空間鋰?yán)浜朔磻?yīng)堆鋰解凍方案探析

李 清，李來(lái)冬，劉金宏，葛思淼，胡 古

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

為了進(jìn)一步提高空間核反應(yīng)堆電源輸出功率和能量轉(zhuǎn)化率效率，需要大幅度提高反應(yīng)堆出口溫度，鋰工質(zhì)成為高溫反應(yīng)堆的重要選擇之一。鋰作為空間核反應(yīng)的冷卻工質(zhì)有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)：載熱密度大，沸點(diǎn)高，密度低，導(dǎo)熱性能好等等。鋰?yán)涠巡⒉皇且粋€(gè)特別新穎的課題，對(duì)于鋰?yán)涠褔?guó)內(nèi)外亦有許多相關(guān)的工作或研究。與Na-K工質(zhì)相比，使用鋰作為冷卻劑需面對(duì)一個(gè)問(wèn)題：鋰高達(dá)454K的熔點(diǎn)使其常溫下成固態(tài)，為了保證反應(yīng)堆正常啟動(dòng)到達(dá)額定功率，必須首先對(duì)鋰進(jìn)行解凍工作。鋰的地面解凍不存在技術(shù)難度，用密閉容器電加熱即可，然而在太空之中對(duì)鋰?yán)涠训慕鈨鰟t存在諸多問(wèn)題[1-4]。

對(duì)于液體金屬鋰?yán)鋮s劑在空間堆領(lǐng)域的解凍研究，國(guó)內(nèi)基本處于空白狀態(tài)，國(guó)際上也只有美國(guó)在空間核反應(yīng)堆電源SP-100的研制過(guò)程中開(kāi)展了部分相關(guān)工作。核反應(yīng)堆的鋰工質(zhì)解凍涉及到金屬凝固學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、反應(yīng)堆物理、系統(tǒng)布局和設(shè)計(jì)等方方面面的問(wèn)題，具有較高的實(shí)現(xiàn)難度和較復(fù)雜的系統(tǒng)集成問(wèn)題。本文主要針對(duì)美國(guó)在SP-100研制過(guò)程中所取得的相關(guān)研究成果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，而后提出可能的解凍方案設(shè)想，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較和分析。

1 SP-100的解凍方案

SP-100太空核反應(yīng)堆電源最初的任務(wù)是為20世紀(jì)80年代美國(guó)的戰(zhàn)略防御計(jì)劃（SDI）提供軌道電源。其設(shè)計(jì)可覆蓋的功率范圍為10kWe到100kWe，在研制過(guò)程中將100kWe作為典型設(shè)計(jì)方案。該方案采用鋰?yán)鋮s核反應(yīng)堆和靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)主要組件和子系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)滿足用戶的重量限制和功率水平要求。在研發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)系統(tǒng)功能在制造和測(cè)試技術(shù)方面取得了很多重大的進(jìn)展，這些工作對(duì)于滿足任務(wù)的性能、壽命、安全性和可靠性要求來(lái)講至關(guān)重要。

SP-100系統(tǒng)和設(shè)備的功能布局如圖1和圖2。12個(gè)滑動(dòng)反射層確定了反應(yīng)堆的中子狀態(tài)，并由單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別控制，3個(gè)安全棒為一組由單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。反應(yīng)堆通訊多路轉(zhuǎn)換器（MUX）單元與遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制器硬連線，既接收傳感器信息，又向反射層和安全棒驅(qū)動(dòng)器提供控制電源。流入主傳熱系統(tǒng)（PHTS）的冷卻劑鋰首先通過(guò)氣體分離/收集器（GSA），該氣體分離器清除了反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的氦氣氣泡。然后，冷卻劑鋰通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的熱電電磁泵（TEM）流經(jīng)兩個(gè)平行的功率轉(zhuǎn)換器（PCA），在此處，大部分鋰傳輸?shù)臒崃勘幌?，以熱電方式產(chǎn)生系統(tǒng)電力，PCA是包含發(fā)電SiGe熱電電池的組件。主冷卻劑熱量通過(guò)PCA傳給次級(jí)熱傳輸系統(tǒng)（SHTS），次級(jí)熱量傳輸系統(tǒng)隨后將廢熱傳輸?shù)綗峁苌崞鳎瑹峁苌崞鲗U熱傳遞到太空。除PHTS、SHTS和散熱器外，還存在輔助冷卻和解凍（ACT）系統(tǒng)，可以解凍固態(tài)鋰從而使反應(yīng)堆啟動(dòng)，并防止在冷卻劑意外損失（LOCA）期間損壞燃料元件。PHTS和SHTS系統(tǒng)使用鋰作為冷卻劑，可以降低系統(tǒng)質(zhì)量，而ACT系統(tǒng)使用NaK作為冷卻劑以便獲得較低的熔點(diǎn)使其保持液體狀態(tài)。

