同位素熱源熱沖擊入水試驗方法

王易君，胡宇鵬，魯亮，向延華，張怡晨，朱長春，唐顯，胡紹全

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900；2.中國原子能科學研究院，北京 102413）

同位素熱源系統(tǒng)是深空探測領(lǐng)域最重要的能源來源，發(fā)展此類研究工作，對我國空間探測研究具有重要意義[1-3]。為保證應(yīng)用于深空探測的核電源系統(tǒng)在儲存、運輸、正常使用及異常環(huán)境下的功能性及安全性，采用大量地面模擬環(huán)境試驗進行考核。美國、俄羅斯已開展了大量地面環(huán)境試驗研究，并制定了嚴格的安全條件測試項目[4-5]，針對空間核動力源在事故下再入大氣層及高速撞擊海面的事故場景，開展了系列試驗[6-7]。近年來，我國在同位素熱源環(huán)境試驗技術(shù)方面亦開展了相關(guān)工作[8-10]。

熱沖擊入水試驗是在地面模擬熱源墜落至大海事故場景的一項安全性試驗，目的是考核熱源在高溫條件下，經(jīng)熱沖擊作用后，金屬包殼保持完整、不泄漏放射性物質(zhì)到環(huán)境中的能力。文中介紹了同位素熱源熱沖擊試驗技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合空間同位素熱源再入后撞擊水面的安全性要求，討論了熱沖擊試驗方法等內(nèi)容，可為空間同位素熱源以及空間核動力源熱沖擊入水安全性試驗提供參考。

1 熱沖擊入水安全性

1.1 事故場景分析

1968年美國Nimbus B-1衛(wèi)星發(fā)射時，因火箭發(fā)生故障，實施遙控自毀，在30.48 km上空爆炸，衛(wèi)星上攜帶的SNAP-19B2的同位素電源RTG墜入180 m海底，結(jié)構(gòu)完好無泄漏。1970年阿波羅飛船發(fā)生爆炸，飛船再入大氣層時，RHU/RTG墜入9000 m深的太平洋底，監(jiān)測無核泄漏。1996年火星-96探測器升空后爆炸，探測器殘骸及RTG墜入太平洋[11]。1983年2月宇宙-1402衛(wèi)星（攜帶45 kg濃縮鈾的核反應(yīng)堆）失控墜入大西洋南部海域。1978年，宇宙-954衛(wèi)星重返大氣層時，再入解體過程中，釋放了大量放射性碎片。2005年CryoSat衛(wèi)星發(fā)射，由于火箭故障，衛(wèi)星未能進入預(yù)定軌道，火箭發(fā)射失敗后，衛(wèi)星墜入大海。2010年俄羅斯發(fā)射Glonass導(dǎo)航衛(wèi)星，由于火箭問題發(fā)射失敗，導(dǎo)致衛(wèi)星未能進入預(yù)定軌道，墜入太平洋海岸。2013年Zenit 3SL火箭發(fā)射故障，導(dǎo)致其搭載的Intelsat 27通信衛(wèi)星墜入距發(fā)射平臺不遠的太平洋里。在發(fā)射階段，因火箭發(fā)射故障導(dǎo)致搭載的空間核動力源墜入大海的可能性較大，而再入階段后也可能出現(xiàn)核動力源墜入海洋的情況。

空間同位素熱源的設(shè)計、地面測試、地面試驗、地面運輸、發(fā)射、在軌運行等壽命周期內(nèi)的活動所涉及的安全性，均屬于空間核安全的范圍。針對核動力源在空間使用的安全性，美國、俄羅斯提出了空間核動力源安全性設(shè)計要求，即要求在任何事故下，核設(shè)計和結(jié)構(gòu)在一切意外情況下無破損和放射性泄漏，并據(jù)此開展了核動力源安全性設(shè)計、分析和評價工作[7]。針對放射性同位素熱源、電源以及核反應(yīng)堆等，制定了嚴格的安全認證條件，要求開展在固體推進劑火災(zāi)、再入大氣高溫、撞擊（鋼板、沙地、水面、土地、碎片等）以及在海水浸泡等安全性測試項目。針對發(fā)射和再入事故中的沖擊和碰撞，開展了同位素熱源高溫沖擊復(fù)合試驗、高溫高速撞擊鋼靶試驗以及高溫高速撞擊數(shù)值模擬分析[10,12]，為開展同位素熱源安全性能評價提供了支撐。

1.2 同位素熱源

放射性同位素熱源（Radioisotope Heater Unit，簡稱RHU）利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)，不斷獲得放射性同位素衰變釋放的熱能。采用RHU、熱電轉(zhuǎn)換器和輻射散熱器組成的同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator，簡稱RTG）則能夠同時輸出電能和熱能，是進行深空探測和執(zhí)行空間任務(wù)不可替代的重要能源[13]。同位素熱源主要采用熱源源芯加包殼的結(jié)構(gòu)形式，源芯采用238PuO2陶瓷芯塊，包殼為多層包覆結(jié)構(gòu)，由內(nèi)至外依次為結(jié)構(gòu)層、內(nèi)密封層、隔熱層和燒蝕層，起到防護和密封等作用。結(jié)構(gòu)層為芯塊的直接包覆層，是防止放射性泄漏的最后一道屏障。

