一種月面微型熱管堆電源概念設(shè)想

趙澤龍，楊 睿，王 傲，徐 馳，郭 鍵，安偉健，胡 古

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院核工程設(shè)計(jì)研究所，北京 102413)

月球科研站建設(shè)、月面探測(cè)及短期有人活動(dòng)等未來(lái)月面任務(wù)均需解決長(zhǎng)期的能源、電力供給問(wèn)題[1-2]。通訊、實(shí)驗(yàn)、駐留、月面信息探測(cè)等任務(wù)需要穩(wěn)定可靠的能源系統(tǒng)支持。受光照條件不理想、月夜時(shí)間長(zhǎng)、劇烈溫差環(huán)境、帶電月塵環(huán)境等復(fù)雜月面環(huán)境影響，月球基地運(yùn)營(yíng)維護(hù)、月面科學(xué)實(shí)驗(yàn)等均面臨極大的能源供給挑戰(zhàn)[3]。目前國(guó)外針對(duì)月球基地或科研站建設(shè)及資源利用等中長(zhǎng)期規(guī)劃提出了Artemis 計(jì)劃、LSIIY 面創(chuàng)新計(jì)劃、CLPS 商業(yè)月球有效載荷服務(wù)等計(jì)劃，其中美國(guó)Artemis 計(jì)劃的目標(biāo)定位為實(shí)現(xiàn)月球南極著陸和建立可持續(xù)月球基地，Artemis 1 號(hào)無(wú)人繞月飛行測(cè)試任務(wù)已于2022 年12 月完成，因此月面探測(cè)及科研站建設(shè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈[4]。中國(guó)已通過(guò)探月工程一期、二期、三期的科學(xué)實(shí)踐為月球探測(cè)、科考與載人登月奠定了基礎(chǔ)，建立月球科研站是中國(guó)探月工程下一階段的重要目標(biāo)[5]。

核電源具備不依賴(lài)太陽(yáng)、環(huán)境耐受能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是月面任務(wù)長(zhǎng)期供電的理想選擇[6-7]，主要包括同位素電源和核反應(yīng)堆電源。同位素電源是數(shù)百瓦及以下空間、星表任務(wù)的優(yōu)選技術(shù)方案，且應(yīng)用成熟[8-9]。不過(guò)，綜合當(dāng)前放射性同位素電源原料產(chǎn)能、功率區(qū)間及成本限制等因素，并結(jié)合未來(lái)月面中長(zhǎng)期任務(wù)可能在千瓦級(jí)、十千瓦級(jí)方面的能源需求及技術(shù)積累考慮，核反應(yīng)堆電源雖然體積質(zhì)量較大，但綜合成本更低，可覆蓋同位素電源的功率盲區(qū)，與同位素電源二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。熱管堆作為一種新型的空間核反應(yīng)堆電源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于實(shí)現(xiàn)自主控制和長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)[10]，可滿(mǎn)足數(shù)百瓦至十千瓦級(jí)月表任務(wù)能源需求，是未來(lái)月面核反應(yīng)堆電源的優(yōu)選技術(shù)路線(xiàn)。故本文針對(duì)目前我國(guó)面臨的月面任務(wù)供電需求問(wèn)題，基于鈾鉬合金快堆、鈉熱管傳熱、斯特林動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換及輻射器散熱的技術(shù)路線(xiàn)，提出了采用500 W 微型熱管堆電源為月面任務(wù)供電的初步設(shè)想，細(xì)微調(diào)整后可涵蓋數(shù)百瓦級(jí)至千瓦級(jí)功率需求，輕質(zhì)且微型，可用較小的質(zhì)量代價(jià)和成本覆蓋同位素電源功率盲區(qū)，并驗(yàn)證核堆電源為月面長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的關(guān)鍵核心技術(shù)，且技術(shù)體系與十千瓦級(jí)熱管堆具有高度繼承性，可為未來(lái)十千瓦至數(shù)十千瓦功率量級(jí)月面任務(wù)提供技術(shù)積累及支撐。本文主要對(duì)該微型熱管堆電源的屏蔽設(shè)計(jì)及輻射防護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，經(jīng)初步屏蔽設(shè)計(jì)研究，該電源可采用移動(dòng)式、固定式及月面淺坑等多種靈活布置方式，采用多重屏蔽措施后整體質(zhì)量可約束在500 kg 左右，結(jié)合實(shí)際功率需求、屏蔽方位及區(qū)域、劑量限值裕量、有效受照時(shí)間等因素后，屏蔽及系統(tǒng)質(zhì)量有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。該研究可為科研站月面核反應(yīng)堆電源屏蔽設(shè)計(jì)提供思路借鑒。

