TOPAZ-Ⅱ空間核反應堆電源輻射屏蔽優化措施影響分析

李 臻，陸道綱，曹 瓊,*

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206；2.非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206)

隨著未來深空探測以及星表基地供電等任務需求的日益提高以及太陽能、化學能供電的局限性，結構緊湊、功率密度高、壽命較長、環境適應性強的空間核反應堆電源已成為太空能源應用的主要發展方向。前蘇聯TOPAZ-Ⅱ是目前投入制造的最先進、成熟的空間核反應堆電源[1-3]。

輻射屏蔽專門用于減弱輻照敏感裝置周圍輻射場，是空間核反應堆電源的關鍵部件之一。輻射屏蔽的溫度場分析是空間核反應堆電源設計中的必要環節。輻射屏蔽因自身溫度的不均勻分布會產生較大熱應力，以溫度場分析為基礎的熱力學分析是反應堆熱工設計中不可缺少的部分。從安全角度來看，在各種工況下，要求輻射屏蔽的溫度峰值不能過高，且溫度分布盡可能均勻以減小熱應力，才能保證其長期工作的能力。因此，在技術可行的前提下，對輻射屏蔽采取適當的優化措施，控制熱阻、削弱換熱十分必要。

國內外對輻射屏蔽在空間核反應堆電源內真空環境下的溫度分布研究資料幾乎沒有。馬曉等[4]利用CFX軟件對中國實驗快堆堆頂固定屏蔽冷卻系統進行三維數值模擬，并對該系統提出了優化建議。盛選禹等[5]使用Abaqus 6.7商業有限元軟件分析了高溫氣冷堆的屏蔽層在額定工況和事故工況下的溫度分布。何杰等[6]針對2 MW液態釷基熔鹽實驗堆將利用MCNP軟件獲得的反應堆功率分布導入Fluent軟件，分析了主屏蔽的三維溫度場。

本文針對TOPAZ-Ⅱ型空間核反應堆電源所采用的輻射屏蔽使用Fluent軟件對其在真空環境下的換熱行為進行三維數值模擬，根據優化措施，對輻射屏蔽方案溫度分布進行計算，研究分析這些措施對輻射屏蔽溫度分布特性產生的影響，為相關實驗與工程設計提供參考。

1 模擬對象及優化措施

TOPAZ-Ⅱ型空間核反應堆電源結構如圖1所示，TOPAZ-Ⅱ型空間核反應堆電源主要由堆芯及熱離子轉換系統、電磁泵、輻射屏蔽、控制驅動單元、銫蒸氣單元和熱管輻射換熱器組成[7]。TOPAZ-Ⅱ空間核反應堆電源輻射屏蔽采用“陰影屏蔽”，會在有限的空間內造成輻射水平低的區域，這個區域具有截頭圓錐體的形狀。因此輻射屏蔽同樣采用截頭圓錐體的形式，并且是1個由各種不同功能的材料組成的多層結構[8]。在空間核反應堆電源系統輻射屏蔽的設計中，選擇屏蔽材料非常重要。對中子而言，LiH是非常優秀的中子屏蔽材料；對γ射線而言，應選用原子序數高的材料，如不銹鋼、鉛、W、B4C等[9]。輻射屏蔽結構主要分為兩種類型:降低中子通量的輕屏蔽，是一充有LiH的鋼外殼;降低伽馬通量的重屏蔽，為厚度幾厘米的容器底[10]。

圖1 TOPAZ-Ⅱ型空間核反應堆電源

真空環境內稀薄空氣流速緩慢、換熱系數偏低，對流換熱作用較弱，輻射換熱占據主導地位。對于輻射屏蔽，輻射換熱主要發生在冷卻劑管道與輻射屏蔽之間。為削弱它們之間的輻射換熱，通常在冷卻劑管道及陰影屏蔽上冷卻劑管管槽間添加真空遮熱板、在材料表面覆蓋改變發射率的涂層[11]。

