同位素?zé)嵩椿馂?zāi)事故環(huán)境模擬試驗(yàn)及仿真分析

胡宇鵬，王易君，王 澤，向延華，李 鑫，朱長春，胡文軍，胡紹全，唐 顯

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999; 2.中國原子能科學(xué)研究院 同位素研究所，北京 102413)

放射性同位素自發(fā)衰變輻射出的含能粒子在材料中沉積能量的一部分將會轉(zhuǎn)換為熱能，利用賽貝克效應(yīng)可將該部分熱能轉(zhuǎn)換成電能，將其作為熱源或電源使用具有體積小、壽命長、不受環(huán)境影響、無需維護(hù)等特點(diǎn)。因此，放射性同位素?zé)嵩?RHU)和放射性同位素溫差電池(RTG)作為理想的空間能源廣泛應(yīng)用于包括月球在內(nèi)的星球自動觀察、內(nèi)行星飛行和外行星探測，尤其是太陽能使用受限的深空探測任務(wù)[1-3]。美國自20世紀(jì)60年代以來已在29次空間任務(wù)中采用了RHU/RTG裝置，并在輸出功率、工作壽命等指標(biāo)上不斷提升[4]。俄羅斯20世紀(jì)90年代以“火星-16”任務(wù)為起點(diǎn)，也開啟了空間RHU/RTG的研制進(jìn)程[5]。

安全性一直是空間核動力裝置使用的優(yōu)先考慮因素，聯(lián)合國特別頒布了《關(guān)于在外層空間使用核動力源的原則》[6]以對空間核能安全利用做出規(guī)定。美俄在空間RHU/RTG研制過程中都制定了嚴(yán)格的安全條件測試項(xiàng)目，對相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，開展了大量環(huán)境試驗(yàn)以考核空間RHU/RTG的安全性[7-10]。

我國正在實(shí)施深空探測工程，為支撐空間RHU/RTG安全評估工作，亟需開展空間RHU/RTG安全性試驗(yàn)技術(shù)研究[11-12]。目前，國內(nèi)針對模擬驗(yàn)證空間RHU意外再入返回的高速撞擊試驗(yàn)技術(shù)已有較系統(tǒng)的研究[13]。針對空間RTG/RHU運(yùn)輸、發(fā)射等任務(wù)剖面可能遭受的火災(zāi)事故場景，需開展火災(zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)以考核空間RHU/RTG火災(zāi)事故場景的安全性，但目前相關(guān)研究較缺乏。我國關(guān)于空間RHU/RTG的安全性環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的研究剛起步，由于技術(shù)封鎖，很難借鑒美俄相關(guān)成功案列開展相關(guān)試驗(yàn)[14]。本文擬在詳述RHU火災(zāi)事故地面模擬試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對其中涉及的關(guān)鍵熱物理問題進(jìn)行深入討論，圍繞空間RHU火災(zāi)試驗(yàn)開展數(shù)值仿真分析及試驗(yàn)研究，為空間RHU異常環(huán)境安全性研究提供參考。

1 空間同位素?zé)嵩?/h2>

1.1 熱源結(jié)構(gòu)

RTG能同時(shí)輸出電能和熱能，典型的RTG由RHU、熱電轉(zhuǎn)換器和輻射散熱器3部分組成，其中RHU是其核心部件，也是環(huán)境試驗(yàn)重點(diǎn)考核部件。RHU具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括放射性同位素芯塊、結(jié)構(gòu)層、內(nèi)密封層、隔熱層及燒蝕層。其中，結(jié)構(gòu)層為芯塊的直接包覆層，在各類異常事故安全性試驗(yàn)考核中，其是否破損或是否會引起放射性物質(zhì)泄漏為主要考核指標(biāo)。

圖1 RHU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 RHU structure diagram

1.2 熱源狀態(tài)

空間用RHU必須兼顧安全性和比功率大、半衰期長等要求，238Pu因其半衰期長(T1/2≈87.7 a)、比功率高(約0.50 W/g)、熔點(diǎn)高(約2 240 ℃)等特點(diǎn)[15]，是目前最合適空間應(yīng)用的同位素。放射性同位素芯塊的運(yùn)行溫度常根據(jù)設(shè)計(jì)的發(fā)熱功率、源盒材料等具體指標(biāo)確定。由熱力學(xué)分析可知，熱源運(yùn)行溫度越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，但熱源運(yùn)行溫度太高又會帶來放射性泄漏或源盒損害。當(dāng)前，RHU的運(yùn)行溫度最高不超過1 500 ℃。