1 月面微型熱管堆電源方案

1.1 技術(shù)路線(xiàn)選擇

通常為實(shí)現(xiàn)較小的堆芯尺寸質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)選擇鈾密度盡可能高的燃料類(lèi)型。鈾鉬合金燃料具有鈾密度高、熱導(dǎo)率高的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)燃耗水平小于0.5%即可避免輻照腫脹問(wèn)題，綜合考慮中子學(xué)性能、材料熱穩(wěn)定性、技術(shù)成熟度、輻照穩(wěn)定性等因素，可選擇鈾鉬合金作為堆芯燃料。熱管傳熱具有高可靠性及非能動(dòng)優(yōu)勢(shì)，可作為固態(tài)堆芯導(dǎo)熱的核心部件，綜合考慮燃料溫度、運(yùn)行溫度區(qū)間、工質(zhì)傳熱能力及熱穩(wěn)定性、制作工藝成熟度等因素，鈉熱管是鈾鉬合金燃料堆芯導(dǎo)熱的最佳匹配選項(xiàng)。對(duì)于堆芯反射層材料，為了滿(mǎn)足熱管反應(yīng)堆臨界安全要求，并同時(shí)降低燃料質(zhì)量和維持堆芯緊湊結(jié)構(gòu)，可選擇反應(yīng)性?xún)r(jià)值較高且高溫特性較好的氧化鈹材料。在熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，自由活塞式斯特林發(fā)電機(jī)是百瓦至千瓦功率量級(jí)較優(yōu)的技術(shù)選擇，國(guó)內(nèi)外已研制出百瓦級(jí)斯特林樣機(jī)且進(jìn)行了超長(zhǎng)時(shí)的地面測(cè)試。在反應(yīng)堆余熱排出方面，小功率的熱管堆可采用簡(jiǎn)單的熱管固定式輻射器，輻射器構(gòu)型可靈活設(shè)計(jì)。綜上，可基于鈾鉬合金快堆、鈉熱管傳熱、斯特林轉(zhuǎn)換、固定式熱管輻射器散熱的技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)展月面微型熱管堆電源設(shè)計(jì)。此外，美國(guó)熱管堆地面原型試驗(yàn)裝置已驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性和工程可實(shí)現(xiàn)性。

1.2 總體方案

圖1 為月面微型熱管堆電源整體結(jié)構(gòu)示意，主要包括堆芯活性區(qū)、屏蔽體、斯特林熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、熱管式輻射器以及核堆電源平臺(tái)。當(dāng)電源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由8 根鈉熱管帶出反應(yīng)堆堆芯熱量，熱管穿過(guò)自帶屏蔽體后，將熱量傳遞至斯特林發(fā)電機(jī)熱端，斯特林發(fā)電機(jī)完成熱電轉(zhuǎn)換后，冷端廢熱傳遞至輻射器熱管，熱管冷凝段貼附輕質(zhì)輻射器翅片，將余熱排放至月面空間。核堆電源熱功率為2.5 kW，凈輸出電功率500 W，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約20%，堆本體質(zhì)量約為130 kg，熱管、斯特林及余熱排放等其它部件約200 kg。堆本體燃料采用U-235 富集度為90%的塊狀鈾鉬合金，反應(yīng)堆啟停堆控制采用B4C 中心安全棒設(shè)計(jì)，反射層為氧化鈹，堆本體在8～10 年壽期運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)需額外的反應(yīng)性調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，依靠堆本體自身溫度負(fù)反饋效應(yīng)自主補(bǔ)償燃耗以及燃料腫脹導(dǎo)致的反應(yīng)性損失。在屏蔽方案設(shè)計(jì)中，斯特林發(fā)電機(jī)的快中子注量(≥0.1 MeV)限值為2.0×1014～2.5×1014n/cm2，光子劑量限值為5.0×106～10.0×106rad；防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)的快中子注量(≥0.1 MeV)限值為1×1011～2×1011n/cm2，光子劑量限值為50～100 krad。