2 數值模擬

2.1 幾何模型

本文計算區域為圖1中虛線框部分。根據對輻射屏蔽傳熱過程的分析，將TOPAZ-Ⅱ空間核反應堆電源的輻射屏蔽等效為輕、重屏蔽兩均勻整體，輕屏蔽為一高度0.6 m、上截面半徑0.38 m、下截面半徑0.5 m的截頭圓錐體，重屏蔽為一厚度0.02 m的圓板。并且為模擬輻射屏蔽在真空環境下的換熱行為，在屏蔽模型外部加上一高度2 m、底面半徑1 m的圓柱體外罩即劃分一模擬真空環境的腔室；為考慮反應堆底部溫度對輻射屏蔽溫度分布的影響，在重屏蔽上部添加一薄板模擬反應堆底部。以在冷卻劑管與冷卻劑管管槽間添加一厚度2 mm的真空遮熱板的輻射屏蔽模型為例，簡化處理后的結果如圖2所示。

圖2 簡化模型

2.2 網格劃分

本研究采用四面體非結構網格，整體網格質量較好，滿足計算精度要求。以在冷卻劑管與冷卻劑管管槽間添加一層真空遮熱板的輻射屏蔽模型為例，局部網格分布示于圖3。

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圖3 局部網格分布

2.3 控制方程

考慮到本文模擬真空環境下輻射屏蔽的換熱行為，選用Surface-to-Surface(S2S)輻射模型，該模型非常適用于無參與性介質的封閉空間中的輻射問題[12]。S2S輻射模型的控制方程[12]為:

式中：qout,k、qout,j為表面k、j發出的輻射熱流密度；εk為物體發射率(黑度)；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量(黑體輻射常數)，其值為5.67×10-9W/(m2·K4)；Tk為表面溫度；ρk為反射比；Fkj為角系數。

固體域能量控制方程[12]可表示為：

式中：k為熱導率；T為溫度；Sh為體熱源。

2.4 物性參數

除輕屏蔽的材料LiH和重屏蔽、反應堆底部、真空遮熱板、冷卻劑管的材料不銹鋼外，數值計算中使用的材料還包括為模擬真空環境在腔室內填充的稀薄空氣，這些材料的物性參數列于表1。

表1 材料的物性參數

2.5 邊界條件

邊界條件的設置包括：1) 根據文獻[10]，3根從堆芯帶出冷卻劑的冷卻劑管道表面溫度843 K，3根向堆芯帶入冷卻劑的冷卻劑管道表面溫度743 K；2) 保守地將模擬真空環境的腔室頂面設置絕熱邊界條件；3) 考慮到輻射屏蔽底部的堆內構件的溫度限值，將模擬真空環境的腔室底面溫度設置為473 K；4) 考慮到堆芯底部的氦氣腔傳熱較差，將反應堆底部溫度設置為550 K；5) 輻射屏蔽俘獲中子、吸收γ射線后，會有釋熱，因此對屏蔽添加體熱源70 W/m3；6) 考慮到腔室為模擬真空環境，因此將真空腔室外罩頂面、底面及側壁發射率設為0.9；7) 輕屏蔽、重屏蔽及反應堆底部表面常噴涂低發射率材料，設為0.3。

3 計算結果與分析

為得到輻射屏蔽的溫度分布狀況，在輻射屏蔽上選取一截面A，并在截面A上取直線B、C，分析直線B、C上溫度計算結果，截面A及直線B、C的位置如圖4所示。對于直線B、C，取箭頭方向為正方向，分別為x、y方向，其中直線B正方向為向堆芯帶入冷卻劑的冷卻劑管側向，并分別取截面中心(0，0)點、(0，0.04)點為原點。