238Pu屬高放射性物質(zhì)，為保證試驗(yàn)的安全性，在試驗(yàn)中往往采用結(jié)構(gòu)模擬件代替真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。RHU火災(zāi)事故環(huán)境安全性試驗(yàn)的目的是考核試驗(yàn)產(chǎn)品在經(jīng)受火災(zāi)高溫環(huán)境下是否會發(fā)生泄漏，即主要考核RHU結(jié)構(gòu)層在火災(zāi)高溫環(huán)境下的完整性。

2 空間同位素?zé)嵩椿馂?zāi)事故模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對于模擬樣品，其本身不會像真實(shí)產(chǎn)品因238Pu熱源而處于較高溫度狀態(tài)。在空間RHU火災(zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)前，需根據(jù)研制要求視情況考慮對結(jié)構(gòu)模擬件進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，以使模擬樣品的結(jié)構(gòu)層具有與真實(shí)熱源結(jié)構(gòu)層相同的溫度，當(dāng)結(jié)構(gòu)模擬件被加熱至目標(biāo)溫度后，再進(jìn)行火災(zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)熱加載裝置如圖2所示，采用電阻爐對RHU結(jié)構(gòu)模擬件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱目標(biāo)溫度根據(jù)不同型號空間RHU的發(fā)熱功率確定。試件達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度并平衡后，需轉(zhuǎn)至油池火燒試驗(yàn)裝置進(jìn)行火災(zāi)熱加載。為真實(shí)地模擬火災(zāi)事故環(huán)境，采用池火方式對預(yù)熱后的試件進(jìn)行火焰加熱?；馃到y(tǒng)由油池、油源、點(diǎn)火裝置等組成，且處于開闊地帶，周圍無遮攔物和可燃物。油池火焰屬于擴(kuò)散火焰，需設(shè)計(jì)合適的油池大小以及試件與油面的相對高度，以確保試件外表面的被覆火焰厚度在1～3 m之間。

圖2 試驗(yàn)熱加載裝置示意圖Fig.2 Test heat loading installation diagram

溫度測試系統(tǒng)包括火焰溫度測試和試件表面溫度測試。對于火焰溫度測試，采用K型熱電偶(絲徑不大于1 mm)對火焰場中的不同幾何分布位置特征點(diǎn)進(jìn)行溫度測量。同時(shí)，采用紅外熱像儀對整個(gè)火焰場進(jìn)行觀測。對于試件表面溫度測試，采用絲徑更小的K型熱電偶(0.4～0.8 mm)進(jìn)行測量。熱電偶產(chǎn)生的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

3 數(shù)值仿真分析

空間RHU火災(zāi)事故環(huán)境模擬試驗(yàn)屬首次開展的火燒安全性試驗(yàn)，需在試驗(yàn)前對試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真預(yù)測，掌握關(guān)鍵階段模擬樣品的熱響應(yīng)特性，對試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行把控，從而指導(dǎo)試驗(yàn)的開展。RHU火災(zāi)事故場景模擬試驗(yàn)主要涉及兩個(gè)環(huán)節(jié)：1) 預(yù)熱環(huán)節(jié)，將模擬樣品預(yù)熱至目標(biāo)溫度；2) 火燒環(huán)節(jié)，對模擬樣品進(jìn)行火焰加載。其中，預(yù)熱環(huán)節(jié)根據(jù)研制階段需求決定是否需要進(jìn)行。對試驗(yàn)中模擬樣品的熱物理過程進(jìn)行分析辨識，可知影響模擬樣品火災(zāi)模擬試驗(yàn)熱響應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有：1) 經(jīng)預(yù)熱后高溫模擬樣品向外輻射、空氣對流換熱冷卻以及內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱；2) 火燒階段高溫火焰的熱輻射、煙氣的對流換熱以及內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱。

其中，池火焰對模擬樣品的熱加載主要體現(xiàn)在高溫火焰的輻射和對流，在考慮火焰對模擬樣品的傳熱時(shí)作如下假設(shè)：1) 火焰具有等溫性，即火焰環(huán)境中的溫度分布相同；2) 火焰燃燒產(chǎn)生的煙氣視為灰體；3) 忽略火焰的散射作用。

