Kilopower 空間堆燃料低濃化方案研究

安偉健, 郭 鍵, 胡 古, 葛攀和, 高 劍

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院, 北京 102413)

1 引言

2018 年5 月,美國(guó)宣布Kilopower 空間堆的地面試驗(yàn)(KRUSTY)取得成功,各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與程序預(yù)測(cè)結(jié)果十分吻合[1-2]。KRUSTY 是美國(guó)繼20 世紀(jì)六七十年代后,在近50 年時(shí)間里建成的第一座空間堆的地面試驗(yàn)堆。KRUSTY 的成功使得Kilopower 向?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。

KRUSTY 采用了U-235 富集度為93%的高濃鈾燃料(High Enriched Uranium,HEU)。相比于低濃鈾(Low Enriched Uranium,LEU),HEU 的主要優(yōu)勢(shì)在于可以減小反應(yīng)堆的質(zhì)量和尺寸[3-6]。美俄早期發(fā)射或設(shè)計(jì)的空間堆均使用HEU,用以降低發(fā)射成本或增加任務(wù)載荷的質(zhì)量。

但是,HEU 同時(shí)存在諸多問題[3,5-6]。近年來,國(guó)際上空間堆的研究熱點(diǎn)已由HEU 轉(zhuǎn)向LEU。在空間核熱推進(jìn)反應(yīng)堆領(lǐng)域,美國(guó)、韓國(guó)提出了諸多LEU 反應(yīng)堆方案,如美國(guó)的SCCTE[7]、INsTAR[8]、Cermet LEU-NTR[9],韓國(guó)的KANUTER-LEU[10]、SULEU[11]等;國(guó)內(nèi)趙潤(rùn)喆等[12]提出了一型LEU-SCCTE 核熱推進(jìn)反應(yīng)堆方案。在空間反應(yīng)堆電源領(lǐng)域,美國(guó)研究了數(shù)個(gè)Kilopower 反應(yīng)堆低濃化方案[5-6],國(guó)內(nèi)目前尚未見相關(guān)研究。

美國(guó)所提的數(shù)個(gè)Kilopower 低濃化方案在尺寸、質(zhì)量、可實(shí)現(xiàn)性等方面存在不足。本文提出一種采用板狀HEU 與YH2交疊布置的新方案,并從物理、熱工及特殊臨界安全等方面對(duì)各方案進(jìn)行比較。

2 Kilopower 低濃化方案設(shè)計(jì)

Kilopower 堆芯方案由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)提出,堆芯結(jié)構(gòu)如圖1 所示,采用塊狀UMo 合金燃料,U-235 富集度為93%,堆芯熱量由8 根Na 熱管導(dǎo)出。Kilopower 堆芯半徑為15.8 cm,高度為40.0 cm,U-235 裝量約為28.6 kg,堆芯質(zhì)量?jī)H約為108.6 kg,系統(tǒng)總重約為400 kg,其熱功率為4.3 kW,電功率為1 kW,設(shè)計(jì)壽命達(dá)15 年[13-14]。

針對(duì)HEU 所帶來的一系列問題,LANL 發(fā)布了兩版關(guān)于Kilopower 用LEU 的白皮書,對(duì)Kilopower 采用HEU 和LEU 的方案進(jìn)行了初步比較,如圖2 所示[5]。圖中4 個(gè)方案分別采用HEUUMo(Kilopower 原方案)、LEU-UMo、LEU-U 以及LEU-UZrH。其中,LEU-U 方案,由于純U 存在材料相變、輻照腫脹嚴(yán)重的問題,并且其高溫蠕變強(qiáng)度太低,可實(shí)現(xiàn)性較低;LEU-UZrH 方案的可實(shí)現(xiàn)性也較低, Kilopower 的燃料運(yùn)行溫度約800 ℃[15],UZrH 燃料在該溫度下存在腫脹、氫遷移以及氫泄漏問題;LEU-UMo 方案的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性和Kilopower 原方案相當(dāng),唯一的缺點(diǎn)是尺寸和質(zhì)量大幅增加。該堆芯半徑為28.5 cm,高度為58.4 cm,U-235 裝量達(dá)63.5 kg,堆芯質(zhì)量約為576.4 kg,系統(tǒng)總重超過1100 kg[5-6]。

圖2 采用HEU 和LEU 的Kilopower 方案比較[5]Fig.2 Comparison of Kilopower reactor core using HEU and LEU[5]

針對(duì)上述Kilopower 低濃化方案所存在的問題,本文提出一種新方案如圖3 所示,采用U-235富集度為19.75%的板狀UMo 燃料,其厚度為0.3 cm,采用YH2作為慢化劑,其厚度為1.2 cm,堆芯活性區(qū)由25 層燃料與慢化劑交疊布置而成,活性區(qū)外圍設(shè)置有0.2 cm 的Mo 容器以防止氫泄漏[16],熱管蒸發(fā)段布置于燃料內(nèi)部,以降低燃料的運(yùn)行溫度,堆芯其余結(jié)構(gòu)與Kilopower 類似。

