模塊化熱管式冷卻快堆概念研究

孫志勇

摘 要：根據月球表面的環境條件和火箭運載能力，提出并了月球表面核反應堆電站的基本方案：一個設計模塊化、布置一體化熱管冷卻堆芯的快堆電站—電功率100 kW，壽命10年，總質量2.9 t左右。整個電站由三個相同的模塊組成，每個模塊均包含有鋰熱管導熱的堆芯單元、熱電偶轉換單元、鉀熱管輻射器單元、轉動控制鼓單元，以及堆芯頂部屏蔽單元。三個模塊均單獨運輸發射，在月球表面總裝集成。該方案具有體積小、質量少、操作方便、安全可靠性高、發射性能好等特點。從根本上消除了發射過程中可能導致的臨界安全事故風險。

關鍵詞：模塊化 熱管式 快堆

中圖分類號：TL43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0020-02

月球是距離地球最近的自然天體，具有許多獨有的優點。隨著人類對空間需求的日益增長和航天技術的飛速發展，探測月球、重返月球、開發利用月球和在月球建立人類活動的基地，已成為世界各航天大國深空探測最為重要的目標。建立月球科研基地首先需解決能源供給問題。近年來世界相關國家的研究表明，在月球表面建立核反應堆電站是解決月球基地持續穩定能源供應的最理想方案。該論文所研究的項目來源于國家“863”計劃的一個子課題“月面核反應堆電源技術方案研究”。立足于國內科技和工業基礎，瞄準未來中國探月工程的需要，而開展的前期工作，因此從方案選擇方面，既要能夠體現出概念上的前瞻性，同時必須立足于國內基礎，使得方案在未來通過15～20年的技術研究能夠得以實現。因此充分調研和分析國內外的經驗，揚長避短，拿出一個合適的方案是研究工作的前提和基礎。

1 方案篩選

系統的初步構想應當具有如下幾個方面的考慮：

（1）質量小，體積小，易于在運載火箭內布置。

（2）發射過程中避免發生臨界安全事故。

（3）整個系統在運行過程中操控簡單，反應堆固有安全特性好。

（4）系統運行過程中不需要額外維護。反應堆的維護由于放射性的存在相對較為復雜，特別是在月球表面，高放射性的部件幾乎不可能檢修，因此系統設計中應當極力避免單點實效。

以下從堆型、冷卻方式、熱電轉換方式、廢熱排放方式等方面對各種可行的方案進行比較和篩選。

1.1 堆芯能譜選取

堆芯設計首先要選擇堆型。有三種選項：熱堆、超熱堆、快堆。熱堆、超熱堆及快堆分別主要由熱中子、超熱中子及快中子引起裂變。這三種堆型各有優缺點。表1給出不同能譜堆芯的評分，評價標準借鑒了參照美國MSR堆選擇評判標準

綜合考慮，快堆用于空間及星球表面利用具有最優性能，因此選擇快堆用于月球表面用反應堆。不過需要指出的是，快堆在與反應堆安全相關的兩個選項方面性能最差：發射事故臨界安全特性最差、輻照損傷最嚴重。

1.2 冷卻方式

通過對星表核反應堆電源冷卻方式的調研和分析，將可選冷卻方式限制在以下三種方式上：熱管冷卻、液態金屬冷卻及氣冷。

熱管冷卻方式具有最優性能，特別是對于空間應用，采用一個堅固可靠的冷卻方式對于任務需求極為重要，由于熱管傳熱的特性，在這方面熱管冷卻方式具有明顯優勢。用泵或風機驅動冷卻工質的液態金屬冷卻或氣冷存在由于冷卻劑喪失（LOCA）而造成系統單點失效的風險，也可能由于泵或風機故障造成冷卻劑流量喪失（LOFA），這兩種情況都可能導致堆芯熔化、任務失敗。因此可考慮選擇熱管冷卻用于月球表面用反應堆堆芯冷卻。

1.3 能量轉換方式

熱電轉換方式從大的方面可以分為靜態轉換和動態轉換，總體上說動態轉換由于效率相對較高，因而在同樣電功率下反應堆熱功率較低，廢熱較小。靜態轉換由于沒有運動部件在空間軌道應用中對衛星姿態影響小而優勢明顯。考慮到技術成熟度，可以在短期內實現的技術主要是閉式布雷頓循環、斯特林循環和靜態熱電偶轉換。表2給出了三種熱電轉換方式的評分。