圖1 SP-100功能布局

圖2 SP-100功能布局

SP-100在環(huán)境溫度（300 K）下發(fā)射，PHTS和SHTS系統(tǒng)中的鋰為固態(tài)，固態(tài)鋰提供了剛性管道和組件，消除了液體晃動(dòng)，從而提供了更安全的發(fā)射條件。進(jìn)入軌道后必須先解凍整個(gè)系統(tǒng)，然后才能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)解凍并加熱到工作溫度1375K時(shí)，其體積膨脹超過(guò)25%，然后在反應(yīng)堆停堆時(shí)因?yàn)槟腆w積收縮超過(guò)20%。為了應(yīng)對(duì)如此劇烈的變化，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能設(shè)備來(lái)適應(yīng)鋰的膨脹和收縮。在PHTS和STHS熱傳輸系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了用于重復(fù)冷凍和解凍循環(huán)的體積補(bǔ)償器。如圖3所示，SP-100設(shè)置這些體積補(bǔ)償器包括：反應(yīng)堆本體1個(gè)解凍/體積補(bǔ)償器、用于PHTS的12個(gè)PCA解凍/體積補(bǔ)償器、用于SHTS的12個(gè)PCA解凍/體積補(bǔ)償器，以及另外用于STHS的12個(gè)固定散熱器處的解凍/體積補(bǔ)償器。正如Cho等人所公開(kāi)的那樣，通過(guò)使用占PHTS總體積的1/3和占SHTS總體積的1/8的體積補(bǔ)償器，來(lái)實(shí)現(xiàn)PHTS系統(tǒng)和SHTS系統(tǒng)的工作壓力在整個(gè)使用壽命中的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。

圖3 SP-100氣體分離器/收集器和體積補(bǔ)償器布局

SP-100設(shè)置了輔助冷卻解凍回路（ACT），ACT系統(tǒng)具有6條獨(dú)立的主回路和12條獨(dú)立的次級(jí)回路，它們均使用NaK作為冷卻劑。如圖4所示，由一條主回路和兩條次級(jí)回路組成一套解凍回路系統(tǒng)，分別與PHTS系統(tǒng)和SHTS系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，其中兩條次級(jí)管路通過(guò)TEM泵和熱電轉(zhuǎn)換器組件（PCA）連接到一條主管路。通過(guò)沿PHTS系統(tǒng)和SHTS系統(tǒng)管路布局的主、次級(jí)ACT系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)鋰的解凍和輔助冷卻。ACT系統(tǒng)回路的冗余設(shè)置使得其中任何一條回路發(fā)生故障均不會(huì)損害解凍功能，同時(shí)可保證LOCA（失水事故）之后排出反應(yīng)堆殘留熱量。由于NaK的低熔點(diǎn)（260K），ACT回路不會(huì)凍結(jié)，并且在反應(yīng)堆啟動(dòng)后立即起作用，僅3個(gè)小時(shí)后，SP-100即可利用ACT系統(tǒng)的PCA提供的電力自我維持，不再需要電池支持。ACT系統(tǒng)使除反應(yīng)堆容器和輻射器之外的所有SP-100組件解凍。反應(yīng)堆容器通過(guò)堆芯核加熱融化，輻射器通過(guò)孔板（bleed-hole）融化[5-6]。

圖4 輔助冷卻和解凍（ACT）回路

堆芯容器的解凍，通過(guò)核加熱將溫度升高至900K。熱量通過(guò)堆芯內(nèi)部ACT主回路的52個(gè)U型管傳遞出來(lái)，堆芯結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖5。這些高溫工質(zhì)沿PHTS管道加熱。二級(jí)ACT回路通過(guò)ACT的TEM泵和ACT的PCA從主回路接收熱量，并在SHTS管道和固定散熱器處加熱。一旦PHTS回路完全融化，就會(huì)開(kāi)始流動(dòng)，但是由于SHTS流動(dòng)散熱不充分，PHTS和SHTS之間的溫差接近零，因此壓頭很低。隨著SHTS系統(tǒng)解凍前沿成功地解凍散熱器解凍孔板，回路冷熱端打通完成循環(huán)。SHTS回路解凍并且通過(guò)固定散熱器開(kāi)始散熱，系統(tǒng)流量增加，反應(yīng)堆熱功率即可隨之增加。之所以在散熱器處添加孔板結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)镾P-100的解凍控制是全自動(dòng)的，依靠溫差發(fā)電的電磁泵會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的溫度對(duì)流量進(jìn)行自動(dòng)控制。此時(shí)為了保證系統(tǒng)的解凍速率與流量相匹配，在散熱器處采取了被稱為“bleed-hole”的孔板結(jié)構(gòu)，來(lái)對(duì)解凍過(guò)程中的系統(tǒng)流量和解凍速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 堆芯結(jié)構(gòu)布置

NaK的低熔點(diǎn)使ACT回路在反應(yīng)堆停堆后仍可保持足夠時(shí)間的熔融狀態(tài)，以便PHTS系統(tǒng)和SHTS系統(tǒng)的鋰重新解凍，保障反應(yīng)堆可重新啟動(dòng)。例如，SP-100在滿負(fù)荷運(yùn)行一年后，由于反應(yīng)堆衰變熱，ACT回路在停機(jī)后2至6個(gè)月仍可繼續(xù)運(yùn)行。另外，反應(yīng)堆再次啟動(dòng)時(shí)ACT系統(tǒng)的PCA可為所有系統(tǒng)提供初期電源[5,7]。