傳入模擬樣品的熱量可表示為：

q=qrad+qconv

(1)

式中：q為傳入的總熱量，W；qrad為輻射傳熱量，W；qconv為對流傳熱量，W。

根據(jù)傳熱學(xué)，qrad和qconv可進(jìn)一步表示為：

(2)

qconv=hfA(Tf-Ts)

(3)

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；A為傳熱面積，m2；F為視角系數(shù)，取值為1；εf為火焰輻射率；εs為試件外壁輻射率；Tf為火焰溫度，K；Ts為容器壁面溫度，K；hf為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

由此，傳入模擬樣品外壁的總熱量可表示為：

(4)

基于上述分析，建立空間RHU有限元模型，并開展空間RHU火災(zāi)環(huán)境熱響應(yīng)數(shù)值仿真。

3.1 預(yù)熱階段

空間RHU結(jié)構(gòu)模擬件在熱加載后處于高溫，在轉(zhuǎn)入火燒場過程中因向環(huán)境輻射及空氣對流極易被冷卻至目標(biāo)溫度以下，從而造成欠考核，需對預(yù)熱完成后的模擬樣品在轉(zhuǎn)運(yùn)中的溫度變化情況進(jìn)行討論。

預(yù)熱溫度為1 100 ℃、環(huán)境溫度為25 ℃、空氣對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)、輻射率為0.75時(shí)典型工況下模擬樣品放置于空氣中后不同時(shí)刻的溫度場分布示于圖3。模擬樣品置于空氣10 s時(shí)，燒蝕層溫度已有較大下降，特別是上下邊壁處。隨后，各層溫度進(jìn)一步下降且趨于均勻。

圖3 RHU模擬樣品置于空氣中溫度場Fig.3 Temperature distribution of RHU simulated sample in air

與圖3對應(yīng)的模擬樣品各層平均溫度隨時(shí)間的變化示于圖4。由圖4可知，模擬樣品的燒蝕層和隔熱層溫度隨時(shí)間的推移變化最明顯，且變化趨勢基本相同，樣品剛置于空氣中時(shí)，溫度下降速率較大，隨著時(shí)間的推移，溫度下降速率逐漸減緩，300 s時(shí)溫度降至478.7 ℃。相比之下，結(jié)構(gòu)層和內(nèi)密封層溫度基本一致，且在120 s內(nèi)幾乎沒有溫降，300 s時(shí)溫度也僅降至1 077.5 ℃，與目標(biāo)預(yù)熱溫度相比下降2%，滿足工程允差要求。如轉(zhuǎn)移時(shí)間進(jìn)一步延長，各層溫度繼續(xù)下降，但趨勢有所減緩，直至1 100 s以后溫度基本趨于平緩，結(jié)構(gòu)層溫度在910.5 ℃左右，燒蝕層已降至295.2 ℃左右。整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，放射性同位素芯塊內(nèi)部幾乎沒有溫降，但邊界溫度已降至826.3 ℃，平均溫度仍在1 021.1 ℃左右。綜上，轉(zhuǎn)移時(shí)間宜在5 min以內(nèi)。

圖4 RHU模擬樣品轉(zhuǎn)移階段各層溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of each layer temperature of RHU simulated sample in air during transfer stage

空間RHU火災(zāi)模擬試驗(yàn)預(yù)熱階段需考慮RHU型號、試驗(yàn)環(huán)境等的影響。型號因素可分解為預(yù)熱目標(biāo)溫度、表面輻射率等(不同型號RHU工作溫度以及本質(zhì)設(shè)計(jì)不同)；試驗(yàn)環(huán)境因素可分解為環(huán)境溫度、空氣對流換熱系數(shù)。在前述典型工況(預(yù)熱溫度1 100 ℃、環(huán)境溫度25 ℃、空氣對流換熱系數(shù)5 W/(m2·K)、輻射率0.75)基礎(chǔ)上，改變?nèi)我灰蛩?，對各因素的影響?guī)律系統(tǒng)研究，結(jié)果示于圖5。由圖5可知，預(yù)熱目標(biāo)溫度越高，模擬樣品各層溫度在轉(zhuǎn)移過程中溫降越大；模擬樣品表面輻射率和空氣對流換熱系數(shù)主要影響燒蝕層溫度，對結(jié)構(gòu)層溫度有一定影響；環(huán)境溫度對各層溫度影響較小。比較各因素下預(yù)熱目標(biāo)溫度與結(jié)構(gòu)層溫差情況可知，為防止轉(zhuǎn)移過程中的溫降，可使實(shí)際預(yù)熱溫度高于RHU運(yùn)行溫度約20～30 ℃。