綜上所述，熱電偶轉換方式具有最優性能。實際上，除了上述考慮因素外，轉換效率也是一個十分重要的參數，上述三種轉換方式中熱電偶轉換效率最低，不過目前高溫熱電偶及多級熱電偶的不斷發展已經可以獲得較高的轉換效率（>10%），因此，可選擇熱電偶轉換方式用于月球表面用反應堆能源系統。

1.4 廢熱排放方式

目前研究的空間核動力系統基本上均采用熱管式熱輻射器排出廢熱（除了SUSEE采用冷凝式熱輻射器）。因此，選擇熱管式熱輻射器作為月球表面用反應堆能源系統的廢熱排放方式。

2 月表核電站方案

根據上述選擇，電源系統總體方案選擇采用鋰熱管冷卻快堆、多級熱電偶轉換、鉀熱管式輻射器及月壤屏蔽，控制方式采用轉鼓控制方式。方案具有如下特征。核反應堆電源由三個獨立模塊構成，固體堆芯熱管冷卻，靜態熱電偶轉換，廢熱排放采用熱管輻射器，方案稱之為HPCMR（見表3）（Heat-pipes Cooled modular fast reactor）。

基于反應堆安全及運載能力方面考慮，將堆芯、熱電偶轉換系統、熱管式輻射器及控制裝置設計成集成模塊型式，每個模塊分別包含一個堆芯單元（不足以達到臨界）、熱電偶轉換單元、熱管式輻射器單元及控制單元，屏蔽體則根據需要單獨設計成單模塊或多模塊型式，分次運輸至月面基地附近，然后將各模塊組裝布置在月壤坑中構成一個達臨界的反應堆能量系統。該方案為全靜態能量供應系統，沒有任何運動部件，也無冷卻劑流動回路。采用熱管冷卻堆芯、熱電偶轉換及熱管式輻射器可以達到很高的可靠性，完全避免了單點失效情況，而采用固體堆芯結構（僅熱管內包容有流動工質）可以方便引入模塊化設計理念，有效降低單模塊質量以滿足運載需求，同時將堆芯設計成可以方便組裝的三個模塊分別用火箭運輸，可以有效消除發射事故引起的臨界安全問題，從本質上解決了空間反應堆應用極其關注的發射臨界安全問題。

月球表面用核反應堆電源系統由核電源、放置在月球基地儀表艙內的自動控制系統、核電源與自動控制系統之間的電纜網絡組成。圖1為系統流程示意簡圖。

3 結論

建立月球基地重大的科學意義，月球表面用核反應堆是為基地提供能源的理想方案。該文根據中國探月工程對能源的需求，結合國內已有基礎，提出了一種基于熱管冷卻、靜態熱電偶轉換、月壤屏蔽的模塊化核反應堆電源概念—— HPCMR。模塊化設計思想從本質上消除了發射臨界安全事故風險，采用熱管換熱、靜態熱電轉換，整個系統除冗余設計的控制轉鼓之外，沒有任何運動部件。有效避免了單點失效問題。通過物理、熱工水力、屏蔽等分析，該概念堆型具備良好的固有安全特性、質量特性和可靠性。

摘 要：根據月球表面的環境條件和火箭運載能力，提出并了月球表面核反應堆電站的基本方案：一個設計模塊化、布置一體化熱管冷卻堆芯的快堆電站—電功率100 kW，壽命10年，總質量2.9 t左右。整個電站由三個相同的模塊組成，每個模塊均包含有鋰熱管導熱的堆芯單元、熱電偶轉換單元、鉀熱管輻射器單元、轉動控制鼓單元，以及堆芯頂部屏蔽單元。三個模塊均單獨運輸發射，在月球表面總裝集成。該方案具有體積小、質量少、操作方便、安全可靠性高、發射性能好等特點。從根本上消除了發射過程中可能導致的臨界安全事故風險。

關鍵詞：模塊化 熱管式 快堆

中圖分類號：TL43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0020-02

月球是距離地球最近的自然天體，具有許多獨有的優點。隨著人類對空間需求的日益增長和航天技術的飛速發展，探測月球、重返月球、開發利用月球和在月球建立人類活動的基地，已成為世界各航天大國深空探測最為重要的目標。建立月球科研基地首先需解決能源供給問題。近年來世界相關國家的研究表明，在月球表面建立核反應堆電站是解決月球基地持續穩定能源供應的最理想方案。該論文所研究的項目來源于國家“863”計劃的一個子課題“月面核反應堆電源技術方案研究”。立足于國內科技和工業基礎，瞄準未來中國探月工程的需要，而開展的前期工作，因此從方案選擇方面，既要能夠體現出概念上的前瞻性，同時必須立足于國內基礎，使得方案在未來通過15～20年的技術研究能夠得以實現。因此充分調研和分析國內外的經驗，揚長避短，拿出一個合適的方案是研究工作的前提和基礎。

