百千瓦級空間核反應堆屏蔽優化研究

姜百惠,吉 宇,孫 俊,劉志宏,石 磊

(清華大學 核能與新能源技術研究院,北京 100084)

隨著航天活動范圍逐漸擴大和任務規模不斷增加,空間能源日益成為未來空間活動的主要限制。空間核反應堆電源具有功率大、壽命長和環境適應性強等優點,是未來航天器能源和動力的重要解決方案[1-2]。與地面反應堆不同,系統質量是空間核反應堆電源總體設計時需要重點考慮的內容。屏蔽體質量與反應堆質量相當,因此屏蔽方案的設計優化對空間核電源系統的技術水平、技術風險大小起決定性作用。

SP-100項目[3]以鋰冷空間堆為對象,提出了多層布置的屏蔽方案;百千瓦級空間核反應堆電源項目JIMO[4]在詳細評估和分析屏蔽材料性能的基礎上,對氦氙氣冷空間堆的屏蔽設計進行了研究,并給出了初步屏蔽方案。針對多種空間應用場景,國外還開展了包括SAFE[5]和S4[6]等在內的空間堆研究計劃和概念設計,在這些任務中,屏蔽優化設計也是需要重點解決的問題之一。目前,國內大多數的研究集中于采用遺傳算法等工具對空間堆的屏蔽設計進行初步建模分析和優化,計算代價較大,且對于屏蔽設計優化的原理研究較少,難以提出適用性較強、可信度較高的屏蔽設計優化流程。

本文以JIMO項目反應堆設計方案及鈹-碳化硼-鎢-氫化鋰(Be-B4C-W-LiH)的組合屏蔽方案為基礎,利用蒙特卡羅軟件詳細求解屏蔽體內中子-光子耦合輸運過程,分析屏蔽設計基本原理,在此基礎上對鈹-碳化硼(Be-B4C)布置和鎢(W)尺寸等進行優化,與JIMO屏蔽方案相比實現減重目標。

1 物理設計方案

JIMO項目已完成反應堆及屏蔽的初步方案設計并給出部分設計參數,為屏蔽優化方法合理性的驗證提供了基礎。本文基于JIMO項目中輕質、緊湊、堆芯流阻較小的開放柵格式反應堆[7]理念,參考其材料選擇及燃料棒、壓力容器設計參數,對其堆內燃料棒排布,反射層、安全棒等設計方案進行補充完善,給出了熱功率1 MW、壽期15 a的堆芯設計方案。圖1為燃料棒設計示意圖,采用90%富集度的UO2燃料芯塊,包殼為耐高溫Mo-47.5Re合金,在燃料和包殼之間設計有Re襯層以改善材料的相容性。在燃料棒的上部有可用于容納裂變氣體的腔室,端部各有一定厚度的BeO反射層。反應堆布置方案如圖2所示,堆內共402根燃料棒,通過12根滑動反射層實現反應性控制。此外,堆芯中央設有B4C安全棒,以保障在地面運輸及系統發射等過程中可能遇到的事故場景下的反應堆次臨界度。

a——x-y截面;b——y-z截面圖1 燃料棒材料組成及尺寸Fig.1 Material and size of fuel rod

a——x-y截面;b——y-z截面圖2 反應堆布置方案Fig.2 Layout diagram of reactor

使用蒙特卡羅方法計算獲得堆內中子能譜,與輕水堆燃料元件使用蒙特卡羅方法計算獲得的熱中子能譜進行對比,如圖3所示。由圖3可見,由于JIMO反應堆尺寸較小,燃料富集度較高且堆內沒有慢化劑,因此堆內快中子占比較高,屏蔽設計過程中需充分考慮快中子對材料的輻照損傷及快中子的慢化。

圖3 反應堆堆芯中子能譜Fig.3 Neutron spectrum of reactor core

2 屏蔽方案

2.1 屏蔽布置

在空間核反應堆中,一般采用陰影屏蔽方案,如圖4所示,即將輻射散熱器和高增益天線等結構或負載布置在陰影內,以防止未經屏蔽體衰減的射線直接照射或經輻射板反射至輻照敏感器件處,影響設備性能。為減少屏蔽質量,屏蔽體常設計成圓臺或橢圓臺,屏蔽厚度主要受堆芯源強、輻照限值及堆芯與負載距離影響,屏蔽半錐角則取決于輻射散熱器面積和高增益天線布置方式。