圖5 RHU模擬樣品轉(zhuǎn)移階段溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of temperature of RHU simulated sample in air during transfer stage

3.2 火燒階段

影響火燒試驗(yàn)熱加載溫度的主要因素是燃料類型，地面運(yùn)輸火災(zāi)事故主要為烴類燃料燃燒，溫度一般在800～1 200 ℃，發(fā)射場火災(zāi)事故主要為固體/液體推進(jìn)劑燃燒，溫度可達(dá)2 000 ℃。綜合考慮空間RHU運(yùn)輸任務(wù)剖面下的運(yùn)輸工具燃料箱、運(yùn)輸保障條件及發(fā)射場事故場景，確定火燒試驗(yàn)時(shí)間為1 h。分別對處于火燒階段環(huán)境溫度模擬樣品和經(jīng)過預(yù)熱的模擬樣品進(jìn)行數(shù)值仿真分析，結(jié)果示于圖6。對于初始溫度為環(huán)境溫度的RHU烴類燃料燃燒，在火燒剛開始階段，燒蝕層溫度迅速上升，60 s時(shí)最高溫度已升至450.3 ℃，325 s時(shí)升至876.3 ℃，隨著時(shí)間的推移，燒蝕層溫度基本穩(wěn)定，略低于火焰溫度，結(jié)構(gòu)層溫度則隨時(shí)間推移而增加。對于初始溫度1 100 ℃的RHU推進(jìn)劑火燒，燒蝕層溫度上升速率更快，在10 s時(shí)最高溫度已達(dá)1 587.2 ℃。同樣地，各層溫度隨時(shí)間的推移較烴類燃料火燒情況上升更快。

a、b、c——初始溫度25 ℃，火焰溫度900 ℃；d、e、f——初始溫度1 100 ℃，火焰溫度2 000 ℃圖6 RHU模擬樣品火燒環(huán)境下的溫度場Fig.6 Temperature distribution of RHU simulated sample in fire

RHU模擬樣品相應(yīng)各層平均溫度變化規(guī)律示于圖7。由圖7可知，兩類火燒試驗(yàn)RHU燒蝕層溫度增長速率在火燒試驗(yàn)初期較大，結(jié)構(gòu)層溫度上升速率相對較小，但發(fā)射場事故場景模擬環(huán)境試驗(yàn)下的相應(yīng)溫升速率較運(yùn)輸事故場景模擬環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果大。運(yùn)輸事故場景下，放射性同位素芯塊經(jīng)歷1 h火燒后溫度幾乎沒有變化，而發(fā)射場事故場景下放射性同位素芯塊雖然內(nèi)部中心位置溫度變化不大，但靠近結(jié)構(gòu)層部分溫度已有較大提升，即平均溫度有一定提升，但仍處于安全范圍，說明RHU的熱防護(hù)設(shè)計(jì)在兩類火災(zāi)事故場景下效果都較好。

圖7 RHU模擬樣品火燒環(huán)境的溫度變化規(guī)律Fig.7 Variation of temperature of RHU simulated sample in fire

4 火災(zāi)模擬試驗(yàn)

以上述仿真分析為理論參考，對某型空間RHU進(jìn)行火災(zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)，燃料選用航空煤油，模擬樣品共2 枚?；鹧鏈囟葓鍪居趫D8，火焰呈現(xiàn)火羽流形態(tài)，火舌從燃油表面垂直上升并在上方出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由火焰卷吸誘導(dǎo)引入的空氣引起的。