圖1 月面微型熱管堆電源三維構(gòu)型

2 核堆電源屏蔽設(shè)計(jì)

基于初步的月面微型熱管堆電源方案，本部分開(kāi)展了電源屏蔽設(shè)計(jì)及布置方式研究，提出了相關(guān)的屏蔽減重措施及核堆電源布置建議。

2.1 計(jì)算程序及方法

蒙卡程序可以進(jìn)行復(fù)雜的三維幾何建模及精確的劑量場(chǎng)評(píng)估，故本文在屏蔽設(shè)計(jì)研究時(shí)采用MCNP 反應(yīng)堆蒙特卡羅程序計(jì)算防護(hù)目標(biāo)劑量及月面微型熱管堆電源周?chē)膭┝繄?chǎng)分布。MCNP 是美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的大型多粒子蒙特卡羅輸運(yùn)程序，可用于模擬中子、光子在復(fù)雜三維幾何內(nèi)的粒子輸運(yùn)過(guò)程，擁有良好的可視化建模及并行計(jì)算能力，可用于劑量場(chǎng)評(píng)估。對(duì)于MCNP 程序，粒子輸運(yùn)計(jì)算得到的目標(biāo)物理量為單個(gè)源粒子的統(tǒng)計(jì)貢獻(xiàn)，需乘以系數(shù)因子才能得到真實(shí)功率水平下的參數(shù)。系數(shù)因子計(jì)算如式(1)：

式中：P為核堆電源熱功率；υ為裂變核單次裂變平均中子數(shù)；Efission為重核單次裂變釋放能量；T為核堆電源設(shè)計(jì)壽期。對(duì)于目標(biāo)物理量快中子注量及光子劑量，采用F4統(tǒng)計(jì)卡及相關(guān)輔助卡即可得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.2 屏蔽減重措施

通常，月面核反應(yīng)堆電源的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)相比于空間應(yīng)用更為復(fù)雜，除考慮儀器、人員的劑量限值要求外，還需綜合地形、地質(zhì)等環(huán)境條件影響，基于初步的屏蔽減重優(yōu)化研究，提出以下屏蔽減重措施：

(1)防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)與核堆電源平臺(tái)應(yīng)拉開(kāi)一定距離，通過(guò)距離衰減輻射強(qiáng)度，降低防護(hù)目標(biāo)劑量。

(2)核堆電源的輻射防護(hù)屏蔽設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)某一區(qū)域，例如斯特林發(fā)電機(jī)區(qū)域、防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)充電點(diǎn)位區(qū)域等；其它方位或區(qū)域的防護(hù)適當(dāng)減弱以減輕屏蔽質(zhì)量。

(3)防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)的有效充電時(shí)間(有效受照時(shí)間)：理論上，防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)不可能隨時(shí)隨地都與核堆電源連接充電，正常情況下，防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)在核堆電源周?chē)某潆婞c(diǎn)位區(qū)域充滿(mǎn)電后，即可離開(kāi)核堆電源進(jìn)行遠(yuǎn)距離月面信息的探測(cè)，故在核堆電源8～10 年的運(yùn)行周期內(nèi)，防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)的有效充電時(shí)間(有效受照時(shí)間)應(yīng)小于8～10 年。若核堆電源為防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)供電時(shí)，約十分之一時(shí)間核堆電源為防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)充電，十分之九時(shí)間防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)離開(kāi)核堆電源進(jìn)行周?chē)旅嫘畔⑻綔y(cè)，從時(shí)間上可為輻射防護(hù)的注量、劑量要求降低一個(gè)量級(jí)，降低輻射防護(hù)要求。此外，可考慮為核堆平臺(tái)提供蓄能儲(chǔ)電模塊，利用空余時(shí)間為蓄電模塊充電，當(dāng)防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)需要充電時(shí)，核堆電源與蓄電模塊聯(lián)合為其充電，進(jìn)一步縮短防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)靠近核堆電源的有效受照時(shí)間。

