核能航空發動機技術方案初探

張軍峰，蘇桂英

（沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

1 引言

核能航空發動機，亦稱原子能航空發動機，是1種正在探索中的新能源發動機。與常規航空發動機以燃燒化學燃料直接加熱空氣不同，核能航空發動機是利用原子核裂變所釋放出的巨大熱量對工質進行直接或間接加熱。與傳統發動機相比，核能航空發動機具有下列顯著優勢：（1）航空器配裝核能發動機后，其活動范圍大大增強，無需空中補加燃料即可飛至地球表面的任何地方；（2）沒有溫室氣體排放，適應當前的減排要求；（3）具有極佳的經濟性；（4）適應能源多元化的要求，有利于解決能源安全問題。基于上述優勢，核能發動機在超遠程飛機、長航時通信傳遞平臺以及長航時情報、監視、偵察平臺等方面具有良好的應用前景。

本文對核能發動機技術方案進行了初步探討。

2 核能發動機的技術方案

根據利用核能的基本結構方式不同，核能發動機可分為開式循環和閉合循環2大類。在開式循環核能發動機中，核反應堆位于發動機內部，壓氣機出口空氣流入核反應堆內直接加熱，而后進入渦輪進行能量轉換。其結構相對簡單、易于調控，但存在防護困難、污染大氣、維護不便以及核反應堆材料氧化等致命缺陷，因此難以實際應用。閉合循環核能發動機由核反應堆、傳熱系統和發動機3大部分組成，核反應堆用于將核能轉換為熱能，傳熱系統用于將熱能從核反應堆轉移至工質，而發動機則將熱能轉換為機械能和動能以產生所需推力。雖然該發動機結構相對復雜，但能規避開式循環核能發動機的諸多致命缺陷，因此更趨近于實際應用。本文僅探討閉合循環核能發動機的技術方案。

2.1 核反應堆

核能發動機對核反應堆的最基本要求是安全性好、出口溫度高。核反應堆的安全性好意味著公眾更容易接受核動力飛行，而出口溫度高則有利于提高發動機性能。綜合考慮目前各種核反應堆的技術狀況及發展潛力，選擇高溫氣冷堆作為發動機的核反應堆。

高溫氣冷堆是國際核能界公認的1種安全性良好的堆型，在技術上可以保證不會發生堆芯熔毀和放射性外泄等危害公眾以及環境安全的嚴重事故。基于下述幾項特別設計，高溫氣冷堆具備了所謂的固有安全性。

（1）采用包覆顆粒燃料元件。高溫氣冷堆的燃料元件由彌散在石墨基體中的包覆顆粒燃料組成，其破損溫度大大超過事故工況下的最高溫度，因此破損外泄放射性的可能性極低。

（2）選用石墨作為堆芯結構材料。石墨的熔點很高，遠遠高于事故工況下的最高溫度，因此不會出現堆芯熔毀現象。

（3）選擇氦氣作載熱劑。氦氣為惰性氣體，與核反應堆材料的相容性好，避免了腐蝕問題。此外，氦氣的感生放射性低，核反應堆一回路的放射性劑量小，易于放射性防護。

（4）采取非能動的余熱排出系統。高溫氣冷堆無需專設余熱排出系統，停堆后的余熱可依靠熱傳導、熱輻射等非能動的自然傳熱機制排出。此項措施可保證停堆后堆芯的最高溫度不超過安全限值，故而排除了堆芯熔毀的可能性。

（5）具有反應性瞬變的固有安全性。高溫氣冷堆的設計具有負的反應性溫度系數，因此在正反應性引入事故情況下能迅速抑制核反應堆功率的上升，使燃料元件最高溫度遠低于安全限值。

（6）執行縱深防御放射性外泄的安全原則。高溫氣冷堆設置了阻止放射性外泄的多重屏障。

此外，高溫氣冷堆的堆芯溫度可高達1600℃，載熱劑的出口溫度能達到950℃，并有可能提高至1000～1200℃，這是其它類型核反應堆所難以企及的。因此，高溫氣冷堆較其它類型核反應堆更適用于核能發動機。