圖3 LEU-UMo-YH2 堆芯結(jié)構(gòu)Fig.3 LEU-UMo-YH2 core structure

該方案相比于LEU 方案,具備如下優(yōu)勢(shì):①相比于UZrH,YH2具有更好的耐高溫性能(圖4)[16],可以滿足Kilopower 的運(yùn)行溫度需求(約800 ℃);②相比于LEU-UMo 方案,大幅減小了堆芯的尺寸和質(zhì)量,其中,堆芯半徑為23.1 cm,高度為46.6 cm,U-235 質(zhì)量減小至10.9 kg,堆芯質(zhì)量則減小至233.4 kg。

圖4 氫化物的H 原子密度隨溫度的變化[16]Fig.4 H atomic densities of hydrides under different temperatures[16]

3 方案計(jì)算和比較

3.1 物理特性

Kilopower 具有獨(dú)特的全自主運(yùn)行特性,運(yùn)行過程中的反應(yīng)性損失(包括燃耗反應(yīng)性損失和燃料腫脹反應(yīng)性損失)由燃料溫度下降所引入的正反應(yīng)性來補(bǔ)償,無需控制系統(tǒng)的干預(yù)。燃料的溫降幅度為反應(yīng)性損失與燃料溫度系數(shù)的比值,該數(shù)值將影響系統(tǒng)電功率的變化。

3.1.1 燃料溫度系數(shù)

UMo 膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系式為[17]:αT=(7.91+ 1.21× 10-2T)× 10-6。采用MCNP 程序計(jì)算各反應(yīng)堆有效增殖系數(shù)keff隨溫度的變化,如圖5 所示。對(duì)各組結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合并求導(dǎo),即可得到燃料在運(yùn)行溫度下的反應(yīng)性系數(shù),結(jié)果見表1(LEU-UMo-YH2的計(jì)算同時(shí)考慮了YH2的溫度變化)。

圖5 keff 隨溫度的變化Fig.5 keff under different temperatures

表1 物理參數(shù)列表Table 1 List of physical parameters

3.1.2 燃耗反應(yīng)性損失

反應(yīng)堆熱功率僅為4.3 kW,壽期內(nèi)燃耗反應(yīng)性損失非常小。采用耦合了燃耗計(jì)算功能的MCNP 程序,所得的keff統(tǒng)計(jì)誤差與反應(yīng)性損失數(shù)值相當(dāng),因此難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。為此,在計(jì)算過程中,將燃耗步長(zhǎng)大幅延長(zhǎng),使每個(gè)步長(zhǎng)的反應(yīng)性損失遠(yuǎn)大于統(tǒng)計(jì)誤差,如圖6 所示?？梢?keff隨運(yùn)行時(shí)間基本呈線性下降,通過多項(xiàng)式擬合并求導(dǎo)即可得到各反應(yīng)堆的反應(yīng)性下降速率,進(jìn)而得到15 年壽期末的燃耗反應(yīng)性損失,結(jié)果見表1。需要說明的是,由于功率非常小,LEU-UMo-YH2方案的Xe、Sm 中毒問題可以忽略不計(jì)(Xe、Sm 反應(yīng)性約1.7E-5[18])。

圖6 燃耗計(jì)算結(jié)果Fig.6 Results of depletion calculation

3.1.3 燃料腫脹反應(yīng)性損失

UMo 輻照腫脹與燃耗深度的關(guān)系式為[19]:ΔV/V=0.356×B,其中,B為單位體積燃料內(nèi)的裂變數(shù)(單位為1E+20 /cm3)。由此可算得各方案的燃料腫脹量,結(jié)果見表1。

由于腫脹量很小,使得腫脹反應(yīng)性損失的數(shù)值非常小,無法通過計(jì)算腫脹前后的keff差值來獲得準(zhǔn)確的數(shù)值。為解決該問題,計(jì)算流程如下:

1)首先采用MCNP 求得各反應(yīng)堆的燃料膨脹反應(yīng)性系數(shù)。各反應(yīng)堆keff隨膨脹量的變化見圖7,通過多項(xiàng)式擬合并求導(dǎo),即可算得運(yùn)行狀態(tài)下燃料的膨脹反應(yīng)性系數(shù)。

