模塊化熱管式冷卻快堆概念研究

孫志勇

摘 要：根據(jù)月球表面的環(huán)境條件和火箭運(yùn)載能力，提出并了月球表面核反應(yīng)堆電站的基本方案：一個(gè)設(shè)計(jì)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(zhì)量2.9 t左右。整個(gè)電站由三個(gè)相同的模塊組成，每個(gè)模塊均包含有鋰熱管導(dǎo)熱的堆芯單元、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、鉀熱管輻射器單元、轉(zhuǎn)動(dòng)控制鼓單元，以及堆芯頂部屏蔽單元。三個(gè)模塊均單獨(dú)運(yùn)輸發(fā)射，在月球表面總裝集成。該方案具有體積小、質(zhì)量少、操作方便、安全可靠性高、發(fā)射性能好等特點(diǎn)。從根本上消除了發(fā)射過程中可能導(dǎo)致的臨界安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：模塊化 熱管式 快堆

中圖分類號(hào)：TL43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。隨著人類對(duì)空間需求的日益增長(zhǎng)和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，探測(cè)月球、重返月球、開發(fā)利用月球和在月球建立人類活動(dòng)的基地，已成為世界各航天大國(guó)深空探測(cè)最為重要的目標(biāo)。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(guān)國(guó)家的研究表明，在月球表面建立核反應(yīng)堆電站是解決月球基地持續(xù)穩(wěn)定能源供應(yīng)的最理想方案。該論文所研究的項(xiàng)目來源于國(guó)家“863”計(jì)劃的一個(gè)子課題“月面核反應(yīng)堆電源技術(shù)方案研究”。立足于國(guó)內(nèi)科技和工業(yè)基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)未來中國(guó)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(xiàn)出概念上的前瞻性，同時(shí)必須立足于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)，使得方案在未來通過15～20年的技術(shù)研究能夠得以實(shí)現(xiàn)。因此充分調(diào)研和分析國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，拿出一個(gè)合適的方案是研究工作的前提和基礎(chǔ)。

1 方案篩選

系統(tǒng)的初步構(gòu)想應(yīng)當(dāng)具有如下幾個(gè)方面的考慮：

（1）質(zhì)量小，體積小，易于在運(yùn)載火箭內(nèi)布置。

（2）發(fā)射過程中避免發(fā)生臨界安全事故。

（3）整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中操控簡(jiǎn)單，反應(yīng)堆固有安全特性好。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行過程中不需要額外維護(hù)。反應(yīng)堆的維護(hù)由于放射性的存在相對(duì)較為復(fù)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(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)極力避免單點(diǎn)實(shí)效。

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

1.1 堆芯能譜選取

堆芯設(shè)計(jì)首先要選擇堆型。有三種選項(xiàng)：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(yōu)缺點(diǎn)。表1給出不同能譜堆芯的評(píng)分，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)借鑒了參照美國(guó)MSR堆選擇評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮，快堆用于空間及星球表面利用具有最優(yōu)性能，因此選擇快堆用于月球表面用反應(yīng)堆。不過需要指出的是，快堆在與反應(yīng)堆安全相關(guān)的兩個(gè)選項(xiàng)方面性能最差：發(fā)射事故臨界安全特性最差、輻照損傷最嚴(yán)重。

1.2 冷卻方式

通過對(duì)星表核反應(yīng)堆電源冷卻方式的調(diào)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(tài)金屬冷卻及氣冷。

熱管冷卻方式具有最優(yōu)性能，特別是對(duì)于空間應(yīng)用，采用一個(gè)堅(jiān)固可靠的冷卻方式對(duì)于任務(wù)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(yōu)勢(shì)。用泵或風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)的液態(tài)金屬冷卻或氣冷存在由于冷卻劑喪失（LOCA）而造成系統(tǒng)單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，也可能由于泵或風(fēng)機(jī)故障造成冷卻劑流量喪失（LOFA），這兩種情況都可能導(dǎo)致堆芯熔化、任務(wù)失敗。因此可考慮選擇熱管冷卻用于月球表面用反應(yīng)堆堆芯冷卻。