圖4 截面A及直線B、C位置

3.1 網格無關性分析

圖5 網格無關性分析

3.2 環境溫度敏感性分析

輻射屏蔽溫度分布的數值計算依賴于其所處的環境是穩定的，因此進行環境溫度敏感性分析十分必要。為模擬在不同環境溫度下輻射屏蔽的換熱行為，將真空腔室的側壁溫度設置為303、313、323、333、343 K等5種工況，環境溫度敏感性分析結果如圖6所示。由圖6可見，當輻射屏蔽所處的環境溫度在改變時，輻射屏蔽的溫度分布也會隨之改變，輻射屏蔽的溫度變化值與其所處環境的溫度變化值呈正比，且每種工況下溫度在x、y方向上的分布趨勢不變。

圖6 環境溫度敏感性分析

3.3 真空遮熱板影響

1) 真空遮熱板層數影響

為減少冷卻劑管道向輻射屏蔽的輻射傳熱，在冷卻劑管管槽的外側設置厚度為2 mm的真空遮熱板。在其他邊界條件相同的情況下，對無真空遮熱板、單層真空遮熱板、3層真空遮熱板3種工況進行數值計算，結果如圖7、8所示。

圖7 不同真空遮熱板層數工況下輻射屏蔽溫度場

真空遮熱板層數分別為0、1、3時輻射屏蔽的溫度場如圖7所示。由圖7可見，隨著真空遮熱板層數的增加，輻射屏蔽的溫度下降明顯。并且3種工況下截面A上最低溫度均出現在調節機構傳動管側，而最高溫度出現位置則隨真空遮熱板層數的增加逐漸由從堆芯帶出冷卻劑的冷卻劑管側向截面中心移動。

真空遮熱板層數對溫度分布的影響如圖8所示。由圖8可見，添加單層真空遮熱板與無真空遮熱板相比，輻射屏蔽溫度下降明顯且溫度分布更均勻；添加3層真空遮熱板與添加單層真空遮熱板相比，輻射屏蔽溫度依然下降但下降幅度極大減小，并且x方向上溫度分布均勻性上升程度極大減弱、y方向上溫度分布均勻性反而惡化，說明當真空遮熱板層數超過1層，繼續增加真空遮熱板層數對優化輻射屏蔽溫度分布已十分有限。因此，綜合考慮應用場景尺寸限制、溫度分布優化程度等因素，單層真空遮熱板為最佳選擇。

圖8 真空遮熱板層數對溫度分布的影響

2) 真空遮熱板表面發射率影響

真空遮熱板表面發射率對溫度分布的影響如圖9所示。圖9中，ε為真空遮熱板表面發射率。由圖9可見，輻射屏蔽的溫度隨著真空遮熱板表面發射率下降而降低，真空遮熱板表面發射率取0.01時，輻射屏蔽溫度最低，而且輻射屏蔽溫度的下降幅度隨著真空遮熱板表面發射率的下降而增大。并且隨著真空遮熱板表面發射率下降，輻射屏蔽溫度分布更加均勻，但在發射率為0.01時，考慮到此時反應堆底部溫度對輻射屏蔽溫度分布的影響超過冷卻劑管道溫度的影響，x方向上溫度分布均勻性上升程度大為減弱、y方向上溫度分布均勻性反而惡化。因此在工程實踐中，應盡可能降低真空遮熱板表面的表面發射率但不能太低，發射率為0.04～0.07最為適宜。

圖9 真空遮熱板表面發射率對溫度分布的影響

3.4 表面涂層影響

通過在冷卻劑管道及冷卻劑管管槽表面噴射不同發射率的涂層，可改變其表面發射率，起到改變輻射換熱效果的作用。

1) 冷卻劑管道表面發射率

冷卻劑管道表面發射率分別為0.1、0.5、0.9時輻射屏蔽的溫度場如圖10所示。由圖10可見，隨著冷卻劑管道表面發射率的降低，輻射屏蔽溫度下降明顯。截面A上最低溫度均出現在調動機構傳動管側，而最高溫度出現位置則隨著冷卻劑管道表面發射率的降低逐漸由從堆芯帶出冷卻劑的冷卻劑管側向截面中心移動。冷卻劑管道表面發射率對溫度分布的影響如圖11所示。圖11中，ε為冷卻劑管道表面發射率。由圖10、11可見，輻射屏蔽溫度隨著冷卻劑管道表面發射率下降而降低，但輻射屏蔽溫度下降幅度隨著冷卻劑管道表面發射率下降而增大。且隨著冷卻劑管道表面發射率下降，輻射屏蔽溫度分布更均勻。但在發射率為0.3時，輻射屏蔽溫度分布的均勻性反而稍優于發射率為0.1時的。因此，經綜合考慮，冷卻劑管道表面發射率為0.1～0.3最適宜。