在SP-100的PHTS回路中，為324L的總?cè)萘刻峁┝?06L的解凍/體積補(bǔ)償容量，為SHTS回路372L的總?cè)萘刻峁┝?8L的解凍/體積補(bǔ)償容量。這些解凍/體積補(bǔ)償器的作用是在10年的使用壽命中使得PHTS系統(tǒng)壓力保持在9Psi至22Psi，SHTS系統(tǒng)壓力保持在5Psi。由于在反應(yīng)堆堆芯中的鋰輻照會(huì)產(chǎn)生氦氣，因此PHTS系統(tǒng)壓力會(huì)從開(kāi)始的9Psi逐漸升高，壽期末達(dá)到22Psi。但只要系統(tǒng)中有任何GSA連接到液態(tài)鋰，就可以保持系統(tǒng)的無(wú)空泡狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)堆熱功率降低時(shí)，鋰的溫度也降低并且收縮，解凍/體積補(bǔ)償器中較低的溫度和較大的氣體體積會(huì)降低系統(tǒng)壓力。反應(yīng)堆停堆后，溫度降低，隨著冷凍前沿的發(fā)展，液態(tài)鋰數(shù)量將減少，而解凍/體積補(bǔ)償器的數(shù)量也將減少。當(dāng)最后一個(gè)解凍/體積補(bǔ)償器凍結(jié)時(shí)，剩余的少量液態(tài)鋰在沒(méi)有解凍/體積補(bǔ)償器的情況下開(kāi)始凍結(jié)，并在功率轉(zhuǎn)換器熱交換器中形成小的空泡。這樣形成的空泡可在融化期間容納鋰膨脹。PHTS系統(tǒng)以類似的方式從換熱器開(kāi)始逐步向反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行凝固，凍結(jié)的最后位置是反應(yīng)堆堆芯，體積收縮產(chǎn)生的空泡集中在堆芯處[2]。啟動(dòng)系統(tǒng)解凍后，反應(yīng)堆堆芯中的小空泡會(huì)容納鋰膨脹，直到反應(yīng)堆解凍/體積補(bǔ)償器正常工作為止。一旦解凍/體積補(bǔ)償器正常工作，它們就可以控制PHTS系統(tǒng)壓力，并且液態(tài)鋰中不會(huì)存在空泡。SHTS回路在功率轉(zhuǎn)換器處開(kāi)始加熱，并且在冷凍過(guò)程中形成的小空泡容納鋰膨脹，直到SHTS系統(tǒng)管路的解凍/體積補(bǔ)償器起作用為止。正確設(shè)計(jì)解凍/體積補(bǔ)償器可確保其在凝固和融化過(guò)程中都能充分發(fā)揮功能。使用解凍/體積補(bǔ)償器設(shè)計(jì)，可保證初始解凍和任何反應(yīng)堆停堆后重啟解凍。

2 鋰的解凍和凝固特性

SP-100在環(huán)境溫度約300K下發(fā)射，此時(shí)其PHTS系統(tǒng)和SHTS系統(tǒng)的冷卻劑鋰均為固態(tài)。進(jìn)入軌道后必須先解凍整個(gè)系統(tǒng)，然后才能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。SP-100額定功率運(yùn)行時(shí)PHTS與SHTS系統(tǒng)的溫度分別約為1350～1375K和800～850K?？紤]鋰的熔點(diǎn)為454K，空間環(huán)境溫度為250K的情況下，反應(yīng)堆停堆后其熱傳輸系統(tǒng)液態(tài)工質(zhì)鋰必將發(fā)生凝固現(xiàn)象。在鋰工質(zhì)凝固過(guò)程中體積收縮和工質(zhì)中溶解的氦氣原子的氣泡成核會(huì)導(dǎo)致多孔或有空隙的結(jié)構(gòu)?？紤]凝固時(shí)形成的空隙分布方式可能不會(huì)和解凍順序相一致，系統(tǒng)再啟動(dòng)解凍時(shí)，可能存在冷卻劑管道、燃料棒以及堆芯容器壁的應(yīng)力超過(guò)材料失效或損壞的應(yīng)力限值隱患；以及熔化過(guò)程中形成熱斑引起結(jié)構(gòu)材料的熱失效。所以要了解空隙的形成機(jī)理及其在重新融化期間對(duì)系統(tǒng)安全的影響是非常重要的。

美國(guó)在SP-100研發(fā)時(shí)期曾進(jìn)行了一系列的鋰解凍和凝固特性測(cè)試，下面對(duì)其所做的相關(guān)工作和取得的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

測(cè)試設(shè)備如圖6所示，以確認(rèn)凍結(jié)時(shí)反應(yīng)堆堆芯或功率轉(zhuǎn)換器熱交換器中鋰的凝固/融化行為[8]。這個(gè)特定的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)堆燃料束的一部分進(jìn)行了建模。這些測(cè)試結(jié)果同樣適用于功率轉(zhuǎn)換器熱交換器。