1.3 能量轉(zhuǎn)換方式

熱電轉(zhuǎn)換方式從大的方面可以分為靜態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，總體上說動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換由于效率相對(duì)較高，因而在同樣電功率下反應(yīng)堆熱功率較低，廢熱較小。靜態(tài)轉(zhuǎn)換由于沒有運(yùn)動(dòng)部件在空間軌道應(yīng)用中對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)影響小而優(yōu)勢(shì)明顯。考慮到技術(shù)成熟度，可以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)主要是閉式布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)和靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換。表2給出了三種熱電轉(zhuǎn)換方式的評(píng)分。

綜上所述，熱電偶轉(zhuǎn)換方式具有最優(yōu)性能。實(shí)際上，除了上述考慮因素外，轉(zhuǎn)換效率也是一個(gè)十分重要的參數(shù)，上述三種轉(zhuǎn)換方式中熱電偶轉(zhuǎn)換效率最低，不過目前高溫?zé)犭娕技岸嗉?jí)熱電偶的不斷發(fā)展已經(jīng)可以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率（>10%），因此，可選擇熱電偶轉(zhuǎn)換方式用于月球表面用反應(yīng)堆能源系統(tǒng)。

1.4 廢熱排放方式

目前研究的空間核動(dòng)力系統(tǒng)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(yīng)堆能源系統(tǒng)的廢熱排放方式。

2 月表核電站方案

根據(jù)上述選擇，電源系統(tǒng)總體方案選擇采用鋰熱管冷卻快堆、多級(jí)熱電偶轉(zhuǎn)換、鉀熱管式輻射器及月壤屏蔽，控制方式采用轉(zhuǎn)鼓控制方式。方案具有如下特征。核反應(yīng)堆電源由三個(gè)獨(dú)立模塊構(gòu)成，固體堆芯熱管冷卻，靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)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(yīng)堆安全及運(yùn)載能力方面考慮，將堆芯、熱電偶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、熱管式輻射器及控制裝置設(shè)計(jì)成集成模塊型式，每個(gè)模塊分別包含一個(gè)堆芯單元（不足以達(dá)到臨界）、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、熱管式輻射器單元及控制單元，屏蔽體則根據(jù)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)成單模塊或多模塊型式，分次運(yùn)輸至月面基地附近，然后將各模塊組裝布置在月壤坑中構(gòu)成一個(gè)達(dá)臨界的反應(yīng)堆能量系統(tǒng)。該方案為全靜態(tài)能量供應(yīng)系統(tǒng)，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，也無冷卻劑流動(dòng)回路。采用熱管冷卻堆芯、熱電偶轉(zhuǎn)換及熱管式輻射器可以達(dá)到很高的可靠性，完全避免了單點(diǎn)失效情況，而采用固體堆芯結(jié)構(gòu)（僅熱管內(nèi)包容有流動(dòng)工質(zhì)）可以方便引入模塊化設(shè)計(jì)理念，有效降低單模塊質(zhì)量以滿足運(yùn)載需求，同時(shí)將堆芯設(shè)計(jì)成可以方便組裝的三個(gè)模塊分別用火箭運(yùn)輸，可以有效消除發(fā)射事故引起的臨界安全問題，從本質(zhì)上解決了空間反應(yīng)堆應(yīng)用極其關(guān)注的發(fā)射臨界安全問題。

月球表面用核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)由核電源、放置在月球基地儀表艙內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、核電源與自動(dòng)控制系統(tǒng)之間的電纜網(wǎng)絡(luò)組成。圖1為系統(tǒng)流程示意簡(jiǎn)圖。

3 結(jié)論

建立月球基地重大的科學(xué)意義，月球表面用核反應(yīng)堆是為基地提供能源的理想方案。該文根據(jù)中國(guó)探月工程對(duì)能源的需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)已有基礎(chǔ)，提出了一種基于熱管冷卻、靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換、月壤屏蔽的模塊化核反應(yīng)堆電源概念—— HPCMR。模塊化設(shè)計(jì)思想從本質(zhì)上消除了發(fā)射臨界安全事故風(fēng)險(xiǎn)，采用熱管換熱、靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)除冗余設(shè)計(jì)的控制轉(zhuǎn)鼓之外，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件。有效避免了單點(diǎn)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(zhì)量特性和可靠性。