(4)防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)正對(duì)核堆電源方向布置屏蔽材料并充分利用其結(jié)構(gòu)件以防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)。

2.3 屏蔽及布置方案

通常，月面堆可采用自帶屏蔽及利用月面淺坑、深坑地形等多種手段方式進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。采用深坑布置時(shí)需同時(shí)屏蔽核堆電源軸向及徑向頂部方向，經(jīng)初步評(píng)估總體質(zhì)量約噸級(jí)起步，嚴(yán)重超出系統(tǒng)質(zhì)量約束條件，不予考慮。其次，考慮采用以自帶屏蔽為主，輔助以布置距離、重點(diǎn)防護(hù)區(qū)、有效受照時(shí)間、防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)局部屏蔽等方式，經(jīng)初步評(píng)估，核堆電源移動(dòng)式布置、月面固定點(diǎn)位式布置、淺坑式固定布置均可滿(mǎn)足輻射防護(hù)要求，具體屏蔽設(shè)計(jì)及布置方案如圖2 到圖4。

圖2 月面微型熱管堆電源屏蔽及防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)動(dòng)態(tài)布置方案A

圖2 為月面微型熱管堆電源屏蔽及防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)動(dòng)態(tài)布置方案A，其中Z軸正方向?yàn)橹髌帘畏较?，同時(shí)防護(hù)斯特林區(qū)域及目標(biāo)平臺(tái)區(qū)，Z軸負(fù)方向及Y軸方向?yàn)楸∪跗帘卧O(shè)計(jì)區(qū)域。表1 和表2 分別為目標(biāo)平臺(tái)與斯特林區(qū)域的劑量數(shù)據(jù)，可以看到A 方案滿(mǎn)足1.2 節(jié)輻射防護(hù)要求，為降低底部中子泄漏對(duì)目標(biāo)平臺(tái)影響，其電源底部需增加約上文50～60 kg氫化鋰輕屏蔽。圖3 和圖4分別為月面直接靜態(tài)固定方案B 及淺坑固定方案C，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方案均可滿(mǎn)足屏蔽限值要求，直接靜態(tài)固定布置方案B 相比方案A 可省去底部屏蔽質(zhì)量，會(huì)減重電源系統(tǒng)；其次，從劑量數(shù)據(jù)來(lái)看，采用淺坑布置對(duì)比方案B沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)快中子注量及光子劑量

表2 斯特林區(qū)域快中子注量及光子劑量

圖3 月面微型熱管堆電源屏蔽及防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)固定布置方案B

圖4 月面微型熱管堆電源屏蔽及防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)固定淺坑布置方案C

2.4 核堆電源周?chē)鷦┝繄?chǎng)數(shù)據(jù)

圖5 為月面核堆電源周?chē)鞣较蛏系目熘凶幼⒘亢凸庾觿┝糠植甲兓闆r?？梢钥闯?，重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域Z軸正方向相比于Z軸負(fù)方向和Y軸方向薄弱防護(hù)區(qū)域，快中子注量會(huì)降低約2～3 個(gè)量級(jí)，光子劑量降低約1 個(gè)量級(jí)，屏蔽效果顯著。若考慮防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)的有效受照時(shí)間為～1/10 核堆壽期進(jìn)行布置，則重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域的防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)安全布置區(qū)約在距離核堆電源10～15 m 以外的區(qū)域；Z軸負(fù)方向、Y軸方向非重點(diǎn)防護(hù)區(qū)約在100 m 以外的區(qū)域；若考慮防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)的有效受照時(shí)間為核堆全壽期進(jìn)行布置，重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域的防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)安全布置區(qū)約在距離核堆電源50 m 以外的區(qū)域；Z軸負(fù)方向、Y軸方向非重點(diǎn)防護(hù)區(qū)約在300 m 以外的區(qū)域。此外，快中子注量是限制核堆電源與防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)之間布置距離的核心因素，光子劑量對(duì)布置距離的限制很小。

圖5 月面核堆電源各方向快中子注量分布和光子劑量分布

2.5 屏蔽設(shè)計(jì)及布置方式總結(jié)

2.5.1 屏蔽設(shè)計(jì)總結(jié)

