空间核反应堆电源需求分析研究

空间电源技术是开展空间探测的核心技术之一,空间核反应堆电源具有能量密度大、功率覆盖范围广、受太空环境影响小等特点,是未来空间电源的理想选择。本文从空间任务适用对象、系统比质量两方面对现有空间电源进行对比,阐述了空间核反应堆电源在未来空间活动的可能应用场合。基于对未来民用与军用空间任务的调研,归纳了空间核反应堆电源的功率需求。针对不同功率量级,对比分析了公开发表的不同空间核反应堆电源技术方案,给出了不同功率量级相对优化的技术路线选择。本研究可为空间核反应堆电源研究设计提供参考。     

空间核反应堆概述

随着航天技术的发展，空间飞行器需要大功率、长寿命的电源。目前使用的空间能源有化学能电池、燃料电池、同位素电池、太阳能电池和核反应堆电源。核反应堆电源结构紧凑，具有较小的质量．比功率(质量比功率或体积比功率)高，较长的运行寿命和可远离太阳独立运行，     

TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源辐射屏蔽优化措施影响分析

空间核反应堆辐射屏蔽可减弱中子与γ光子通量对仪器设备的辐照,温度是影响辐射屏蔽性能的重要因素。利用Fluent软件对TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源辐射屏蔽在真空环境下的换热行为进行了数值模拟,提出了优化措施,并揭示了优化措施对其温度场的影响和其温度分布特性。研究结果表明：冷却剂管道及其管槽表面喷涂低发射率的涂层具有均匀辐射屏蔽温度场和降低其温度峰值的效果,最优化参数为管道表面涂层的发射率为0.1～0.3、管槽表面涂层的发射率为0.1,且管道表面喷涂低发射率涂层效果要优于管槽;在冷却剂管道、管槽间添加单层表面发射率为0.04～0.07的真空遮热板也可使辐射屏蔽温度场与温度峰值处于最优状态。     

空间核反应堆电源热工水力特性研究综述

随着空间探索领域的快速发展,研究高功率、安全、可靠的空间核反应堆电源将变得愈发重要。本文针对国内外空间核反应堆电源的热工水力关键问题,即空间堆系统稳态和事故瞬态研究、堆芯单冷却剂通道及全堆芯的三维流动换热、静态与动态热电转换装置分析、热工水力特性试验研究等进行研究,分析了空间核反应堆电源热工水力研究的趋势。本文结果可为空间核反应堆电源设计分析及热工水力安全特性研究提供帮助和指导。     

空间核反应堆电源用核燃料研制进展

核燃料是空间核反应堆电源的主要材料之一,由于空间核反应堆电源的运行条件明显有别于地面反应堆,空间核反应堆电源用核燃料的类型和技术要求也明显不同于地面反应堆。国际上空间核反应堆电源用核燃料研制取得了长足的进展,多种核燃料材料在工程应用中得到了检验,并在持续开发新型核燃料。我国在亚化学计量二氧化铀芯块、铀钼合金、铀氢锆合金、碳化铀芯块、氮化铀芯块等多种具备在空间堆中应用的燃料材料上开展了一定的研究,并掌握了部分材料性能数据。本文就上述内容展开论述,同时针对与国际相应领域明显落后的实际情况,提出了我国后续核燃料研究的初步设想。     

TOPAZ-Ⅱ空间电源系统辐射器改进研究

针对前苏联TOPAZ-Ⅱ反应堆系统所采用回路式辐射器存在单点失效的问题,采用热管式辐射器对其进行改进以提高系统安全性。根据系统废热排出的要求及冷却剂工作温度,选取高温钾热管,对结构材料及相关参数进行了设计,同时设计了辐射器的结构、热管的布置方式及铜翅片的参数。热管中心蒸汽区通过一维流动方程进行了求解,采用有限元方法分析了热管管壁与吸液芯结构的导热,采用有限差分法对翅片的辐射导热进行了计算。对热管与翅片组成的辐射单元与集流环进行了耦合计算,得出了辐射器设计工况下的稳态结果,对其进行了分析并与回路式辐射器进行了相应比较。计算结果表明,所设计热管式辐射器满足TOPAZ-Ⅱ正常运行情况下的废热排出要求,并具有较多裕度,同时热管式辐射器的安全性与等温性也优于回路式辐射器。     

热管空间核反应堆电源的研究进展

随着人类对宇宙太空的深入探索,对于提供能量的电源要求也在逐步提高,空间核反应堆电源在执行深空探测任务中脱颖而出。热管核反应堆由于具备非能动性、寿期长、可靠性高等优势,成为目前空间核反应堆领域的研究热点。本文通过重点介绍典型热管堆的概念设计系统以及在Kilopower中的应用,对热管电源系统(Heatpipe Power System,HPS)、由热管控制的火星探索反应堆(The Heatpipe-operated Mars Exploration Reactor,HOMER)、安全可负担裂变引擎方案(Safe Affordable Fission Engine,SAFE)以及Kilopower进行了重点调研,归纳总结了各个反应堆的结构设计、燃料选择、热管排布、功率设计等,以期对未来热管空间核反应堆电源的设计研究提供思路和参考。     

火星表面核反应堆电源方案研究

火星作为地球的近邻,一直是人类进行深空探测和开发的首选目标。登陆火星、建立火星基地并开发利用火星资源首先需解决电力供给问题,核反应堆电源具有功率大、寿命长、环境适应性强等优点,是火星基地及其他深空探测任务的理想能源。通过分析目前可用于火星基地的能源情况,针对性地提出了40 kWe火星表面核反应堆电源的总体方案,并从物理、安全、屏蔽、热工以及结构方面对电源方案进行了分析和论证。结果表明：该电源方案合理可行,能满足安全和寿期要求。     