摘 要：根據(jù)月球表面的環(huán)境條件和火箭運(yùn)載能力，提出并了月球表面核反應(yīng)堆電站的基本方案：一個(gè)設(shè)計(jì)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(zhì)量2.9 t左右。整個(gè)電站由三個(gè)相同的模塊組成，每個(gè)模塊均包含有鋰熱管導(dǎo)熱的堆芯單元、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、鉀熱管輻射器單元、轉(zhuǎn)動(dòng)控制鼓單元，以及堆芯頂部屏蔽單元。三個(gè)模塊均單獨(dú)運(yùn)輸發(fā)射，在月球表面總裝集成。該方案具有體積小、質(zhì)量少、操作方便、安全可靠性高、發(fā)射性能好等特點(diǎn)。從根本上消除了發(fā)射過程中可能導(dǎo)致的臨界安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：模塊化 熱管式 快堆

中圖分類號(hào)：TL43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。隨著人類對(duì)空間需求的日益增長(zhǎng)和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，探測(cè)月球、重返月球、開發(fā)利用月球和在月球建立人類活動(dòng)的基地，已成為世界各航天大國(guó)深空探測(cè)最為重要的目標(biāo)。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(guān)國(guó)家的研究表明，在月球表面建立核反應(yīng)堆電站是解決月球基地持續(xù)穩(wěn)定能源供應(yīng)的最理想方案。該論文所研究的項(xiàng)目來源于國(guó)家“863”計(jì)劃的一個(gè)子課題“月面核反應(yīng)堆電源技術(shù)方案研究”。立足于國(guó)內(nèi)科技和工業(yè)基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)未來中國(guó)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(xiàn)出概念上的前瞻性，同時(shí)必須立足于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)，使得方案在未來通過15～20年的技術(shù)研究能夠得以實(shí)現(xiàn)。因此充分調(diào)研和分析國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，拿出一個(gè)合適的方案是研究工作的前提和基礎(chǔ)。

1 方案篩選

系統(tǒng)的初步構(gòu)想應(yīng)當(dāng)具有如下幾個(gè)方面的考慮：

（1）質(zhì)量小，體積小，易于在運(yùn)載火箭內(nèi)布置。

（2）發(fā)射過程中避免發(fā)生臨界安全事故。

（3）整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中操控簡(jiǎn)單，反應(yīng)堆固有安全特性好。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行過程中不需要額外維護(hù)。反應(yīng)堆的維護(hù)由于放射性的存在相對(duì)較為復(fù)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(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)極力避免單點(diǎn)實(shí)效。

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

1.1 堆芯能譜選取

堆芯設(shè)計(jì)首先要選擇堆型。有三種選項(xiàng)：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(yōu)缺點(diǎn)。表1給出不同能譜堆芯的評(píng)分，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)借鑒了參照美國(guó)MSR堆選擇評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮，快堆用于空間及星球表面利用具有最優(yōu)性能，因此選擇快堆用于月球表面用反應(yīng)堆。不過需要指出的是，快堆在與反應(yīng)堆安全相關(guān)的兩個(gè)選項(xiàng)方面性能最差：發(fā)射事故臨界安全特性最差、輻照損傷最嚴(yán)重。

1.2 冷卻方式

通過對(duì)星表核反應(yīng)堆電源冷卻方式的調(diào)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(tài)金屬冷卻及氣冷。

熱管冷卻方式具有最優(yōu)性能，特別是對(duì)于空間應(yīng)用，采用一個(gè)堅(jiān)固可靠的冷卻方式對(duì)于任務(wù)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(yōu)勢(shì)。用泵或風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)的液態(tài)金屬冷卻或氣冷存在由于冷卻劑喪失（LOCA）而造成系統(tǒng)單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，也可能由于泵或風(fēng)機(jī)故障造成冷卻劑流量喪失（LOFA），這兩種情況都可能導(dǎo)致堆芯熔化、任務(wù)失敗。因此可考慮選擇熱管冷卻用于月球表面用反應(yīng)堆堆芯冷卻。