1 方案篩選

系統的初步構想應當具有如下幾個方面的考慮：

（1）質量小，體積小，易于在運載火箭內布置。

（2）發射過程中避免發生臨界安全事故。

（3）整個系統在運行過程中操控簡單，反應堆固有安全特性好。

（4）系統運行過程中不需要額外維護。反應堆的維護由于放射性的存在相對較為復雜，特別是在月球表面，高放射性的部件幾乎不可能檢修，因此系統設計中應當極力避免單點實效。

以下從堆型、冷卻方式、熱電轉換方式、廢熱排放方式等方面對各種可行的方案進行比較和篩選。

1.1 堆芯能譜選取

堆芯設計首先要選擇堆型。有三種選項：熱堆、超熱堆、快堆。熱堆、超熱堆及快堆分別主要由熱中子、超熱中子及快中子引起裂變。這三種堆型各有優缺點。表1給出不同能譜堆芯的評分，評價標準借鑒了參照美國MSR堆選擇評判標準

綜合考慮，快堆用于空間及星球表面利用具有最優性能，因此選擇快堆用于月球表面用反應堆。不過需要指出的是，快堆在與反應堆安全相關的兩個選項方面性能最差：發射事故臨界安全特性最差、輻照損傷最嚴重。

1.2 冷卻方式

通過對星表核反應堆電源冷卻方式的調研和分析，將可選冷卻方式限制在以下三種方式上：熱管冷卻、液態金屬冷卻及氣冷。

熱管冷卻方式具有最優性能，特別是對于空間應用，采用一個堅固可靠的冷卻方式對于任務需求極為重要，由于熱管傳熱的特性，在這方面熱管冷卻方式具有明顯優勢。用泵或風機驅動冷卻工質的液態金屬冷卻或氣冷存在由于冷卻劑喪失（LOCA）而造成系統單點失效的風險，也可能由于泵或風機故障造成冷卻劑流量喪失（LOFA），這兩種情況都可能導致堆芯熔化、任務失敗。因此可考慮選擇熱管冷卻用于月球表面用反應堆堆芯冷卻。

1.3 能量轉換方式

熱電轉換方式從大的方面可以分為靜態轉換和動態轉換，總體上說動態轉換由于效率相對較高，因而在同樣電功率下反應堆熱功率較低，廢熱較小。靜態轉換由于沒有運動部件在空間軌道應用中對衛星姿態影響小而優勢明顯。考慮到技術成熟度，可以在短期內實現的技術主要是閉式布雷頓循環、斯特林循環和靜態熱電偶轉換。表2給出了三種熱電轉換方式的評分。

綜上所述，熱電偶轉換方式具有最優性能。實際上，除了上述考慮因素外，轉換效率也是一個十分重要的參數，上述三種轉換方式中熱電偶轉換效率最低，不過目前高溫熱電偶及多級熱電偶的不斷發展已經可以獲得較高的轉換效率（>10%），因此，可選擇熱電偶轉換方式用于月球表面用反應堆能源系統。

1.4 廢熱排放方式

目前研究的空間核動力系統基本上均采用熱管式熱輻射器排出廢熱（除了SUSEE采用冷凝式熱輻射器）。因此，選擇熱管式熱輻射器作為月球表面用反應堆能源系統的廢熱排放方式。

2 月表核電站方案

根據上述選擇，電源系統總體方案選擇采用鋰熱管冷卻快堆、多級熱電偶轉換、鉀熱管式輻射器及月壤屏蔽，控制方式采用轉鼓控制方式。方案具有如下特征。核反應堆電源由三個獨立模塊構成，固體堆芯熱管冷卻，靜態熱電偶轉換，廢熱排放采用熱管輻射器，方案稱之為HPCMR（見表3）（Heat-pipes Cooled modular fast reactor）。

