低濃鈾核熱火箭堆芯研究設(shè)計(jì)進(jìn)展

趙潤喆，霍紅磊，趙愛虎，解家春，呂 征

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

核熱火箭的原理是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的裂變熱能把工作介質(zhì)(推進(jìn)劑)加熱到極高溫度，然后將高溫高壓的工作介質(zhì)從噴管高速噴出，從而產(chǎn)生巨大推力[1].這種推進(jìn)方式具有推力大、比沖高的特點(diǎn)，可以很好的滿足一些長距離、高載荷的空間任務(wù)需求.歷史上美國和前蘇聯(lián)開展過核熱火箭相關(guān)研究，比較著名的有ROVER、NERVA計(jì)劃.核熱火箭反應(yīng)堆屬于空間堆，其堆芯的質(zhì)量和體積越小越好，高濃鈾快堆方案結(jié)構(gòu)簡單，在這方面有著性能上的優(yōu)勢(shì)，美俄早期設(shè)計(jì)和發(fā)射的空間堆均采用這種堆型.而如今國際上開始提出低濃鈾方案，也就是要求燃料中235U富集度小于20%，主要是受到當(dāng)前低濃化趨勢(shì)及研究需求等方面的影響.本文將介紹核熱火箭低濃化的起因，并對(duì)現(xiàn)有的低濃鈾核熱火箭方案進(jìn)行整理，總結(jié)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)與趨勢(shì)，旨在為今后開展設(shè)計(jì)工作提供參考.

1 低濃化趨勢(shì)

低濃化最早是從地面堆開始，是出于防核擴(kuò)散的考慮.1978年印度進(jìn)行了核試驗(yàn)，美國受此影響啟動(dòng)了RERTR項(xiàng)目，用于開發(fā)轉(zhuǎn)換研究實(shí)驗(yàn)堆和醫(yī)用同位素生產(chǎn)堆所用的低濃鈾燃料元件所需的必要技術(shù)，來減少甚至消除民用高濃鈾的使用[2].截止2005年完成了106個(gè)研究堆和試驗(yàn)堆的低濃化.我國雖然沒有參與RERTR項(xiàng)目，但作為負(fù)責(zé)任的核大國，在國內(nèi)完成原型微堆低濃化，在國際上幫助巴基斯坦、加納、尼日利亞等國家進(jìn)行微堆低濃化工作.

核熱火箭作為空間堆，其低濃化除了防核擴(kuò)散外，也有著特殊的原因.1988年里根政府制定政策，要求提高商業(yè)機(jī)構(gòu)在政府太空項(xiàng)目中的參與度，典型案例如SpaceX與NASA的合作[3-4].在空間核動(dòng)力領(lǐng)域也有公司開始提出自己的堆型方案[5]，而對(duì)于商業(yè)公司而言，高濃鈾政治風(fēng)險(xiǎn)和成本都太高了.另一方面美國和韓國在進(jìn)行核熱火箭方案研究合作[6]，而在和無核武國家技術(shù)合作時(shí)，低濃鈾方案是唯一選擇.2020年，美國發(fā)布的《第六號(hào)太空政策指令——空間核電源和核推進(jìn)國家戰(zhàn)略》規(guī)定[7]，“在空間核電源和核推進(jìn)系統(tǒng)中，使用高濃鈾應(yīng)限于使用其他核燃料或非核動(dòng)力源無法完成任務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景”.這意味著美國在將來的空間核動(dòng)力研究中會(huì)優(yōu)先考慮低濃鈾.

核熱火箭堆芯的低濃化研究是國際上近年來提出的新興研究方向，目前還沒有統(tǒng)一的原則與要求.這里參考地面堆低濃化原則[8]，對(duì)核熱火箭低濃化從安全、可靠和性能三方面提出要求：(1)保證特殊臨界安全，熱工溫度限值基本不變；(2)盡量采用較為成熟的堆芯燃料、慢化劑，保證其可靠性；(3)反應(yīng)堆體積質(zhì)量增加在合理范圍以內(nèi).

2 堆芯方案的發(fā)展

目前公開進(jìn)行低濃鈾核熱火箭研究的主要有美國和韓國，近年在國際會(huì)議、期刊上提出了多種堆芯方案.本節(jié)將對(duì)已有方案進(jìn)行匯總，并介紹幾種典型設(shè)計(jì).

2.1 方案整理

將現(xiàn)有方案的主要參數(shù)進(jìn)行整理，如表1所示.表中NERVA型Cermet[9]，SCCTE[10-11]，NERVA型Composite[12]，SULEU[13]和Cer20[14]五個(gè)方案是基于NERVA時(shí)期的成果改進(jìn)而來，而KANUTER-LEU[15]，INsTAR[16]，極高溫型[17]和平板型[18]四個(gè)堆型是立足于新技術(shù)提出的新型方案.其中Cer20和Cer93是David Poston在進(jìn)行高濃鈾和低濃鈾比較時(shí)設(shè)計(jì)的堆型，Cer93是用于對(duì)比的235U富集度為93%的高濃鈾方案，另外由于兩者的堆芯質(zhì)量在文獻(xiàn)中只有包含屏蔽時(shí)的數(shù)據(jù)，注意表中給出的是含屏蔽的質(zhì)量值.