1.3 能量轉(zhuǎn)換方式

熱電轉(zhuǎn)換方式從大的方面可以分為靜態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，總體上說動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換由于效率相對(duì)較高，因而在同樣電功率下反應(yīng)堆熱功率較低，廢熱較小。靜態(tài)轉(zhuǎn)換由于沒有運(yùn)動(dòng)部件在空間軌道應(yīng)用中對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)影響小而優(yōu)勢(shì)明顯。考慮到技術(shù)成熟度，可以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)主要是閉式布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)和靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換。表2給出了三種熱電轉(zhuǎn)換方式的評(píng)分。

綜上所述，熱電偶轉(zhuǎn)換方式具有最優(yōu)性能。實(shí)際上，除了上述考慮因素外，轉(zhuǎn)換效率也是一個(gè)十分重要的參數(shù)，上述三種轉(zhuǎn)換方式中熱電偶轉(zhuǎn)換效率最低，不過目前高溫?zé)犭娕技岸嗉?jí)熱電偶的不斷發(fā)展已經(jīng)可以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率（>10%），因此，可選擇熱電偶轉(zhuǎn)換方式用于月球表面用反應(yīng)堆能源系統(tǒng)。

1.4 廢熱排放方式

目前研究的空間核動(dòng)力系統(tǒng)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(yīng)堆能源系統(tǒng)的廢熱排放方式。

2 月表核電站方案

根據(jù)上述選擇，電源系統(tǒng)總體方案選擇采用鋰熱管冷卻快堆、多級(jí)熱電偶轉(zhuǎn)換、鉀熱管式輻射器及月壤屏蔽，控制方式采用轉(zhuǎn)鼓控制方式。方案具有如下特征。核反應(yīng)堆電源由三個(gè)獨(dú)立模塊構(gòu)成，固體堆芯熱管冷卻，靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)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(yīng)堆安全及運(yùn)載能力方面考慮，將堆芯、熱電偶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、熱管式輻射器及控制裝置設(shè)計(jì)成集成模塊型式，每個(gè)模塊分別包含一個(gè)堆芯單元（不足以達(dá)到臨界）、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、熱管式輻射器單元及控制單元，屏蔽體則根據(jù)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)成單模塊或多模塊型式，分次運(yùn)輸至月面基地附近，然后將各模塊組裝布置在月壤坑中構(gòu)成一個(gè)達(dá)臨界的反應(yīng)堆能量系統(tǒng)。該方案為全靜態(tài)能量供應(yīng)系統(tǒng)，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，也無冷卻劑流動(dòng)回路。采用熱管冷卻堆芯、熱電偶轉(zhuǎn)換及熱管式輻射器可以達(dá)到很高的可靠性，完全避免了單點(diǎn)失效情況，而采用固體堆芯結(jié)構(gòu)（僅熱管內(nèi)包容有流動(dòng)工質(zhì)）可以方便引入模塊化設(shè)計(jì)理念，有效降低單模塊質(zhì)量以滿足運(yùn)載需求，同時(shí)將堆芯設(shè)計(jì)成可以方便組裝的三個(gè)模塊分別用火箭運(yùn)輸，可以有效消除發(fā)射事故引起的臨界安全問題，從本質(zhì)上解決了空間反應(yīng)堆應(yīng)用極其關(guān)注的發(fā)射臨界安全問題。

月球表面用核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)由核電源、放置在月球基地儀表艙內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、核電源與自動(dòng)控制系統(tǒng)之間的電纜網(wǎng)絡(luò)組成。圖1為系統(tǒng)流程示意簡(jiǎn)圖。

3 結(jié)論

建立月球基地重大的科學(xué)意義，月球表面用核反應(yīng)堆是為基地提供能源的理想方案。該文根據(jù)中國(guó)探月工程對(duì)能源的需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)已有基礎(chǔ)，提出了一種基于熱管冷卻、靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換、月壤屏蔽的模塊化核反應(yīng)堆電源概念—— HPCMR。模塊化設(shè)計(jì)思想從本質(zhì)上消除了發(fā)射臨界安全事故風(fēng)險(xiǎn)，采用熱管換熱、靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)除冗余設(shè)計(jì)的控制轉(zhuǎn)鼓之外，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件。有效避免了單點(diǎn)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(zhì)量特性和可靠性。