圖6 鋰融化/凝固特性測(cè)試裝置

這次測(cè)試主要得出了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)固體鋰收縮時(shí)，隨著溫度降低，不會(huì)形成可見(jiàn)的空泡。固態(tài)鋰體積收縮看來(lái)會(huì)產(chǎn)生均勻分布的微觀空泡。

（2）液態(tài)鋰的體積變化，由于從液態(tài)到固態(tài)的相變而引起的體積變化形成可見(jiàn)的空泡。

（3）可見(jiàn)空泡的位置受凍結(jié)方向的強(qiáng)烈影響。不論幾何形狀和方向如何，始終在最后凍結(jié)的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)空泡。

圖7 所示為通過(guò)中子射線照相獲得的鋰在700K下充裝而凝固的空泡分布型式圖[8]。

圖7 空隙在凝固鋰中的分布型式

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)鋰從底部朝頂部冷凍時(shí)，大多數(shù)空泡出現(xiàn)在頂部。當(dāng)從頂部朝底部?jī)鼋Y(jié)時(shí)，盡管有重力的作用，大部分空泡仍會(huì)出現(xiàn)在底部。還應(yīng)注意的是分布在較寬區(qū)域的小空泡，這些小空泡的總體積不是很大，小于總空泡體積的10%。與燃料束幾何形狀相關(guān)的大表面積和小間隙不允許這些空泡向高溫區(qū)域移動(dòng)。當(dāng)測(cè)試具有較小暴露表面積的簡(jiǎn)單矩形風(fēng)管幾何形狀時(shí)，大多數(shù)小空泡消失了。

鋰凝固過(guò)程中空泡形成的機(jī)理研究表明，其主要有兩種來(lái)源：（1）溫度降低后鋰的體積減小帶來(lái)的收縮；（2）液態(tài)鋰中溶解氣體原子的氣泡成核[9]。

在SP-100系統(tǒng)中，反應(yīng)堆裂變中子與鋰（n-Li）相互作用產(chǎn)生氦（He）和氚原子。氚很容易通過(guò)結(jié)構(gòu)材料PWC-11（Nb-1Zr）壁面擴(kuò)散到外層空間，但由于He的擴(kuò)散率很小，大多數(shù)He原子將保留在PHTS中。根據(jù)研究顯示，在運(yùn)行幾天后PHTS系統(tǒng)中He氣將飽和，并且GSA只會(huì)去除超過(guò)飽和濃度的He。因此，預(yù)計(jì)在鋰?yán)鋬鲞^(guò)程中，He可能會(huì)形成空泡[9]。

He氣空泡形成的機(jī)理主要有三種[10]：（1）均相成核（HN），指遠(yuǎn)離容器壁或懸浮顆粒的大量液體中的成核行為，氣泡的HN所需的氣體濃度可能比Li中的飽和濃度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；（2）異相成核（HTN），指在壁面或懸浮的雜質(zhì)上形成氣核，在富含懸浮雜質(zhì)的系統(tǒng)中，液態(tài)鋰中HTN氣泡所需的氣體濃度可能低至飽和濃度；（3）溶解在鋰中的氦氣偏析，偏析是在冷凍過(guò)程中的溶質(zhì)再分布現(xiàn)象。當(dāng)溶質(zhì)在固相中的溶解度極限小于液相中的溶質(zhì)濃度時(shí)，隨著液體的凝固，固液界面會(huì)發(fā)生溶質(zhì)排斥，導(dǎo)致溶質(zhì)在固液界面之前堆積。Yang等人研究了液態(tài)Li中溶解的He原子的七種不同類型的偏析[11]，包括：（1）正常偏析；（2）晶界偏析；（3）細(xì)胞偏析；（4）樹(shù)突偏析；（5）逆偏析；（6）結(jié)晶和結(jié)晶間的偏析；（7）重力偏析。在微重力作用下，最后一種機(jī)理將不會(huì)發(fā)生，但其他六種能否發(fā)生，具體取決于固化過(guò)程。偏析機(jī)制（2）-（6）要求的固化速度要高于正常偏析（類型1）的預(yù)期速度。由于Li的高熱容量和熔化潛熱，冷卻和凍結(jié)過(guò)程預(yù)計(jì)將非常緩慢，因此正常的偏析（1）將是SP-100系統(tǒng)中形成He氣空泡更可能的機(jī)制。通過(guò)正常偏析形成的He氣空泡將伴隨著冷凍時(shí)Li的體積收縮，從而刺激收縮空泡的形成。這些空泡可能發(fā)生在固體/壁界面或液體/壁界面，這主要與液體鋰與結(jié)構(gòu)材料的浸潤(rùn)特性有關(guān)。根據(jù)研究表明[12]PHTS系統(tǒng)中HN均相成核和HTN異相成核均不會(huì)形成氦氣泡，溶解在鋰中的氦氣經(jīng)過(guò)偏析之后，有可能發(fā)生氦氣泡的均勻成核，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明和鋰的收縮相比，氦氣泡所占的體積份額很小，僅占體積收縮的2%左右。