圖8 火焰溫度場Fig.8 Temperature distribution of the fire

試驗(yàn)測試的火焰場溫度信息示于圖9。圖9a為火焰場不同位置溫度的測試信息，以及平均溫度(Tave)隨時(shí)間的變化規(guī)律，T1測點(diǎn)位于距離油面0.8 m處，T2測點(diǎn)位于距離油面1.2 m處。點(diǎn)火后，火焰溫度在40 s內(nèi)迅速升至914 ℃，隨后火焰穩(wěn)定燃燒，測點(diǎn)溫度時(shí)均值基本在850 ℃以上。各測點(diǎn)溫度基本一致，表明火焰場溫度在時(shí)間與空間維度均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性分布。T1測點(diǎn)溫度(T1)高于T2測點(diǎn)溫度(T2)，說明在火焰高度適當(dāng)范圍內(nèi)，隨著火焰高度的增加，火焰溫度呈下降趨勢。圖9b為火焰溫度頻域特征，油池火焰產(chǎn)生的火羽流具有不同的湍流頻率，主頻僅為0.001 19 Hz，這是由于沿浮力羽流外側(cè)卷起的大渦將空氣卷吸到羽流中，從而呈現(xiàn)周圍空氣被火焰整體吞沒的大尺度-低頻率擾動特征。

圖9 火焰場溫度信息Fig.9 Information of thermal field of fire

試驗(yàn)件表面溫度測試結(jié)果示于圖10。由圖10可知，結(jié)構(gòu)模擬件表面溫度變化與火焰溫度基本一致。在火焰燃燒初始階段，當(dāng)火焰達(dá)到較高溫度且趨于平衡時(shí)(890 s)，試件表面溫度約為700 ℃；隨后溫度繼續(xù)上升，基本穩(wěn)定在800～900 ℃，與數(shù)值仿真結(jié)果符合程度較好；當(dāng)燃燒結(jié)束時(shí)(5 400 s)，試件表面溫度約為440 ℃，直至火焰熄滅30 min后(7 200 s)，試件表面溫度降至180 ℃。另外，兩枚試件不同測點(diǎn)溫度變化趨勢及各測點(diǎn)的差異大致相同，再次說明火焰場溫度均勻，對試件包覆性較好。

圖10 結(jié)構(gòu)模擬件表面溫度變化Fig.10 Temperature variation of RHU simulated sample surface in fire test

試驗(yàn)后，對兩枚試件進(jìn)行了檢測，整體結(jié)構(gòu)良好。綜上可知，試驗(yàn)達(dá)到了空間RHU火災(zāi)事故場景安全性考核的目的，同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果。

5 結(jié)論

針對空間同位素?zé)嵩椿馂?zāi)事故環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)開展了系統(tǒng)研究，提出了適用于空間RHU火災(zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)方法，對試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)空間RHU熱響應(yīng)特征進(jìn)行了仿真分析，并將其用于某型空間RHU火災(zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

1) 空間RHU火災(zāi)事故環(huán)境模擬試驗(yàn)方法如下：(1) 采用加熱爐對空間RHU結(jié)構(gòu)模擬件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)較RHU運(yùn)行溫度高約20～30 ℃；(2) 采用池火方式對試件進(jìn)行火焰加載，需確保試件被火焰完全包覆；(3) 試驗(yàn)中需對火焰場及試驗(yàn)件表面進(jìn)行溫度測試。

2) 采用所建立的空間RHU結(jié)構(gòu)模擬件導(dǎo)熱、對流、輻射耦合傳熱物理數(shù)學(xué)模型對試件預(yù)熱后轉(zhuǎn)移、火燒等關(guān)鍵階段試件傳熱特性的仿真結(jié)果表明，預(yù)熱目標(biāo)溫度對試件熱響應(yīng)特性影響較大，試件表面輻射率和空氣對流換熱系數(shù)主要影響燒蝕層溫度，轉(zhuǎn)移過程應(yīng)在5 min以內(nèi)；火燒環(huán)境下，燒蝕層溫度上升速率較快，推進(jìn)劑燃燒情況下各層溫升速率較烴類燃料火燒情況快，但放射性同位素芯塊處于安全溫度范圍。

3) 某型號空間同位素?zé)嵩椿馂?zāi)環(huán)境模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，火焰呈現(xiàn)火羽流形態(tài)，具有大尺度-低頻率擾動特征。試件熱響應(yīng)特性基本與火焰溫度一致。燃燒結(jié)束時(shí)，試件表面溫度約為440 ℃，火焰熄滅30 min后，試件表面溫度降至180 ℃。試驗(yàn)后的試件整體結(jié)構(gòu)良好。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真較為符合。