圖10 不同冷卻劑管道表面發射率工況下輻射屏蔽溫度場

圖11 冷卻劑管道表面發射率對溫度分布的影響

2) 冷卻劑管管槽表面發射率

冷卻劑管管槽表面發射率分別為0.1、0.5、0.9時輻射屏蔽的溫度場如圖12所示。由圖12可見，隨著冷卻劑管管槽表面發射率改變，截面A上最低溫度、最高溫度的位置變化趨勢與冷卻劑管道表面發射率改變時的位置變化趨勢相同。但對比圖10、12可見：分別降低冷卻劑管道、冷卻劑管管槽表面發射率至同一值的情況下，當發射率較低時，前者最高溫度出現位置更加接近截面中心；當發射率較高時，后者最高溫度出現位置更加接近截面中心。

圖12 不同冷卻劑管管槽表面發射率工況下輻射屏蔽溫度場

冷卻劑管管槽表面發射率對溫度分布的影響如圖13所示。圖中，ε為冷卻劑管管槽表面發射率。由圖13可見，隨著冷卻劑管管槽表面發射率下降，輻射屏蔽溫度下降且分布均勻性上升。因此冷卻劑管管槽表面發射率為0.1左右最為適宜。對比圖13、15可見：分別降低冷卻劑管道、冷卻劑管管槽表面發射率至同一值的情況下，當發射率較低時，前者溫度更低且溫度分布均勻性更高；當發射率較高時，后者溫度更低、溫度分布更加均勻。總之，降低冷卻劑管道表面發射率較降低冷卻劑管管槽表面發射率能更好優化輻射屏蔽溫度分布。

圖13 冷卻劑管管槽表面發射率對溫度分布的影響

4 結論

本文針對TOPAZ-Ⅱ型空間核反應堆電源的輻射屏蔽在真空環境下的輻射換熱行為，對優化輻射屏蔽的溫度分布所采取了相應措施：在冷卻劑管及其管槽間設置真空遮熱板、在冷卻劑管道表面及冷卻劑管管槽表面噴涂合適發射率的涂層。利用Fluent軟件進行模擬計算，分析了對輻射屏蔽溫度分布產生的影響，得出如下結論。

1) 在真空環境條件下，來自冷卻劑管道的輻射傳熱是影響輻射屏蔽溫度分布的主要因素；添加真空遮熱板和噴涂改變發射率的涂層均可有效降低輻射屏蔽溫度峰值，并提升其溫度分布均勻性。

2) 添加真空遮熱板優化輻射屏蔽溫度分布的效果主要受真空遮熱板層數和其表面發射率影響，隔熱效果與真空遮熱板層數呈正比，與表面發射率呈反比；在工程實踐中，單層真空遮熱板、噴涂表面發射率為0.04～0.07的涂層為最佳選擇。

3) 冷卻劑管道表面、冷卻劑管管槽表面噴涂改變發射率的涂層對輻射屏蔽溫度分布的優化效果與發射率呈反比，且冷卻劑管道表面發射率對輻射屏蔽溫度分布影響更顯著；在工程實踐中，應盡可能降低這兩個表面的表面發射率，特別是冷卻劑管道表面，冷卻劑管管槽表面發射率為0.1左右、冷卻劑管道表面發射率為0.1～0.3最適宜。

本文實現了TOPAZ-Ⅱ型空間核反應堆電源的輻射屏蔽結構的數值模擬，為相關實驗和工程實踐中輻射屏蔽結構的優化提供了參考。