針對(duì)反應(yīng)堆再啟動(dòng)時(shí)，冷卻劑鋰熔化過(guò)程中是否會(huì)形成熱斑引起結(jié)構(gòu)材料熱失效，如圖8所示，李華琪，楊寧等人[13-14]進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)論如下：

圖8 鋰凝固形成收縮空隙示意圖

（1）鋰的凝固速率幾乎不隨時(shí)間變化，約為3.8×10-6m/s，空隙位置對(duì)鋰凝固速率的影響可忽略，凝固過(guò)程中鋰空隙內(nèi)主要是以導(dǎo)熱為主。

（2）在中心空隙下鋰熔化速率是單調(diào)減小的，而在壁面空隙下由于空隙的存在使鋰熔化速率先增大后減小。在壁面空隙下鋰熔化過(guò)程中管壁壁面溫度的最大值約為990K，鋰熔化過(guò)程中的壁面溫度遠(yuǎn)小于壁面材料的熔點(diǎn)；在中心空隙條件下，鋰熔化過(guò)程不受空隙傳熱的影響，使壁面溫度及液體溫度一直單調(diào)增加，管壁壁面最大溫度約為588K；鋰熔化過(guò)程中開(kāi)始階段導(dǎo)熱與輻射傳熱相當(dāng)，隨空隙的減小及溫度的升高導(dǎo)熱起主要作用。因此在空間堆系統(tǒng)冷卻劑鋰熔化過(guò)程中不會(huì)形成熱斑。

3 SP-100解凍方案分析及空間鋰?yán)浜朔磻?yīng)堆解凍方案設(shè)想

通過(guò)上文對(duì)SP-100鋰?yán)涠呀鈨鲞^(guò)程以及鋰凝固和解凍特性的介紹，使得我們對(duì)于空間鋰?yán)浜朔磻?yīng)堆冷卻工質(zhì)鋰的解凍有了初步認(rèn)識(shí)。鋰?yán)淇臻g堆的解凍應(yīng)考慮兩種工況：一是反應(yīng)堆進(jìn)入太空軌道的首次啟動(dòng)，二是在軌反應(yīng)堆停堆后再次啟動(dòng)。

空間鋰?yán)浜朔磻?yīng)堆在環(huán)境溫度約300K下發(fā)射，此時(shí)其堆芯容器，PHTS系統(tǒng)和SHTS系統(tǒng)的冷卻劑鋰均為固態(tài)。進(jìn)入太空軌道后首先進(jìn)行鋰解凍，而后逐步提升反應(yīng)堆功率，直到工作溫度達(dá)到1375K穩(wěn)定工況。其解凍過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段是鋰不斷升溫由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，設(shè)定其溫度由300K升至455K（鋰的熔點(diǎn)為454K），第二階段液態(tài)鋰?yán)^續(xù)升溫，溫度由455K升至1375K。依據(jù)公式（1）和公式（2）[10]分別進(jìn)行計(jì)算，第一階段體積變化率約為4.4%，第二階段體積變化率約為18.1%。