摘 要：根據(jù)月球表面的環(huán)境條件和火箭運(yùn)載能力，提出并了月球表面核反應(yīng)堆電站的基本方案：一個(gè)設(shè)計(jì)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(zhì)量2.9 t左右。整個(gè)電站由三個(gè)相同的模塊組成，每個(gè)模塊均包含有鋰熱管導(dǎo)熱的堆芯單元、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、鉀熱管輻射器單元、轉(zhuǎn)動(dòng)控制鼓單元，以及堆芯頂部屏蔽單元。三個(gè)模塊均單獨(dú)運(yùn)輸發(fā)射，在月球表面總裝集成。該方案具有體積小、質(zhì)量少、操作方便、安全可靠性高、發(fā)射性能好等特點(diǎn)。從根本上消除了發(fā)射過程中可能導(dǎo)致的臨界安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：模塊化 熱管式 快堆

中圖分類號(hào)：TL43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。隨著人類對(duì)空間需求的日益增長(zhǎng)和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，探測(cè)月球、重返月球、開發(fā)利用月球和在月球建立人類活動(dòng)的基地，已成為世界各航天大國(guó)深空探測(cè)最為重要的目標(biāo)。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(guān)國(guó)家的研究表明，在月球表面建立核反應(yīng)堆電站是解決月球基地持續(xù)穩(wěn)定能源供應(yīng)的最理想方案。該論文所研究的項(xiàng)目來源于國(guó)家“863”計(jì)劃的一個(gè)子課題“月面核反應(yīng)堆電源技術(shù)方案研究”。立足于國(guó)內(nèi)科技和工業(yè)基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)未來中國(guó)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(xiàn)出概念上的前瞻性，同時(shí)必須立足于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)，使得方案在未來通過15～20年的技術(shù)研究能夠得以實(shí)現(xiàn)。因此充分調(diào)研和分析國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，拿出一個(gè)合適的方案是研究工作的前提和基礎(chǔ)。

1 方案篩選

系統(tǒng)的初步構(gòu)想應(yīng)當(dāng)具有如下幾個(gè)方面的考慮：

（1）質(zhì)量小，體積小，易于在運(yùn)載火箭內(nèi)布置。

（2）發(fā)射過程中避免發(fā)生臨界安全事故。

（3）整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中操控簡(jiǎn)單，反應(yīng)堆固有安全特性好。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行過程中不需要額外維護(hù)。反應(yīng)堆的維護(hù)由于放射性的存在相對(duì)較為復(fù)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(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)極力避免單點(diǎn)實(shí)效。

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

1.1 堆芯能譜選取

堆芯設(shè)計(jì)首先要選擇堆型。有三種選項(xiàng)：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(yōu)缺點(diǎn)。表1給出不同能譜堆芯的評(píng)分，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)借鑒了參照美國(guó)MSR堆選擇評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮，快堆用于空間及星球表面利用具有最優(yōu)性能，因此選擇快堆用于月球表面用反應(yīng)堆。不過需要指出的是，快堆在與反應(yīng)堆安全相關(guān)的兩個(gè)選項(xiàng)方面性能最差：發(fā)射事故臨界安全特性最差、輻照損傷最嚴(yán)重。

1.2 冷卻方式

通過對(duì)星表核反應(yīng)堆電源冷卻方式的調(diào)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(tài)金屬冷卻及氣冷。

熱管冷卻方式具有最優(yōu)性能，特別是對(duì)于空間應(yīng)用，采用一個(gè)堅(jiān)固可靠的冷卻方式對(duì)于任務(wù)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(yōu)勢(shì)。用泵或風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻工質(zhì)的液態(tài)金屬冷卻或氣冷存在由于冷卻劑喪失（LOCA）而造成系統(tǒng)單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，也可能由于泵或風(fēng)機(jī)故障造成冷卻劑流量喪失（LOFA），這兩種情況都可能導(dǎo)致堆芯熔化、任務(wù)失敗。因此可考慮選擇熱管冷卻用于月球表面用反應(yīng)堆堆芯冷卻。