1.3 載荷分析

同位素熱源撞擊水面時，除了承受水面流體對產(chǎn)品的撞擊載荷之外，由于熱源溫度明顯高于海水，熱源會經(jīng)歷劇烈的溫度沖擊，因此其結(jié)構(gòu)完整性經(jīng)受撞擊應(yīng)力和溫度沖擊應(yīng)力雙重考驗。由于高速撞擊地面的應(yīng)力載荷顯著大于撞擊水面的應(yīng)力載荷，通過應(yīng)力解耦，熱源在撞擊作用下的結(jié)構(gòu)變形以及破壞效應(yīng)通過撞擊障礙物進行考核。熱源撞擊水面的載荷條件，更主要地從溫度應(yīng)力角度去考核熱源的結(jié)構(gòu)完整性和密封性能，可以參照溫度沖擊試驗及其標準進行載荷分析，重點分析溫度沖擊的極值溫度、沖擊次數(shù)、介質(zhì)類型、轉(zhuǎn)換時間等。

溫度沖擊試驗用于考核產(chǎn)品對周圍環(huán)境急劇變化的適應(yīng)性，其中GJB 150.5A對溫度上限和下限可根據(jù)面臨的最嚴酷的環(huán)境溫度和預(yù)期情況進行剪裁，但其介質(zhì)僅限于空氣[14]。GB/T 2423.22中Nc試驗使用的介質(zhì)可以為液體，具體的介質(zhì)取決于實際遇到的介質(zhì)類型[15]。同時溫度沖擊試驗也是考核放射源結(jié)構(gòu)的最重要指標之一[16]。參照上述標準，熱源熱沖擊試驗采用空氣、水2種介質(zhì)，試驗件位于介質(zhì)內(nèi)的極值溫度根據(jù)其事故場景中遭遇的溫度進行確定。溫度沖擊的次數(shù)由暴露在沖擊環(huán)境（由空氣中高溫到水中常溫）中的次數(shù)進行規(guī)定，。試驗的轉(zhuǎn)換時間應(yīng)符合真實場景，在地面環(huán)境試驗進行模擬時，需要結(jié)合實施可行性進行剪裁。

1.4 熱沖擊試驗條件

由于同位素熱源真實樣品具有放射性，在鑒定試驗中，選擇具有相同結(jié)構(gòu)、材料、密封工藝的非放射性結(jié)構(gòu)模擬件作為試驗樣品。為了使模擬試件具有與真實產(chǎn)品同樣的熱邊界條件，在地面鑒定環(huán)境試驗中，需要對模擬試件進行適當?shù)臒峒虞d。238PuO2燃料形式的同位素熱源的運行溫度大多在1090 ℃左右，模擬試驗件的加載溫度不應(yīng)低于運行溫度，且溫度允差控制在±10 ℃以內(nèi)。模擬試驗件由常溫進行加熱，其加熱升溫速率應(yīng)遠低于入水沖擊過程中的溫度變化速率。

由于非放射性的模擬試驗件本身不會像真實產(chǎn)品那樣具有熱源，在入水轉(zhuǎn)移過程中，因向環(huán)境輻射及空氣對流，易被冷卻至目標溫度以下。為了降低在轉(zhuǎn)移過程中的溫度變化，采取2種方式：1）適當提高熱加載溫度，使得模擬試驗件入水時溫度與真實產(chǎn)品的熱邊界條件相同；2）嚴格控制入水轉(zhuǎn)移時間，降低轉(zhuǎn)移過程中的熱量損失。前者加載溫度超過運行溫度，可能出現(xiàn)過考核情況；后者通過數(shù)值仿真，要使模擬試件結(jié)構(gòu)層溫度邊界與真實件保持熱邊界條件一致，熱沖擊入水轉(zhuǎn)移時間不能超過2 min[17]。在轉(zhuǎn)移最初的1 min內(nèi)，模擬試驗件最外層的溫度迅速下降，表面降溫速率最高可達500 ℃/min，因此轉(zhuǎn)移時間需要小于1 min。