高溫氣冷堆用于核能發動機尚需解決撞擊保護問題，即當航空器墜毀而導致核反應堆與地面/水面高速撞擊時，必須采取特別措施以保護安全殼等部件不發生破裂，否則會導致放射性外泄的嚴重事故，危害公眾和環境的安全。目前核反應堆的撞擊保護問題主要通過吸收撞擊能量這一措施來解決。

2.2 發動機

2.2.1 發動機選型

核能發動機最適于推進大型亞聲速航空器的觀點已得到普遍認可。渦槳、渦扇及渦噴發動機均可作為大型亞聲速航空器的動力裝置。在保證推力的前提下，核能發動機的質量應盡可能小，這樣可降低航空器的研制難度。核能發動機的質量主要決定于核反應堆的質量，完全防護的核反應堆質量與核反應堆功率的平方根大致成正比，因此可按所需核反應堆功率最小的原則來確定優先發展的發動機型別。所需核反應堆功率的大小與發動機的經濟性直接相關。渦槳、渦扇和渦噴發動機的經濟性依次降低，因此從所需核反應堆功率方面來講，發展順序為渦槳、渦扇及渦噴發動機的優先發展順序依次降低。由于螺旋槳的效率隨著航空器飛行速度的提高而降低，因此渦槳發動機不適于高亞聲速飛行，在大型遠程航空器上已被大涵道比渦扇發動機所取代。此外，為了提供推進大型亞聲速航空器所需的高推力，渦噴發動機的尺寸必須大大增加，減速器和螺旋槳技術則成為渦槳發動機的發展障礙，而目前高推力、大涵道比渦扇發動機已有相當的技術積累，因此，渦噴發動機的發展風險最高，渦槳發動機其次，渦扇發動機最低。基于上述分析，確定將渦扇發動機作為發展對象。

2.2.2 循環方式

按照工質是否為傳熱系統回路中的載熱劑，核能發動機的循環方式可分為間接循環和直接循環2大類。

（1）間接循環

間接循環渦扇發動機如圖1所示。1回路載熱劑在核反應堆內吸收熱量后，通過核反應堆換熱器將熱量轉移至2回路載熱劑；2回路載熱劑在發動機換熱器內與壓氣機出口空氣進行熱量交換，完成對壓氣機出口空氣的加熱；加熱后的空氣流入渦輪，完成能量轉換。

間接循環渦扇發動機的結構相對簡單，易于實現使用核燃料/化學燃料，但由于1回路載熱劑由核反應堆直接流入核反應堆換熱器內進行熱量交換，核反應堆換熱器的進口溫度較高，因此必須掌握耐高溫的核反應堆換熱器技術。

（2）直接循環

采用了回熱循環的直接循環渦扇發動機如圖2所示。1回路載熱劑在核反應堆內吸收熱量后，通過核反應堆換熱器將熱量轉移至2回路載熱劑；接著2回路載熱劑流入渦輪，將熱量轉換為機械功以驅動壓氣機和風扇；而后2回路載熱劑流入回流換熱器，與流回安全殼內的2回路載熱劑進行熱量交換，籍此提高熱量利用率，降低對核反應堆的功率要求，并可減少對環境的熱污染。為了保證2回路載熱劑的壓力達到系統要求值，需要壓氣機對其進行壓縮。由于在增壓比保持不變的條件下，降低載熱劑的溫度可使壓氣機功減少，因此2回路載熱劑在流入壓氣機前，先通過預冷器散熱以降低溫度。壓縮后的2回路載熱劑在回流換熱器內吸收熱量后流入核反應堆換熱器。若預冷器處于發動機外函通道中而導致的空氣壓力損失較小，則可將其置于外函通道中，這樣可再度提高熱量利用率，并增加推力。

直接循環渦扇發動機亦須掌握耐高溫的核反應堆換熱器技術，且不易實現使用核燃料/化學燃料。由于工質為二回路載熱劑，因此對發動機的密封性能要求極高，尤其是軸承處的密封問題。然而，因為采用了回熱循環，所以熱效率較高。