綜合上述屏蔽設(shè)計(jì)方案及劑量場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：采用多重屏蔽措施后，月面微型熱管冷卻核堆電源整體質(zhì)量可約束在500 kg 左右，可覆蓋數(shù)百瓦級(jí)至千瓦級(jí)功率需求；當(dāng)電源平臺(tái)采用月面動(dòng)態(tài)布置時(shí)，電源平臺(tái)底部需額外付出約50～60 kg 的屏蔽質(zhì)量；當(dāng)采用月面淺坑布置或月面靜態(tài)定點(diǎn)直接布置方式時(shí)，可省去平臺(tái)底部屏蔽，系統(tǒng)可減重；月面淺坑布置相比于月面靜態(tài)定點(diǎn)直接布置沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)；考慮防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)的有效受照時(shí)間后，防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)與核堆電源之間的布置距離可縮減數(shù)倍左右，減小電纜長(zhǎng)度及質(zhì)量；結(jié)合實(shí)際功率需求、屏蔽方位及區(qū)域、劑量限值裕量、布置距離、有效受照時(shí)間等因素后，屏蔽及系統(tǒng)質(zhì)量有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

2.5.2 月面動(dòng)點(diǎn)布置

若核堆電源平臺(tái)與探測(cè)器載荷平臺(tái)采用動(dòng)點(diǎn)布置，當(dāng)變更探測(cè)區(qū)域后，核堆電源平臺(tái)移動(dòng)至探測(cè)區(qū)的核心位置，選取合適點(diǎn)位布置，為防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行供電，探測(cè)完該區(qū)域后，核堆電源再移動(dòng)布置到其它目標(biāo)探測(cè)區(qū)，可擴(kuò)大月面探測(cè)區(qū)，獲取更豐富的探月數(shù)據(jù)。但核堆電源平臺(tái)的可移動(dòng)性布置需求會(huì)增加電源平臺(tái)整體的設(shè)計(jì)難度，包括可靠性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、運(yùn)行穩(wěn)定性等要求；其次平臺(tái)底部泄漏中子會(huì)大幅增加，需額外付出一定屏蔽質(zhì)量。

2.5.3 月面靜態(tài)定點(diǎn)布置

在著陸目標(biāo)區(qū)選取相對(duì)平坦的月面區(qū)域，并在固定點(diǎn)位布置微型熱管堆電源，或者將其固定點(diǎn)位布置于月球科研站核心區(qū)外，由月面電網(wǎng)系統(tǒng)將核堆電力傳輸至目標(biāo)用電區(qū)。該布置方式可提高核堆電源整體的運(yùn)行穩(wěn)定性并有效緩解核堆電源平臺(tái)底部的中子泄漏問(wèn)題，降低系統(tǒng)質(zhì)量。

3 結(jié)論

探索和開(kāi)發(fā)利用月球是目前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，中長(zhǎng)期內(nèi)我國(guó)的目標(biāo)是建立月球科研站并開(kāi)展月面信息探測(cè)及月面資源利用等工作。其中月面能源需求的長(zhǎng)期穩(wěn)定供給是核心的關(guān)鍵技術(shù)難題之一，而核反應(yīng)堆電源是優(yōu)選的長(zhǎng)期穩(wěn)定能源供給手段。本文基于鈾鉬合金快堆、鈉熱管傳熱、斯特林動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換及熱管式輻射器散熱的總體技術(shù)路線(xiàn)提出了采用500 W 電功率月面微型熱管堆電源進(jìn)行目標(biāo)平臺(tái)供電的設(shè)想。論文重點(diǎn)對(duì)其屏蔽設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了多重輻射防護(hù)及屏蔽設(shè)計(jì)舉措以滿(mǎn)足防護(hù)目標(biāo)平臺(tái)劑量要求，核堆電源可采用移動(dòng)式或固定點(diǎn)位等布置方式，其系統(tǒng)質(zhì)量均可約束在500 kg 左右，輕質(zhì)且微型。該系統(tǒng)可用較小的質(zhì)量代價(jià)初步驗(yàn)證核堆電源為月面長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的關(guān)鍵核心技術(shù)，并為月面核堆電源的屏蔽設(shè)計(jì)輻射防護(hù)問(wèn)題提供解決思路。