热离子空间堆电源负荷跟踪特性研究

为分析热离子空间堆电源负荷跟踪运行特性,本研究采用可复用的层次化组件模型的Fortran语言建立热离子空间堆TOPAZ-II系统程序。分析了铯蒸汽压力和电极间隙对输出电功率的影响,利用堆芯反应性反馈和外部负载电阻协同控制的方法,分析不同载荷变化下热离子空间堆电源在轨运行的负荷跟踪运行特性。结果表明对于稳态电功率为5.5 kW的工况,电功率在0.95～7.25 kW之间变化时,慢化剂温度不会发生明显变化,此时堆芯具有自稳特性;超过这个范围,堆芯则失去自稳特性,这与慢化剂的正温度反应性反馈密切相关。     

Research on Space Nuclear Reactor Power Demand Analysis

Space power is one of the core technologies for space exploration. Space nuclear reactor power is characterized by high energy density, wide power coverage and small dependence on space environment, which is a promising choice for future space power. In this paper, the existing space power systems in view of mission targets and system specific mass were compared, potential application of space nuclear reactor power in future space activities was presented. Based on the investigation of the future civil and military space missions, the power requirement of space nuclear reactor power was summarized. According to different powers, the various technology schemes for space nuclear reactor power in the open literatures were compared, and the relatively optimized technical roadmaps for different power levels were given. This study can provide guidance for the space nuclear reactor power system design.     

空间核反应堆本体参数最优化研究

空间技术是具有重大潜在前景的技术,对国家的科学、国防、政治、经济具有重要意义。为了满足空间条件及发射条件的要求,并使空间核反应堆经济性最大化,对空间核反应堆本体的结构设计方案和参数最优化进行了研究。在调研多种国外空间核反应堆方案设计的基础上,提出了空间核反应堆堆型与堆本体结构设计方案。建立了堆本体数学模型,将设计最优化的工程学问题转化为求解非线性整数优化的数学问题,采用编写Matlab程序语言的方法,利用数学软件求解了最优化问题,在理论上得到了所建立模型的最优化参数设计并探讨了旋转控制鼓数量变化与堆芯燃料半径变化对堆本体总质量的影响。堆本体总质量较初始模型下降了14.3%,为今后完成更进一步的空间核反应堆设计提供了参考。     

次临界能源堆安全性研究

次临界能源堆由中心的托卡马克装置和围绕其的裂变包层组成。本文根据物理和热工专业分析计算得出的一种针对其裂变包层的燃料和冷却剂通道布置方式,分析设计的包层结构安全性和工程应用中的安全性。包层结构安全性分析使用CFD方法,计算了正常运行工况和冷却剂通道堵管的情况,得到堵管发生后包层的局部状况。通过RELAP程序模拟了裂变包层参与核电厂发电运行过程中,其本身所具有的固有安全性。本文通过计算发现了其安全上的薄弱环节,并提出了改进措施,为以后改进次临界能源堆安全性提供参考。     

空间气冷堆堆芯初步物理特性分析

为满足未来空间探测活动的大功率用电及轻质量载荷需求,以美国、俄罗斯空间气冷反应堆方案为基础,提出一个亚MW级空间气冷堆堆芯初步设计方案,并使用蒙特卡罗程序对该方案进行堆芯物理计算与分析,给出几种典型工况下的堆芯反应性以及中子分布特征。计算结果表明,该设计方案可满足反应堆的安全性要求,能实现紧急停堆,并可保证在堆芯被水淹没等设计基准事故条件下维持反应堆次临界,确保反应堆安全。此外,通过在堆芯局部燃料棒中添加热中子吸收材料,对堆芯径向功率分布进行优化,以展平径向功率分布。     

评价核数据在热管冷却空间核反应堆设计中的应用

热管冷却反应堆是空间核反应堆电源系统的重要候选堆型,具有良好的发展前景。热管冷却空间堆堆芯使用的材料与传统压水堆相比有很大不同,以HP-SMTCs堆芯为例,广泛使用了含有Re、Mo、Li、Be等元素的材料。为研究相应的评价核截面数据对热管冷却空间堆核设计产生的影响,以HP-SMTCs空间堆核设计为平台,选用不同来源、不同版本的评价核数据,对堆芯在不同构型下的临界安全进行了计算,对Re、Mo等耐高温材料的中子截面数据对空间堆核设计结果的影响进行了评价,比较了使用ENDF/B、JEFF、CENDL等常用评价库的核数据时的计算结果,对主要核素的截面数据进行了敏感性系数计算,并分析指出了未来空间堆发展对相关评价核数据的需求。     

兆瓦级空间热管反应堆动力系统概念设计

针对目前航天技术发展对动力提出的要求,参考国外提出的空间核动力系统设计,提出了新型兆瓦级空间热管反应堆核动力系统概念设计。堆芯为金属锂热管冷却、石墨慢化热中子反应堆,采用转鼓控制反应性,堆芯热量通过热管导出。与国外热管反应堆设计方案中燃料棒与热管相间布置方案不同,本文采用了热管-燃料复合元件,即燃料包裹于热管外壁面。能量转换采用以氦氙混合气体为工质的布雷顿动态热电转换。系统废热通过钠钾合金冷却回路传递到钾热管辐射板,通过辐射换热释放入太空。对热管反应堆堆芯物理及热工进行了初步分析,并对热管辐射板进行了性能分析,结果表明,所设计热管反应堆堆芯在设计功率下满足相应安全性要求,同时热管辐射板具有足够的能力将系统废热导出。