固態(tài)鋰的密度與溫度的函數(shù)關(guān)系為：

式中，ρ為固態(tài)鋰的密度，kg/m3；T為絕對(duì)溫度，K。

飽和液態(tài)鋰和過(guò)冷液態(tài)鋰的密度為：

式中，ρ為液態(tài)鋰的密度，kg/m3；T為絕對(duì)溫度，K。

考慮系統(tǒng)設(shè)置了體積補(bǔ)償器，第二階段由液態(tài)鋰體積膨脹所帶來(lái)的系統(tǒng)壓力變化可得到平衡，第一階段則是固態(tài)鋰升溫到發(fā)生相變而成為液態(tài)過(guò)程，所發(fā)生的體積膨脹是可能導(dǎo)致容器、管路等結(jié)構(gòu)材料失效或損壞的主要因素。因此對(duì)于系統(tǒng)解凍第一階段是考慮的重點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的凝固和解凍是一對(duì)可逆的過(guò)程，所以要想制定系統(tǒng)的解凍策略，就不得不考慮系統(tǒng)的凝固策略。對(duì)于鋰?yán)涠训恼w方案設(shè)計(jì)而言，一個(gè)較大的難點(diǎn)就在于由于系統(tǒng)復(fù)雜的幾何機(jī)構(gòu)會(huì)使得空泡的形成和運(yùn)動(dòng)行為難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，此外凝固和加熱解凍時(shí)的熱流方向不同，會(huì)破壞凝固-融化這個(gè)可逆過(guò)程，使其在凝固和融化過(guò)程中的行為表現(xiàn)出現(xiàn)偏差。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)考慮解凍方案之前不得不考慮反應(yīng)堆的整體凝固策略。目前來(lái)看，最完美、最理想的解凍方案就是充分控制凝固過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，然后再根據(jù)其凝固過(guò)程中的能量流動(dòng)情況，結(jié)合相應(yīng)的空泡產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)，確定一個(gè)完全為其凝固過(guò)程逆過(guò)程的解凍方案，這樣我們就可以做到原地凝固、原地解凍，即在整個(gè)鋰?yán)淇於褑?dòng)運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行解凍操作，可以獲得極高的解凍效率。管道的凝固和解凍順序是相反的，反應(yīng)堆堆芯的凝固順序和解凍順序是一致的。取出堆芯中央一點(diǎn)在融化和凝固時(shí)的溫度變化，我們可以得到圖9的凝固-加熱過(guò)程中某點(diǎn)的溫度變化圖。如果二者是一個(gè)完全的逆過(guò)程，那么二者的曲線應(yīng)該是基本重合的。實(shí)際上兩者有較大的差別，在凝固階段，我們無(wú)法通過(guò)啟動(dòng)反應(yīng)堆的形式來(lái)加熱控制凝固速度，堆芯也很難放入額外的加熱措施來(lái)進(jìn)行溫度控制，在融化過(guò)程中，雖然反應(yīng)堆的功率可以調(diào)節(jié)，但受到其功率分布的限制，很難對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。因此，我們唯一的手段就是在凝固過(guò)程中用各種方法來(lái)達(dá)到對(duì)凝固過(guò)程的控制。目前來(lái)看，在缺少對(duì)鋰的凝固機(jī)理和空泡產(chǎn)生、遷移行為的進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上，想要對(duì)其進(jìn)行完美控制還缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。同時(shí)其控制過(guò)程也將十分復(fù)雜，不利于工程實(shí)踐。

圖9 凝固和融化過(guò)程中同一位置溫度-時(shí)間關(guān)系圖

鑒于就地凝固，就地解凍的最高效解凍方法目前難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)其凝固行為難以精準(zhǔn)控制并且精準(zhǔn)的控制代價(jià)也十分高昂，我們可以考慮采用：以相對(duì)復(fù)雜和低效的加熱解凍方案為代價(jià)換取一個(gè)相對(duì)粗放的凝固方案，從而擺脫對(duì)凝固行為無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的影響。根據(jù)前文提及的鋰凝固行為實(shí)驗(yàn)研究成果可以得知，鋰的空泡會(huì)遷移并且集中到鋰的最后凝固區(qū)域，同時(shí)在地球上凝固時(shí)，重力會(huì)對(duì)空泡的分布和遷移產(chǎn)生影響。整個(gè)系統(tǒng)可以考慮采用風(fēng)冷的方式輔助冷卻。凝固時(shí)保證堆芯容器位于整個(gè)裝置的上方，然后在下方采用風(fēng)扇吹入冷空氣的方式輔助冷卻。這樣可以保證在重力和金屬凝固機(jī)理的雙重作用下，絕大部分空泡會(huì)集中在堆芯區(qū)域，從而為堆芯解凍時(shí)提供足夠的體積補(bǔ)償。依據(jù)上文的介紹，解凍時(shí)因?yàn)殇嚲哂辛己玫膶?dǎo)熱性，空泡集中在堆芯處并不會(huì)引發(fā)熱點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，只要空泡的體積補(bǔ)償?shù)舳研炯訜嵋l(fā)的體積膨脹，就可以避免堆芯解凍帶來(lái)的應(yīng)力問(wèn)題，從而安全地完成堆芯的解凍工作。

下面我們分析一下美國(guó)的SP-100所采取的解凍方案設(shè)計(jì)。該方案針對(duì)主傳熱系統(tǒng)PHTS和次級(jí)傳熱系統(tǒng)SHTS設(shè)計(jì)了一套采用NaK合金作為工質(zhì)的輔助冷卻和解凍系統(tǒng)ACT。這套管路完全按照PHTS和SHTS的回路布局進(jìn)行“影子”設(shè)計(jì)，并在關(guān)鍵部位（換熱器、體積補(bǔ)償器等）設(shè)計(jì)輔助加熱環(huán)，以保證整個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)ACT加熱回路完成解凍工作。這個(gè)設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）針對(duì)解凍功能無(wú)需特別地設(shè)置控制措施。反應(yīng)堆啟動(dòng)后，通過(guò)ACT回路加熱使得SP-100系統(tǒng)的主、次級(jí)鋰回路熔化。（2）NaK工質(zhì)因?yàn)槠涞腿埸c(diǎn)（約260K）的特性，使其在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中保持液態(tài)，同時(shí)ACT回路在反應(yīng)堆停堆后將保持熔融足夠的時(shí)間，以允許反應(yīng)堆重新啟動(dòng)時(shí)鋰回路的重新融化。（3）ACT回路可執(zhí)行多種功能。其一承擔(dān)著鋰回路的解凍；其二作為一套額外的循環(huán)管路是反應(yīng)堆熱排放系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，起到相當(dāng)?shù)陌踩饔?；其三ACT的PCA提供正常運(yùn)行期間的輔助發(fā)電以及反應(yīng)堆初次啟動(dòng)和反應(yīng)堆停堆后重啟時(shí)從電池電源的過(guò)渡。（4）采用了6條輔助的ACT回路設(shè)計(jì)，即使某一條回路失效也可以完成解凍工作，提高了解凍的可靠性。但以現(xiàn)在的眼光看來(lái)，該套系統(tǒng)亦有許多缺點(diǎn)：（1）兩套并行、不同工質(zhì)的回路使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)特別復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)不得不為解凍方案進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整和讓步，增加了整體設(shè)計(jì)難度。如在有限的堆芯空間內(nèi)要同時(shí)考慮布置兩套熱排出系統(tǒng)，極大地增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)對(duì)堆芯的中子學(xué)設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生很大影響。（2）系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)有明顯的增加。（3）NaK回路的存在使其在發(fā)射階段回路系統(tǒng)并非完全是固態(tài)發(fā)射，相對(duì)地降低了發(fā)射的安全性。（4）為了避免解凍帶來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力問(wèn)題，ACT一、二回路的工況、功率必須與PHTS和SHTS狀態(tài)相匹配，完成該項(xiàng)工作需要大量的計(jì)算和相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