基于反應堆安全及運載能力方面考慮，將堆芯、熱電偶轉換系統、熱管式輻射器及控制裝置設計成集成模塊型式，每個模塊分別包含一個堆芯單元（不足以達到臨界）、熱電偶轉換單元、熱管式輻射器單元及控制單元，屏蔽體則根據需要單獨設計成單模塊或多模塊型式，分次運輸至月面基地附近，然后將各模塊組裝布置在月壤坑中構成一個達臨界的反應堆能量系統。該方案為全靜態能量供應系統，沒有任何運動部件，也無冷卻劑流動回路。采用熱管冷卻堆芯、熱電偶轉換及熱管式輻射器可以達到很高的可靠性，完全避免了單點失效情況，而采用固體堆芯結構（僅熱管內包容有流動工質）可以方便引入模塊化設計理念，有效降低單模塊質量以滿足運載需求，同時將堆芯設計成可以方便組裝的三個模塊分別用火箭運輸，可以有效消除發射事故引起的臨界安全問題，從本質上解決了空間反應堆應用極其關注的發射臨界安全問題。

月球表面用核反應堆電源系統由核電源、放置在月球基地儀表艙內的自動控制系統、核電源與自動控制系統之間的電纜網絡組成。圖1為系統流程示意簡圖。

3 結論

建立月球基地重大的科學意義，月球表面用核反應堆是為基地提供能源的理想方案。該文根據中國探月工程對能源的需求，結合國內已有基礎，提出了一種基于熱管冷卻、靜態熱電偶轉換、月壤屏蔽的模塊化核反應堆電源概念—— HPCMR。模塊化設計思想從本質上消除了發射臨界安全事故風險，采用熱管換熱、靜態熱電轉換，整個系統除冗余設計的控制轉鼓之外，沒有任何運動部件。有效避免了單點失效問題。通過物理、熱工水力、屏蔽等分析，該概念堆型具備良好的固有安全特性、質量特性和可靠性。

摘 要：根據月球表面的環境條件和火箭運載能力，提出并了月球表面核反應堆電站的基本方案：一個設計模塊化、布置一體化熱管冷卻堆芯的快堆電站—電功率100 kW，壽命10年，總質量2.9 t左右。整個電站由三個相同的模塊組成，每個模塊均包含有鋰熱管導熱的堆芯單元、熱電偶轉換單元、鉀熱管輻射器單元、轉動控制鼓單元，以及堆芯頂部屏蔽單元。三個模塊均單獨運輸發射，在月球表面總裝集成。該方案具有體積小、質量少、操作方便、安全可靠性高、發射性能好等特點。從根本上消除了發射過程中可能導致的臨界安全事故風險。

關鍵詞：模塊化 熱管式 快堆

中圖分類號：TL43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0020-02

月球是距離地球最近的自然天體，具有許多獨有的優點。隨著人類對空間需求的日益增長和航天技術的飛速發展，探測月球、重返月球、開發利用月球和在月球建立人類活動的基地，已成為世界各航天大國深空探測最為重要的目標。建立月球科研基地首先需解決能源供給問題。近年來世界相關國家的研究表明，在月球表面建立核反應堆電站是解決月球基地持續穩定能源供應的最理想方案。該論文所研究的項目來源于國家“863”計劃的一個子課題“月面核反應堆電源技術方案研究”。立足于國內科技和工業基礎，瞄準未來中國探月工程的需要，而開展的前期工作，因此從方案選擇方面，既要能夠體現出概念上的前瞻性，同時必須立足于國內基礎，使得方案在未來通過15～20年的技術研究能夠得以實現。因此充分調研和分析國內外的經驗，揚長避短，拿出一個合適的方案是研究工作的前提和基礎。

1 方案篩選

系統的初步構想應當具有如下幾個方面的考慮：

（1）質量小，體積小，易于在運載火箭內布置。

（2）發射過程中避免發生臨界安全事故。

（3）整個系統在運行過程中操控簡單，反應堆固有安全特性好。

（4）系統運行過程中不需要額外維護。反應堆的維護由于放射性的存在相對較為復雜，特別是在月球表面，高放射性的部件幾乎不可能檢修，因此系統設計中應當極力避免單點實效。

以下從堆型、冷卻方式、熱電轉換方式、廢熱排放方式等方面對各種可行的方案進行比較和篩選。

1.1 堆芯能譜選取

堆芯設計首先要選擇堆型。有三種選項：熱堆、超熱堆、快堆。熱堆、超熱堆及快堆分別主要由熱中子、超熱中子及快中子引起裂變。這三種堆型各有優缺點。表1給出不同能譜堆芯的評分，評價標準借鑒了參照美國MSR堆選擇評判標準

綜合考慮，快堆用于空間及星球表面利用具有最優性能，因此選擇快堆用于月球表面用反應堆。不過需要指出的是，快堆在與反應堆安全相關的兩個選項方面性能最差：發射事故臨界安全特性最差、輻照損傷最嚴重。

