臨近模塊。緊湊的堆芯和低功率密度可以滿足多種理想的設(shè)計屬性，例如安全性、可靠性、長壽命、模塊化（HPS由獨立的模塊組成，大多數(shù)潛在的工程問題可以通過電加熱模塊測試來解決）、可測試性、通用性（HPS可以使用多種燃料形式和能量轉(zhuǎn)換器）、可制造性、短期系統(tǒng)、多重用途（軍事、商業(yè)、民用）、質(zhì)量、進(jìn)度、成本［5］。

5個典型的反應(yīng)堆設(shè)計如表1所示［6］。

表1 典型HPS設(shè)計描述Table 1 Description of typical HPS design

2.2 HOMER（熱管式火星探測反應(yīng)堆）

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室提出開發(fā)HPS項目的4年里，進(jìn)行了三次HPS概念驗證技術(shù)演示，每次都非常成功。熱管式火星探測反應(yīng)堆（Heatpipe-operated Mars Exploration Reactor，HOMER）是為在火星表面發(fā)電而設(shè)計的HPS的派生項目。圖3為一個125 kWt的HOMER堆芯截面圖。

圖3 125-kWt HOMER堆芯橫截面[7]Fig.3 Cross-section diagram of the 125-kWt HOMER core[7]

HOMER包含不銹鋼包覆的二氧化鈾燃料元件，這些燃料元件連接到不銹鋼/鈉熱管上，熱量從燃料傳導(dǎo)到熱管，然后熱管將熱量輸送到一個堆外能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以考慮采用布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)、朗肯循環(huán)及堿金屬等熱電轉(zhuǎn)化模式。

在核性能方面，HOMER采用一種堅固、可靠的外殼/燃料形式（不銹鋼/UO2）設(shè)計。包殼厚度和燃料元件直徑比為0.05，燃料的理論密度為90%。HOMER設(shè)計的初始keff為1.03；在熱性能方面，HOMER設(shè)計具有較大的熱裕度，反應(yīng)堆的最大功率是由材料的溫度限制決定的，HOMER的限制要求是不銹鋼峰值溫度低于1 250 K（不銹鋼峰值溫度約為1 120 K）；在開發(fā)時間和成本方面，HOMER主要通過使用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)計廉價的電氣測試系統(tǒng)（從而最大限度地減少或消除核試驗，除了零功率臨界測試），最大限度地減少開發(fā)時間和成本。此外幾乎所有的堆芯組件結(jié)構(gòu)材料均是不銹鋼，因此材料的制造成本會很低。

美國針對該項目進(jìn)行了多種設(shè)計，其中最典型的方案為20 kWe HOMER設(shè)計。該反應(yīng)堆的設(shè)計目標(biāo)是在堆芯溫度達(dá)到1 000 K時，將125 kWt的熱量傳遞至斯特林發(fā)電機。堆芯有57根熱管、152個棒束燃料元件和8根BeO柱，每個元件的外徑為1.7 cm，壁厚為0.85 mm。熱管由不銹鋼網(wǎng)/環(huán)形芯和液態(tài)鈉組成。熱管伸出堆芯50 cm（這個長度將取決于熱量如何輸送到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）。堆芯區(qū)域（包括兩端各有4 cm BeO軸向反射層）長度為54 cm，BeO徑向反射層外徑為45 cm。燃料的理論密度為90%UO2，富集度為97%（128 kg UO2）。該設(shè)計的反應(yīng)堆質(zhì)量為385 kg，儀表和控制系統(tǒng)的質(zhì)量為50 kg，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)質(zhì)量為475 kg，輻射散熱體的質(zhì)量為145 kg，屏蔽體質(zhì)量為100 kg，核應(yīng)急設(shè)施質(zhì)量為330 kg，整個系統(tǒng)的總質(zhì)量為1 385 kg。

2016年5月初將取回的3種沉水植物進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，到6月從中選取長勢良好，大小基本一致的幼苗進(jìn)行移栽。實驗裝置選取上口徑62cm、下口徑52cm、高45cm的白色塑料圓桶進(jìn)行3×3分組，9組簡稱分別為苦泥、苦草、苦沙、黑泥、黑草、黑沙、馬泥、馬草、馬沙，放置于空曠區(qū)域，如圖1所示。2016年7月10日至2017年6月10日，共采集樣品12次，每次采集均隨機選取3株沉水植物，將對應(yīng)的水、泥、沉水植物全部采出。沉水植物分離出底質(zhì)后用少量超純水洗凈植株上附著的底質(zhì)；底質(zhì)采集后充分混勻，風(fēng)干，研磨過篩(100目篩)用于營養(yǎng)鹽測定。

此外，該團(tuán)隊又設(shè)計了另外兩種方案。HOMER-15堆芯包含19根熱管和102根燃料元件，采用富集度97%的UN燃料，包殼材料為不銹鋼，熱功率11.5 kWt，采用鈉熱管將熱量傳輸至1臺斯特林電機，可產(chǎn)生3 kWe的電功率，效率為26%。該反應(yīng)堆堆芯直徑為18.1 cm，系統(tǒng)重量為775 kg。