SP-100選擇解凍方案時(shí)對(duì)于NaK輔助回路、直接電加熱等多個(gè)方案進(jìn)行過(guò)全面的評(píng)估，最終在眾多方案設(shè)計(jì)中選擇了輔助回路方案。直接電加熱方案未被選擇的一個(gè)主要因素是其質(zhì)量無(wú)法滿足發(fā)射要求。然而SP-100計(jì)劃主要發(fā)生在20世紀(jì)八九十年代，方案的質(zhì)量評(píng)估主要基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平。當(dāng)時(shí)主要以鉛酸電池為主，鋰電池尚未發(fā)展成熟，因此電加熱方案在當(dāng)時(shí)不占優(yōu)勢(shì)，這其中的主要原因在于鉛酸電池能量密度太低，難以在發(fā)射質(zhì)量上滿足設(shè)計(jì)要求。然而隨著鋰電池技術(shù)的不斷成熟，電池能量密度將達(dá)到鉛酸電池的5～10倍，目前已達(dá)到160 wh/kg左右，根據(jù)《中國(guó)制 造2025》，2020年 要 達(dá) 到300wh/kg，2025年 達(dá) 到400wh/kg，2030年將達(dá)到500wh/kg。由此可以預(yù)見(jiàn)，輔助回路和電加熱相比在質(zhì)量上已經(jīng)失去了當(dāng)時(shí)的顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。另外，電加熱在系統(tǒng)布置和加熱控制方式上會(huì)更加靈活，電池的循環(huán)充放電可以保證反應(yīng)堆停堆后重啟的需求。

基于以上論述，作者認(rèn)為在空間鋰?yán)浜朔磻?yīng)堆鋰解凍工藝設(shè)計(jì)時(shí)可充分考慮基于鋰電池的電加熱解凍。下面提出兩種設(shè)計(jì)方案：方案1，純電加熱的解凍方案。即堆芯和回路全部使用電加熱進(jìn)行解凍。方案2，堆芯核加熱、回路電加熱的核電耦合解凍方案。堆芯利用反應(yīng)堆核裂變熱解凍，回路采用電加熱進(jìn)行解凍。

方案1的主要思路是依靠電加熱對(duì)堆芯和管路采用電加熱進(jìn)行加熱解凍。對(duì)堆芯進(jìn)行外部加熱的方式，使得堆芯液相區(qū)和體積補(bǔ)償器保持聯(lián)通，從而使其避免熱應(yīng)力帶來(lái)的系統(tǒng)故障。具體的做法是通過(guò)在堆芯外部進(jìn)行電加熱，優(yōu)先解凍堆芯所配置的堆芯體積補(bǔ)償器，然后采用由外向內(nèi)的方式對(duì)堆芯進(jìn)行加熱，這里主要考慮在反應(yīng)堆堆芯的容器壁附近嵌入電加熱絲進(jìn)行加熱處理。這樣可以保證堆芯的融化區(qū)域始終與體積補(bǔ)償器存在液相鏈接?？梢员苊舛研救剂习艏訜釙r(shí)整個(gè)反應(yīng)堆由內(nèi)向外解凍，使得鋰在有限的空間內(nèi)解凍融化，帶來(lái)的巨大壓力導(dǎo)致燃料棒管壁破裂或者堆芯結(jié)構(gòu)件損壞。本方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于解凍方案更加保守穩(wěn)定。缺點(diǎn)主要在于堆芯結(jié)構(gòu)緊湊且封閉，電加熱不易布局；電加熱對(duì)堆芯這種大體積低表面積（這里指的是與外界反應(yīng)堆容器接觸的大表面而非與工質(zhì)接觸的整體表面積）的整體不易加熱，這種由外向內(nèi)加熱大型塊狀金屬的加熱模式加熱效率很低。最后，純電加熱使得電池負(fù)擔(dān)嚴(yán)重，需要攜帶的電池質(zhì)量很高，供電壓力也很大。