表1 各種低濃鈾核熱火箭堆芯方案主要參數(shù)對(duì)比

改進(jìn)型方案的特點(diǎn)是燃料元件和慢化劑元件均為六棱柱型，兩者根據(jù)一定的排布規(guī)律構(gòu)成堆芯活性區(qū)，而新型方案則在燃料材料或元件結(jié)構(gòu)上有一定創(chuàng)新，如INsTAR屬于球床堆.改進(jìn)型方案由于有高濃鈾技術(shù)基礎(chǔ)，可行性較高且方案設(shè)計(jì)也更為完整，而新型方案大部分處于概念研究階段，可行性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，方案中也有較多參數(shù)沒有給出.接下來對(duì)其中幾個(gè)代表堆型進(jìn)行介紹.

2.2 SCCTE與SULEU

SCCTE(Space Capable Cryogenic Thermal Engine)是美國太空核研究中心(CSNR)和NASA的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center，MSFC)于2015年合作提出的方案[10-11].該方案采用低濃鈾鎢基Cermet燃料，燃料元件為六棱柱結(jié)構(gòu)，對(duì)邊距3.1 cm，長97 cm，其中留有61個(gè)冷卻劑孔道，孔道外壁有0.17 mm厚的W涂層.燃料成分為40%體積的W，60%體積的氧化物(UO2和ThO2).U-235富集度在13.13%～19.75%之間，W-184的富集度為98%.慢化劑元件外型尺寸與燃料元件相同，內(nèi)部為筒狀結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)及材料組成如圖1所示，其中慢化劑材料為ZrH1.8，而作為熱絕緣的碳化鋯為多孔材料，材料密度為理論密度的50%.

圖1 SCCTE燃料元件與慢化劑元件截面圖

該方案幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示.活性區(qū)由151根燃料元件和150根慢化劑元件按照靶型排布而成，堆芯容器材料為Al-2024.活性區(qū)軸向上方反射層材料為BeO，徑向反射層材料為Be，同時(shí)內(nèi)部均勻分布著14個(gè)轉(zhuǎn)鼓作為控制機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)鼓表層吸收體為B4C.

圖2 SCCTE幾何結(jié)構(gòu)圖

SULEU(Superb Use of Low Enriched Uranium)是韓國高等科學(xué)技術(shù)研究所(KAIST)于2015年提出的方案[13].該方案提出的契機(jī)是為了與SCCTE方案做對(duì)比，兩者在結(jié)構(gòu)上有很多相似之處，設(shè)計(jì)比沖、推力、功率和燃料最高溫度也基本一致.雙方最大區(qū)別是選用的燃料不同，SULEU采用的是(U，Zr)C-石墨復(fù)合燃料.

燃料元件和慢化劑元件如圖3所示.在(U，Zr)C-石墨復(fù)合燃料中，碳化物占體積比35%，U-235富集度19.75%.燃料元件為六棱柱，對(duì)邊距1.905 cm，其中開了19個(gè)冷卻劑孔道，孔洞直徑0.115 cm.由于石墨復(fù)合燃料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，這里的慢化劑元件也起到支撐堆芯的作用，因而也可以稱為支撐管.

圖3 SULEU燃料元件和慢化劑元件橫截面

反應(yīng)堆的截面圖如圖4所示.堆芯內(nèi)側(cè)燃料元件與慢化劑元件為2比1排布，靠近外側(cè)為1比1靶型排布，總共采用了600根燃料元件和472根慢化劑元件，整個(gè)活性區(qū)半徑33 cm.徑向反射層厚度為11 cm，內(nèi)有16個(gè)轉(zhuǎn)鼓作為控制系統(tǒng).

圖4 SULEU堆型截面圖

SULEU與SCCTE參數(shù)對(duì)比如表2所示.SULEU顯著降低了堆芯中易裂變核素的質(zhì)量，U-235總質(zhì)量為18.1 kg，同時(shí)沒有184W富集的問題，堆芯質(zhì)量(不含屏蔽)比SCCTE略輕[19].兩者作為基于高濃鈾堆型進(jìn)行低濃化改造的方案，主要改變是加裝了慢化劑以軟化能譜，并替換部分結(jié)構(gòu)材料以降低熱中子吸收，如將因科鎳替換為鋯合金.相比高濃鈾方案體積、質(zhì)量均有所增大.

表2 SULEU與SCCTE參數(shù)對(duì)比

2.3 KANUTER-LEU

韓國先進(jìn)核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(KANUTER-LEU)是由韓國KAIST于2015年設(shè)計(jì)提出的方案[15]，采用極高溫氣冷反應(yīng)堆(EHTGR)作為堆芯.這是一個(gè)雙模反應(yīng)堆，除推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)外還包含發(fā)電機(jī)回路，既可以推進(jìn)又可以發(fā)電，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示.該反應(yīng)堆采用W-UO2Cermet燃料，7LiH作為慢化劑.