1.2 冷卻方式

通過對星表核反應堆電源冷卻方式的調研和分析，將可選冷卻方式限制在以下三種方式上：熱管冷卻、液態金屬冷卻及氣冷。

熱管冷卻方式具有最優性能，特別是對于空間應用，采用一個堅固可靠的冷卻方式對于任務需求極為重要，由于熱管傳熱的特性，在這方面熱管冷卻方式具有明顯優勢。用泵或風機驅動冷卻工質的液態金屬冷卻或氣冷存在由于冷卻劑喪失（LOCA）而造成系統單點失效的風險，也可能由于泵或風機故障造成冷卻劑流量喪失（LOFA），這兩種情況都可能導致堆芯熔化、任務失敗。因此可考慮選擇熱管冷卻用于月球表面用反應堆堆芯冷卻。

1.3 能量轉換方式

熱電轉換方式從大的方面可以分為靜態轉換和動態轉換，總體上說動態轉換由于效率相對較高，因而在同樣電功率下反應堆熱功率較低，廢熱較小。靜態轉換由于沒有運動部件在空間軌道應用中對衛星姿態影響小而優勢明顯。考慮到技術成熟度，可以在短期內實現的技術主要是閉式布雷頓循環、斯特林循環和靜態熱電偶轉換。表2給出了三種熱電轉換方式的評分。

綜上所述，熱電偶轉換方式具有最優性能。實際上，除了上述考慮因素外，轉換效率也是一個十分重要的參數，上述三種轉換方式中熱電偶轉換效率最低，不過目前高溫熱電偶及多級熱電偶的不斷發展已經可以獲得較高的轉換效率（>10%），因此，可選擇熱電偶轉換方式用于月球表面用反應堆能源系統。

1.4 廢熱排放方式

目前研究的空間核動力系統基本上均采用熱管式熱輻射器排出廢熱（除了SUSEE采用冷凝式熱輻射器）。因此，選擇熱管式熱輻射器作為月球表面用反應堆能源系統的廢熱排放方式。

2 月表核電站方案

根據上述選擇，電源系統總體方案選擇采用鋰熱管冷卻快堆、多級熱電偶轉換、鉀熱管式輻射器及月壤屏蔽，控制方式采用轉鼓控制方式。方案具有如下特征。核反應堆電源由三個獨立模塊構成，固體堆芯熱管冷卻，靜態熱電偶轉換，廢熱排放采用熱管輻射器，方案稱之為HPCMR（見表3）（Heat-pipes Cooled modular fast reactor）。

基于反應堆安全及運載能力方面考慮，將堆芯、熱電偶轉換系統、熱管式輻射器及控制裝置設計成集成模塊型式，每個模塊分別包含一個堆芯單元（不足以達到臨界）、熱電偶轉換單元、熱管式輻射器單元及控制單元，屏蔽體則根據需要單獨設計成單模塊或多模塊型式，分次運輸至月面基地附近，然后將各模塊組裝布置在月壤坑中構成一個達臨界的反應堆能量系統。該方案為全靜態能量供應系統，沒有任何運動部件，也無冷卻劑流動回路。采用熱管冷卻堆芯、熱電偶轉換及熱管式輻射器可以達到很高的可靠性，完全避免了單點失效情況，而采用固體堆芯結構（僅熱管內包容有流動工質）可以方便引入模塊化設計理念，有效降低單模塊質量以滿足運載需求，同時將堆芯設計成可以方便組裝的三個模塊分別用火箭運輸，可以有效消除發射事故引起的臨界安全問題，從本質上解決了空間反應堆應用極其關注的發射臨界安全問題。

月球表面用核反應堆電源系統由核電源、放置在月球基地儀表艙內的自動控制系統、核電源與自動控制系統之間的電纜網絡組成。圖1為系統流程示意簡圖。

3 結論

建立月球基地重大的科學意義，月球表面用核反應堆是為基地提供能源的理想方案。該文根據中國探月工程對能源的需求，結合國內已有基礎，提出了一種基于熱管冷卻、靜態熱電偶轉換、月壤屏蔽的模塊化核反應堆電源概念—— HPCMR。模塊化設計思想從本質上消除了發射臨界安全事故風險，采用熱管換熱、靜態熱電轉換，整個系統除冗余設計的控制轉鼓之外，沒有任何運動部件。有效避免了單點失效問題。通過物理、熱工水力、屏蔽等分析，該概念堆型具備良好的固有安全特性、質量特性和可靠性。