海洋面積占地球表面90%以上，各地區(qū)海洋成分、溫度各不相同。海水中主要成分包括NaCl、MgCl2、Na2SO3、CaCl2等，天然海水的含鹽量為3.5%左右[18]。因此人工海水使用淡水溶解礦物鹽制成，其中鹽的質(zhì)量分數(shù)為3.5%。為保證試驗件入水后完全被浸沒，與人工海水實現(xiàn)充分的熱交換，且使得試驗件入水后升溫在15 ℃以內(nèi)，根據(jù)熱量估算，人工海水質(zhì)量應(yīng)至少為試驗件的20倍。盡管海水溫度與地區(qū)、月份、水深以及大氣環(huán)境等相關(guān)，參照相關(guān)資料[19-20]，海水溫度范圍設(shè)置為10~30 ℃。當海水溫度不能滿足條件時，需如實記錄溫度后，進行熱沖擊試驗。

將同位素熱源置于加熱爐中，以低于100 ℃/min的速率將熱源模擬件加熱到運行溫度后，至少保持30 min，使熱源試驗件溫度穩(wěn)定。然后在1 min內(nèi)，將試驗件浸入溫度為10~30 ℃的人工海水中。

2 熱沖擊入水試驗方法

2.1 試驗設(shè)備和儀器

同位素熱源熱沖擊入水試驗裝置主要由高溫實驗爐、人工海水槽、溫度測試系統(tǒng)、同位素熱源模擬試件以及計時器等組成。其中高溫實驗爐溫度范圍需覆蓋試熱加載溫度；人工海水槽的高度必須大于試驗件的柱高，以滿足模擬試件全部被水淹沒的要求；水槽內(nèi)容積須大于20倍模擬試件的體積，以實現(xiàn)水量不小于20倍試件的要求；測溫系統(tǒng)由K型熱電偶和數(shù)據(jù)采集器組成，熱電偶布置在水槽內(nèi)進行水溫測試；計時器用于記錄試驗件由高溫實驗爐轉(zhuǎn)移至人工海水槽中的時間。主要儀器設(shè)備見表1。

2.2 試驗流程

熱沖擊入水試驗流程如圖1所示。

1）將水槽內(nèi)裝入不少于試驗件質(zhì)量20倍的去離子水，按質(zhì)量分數(shù)為3.5%加入海鹽后，攪拌至海鹽溶化。

表1 主要儀器設(shè)備及其主要指標Tab.1 Main equipment and instruments and their indicators

2）水槽中布置1支K型熱電偶后，連接溫度測量系統(tǒng)，設(shè)置采樣頻率為1 Hz。

3）將試驗件置于高溫實驗爐內(nèi)，逐步提升到1100 ℃。

4）保持30 min，使試驗件溫度穩(wěn)定。

5）啟動水槽內(nèi)溫度測試系統(tǒng)，打開實驗爐，將試驗件取出后，放入人工海水槽。

6）通過溫度監(jiān)測水槽內(nèi)溫度穩(wěn)定后，取出試驗件。

7）待試驗件冷卻后，對試驗件進行外觀、尺寸、密封性檢查和檢測。

圖1 熱沖擊入水試驗流程Fig.1 Process of the thermal shock test

2.3 熱沖擊入水試驗方法驗證

采用非放射性的模擬源芯和多層結(jié)構(gòu)作為試驗件，模擬熱源外形、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量。試驗具體條件：試驗件在高溫試驗爐內(nèi)平均升溫速率約為20 ℃/min，熱加載溫度為(1100±10)℃，水槽人工海水體積為52.5 L，現(xiàn)場環(huán)境溫度為7.5~9.7 ℃。由于試驗件體積質(zhì)量較小，采用夾持的方式取放轉(zhuǎn)移試驗件，操作過程如圖2所示。

熱沖擊試驗高溫實驗爐恒溫階段控制曲線如圖3所示，實驗爐內(nèi)溫度波動在允差范圍內(nèi)。打開實驗爐取出試件時，爐溫明顯下降，轉(zhuǎn)移時間約為30 s，滿足轉(zhuǎn)移時間小于1 min的要求。試件入水后，熱電偶和試件距離約90 mm，所測水溫的曲線如圖4所示。減小在轉(zhuǎn)移過程中的熱損失，可使試驗件表面溫度在入水前保持較高溫度。為了更接近真實場景，減小水槽內(nèi)溫度變化，人工海水體積可以進一步增加。

3 結(jié)語

針對放射性同位素熱源入水安全性問題，分析了同位素熱源墜入大海的事故場景以及同位素熱源熱沖擊溫度應(yīng)力載荷條件。建立了熱沖擊入水試驗方法，利用試驗設(shè)備和儀器開展了方法驗證，可為評估同位素熱源在墜入海水后面臨的結(jié)構(gòu)完整性風險以及核泄漏風險提供支撐。

圖2 熱沖擊入水試驗過程Fig.2 Procedure of the thermal shock test: a) take out the test piece; b) put the test piece into the water tank

圖3 高溫實驗爐恒溫階段加載溫度曲線Fig.3 Temperature curve of constant temperature stage in high temperature furnace

圖4 水槽內(nèi)溫度曲線Fig.4 Temperature curve in artificial seawater tank