該反應(yīng)堆采用了集成化燃料組件設(shè)計(jì)，如圖6所示.Cermet燃料的組成為45vol%的W、55vol%的UO2，UO2中有6mol%的ThO2作為粘合劑，U-235富集度為19.5%.組件中央是柵格型燃料元件，柵格中有方形燃料冷卻劑通道(FCC)；外側(cè)為慢化劑區(qū)域，由兩層壓力管作為結(jié)構(gòu)支撐，其中分布了環(huán)形慢化劑冷卻通道(MCC).

其堆芯結(jié)構(gòu)如圖7所示，EHTGR的堆芯由61個(gè)集成的燃料組件以六棱柱模式排布而成，外圍有Be作為墊片.Be墊片中有結(jié)構(gòu)材料冷卻通道(SCC)，用來冷卻燃料元件外面的結(jié)構(gòu)部件和慢化劑.為了減少中子泄漏，堆芯外環(huán)繞著7LiH -Be-C/C材料的反射層.另一方面，Be-C/C反射層也充當(dāng)反應(yīng)堆壓力容器.反射層中有環(huán)形的反射層冷卻通道(RCC)，位于7LiH和Be之間.在反射層中布置了12個(gè)控制鼓，吸收體為碳化硼.EHTGR-LEU(堆芯)和KANUTER-LEU(系統(tǒng))的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3、表4所示.

圖7 EHTGR 堆芯布置圖

表3 EHTGR-LEU設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 KANUTER-LEU設(shè)計(jì)參數(shù)

該方案的特點(diǎn)是質(zhì)量很輕，這是因?yàn)椴捎昧司o湊的換熱結(jié)構(gòu)，且使用LiH作為慢化劑.由于其在堆芯各區(qū)域布置了豐富的冷卻通道，可以更為有效地導(dǎo)出燃料裂變產(chǎn)生的熱量，并避免慢化劑等材料過熱.慢化劑采用LiH相比傳統(tǒng)的氫化鋯密度更低，但同時(shí)帶來的問題是需要進(jìn)行Li-7富集，因?yàn)長i-6會(huì)與中子反應(yīng)，造成很強(qiáng)的負(fù)反應(yīng)性.

3 總 結(jié)

通過對(duì)國外已開展相關(guān)研究工作的調(diào)研與分析，可以得到以下幾點(diǎn)啟示：

(1)大部分方案在已有的高濃鈾方案上改進(jìn)而來.在降低U-235富集度后，U-235密度變低，為提高反應(yīng)率需要軟化能譜.和高濃鈾方案相比，低濃鈾方案的堆芯總質(zhì)量有所提高，但U-235裝量大幅減少.

(2)慢化劑裝量提高.提高的方法有：在堆芯中加入更多慢化劑元件；增大慢化劑元件中慢化劑體積；提高氫化鋯含氫量，原來采用的是ZrH1.6，有的方案提高到了ZrH2.0.

(3)部分材料需要富集.為了降低材料熱中子吸收，堆芯中對(duì)部分材料都進(jìn)行了同位素富集，如184W，7Li.

(4)火箭系統(tǒng)性能與燃料形式密切相關(guān).燃料形式影響其最高工作溫度，進(jìn)而影響工質(zhì)出口溫度，從而影響系統(tǒng)比沖.Cermet燃料和碳化物復(fù)合燃料堆芯系統(tǒng)比沖在900s左右，帶W包殼的金屬U顆粒球床堆可以達(dá)到1 000 s.

(5)采用全新設(shè)計(jì)思路的堆型在體積質(zhì)量、簡化結(jié)構(gòu)等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)技術(shù)成熟度較低.

目前低濃鈾核熱火箭仍屬于初步研究階段，在向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)過程中會(huì)面臨許多問題.ROVER、NERVA時(shí)期的高濃鈾方案做出了地面試驗(yàn)裝置，其燃料和其它部件是經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的，而低濃化改造方案對(duì)材料進(jìn)行一系列修改，如SCCTE方案中W-184的富集達(dá)到了98%，這在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)成本高昂.對(duì)于新型方案，其采用的特殊燃料材料、元件及換熱結(jié)構(gòu)更是需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證.

核熱火箭是未來空間探索必不可少的技術(shù).隨著空間探索的深入，化學(xué)能和太陽能越來越難以滿足推進(jìn)要求，核熱火箭則能很好的承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù).低濃鈾方案可以減輕核擴(kuò)散壓力，降低安防成本，也是商業(yè)化、民用化方向應(yīng)用的切入點(diǎn).目前低濃鈾核熱火箭技術(shù)尚處于概念或初步設(shè)計(jì)階段，開展相關(guān)設(shè)計(jì)研究可以及時(shí)占據(jù)國際領(lǐng)先地位，助力我國空間核動(dòng)力事業(yè)發(fā)展.