1.3 能量轉(zhuǎn)換方式

熱電轉(zhuǎn)換方式從大的方面可以分為靜態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，總體上說動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換由于效率相對(duì)較高，因而在同樣電功率下反應(yīng)堆熱功率較低，廢熱較小。靜態(tài)轉(zhuǎn)換由于沒有運(yùn)動(dòng)部件在空間軌道應(yīng)用中對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)影響小而優(yōu)勢(shì)明顯。考慮到技術(shù)成熟度，可以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)主要是閉式布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)和靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換。表2給出了三種熱電轉(zhuǎn)換方式的評(píng)分。

綜上所述，熱電偶轉(zhuǎn)換方式具有最優(yōu)性能。實(shí)際上，除了上述考慮因素外，轉(zhuǎn)換效率也是一個(gè)十分重要的參數(shù)，上述三種轉(zhuǎn)換方式中熱電偶轉(zhuǎn)換效率最低，不過目前高溫?zé)犭娕技岸嗉?jí)熱電偶的不斷發(fā)展已經(jīng)可以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率（>10%），因此，可選擇熱電偶轉(zhuǎn)換方式用于月球表面用反應(yīng)堆能源系統(tǒng)。

1.4 廢熱排放方式

目前研究的空間核動(dòng)力系統(tǒng)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(yīng)堆能源系統(tǒng)的廢熱排放方式。

2 月表核電站方案

根據(jù)上述選擇，電源系統(tǒng)總體方案選擇采用鋰熱管冷卻快堆、多級(jí)熱電偶轉(zhuǎn)換、鉀熱管式輻射器及月壤屏蔽，控制方式采用轉(zhuǎn)鼓控制方式。方案具有如下特征。核反應(yīng)堆電源由三個(gè)獨(dú)立模塊構(gòu)成，固體堆芯熱管冷卻，靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)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(yīng)堆安全及運(yùn)載能力方面考慮，將堆芯、熱電偶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、熱管式輻射器及控制裝置設(shè)計(jì)成集成模塊型式，每個(gè)模塊分別包含一個(gè)堆芯單元（不足以達(dá)到臨界）、熱電偶轉(zhuǎn)換單元、熱管式輻射器單元及控制單元，屏蔽體則根據(jù)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)成單模塊或多模塊型式，分次運(yùn)輸至月面基地附近，然后將各模塊組裝布置在月壤坑中構(gòu)成一個(gè)達(dá)臨界的反應(yīng)堆能量系統(tǒng)。該方案為全靜態(tài)能量供應(yīng)系統(tǒng)，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，也無冷卻劑流動(dòng)回路。采用熱管冷卻堆芯、熱電偶轉(zhuǎn)換及熱管式輻射器可以達(dá)到很高的可靠性，完全避免了單點(diǎn)失效情況，而采用固體堆芯結(jié)構(gòu)（僅熱管內(nèi)包容有流動(dòng)工質(zhì)）可以方便引入模塊化設(shè)計(jì)理念，有效降低單模塊質(zhì)量以滿足運(yùn)載需求，同時(shí)將堆芯設(shè)計(jì)成可以方便組裝的三個(gè)模塊分別用火箭運(yùn)輸，可以有效消除發(fā)射事故引起的臨界安全問題，從本質(zhì)上解決了空間反應(yīng)堆應(yīng)用極其關(guān)注的發(fā)射臨界安全問題。

月球表面用核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)由核電源、放置在月球基地儀表艙內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、核電源與自動(dòng)控制系統(tǒng)之間的電纜網(wǎng)絡(luò)組成。圖1為系統(tǒng)流程示意簡(jiǎn)圖。

3 結(jié)論

建立月球基地重大的科學(xué)意義，月球表面用核反應(yīng)堆是為基地提供能源的理想方案。該文根據(jù)中國(guó)探月工程對(duì)能源的需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)已有基礎(chǔ)，提出了一種基于熱管冷卻、靜態(tài)熱電偶轉(zhuǎn)換、月壤屏蔽的模塊化核反應(yīng)堆電源概念—— HPCMR。模塊化設(shè)計(jì)思想從本質(zhì)上消除了發(fā)射臨界安全事故風(fēng)險(xiǎn)，采用熱管換熱、靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)除冗余設(shè)計(jì)的控制轉(zhuǎn)鼓之外，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件。有效避免了單點(diǎn)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(zhì)量特性和可靠性。