月表核電站堆芯物理特性設計研究

孫志勇

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

月表核電站堆芯物理特性設計研究

孫志勇

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

論文提出并初步論證了未來可用于月球表面核反應堆電站的方案 HPCMR(heat-pipe cooled module fast reactor power system),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。并對其中子物理特性開展深入研究,結果表明,方案具有發射質量少,固有安全特性好的優點。

月球表面電站 HPCMR 堆芯物理特性

1 引言

隨著空間技術應用需求的日益加大以及空間技術的不斷成熟，月球已經成為各國21世紀深空探測的首要目標。月球的探測和應用之所以成為有航天能力國家的重點目標，主要是因為月球具有許多優點：一是作為距離地球最近的自然天體，月球上具有超高真空、無大氣活動、無磁場、地質構造穩定、弱重力、無污染等天然條件，是開展科學研究的天然實驗室；二是天文觀測及對地球觀察的理想基地；三是人類探測太空并開發利用太空資源的前哨站與中轉站；四是月球上有將來可供人類利用的能源儲備等。

建立月球科研基地首先需解決能源供給問題。由于月球上的長夜達14天之久，采用太陽能帆板加蓄電池陣很難滿足大功率需求。本論文研究是為解決月球基地的電能或熱能穩定供應等問題而開展的基礎技術研究。通過分析、論證和設計，給出一套經濟安全的月球反應堆系統方案，為進一步開展各項技術研究提供技術基礎。

2 月表核電站方案HPCMR

HPCMR采用鋰熱管冷卻快堆，轉鼓控制，熱電偶轉換，鉀熱管輻射器及月壤屏蔽。基于反應堆安全和運載能力方面的考慮，反應堆電源采用集成模塊化設計，每塊單獨發射，在月球表面進行組裝。每個模塊均包括一個堆芯單元(不足以達到臨界)、屏蔽體單元、控制轉鼓單元、熱電轉換裝置單元以及輻射器單元。反應堆堆芯采用熱管冷卻，無冷卻劑回路；熱電轉換方式采用靜態熱電偶轉換，無運動部件；廢熱排放方式采用熱管式輻射器；以上幾點特性保證了反應堆電源很高的可靠性和安全性。

堆芯分為三個模塊，其中每個堆芯模塊裝載102根燃料元件和42根鋰熱管，6套大控制轉鼓和6套小控制轉鼓。整個堆芯共裝載燃料元件306根，高溫鋰熱管126根，控制轉鼓12套。反應堆堆芯總高950mm，活性區高度600mm，堆芯橫截面為正六邊形，對邊距為576mm，活性區橫截面也是正六邊形，對邊距為342mm。堆芯反射層包容整個堆芯，材料為BeO，其中側反射層厚117mm，上反射層厚120mm，下反射層厚130mm。堆芯周圍均布6套大控制鼓和6套小控制鼓，其中大控制鼓直徑156mm，小控制鼓直徑100mm。控制鼓主體結構材料為BeO，吸收體材料為B4C，B4C厚5mm，高600mm，鑲嵌在控制鼓主體上，包容角度120°，用于控制反應堆的反應性。

3 堆芯物理特性分析

物理計算主要采用MCNP程序。計算中忽略堆芯反射層外其他結構和部件，計算模型數據庫選用國際通用的ENDF/B-VI。

3.1 堆芯反應性分析

堆芯臨界分析計算結果見表1，計算結果表明，堆芯的總體反應性系數為負值。

表中數據表明，堆芯初步方案能夠滿足月球表用反應堆的要求。月球表面反應堆總共設置6套大轉鼓和6套小轉鼓，兩種轉鼓均能夠滿足獨立停堆的要求，事故情況下，即便最大價值的一套大轉鼓卡在外側，其余轉鼓也能實現安全停堆。

從表2可以看出，HPCMR堆芯在受熱膨脹時，軸向膨脹引入負反應性，徑向膨脹引入正反應性，從總體效果呈負反應性效應。燃料多普勒效應為負，在1100K至1700K的范圍內，燃料的溫度系數為-2.2×10-6△k/k/℃。