圖7 keff 隨膨脹量的變化Fig.7 keff under various ΔV/V

2)將膨脹反應(yīng)性系數(shù)和燃料腫脹量相乘,即為全壽期的腫脹反應(yīng)性損失,結(jié)果見表1。

3.1.4 燃料溫降

燃料溫降可根據(jù)式(1)算得,結(jié)果見表1。從表中可以看出,LEU-UMo 的燃料溫降非常小,僅為8.0 K,這主要是由于該方案燃料裝量最大,使得其反應(yīng)性損失的數(shù)值非常小;LEU-UMo-YH2方案的燃料溫降相比于Kilopower 也有較大優(yōu)勢(shì)。

3.2 熱工特性

熱工計(jì)算采用ANSYS-CFX 程序。堆芯功率密度分布由MCNP 算得,以熱管孔道表面溫度775 ℃[20]為邊界條件,分別給出了各方案在正常運(yùn)行以及單根熱管失效情況下的溫度分布,結(jié)果見圖8 ～10?？梢钥闯?LEU-UMo 的燃料最高運(yùn)行溫度低于Kilopower;LEU-UMo-YH2的燃料最高運(yùn)行溫度則高于Kilopower,在單根熱管失效的情況下,其最高溫度為938 ℃,仍低于1000 ℃的UMo 燃料運(yùn)行溫度限值[21]。

圖8 Kilopower 在正常及單根熱管失效情況下的燃料溫度分布Fig.8 Fuel temperature of Kilopower under normal and one heat pipe failure conditions

圖9 LEU-UMo 方案在正常及單點(diǎn)失效情況下的燃料溫度分布Fig.9 Fuel temperature of LEU-UMo under normal and one heat pipe failure conditions

3.3 特殊臨界安全特性

圖10 LEU-UMo-YH2 方案在正常及單點(diǎn)失效情況下的燃料溫度分布Fig.10 Fuel temperature of LEU-UMo-YH2 under normal and one heat pipe failure conditions

各方案在掉落事故下的keff列于表2?？梢钥闯?在掉落工況下,3 個(gè)方案均可維持次臨界狀態(tài)。目前國(guó)際上對(duì)于掉落事故的keff限值沒有統(tǒng)一規(guī)定,若按照中國(guó)現(xiàn)行空間熱離子反應(yīng)堆發(fā)射掉落事故的要求(keff≤0.98[22]),則只有LEUUMo-YH2方案可以達(dá)到要求。

表2 各方案在掉落事故下的keffTable 2 keff under launch failure accidents

3.4 綜合比較

各方案的關(guān)鍵性能參數(shù)列于表3。

表3 各方案參數(shù)綜合比較Table 3 Comprehensive comparison of different schemes

在尺寸和質(zhì)量方面,LEU-UMo 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他2 個(gè)方案,其質(zhì)量約為Kilopower 的5 倍;LEUUMo-YH2的質(zhì)量?jī)H為L(zhǎng)EU-UMo 的40%,這是由于慢化劑的存在使得燃料大幅度減少;但相較于Kilopower,LEU-UMo-YH2仍有大幅增加,這主要是由于YH2慢化劑占據(jù)了遠(yuǎn)超燃料的體積,使得反應(yīng)堆的整體尺寸大大超過了Kilopower。在U-235 裝量方面,YH2慢化劑使得LEU-UMo-YH2的U-235 裝量得到了大幅度減少,其U-235 裝量為10.9 kg,為Kilopower 的38%,LEU-UMo 的17%。

在全壽期燃料溫降方面,LEU-UMo 溫降最少,LEU-UMo-YH2的燃料溫降相比Kilopower 也有大幅減小。

運(yùn)行溫度方面,LEU-UMo-YH2的運(yùn)行溫度相對(duì)最高,但仍在溫度限值之內(nèi)。

技術(shù)成熟度方面,Kilopower 與LEU-UMo 均采用成熟材料,集成工藝也已通過了KRUSTY 的驗(yàn)證;而對(duì)于LEU-UMo-YH2方案,YH2的相關(guān)技術(shù)尚不成熟,該堆芯結(jié)構(gòu)的集成工藝也仍待驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1) LEU-UMo-YH2方案相比LEU-UMo 方案,堆芯尺寸得到了較大幅度的減小,其堆芯質(zhì)量和U-235 裝量分別僅為L(zhǎng)EU-UMo 方案的40%和17%。同時(shí),物理、熱工及特殊臨界安全方面也可以滿足要求,該方案的主要問題是YH2的相關(guān)技術(shù)不成熟,且該堆芯結(jié)構(gòu)的集成工藝仍待驗(yàn)證。

2) 若Kilopower 最終被禁止使用HEU,那么對(duì)于近期的任務(wù),LEU-UMo 方案是一個(gè)具有較高可實(shí)現(xiàn)性的方案。

3) 對(duì)于較遠(yuǎn)期的任務(wù),LEU-UMo-YH2方案具備很高研究?jī)r(jià)值,如果其相關(guān)技術(shù)得到攻克,該方案將比LEU-UMo 方案更具優(yōu)勢(shì)。