HOMER-25堆芯包含61根鉀熱管和156根燃料元件，采用富集度93%的UO2燃料，熱功率94.5 kWt，鉀熱管冷卻堆芯（平均溫度880 K），采用6臺斯特林電機（正常運行投入4臺，兩臺備用）進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，凈電功率為25 kWe，效率為26.5%［7］。

2.3 SAFE相關(guān)研究

在HPS概念的基礎(chǔ)上，LANL的研究團(tuán)隊提出了安全可負(fù)擔(dān)裂變引擎（Safe Affordable Fission Engine，SAFE）方案，該方案用于空間及星表環(huán)境的熱管堆電源系統(tǒng)，采用系列化設(shè)計，可覆蓋較大功率范圍。

2.3.1 SAFE-30實驗

SAFE-30端到端系統(tǒng)演示（end-to-end system demonstration）針對熱管堆電源系統(tǒng)搭配離子推進(jìn)器的技術(shù)方案進(jìn)行原理演示和技術(shù)驗證，SAFE-30試驗裝置采用不銹鋼模擬堆芯，共包含12個模塊，每個模塊由4根石墨電阻加熱棒和1個不銹鋼-鈉熱管構(gòu)成。實際試驗時只有三個位置使用了全長119 cm的不銹鋼-鈉熱管，剩余熱管均被替換為外形尺寸與不銹鋼-鈉熱管一致的封閉金屬管。2001年12月SAFE-30模擬試驗取得成功，電加熱棒產(chǎn)生的熱能經(jīng)熱管、銅塊換熱器由斯特林發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，最后由氙離子推進(jìn)器轉(zhuǎn)換為氙離子的動能，試驗的成功證明了采用熱管堆電源系統(tǒng)為離子推進(jìn)器供電的核電推進(jìn)系統(tǒng)在技術(shù)原理上是可行的［8-9］。

2.3.2 SAFE-100a實驗

在SAFE-30模擬試驗取得成功的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊針對熱管堆耦合氣體布雷頓循環(huán)發(fā)電的電源系統(tǒng)技術(shù)方案，開展了SAFE-100a模擬試驗。SAFE-100a不銹鋼模擬堆芯僅采用19個堆芯模塊，即19根熱管和57根模擬燃料棒的石墨電阻加熱棒。SAFE-100a的石墨電阻加熱棒在室溫下啟動時限定最大輸入功率為33 kW，模擬堆芯達(dá)到1 023 K時最大輸入功率可隨之提升至60 kW。熱管伸出模擬堆芯后插入專門設(shè)計的熱管-氣體換熱器中，在熱管-氣體換熱器內(nèi)通過固-氣表面對流換熱傳給氣體回路。試驗的結(jié)果初步驗證了熱管堆耦合氣體布雷頓循環(huán)發(fā)電的電源系統(tǒng)方案的可行性，并且反映了該型電源系統(tǒng)的典型熱工響應(yīng)性質(zhì)［10-11］。

2.3.3 SAFE-400

2.4 Kilopower相關(guān)研究

針對未來的太空運輸和星表電力應(yīng)用，美國宇航局格倫研究中心（Glenn Research Center，GRC）研究了一種小型裂變電力系統(tǒng)——Kilopower空間核反應(yīng)堆，用于提供1～10 kW的電力，比功率為2.5～6.5 W?kg-1。該技術(shù)十分適用于深空探測任務(wù)，也可以用于為載人登月或火星任務(wù)提供動力［13］。

Kilopower核反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量通過一系列高溫鈉熱管轉(zhuǎn)移到斯特林轉(zhuǎn)換器的熱端，斯特林轉(zhuǎn)換器冷端余熱通過鈦-水熱管轉(zhuǎn)移到散熱器面板，最終排放到太空環(huán)境。Kilopower的整體概念結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖5所示。

對于電功率為1 kW的Kilopower，其堆芯熱功率為4 kWt，從該裝置的功率特性和加工性能方面考慮，采用U-7%Mo合金，燃料周圍設(shè)置8根鈉熱管導(dǎo)出堆芯熱量，通過8臺125 W先進(jìn)斯特林發(fā)電機進(jìn)行動態(tài)熱電轉(zhuǎn)換，斯特林轉(zhuǎn)換器冷端工作溫度應(yīng)保持在398 K左右，鈦-水熱管與散熱面板連接，用于散掉廢熱。最終廢熱通過鈦-水熱管和輻射器向空間排放。每根熱管在額定運行期間至少要傳遞125 W的余熱。

Kilopower鈦-水熱管示意圖如圖6所示，是由先進(jìn)冷卻技術(shù)公司（Advanced Cooling Technologies，ACT）在NASA SBIR II期項目中開發(fā)出來的一種新型熱管。這種水熱管的特點是蒸發(fā)段有雙孔芯，其余部分采用篩網(wǎng)槽混合芯，這種設(shè)計方案可以使Kilopower在以下4種不同條件下工作：1）零重力空間操作；2）進(jìn)行地面試驗時蒸發(fā)器略高于冷凝器，以模擬零重力運行時的性能；3）星表操作與重力輔助情況下操作；4）在發(fā)射升空時反重力定向，即熱管的方向是反重力的，并且下沉溫度低于工作流體（即水）的冰點［14-17］。