直接循環渦扇發動機采用了雙布雷頓循環，如圖3所示。1回路載熱劑在核反應堆內吸收熱量后直接流入安全殼內的渦輪，將熱量轉換為機械功以驅動主、次壓氣機。由渦輪流出的1回路載熱劑通過中間換熱器將熱量轉移至2回路載熱劑，而后1回路載熱劑流入主壓氣機內壓縮，以使壓力達到系統要求值。2回路載熱劑通過中間換熱器吸收熱量后，流入發動機渦輪內，將熱量轉換為機械功以驅動風扇。為了保證2回路載熱劑的壓力達到系統要求值，需要次壓氣機對其進行壓縮。由于在增壓比保持不變的條件下，降低2回路載熱劑的溫度可使次壓氣機功率減少，因此2回路載熱劑在流入次壓氣機前，先通過預冷器散熱以降低溫度。2回路載熱劑通過預冷器散失的熱量被函道中的空氣所吸收，這樣能提高熱量利用率，并增加發動機的推力。

雙布雷頓循環渦扇發動機（圖3）的1回路、2回路載熱劑的壓力可保持相近，因此能降低中間換熱器內部的壓降。1回路載熱劑經渦輪膨脹做功后再流入中間換熱器內進行熱量交換，因而中間換熱器的進口溫度較低。上述2方面因素使得中間換熱器的設計難度大大降低。此外，由于核反應堆產生的熱量僅有部分通過中間換熱器轉移，因此可使中間換熱器的尺寸較小，從而能降低安全殼尺寸。但設在安全殼內的渦輪和主、次壓氣機又會導致安全殼尺寸增大，且工質為2回路載熱劑，同樣存在發動機的密封問題。

間接/直接循環渦扇發動機各具優缺點，相對而言，雙布雷頓循環渦扇發動機與高溫氣冷堆具有良好的匹配性，能夠有效利用現有的核反應堆技術，且無需耐高溫的核反應堆換熱器，因此可大大降低技術風險和開發成本。因此，將發動機的熱力循環選為雙布雷頓循環。

2.3 傳熱系統

傳熱系統用于將核反應堆產生的熱量轉移至工質，主要由核反應堆換熱器、發動機換熱器和管道系統組成。

單回路傳熱系統雖具有效率高、無需核反應堆換熱器及功率傳遞延遲不明顯等突出優點。但基于安全考慮，決定采用雙回路傳熱系統。在該系統中，1回路整體位于安全殼內，當其出現載熱劑泄漏事故時，只要快動閥正常工作即可被安全殼所阻隔，因此不會危害公眾和環境的安全。

當采用高溫氣冷堆時，1回路載熱劑自然為氦氣。由于2回路與1回路在結構上相互分隔，因此在選擇2回路載熱劑時便具有相當的自由度。間接循環的2回路載熱劑既可選用液體亦可選用氣體，而直接循環的2回路載熱劑僅可選用氣體。某物質是否適于作為載熱劑，應對其熱性質、腐蝕性質、泵送功率、傳熱系數、安全性和成本以及收益等多個方面進行評估后才能確定。雖然氦氣作為載熱劑在泵送功率、傳熱性質及成本方面并不具備絕對優勢，但其安全性優于多數常用載熱劑，而這對于核能發動機而言至關重要。因此，2回路載熱劑選用氦氣。

2.3.1 核反應堆換熱器

核反應堆換熱器用于將核反應堆產生的熱量由1回路轉移至2回路。其換熱器位于安全殼內，因此其結構必須緊湊，否則會增大安全殼尺寸；若傳熱效率低，則為了保證發動機的推力，必須提高核反應堆的功率。因此，結構緊湊及傳熱效率高是對核反應堆換熱器的最基本要求。

綜合考慮上述要求及目前的換熱器技術，決定將核反應堆換熱器選為板翅式。板翅式換熱器的結構方式很多，但都是由若干層基本換熱元件組成。在2塊平隔板中夾著1塊波紋形翅片，兩端用側條密封，便形成基本換熱元件，多層這樣的換熱元件疊積焊接起來，再配以必要的封頭、接管、支承等就構成板翅式換熱器。板翅式換熱器為層狀結構，冷熱載熱劑交替在不同的層內流動。

板翅式換熱器具有下列優點：

（1）傳熱效率高。翅片對載熱劑的擾動使邊界層不斷破裂，因此具有較大的換熱系數；隔板和翅片的厚度均較薄，因而具有高導熱性。2方面因素的綜合使得板翅式換熱器具有高傳熱效率。