表1 反應性和控制鼓價值計算結果

3.2 堆芯釋熱分析

月球表面反應堆設計為快中子反應堆，側面帶有鈹反射層，每根燃料元件的平均功率為5.06kW。快中子泄露出堆芯到側反射層中受到鈹反射層的慢化和反射作用，導致堆芯邊緣燃料元件裂變率與堆芯內部燃料元件相比更高，因此堆芯功率峰所在的位置在堆芯邊緣，其最大功率峰因子達到1.39，考慮到堆芯獨特的熱管冷卻方式，邊緣燃料元件冷卻壓力并不太大，除了最外一圈燃料元件，其余燃料元件的最大功率峰因子僅為1.158。

3.3 堆芯燃耗分析

HPCMR反應堆為熱管冷卻快堆，堆芯中子能譜較硬，超過了一般鈉冷卻快堆，從中子能譜分析，絕大多數中子處于能量100keV～10MeV區間內，超出了U、Re的共振吸收區間。錒系核素對反應堆的影響遠大于裂變產物對反應堆的影響。隨著反應堆燃耗的加深，錒系核素積累較為明顯，壽期末，236U積累達到1.4kg，239Pu的累積量也達到160g。235U消耗量大約7kg，相對燃耗4.8%，燃料芯體絕對燃耗17230MWD/tU，燃耗相對較淺。HPCMR滿功率運行3600天后，反應堆有效增殖系數大于1，并有0.6%Δk/k的裕量。證明反應堆的后備反應性足夠運行十年的要求。

3.4 發射過程中的臨界安全問題

對于空間用快堆系統，較大的危險來自于發射過程中的掉落事故。由于通常快堆采用高富集度的燃料元件，燃料裝載相對較大，因此如果發射失敗，反應堆落入水中，存在臨界安全風險。因此本文堆芯方案，堆芯分為3個模塊，每個模塊單獨發射，另外，結構材料選用鉬錸合金，其中錸具有較大的熱中子吸收截面，能夠有效降低臨界事故風險。

表2 反應性溫度效應

計算表明，單獨一個模塊落入水中，若堆芯保持完好，內部沒有進水，則反應堆系統Keff=0.77964；若堆芯內部充滿水時，Keff=0.87741。兩種情況下，堆芯模塊均偏離臨界很遠，不會發生臨界安全事故。

3.5 堆芯熱管失效

HPCMR在月球表面運行過程中，存在一些可能導致對內熱管失效的因素。例如堆芯熱管意外破裂等，在這種情況下如果不能有效地將局部熱量帶出對外而發生燃料元件熔化，對這種結構的反應堆來說后果是災難性的，可能發生一系列連鎖反應而導致整個堆芯熔化。

事故工況下，從保守角度考慮假定失效熱管相鄰燃料元件為熱通道燃料元件，且其周圍熱管為非對稱分布。計算分析結果如下：壽期初，燃料芯塊中最高溫度為1810K，包殼中最高溫度為1805K，密實金屬細絲填充區中最高溫度為1805K。壽期末，燃料芯塊中最高溫度為1880K，包殼中最高溫度為1875K，密實金屬細絲填充區中最高溫度為1875K。

結果表明，事故情況下，當一根堆內熱管失效時，其周圍的燃料元件能夠被相鄰熱管有效冷卻，整個系統安全性能夠得到保證。

4 結語

論文對月球表面核反應堆電站的概念堆芯主要物理特性進行了計算分析，結果表明HPCMR的堆芯方案滿足月表電站需求，并且具有較高的固有安全特性：(1)反應堆在發射過程中，單個模塊落入水中或濕沙子中，反應堆偏離臨界很遠，不會造成發射臨界事故，從而對環境造成核污染。(2)堆芯采用熱管冷卻，不會因為冷卻回路破口而發生LOCA事故，并且每一根燃料棒周圍至少與兩根熱管相鄰，若一根熱管發生故障失效，燃料發熱也能夠安全導出，而不會發生堆芯燒毀。(3)反應堆除了冗余設計的轉動控制鼓之外沒有任何其他轉動部件，包括堆內熱管、熱電偶熱電轉換模塊、堆外熱管、熱管式換熱器等部件均為非能動部件，具有很高的可靠性。

[1]孫志勇.月球表面用核反應堆電源技術方案物理概念設計,2010年,內部報告.

[2]陳綱.月球表面用核反應堆電源系統熱工分析報告,2010年,內部報告.

[3]胡古,孫志勇.陳綱等月球表面用核反應堆電源調研及可行性方案初步研究,2010年,內部報告.