圖5 Kilopower核裂變系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)[15]Fig.5 Nuclear fission system and thermal management system of Kilopower[15]

圖6 Kilopower鈦-水熱管[15]Fig.6 Titanium-water heatpipe of Kilopower[15]

為了更好地驗證Kilopower的可行性，美國進(jìn)行了多次試驗進(jìn)行驗證，其中比較典型的兩個實驗為使用平頂裂變演示（Demonstration Using Flattop Fissions，DUFF）實驗和使用斯特林技術(shù)的千瓦級反應(yīng)堆（The Kilowatt Reactor Using Stirling Technolog，KRUSTY）實驗。DUFF實驗是為驗證Kilopower方案原理可行性而開展的帶核模擬試驗。試驗時平頂裝置達(dá)到核臨界后，堆芯裂變熱通過水熱管導(dǎo)出，經(jīng)換熱器傳遞至自由活塞式斯特林發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，成功產(chǎn)生24 W電能［18］。

在DUFF的基礎(chǔ)上，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與美國能源部國家核安全管理局等利用現(xiàn)有設(shè)施開發(fā)和測試一個原型反應(yīng)堆和電力系統(tǒng)，被稱為KRUSTY實驗。KRUSTY裝置作為Kilopower的全尺寸原型堆，可驗證這種反應(yīng)堆的技術(shù)可行性及其在異常工況下的運行特性等，其使用與Kilopower堆芯一致的高濃鈾-鉬合金，直接令堆芯實現(xiàn)臨界和加熱，鈉熱管在673 K左右開始啟動，到873 K時開始傳輸熱量，導(dǎo)出的熱量經(jīng)換熱器傳遞至自由活塞式斯特林發(fā)電機并轉(zhuǎn)換為電能。該裝置采用了兩臺80 W斯特林，為節(jié)省成本（Kilopower設(shè)計的單臺斯特林125 W），其余6臺采用熱模擬機，熱模擬機主要通過控制流經(jīng)熱端交換器的氣體流量，模擬從系統(tǒng)中獲得的熱量。試驗驗證了非能動控制，即啟動后不需要人或計算機的干預(yù)或控制，最終各項結(jié)果均達(dá)到團(tuán)隊預(yù)期［19］。

2.5 其他熱管堆研究

進(jìn)入21世紀(jì)以來，熱管堆進(jìn)入了快速發(fā)展階段，各個國家針對熱管堆進(jìn)行了深入研究，并建立了相應(yīng)的理論模型，例如可升級堿金屬熱電轉(zhuǎn)換空間核反應(yīng)堆系統(tǒng)（Scalable Alkali Metal Thermal-To-Electric Conversion Integrated Reactor Space Power Systems，SAIRS）采用多根Na熱管冷卻和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換［20］；固體堆芯的月球表面核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)研究，采用K熱管冷卻和熱電偶進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換［21］；熱管冷卻多級熱電偶轉(zhuǎn)換電源系統(tǒng)（a Heat Pipe-Segmented Thermoelectric Module Converters，HPSTMCs）采用液態(tài)金屬Li熱管冷卻和多級熱電偶進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換［22］等。

3 結(jié)語

本文針對不同的熱管核反應(yīng)堆進(jìn)行了調(diào)研，期望通過本文可以幫助人們加深對熱管核反應(yīng)堆的認(rèn)識，進(jìn)一步推動熱管空間核反應(yīng)堆的研究工作，主要結(jié)論總結(jié)如下：

1）熱管式反應(yīng)堆具有研發(fā)周期短、費用低、安全簡單等特點，可以滿足小型深空探測任務(wù)對電源的要求，是未來深空探測的首選方式之一。

2）熱管式反應(yīng)堆與傳統(tǒng)的反應(yīng)堆設(shè)計方式不同，采用模塊化設(shè)計，分別針對不同模塊進(jìn)行改進(jìn)，降低了整體系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)安全性。

3）熱管反應(yīng)堆設(shè)計具有極強的靈活性和創(chuàng)新性，采用不同的堿金屬熱管和熱電轉(zhuǎn)換方式對于系統(tǒng)功率和整個系統(tǒng)質(zhì)量等各方面都有著直接的影響，其中熱電轉(zhuǎn)換器對于整個系統(tǒng)的壽命起著決定性因素，可以嘗試熱管與多種不同熱電轉(zhuǎn)換方式結(jié)合，所以熱管反應(yīng)堆在未來還有極大的發(fā)展空間和潛力。

4）除了Kilopower項目，熱管核反應(yīng)堆大多停留在理論研究和概念設(shè)計階段，各國仍需要進(jìn)行深入的研究使其在未來深空探測任務(wù)中承擔(dān)更加重要的角色。