（2）結構非常緊湊。由于板翅式換熱器具有擴展的2次表面，因此，其表面積可高達1000～2500 m2/m3。

（3）適應性強。通過流道的布置和組合能夠適應逆流、錯流、多股流、多程流等不同的換熱工況；通過單元間串聯、并聯、串并聯的組合可以滿足大型設備的換熱需要；通過積木式組合能夠擴大互換性。

應用板翅式換熱器所要解決的主要問題是提高其承壓能力。此外，由于核反應堆換熱器位于安全殼內，因此維護不便，要求其具有高可靠性。

為了增加安全裕度，每臺發動機均應配備獨立的核反應堆換熱器。這樣，當某一或某些換熱器出現破裂或泄漏現象時，只需關閉與該換熱器對應的發動機即可，而其它發動機仍可正常工作。

2.3.2 發動機換熱器

在如圖1所示的間接循環發動機中僅有1種發動機換熱器，該換熱器用于將2回路載熱劑的熱量轉移至壓氣機出口空氣。考慮到發動機的結構特點及換熱要求，換熱器選為翅片管式。該換熱器的管子外壁設有翅片，大大增加了空氣側的換熱面積，并可促進空氣的擾動，從而減小了傳熱熱阻，強化了傳熱。該換熱器的結構較為緊湊，非常適用于換熱面兩側流體換熱系數相差較大的場合。該換熱器的主要缺點是翅片側阻力大。翅片的形狀、結構以及與管子的連接方式是該換熱器的主要優化研究內容。

在圖2所示的直接循環發動機中有2種發動機換熱器，即回流換熱器和預冷器。回流換熱器用于將熱量由離開渦輪后的載熱劑轉移至離開壓氣機后的載熱劑；預冷器則用于冷卻流入壓氣機的載熱劑。為了降低熱量損失，回流換熱器應盡可能靠近壓氣機和渦輪。因此，回流換熱器必須位于發動機內或距離發動機很近，這就決定了該換熱器的結構必須緊湊。基于此，回流換熱器選為板翅式。預冷器與間接循環的發動機換熱器有相似之處，因此將預冷器選為翅片管式。

雙布雷頓循環渦扇發動機中僅有1種發動機換熱器-預冷器。該預冷器與圖2中預冷器的作用及要求相同。因此，將預冷器亦選為翅片管式。

2.3.3 管道系統

管道系統用于輸運載熱劑，并控制其流動，選材、布局和快動閥是管道系統技術方案的主要研究內容。

管道材料是以特定溫度及壽命要求條件下的蠕變破裂強度為選用標準。例如：若管道的最高溫度為870℃時,且壽命不低于10000 h，則其材料可選為在此條件下蠕變破裂強度約為41.4 MPa的鈷基高溫合金GH5188；若管道的最高溫度為590℃,且壽命不低于10000 h，則其材料可選為在此條件下蠕變破裂強度約為620.5MPa的鎳基高溫合金GH4169。由于供給管與回流管的溫度有差異，因此二者可選用不同的材料。為了減少熱量損失，可在管道外側包覆保溫材料。

管道系統的布局有2種,即并行布局和同軸布局。在并行布局中，供給管與回流管并行排列；在同軸布局中，供給管位于回流管內，二者同軸排列。與并行布局相比，同軸布局的質量小（載熱劑為氦氣時），但壓力損失大、泵送功率高，且存在組裝問題。此外，在同軸布局中，為了保證流動條件下供給管的穩定性，必須掌握供給管的支撐技術。管道系統選用何種布局，應在質量、壓力損失、泵送功率和組裝以及設計等幾個方面進行折衷后決定。

當發生航空器墜毀等嚴重事故時，為了防止放射性外泄對公眾和環境的安全造成危害，必須能夠迅速密封穿越安全殼的載熱劑管道，此任務由快動閥完成。高壓條件下的密封性好，且質量小是對快動閥的基本要求。目前關于快動閥的研究不多，尚無可行的技術方案作為參考，因此有待今后重點研究。

3 結論

（1）核能航空發動機的發展對象為雙布雷頓循環核能渦扇發動機。

（2）核反應堆采用高溫氣冷堆，但須發展完善撞擊保護技術。

（3）選擇雙回路傳熱系統，2回路載熱劑選用氦氣，核反應堆換熱器和回流換熱器選為板翅式，預冷器選為翅片管式，管道系統的布局應在多個方面進行折衷后決定，而快動閥技術尚需研究和發展。

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