方案2的思路是基于回路電加熱和堆芯核加熱的核電耦合解凍方案。本方案依靠核加熱完成堆芯部分的解凍，而對(duì)于一回路，則采用電加熱的方式輔助其進(jìn)行解凍。本方案主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）熱利用率高，解凍效率高。通過(guò)電加熱+核加熱的方式，可以保證解凍的同步進(jìn)行，而不是像SP-100一樣采用堆芯-一回路-二回路這樣固定的解凍順序進(jìn)行?？沙浞掷梅磻?yīng)堆核裂變產(chǎn)生的熱能解凍堆芯容器。通過(guò)對(duì)一回路直接纏繞電阻絲的方式使得傳統(tǒng)的熱輻射加熱變?yōu)榱藷醾鲗?dǎo)為主的熱傳導(dǎo)+熱輻射加熱，從而極大地提高回路系統(tǒng)的解凍效率。（2）控制輕松，能量分配精準(zhǔn)。為了保證解凍工作能夠按照設(shè)想順利進(jìn)行，而不會(huì)發(fā)生部分管路溫度過(guò)高帶來(lái)的系統(tǒng)應(yīng)力問(wèn)題，SP-100采用NaK回路必須進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，來(lái)保證解凍的進(jìn)度與回路的溫度相匹配，同時(shí)不得不采用類似于bleedhole之類的額外裝置來(lái)控制解凍進(jìn)程。這些部件裝配在管路中，不僅繁瑣，還影響了系統(tǒng)性能和流體運(yùn)動(dòng)，為了微調(diào)相關(guān)孔板的空洞大小和位置，為了調(diào)整合理的輔助加熱回路溫度分布，也不得不進(jìn)行大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，時(shí)間成本和實(shí)驗(yàn)成本都很高。NaK回路在循環(huán)過(guò)程中溫度必然是下降的，這意味著解凍順序受到了嚴(yán)格的限制。而通過(guò)電加熱絲進(jìn)行電加熱，可以通過(guò)對(duì)電流精確控制來(lái)控制熱量的流動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先解凍重點(diǎn)區(qū)域和多點(diǎn)同時(shí)解凍，從解凍效果和解凍效率上來(lái)看都會(huì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。（3）系統(tǒng)質(zhì)量低。與SP-100采用六套NaK輔助加熱回路相比，只要付出電池和加熱絲之類加熱組件的質(zhì)量，采用電加熱的方式可以明顯降低系統(tǒng)質(zhì)量。（4）對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響小。電加熱絲這種外部加熱的手段對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是非侵入式的，基本上不需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)為解凍功能做出額外的讓步和妥協(xié)就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解凍功能。本方案的主要缺點(diǎn)在于：對(duì)于解凍的過(guò)程和順序來(lái)說(shuō)，電加熱可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的凝固過(guò)程來(lái)說(shuō)，其通常是由散熱器-熱交換器-一回路-反應(yīng)堆堆芯這樣的固定順序進(jìn)行的，而非按照我們?cè)O(shè)計(jì)好的加熱順序。這意味著我們失去了凝固-加熱-凝固這個(gè)過(guò)程的可逆性，也就是說(shuō)對(duì)于反應(yīng)堆在軌停堆后重新啟動(dòng)，就必須對(duì)系統(tǒng)的加熱和凝固行為進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和處理。

使用電加熱方案應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和考慮以下方面：（1）加熱器件和保溫的合理布置，已達(dá)到能量精準(zhǔn)分配提高解凍效率，減小系統(tǒng)質(zhì)量。（2）電池配電方案設(shè)計(jì)。與第一條相結(jié)合，合理設(shè)計(jì)電池充放電方案，以及電池使用數(shù)量，一塊或多塊。（3）緊密結(jié)合反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程分段、分時(shí)逐步解凍，充分發(fā)揮堆芯核裂變熱能。分段是指堆芯、管路、設(shè)備（重點(diǎn)是體積補(bǔ)償器）。分時(shí)是指解凍的先后順序，解凍時(shí)長(zhǎng)。（4）對(duì)于停堆后再解凍的設(shè)計(jì)。應(yīng)充分利用電池循環(huán)充放電特性、布置的靈活性、控制的精準(zhǔn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前來(lái)看，鋰?yán)涠训募夹g(shù)并不是非常成熟，而其在太空領(lǐng)域的應(yīng)用也是一個(gè)全新的課題。其中鋰?yán)鋮s劑的空間解凍問(wèn)題是鋰?yán)涠芽臻g應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)其展開(kāi)研究是十分必要的。本文在極其有限的參考資料情況下，對(duì)一個(gè)全新的領(lǐng)域開(kāi)展了初步探索。文章重點(diǎn)介紹了美國(guó)空間核反應(yīng)堆電源SP-100鋰解凍的設(shè)計(jì)方案，以及針對(duì)鋰解凍所開(kāi)展的部分實(shí)驗(yàn)工作，而后對(duì)SP-100鋰解凍方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出可能的解凍方案和研究思路。作者希望通過(guò)本文能為解決空間鋰?yán)浜朔磻?yīng)堆的鋰解凍提供有益的借鑒。