圖4 反應堆及屏蔽布置方案[7]Fig.4 Layout of reactor and shield[7]

依據飛行器總體設計,輻射散熱器面板與高增益天線以桁架為軸垂直布置,負載至堆芯活性區底端距離為50 m。輻射板面積約為453 m2,覆蓋輻射散熱器的屏蔽半錐角θ為12°。而高增益天線的尺寸顯著小于輻射板,因此覆蓋高增益天線的屏蔽半錐角θ設計為6°。

2.2 基準屏蔽方案

屏蔽材料對屏蔽體積和質量有著重要影響。中子屏蔽常選用低原子序數材料,如LiH、H2O和Be等,實現對于中子的散射和慢化。同時,還可利用B4C實現對于中子的吸收。光子屏蔽通常選用原子序數較高的材料,如W、Pb和貧鈾等[2]。現有計算分析表明,LiH和W分別是中子屏蔽和光子屏蔽能力最強的材料。但輻照累計劑量較高時,LiH輻照腫脹問題嚴重[8]。因此在屏蔽體前端高注量區域應使用Be和B4C等屏蔽中子[9-10],降低輻照劑量后使用LiH。另外,將W布置在中子注量較低位置,可有效減少次生光子的產生。

JIMO項目中Be-B4C-W-LiH分層組合屏蔽方案[4]如圖5所示,屏蔽體總質量為1 830.73 kg,其中316不銹鋼主要用于對屏蔽體進行固定和支承。選用蒙特卡羅軟件RMC、ENDF/B-Ⅷ.0核數據庫計算,通過給定合理的屏蔽層內中子、光子重要性,降低計算誤差、提高計算速度,320核并行計算平均計算耗時1 h,輻照劑量計算相對誤差控制在7%以內。使用面計數器統計中子、光子注量,并通過E722-04版本的中子輻射Si位移損傷函數[11]、Si光子質能吸收系數[12]、Multiplier卡進行注量與輻照參數的轉化,得到負載處集成電路所受到的1 MeV(Si)等效中子注量、累積光子劑量和LiH前沿受到的中子輻照劑量,與未設屏蔽相比分別衰減了3.2×106倍、81.8倍、9.9倍,如表1所列。為探究屏蔽設計優化方法,本文以JIMO項目屏蔽方案為基準屏蔽方案,以JIMO項目屏蔽方案下負載處輻照劑量和LiH前沿中子劑量為設計限值,進行屏蔽優化設計工作,實現進一步減重的目標。

表1 未設屏蔽與基準屏蔽方案輻照參數對比Table 1 Radiation parameter comparison between unshielding and initial shielding schemes

圖5 基準屏蔽方案Fig.5 Initial shielding scheme

3 屏蔽優化

3.1 屏蔽優化思路

利用蒙特卡羅方法開展三維中子-光子耦合計算雖然能獲得較為準確的負載區域輻照累積劑量分布,尤其針對劑量水平沿屏蔽體徑向變化較大的情況,但由于計算量太大導致難以采用全局優化算法來開展屏蔽優化。因此在了解屏蔽體內中子-光子耦合輸運特性的基礎上,分析屏蔽設計原理,并采用分步優化方法實現空間堆的屏蔽優化是總體設計階段合理可行的技術途徑。

根據基準屏蔽方案,質量占比最大的是光子屏蔽體(W),因此可通過減小W的厚度和半徑來實現減重。首先可利用Be和B4C的布置順序及材料比例組合,在保持相當中子屏蔽效果的情況下盡量減小W前的光子劑量,以減小W的厚度。其次在減小W的半徑方面,可在不產生明顯次生光子增強的情況下,將W屏蔽體盡量靠前布置,同時也可依據光子劑量從軸線至邊緣下降較快的特點,對W進行縮徑處理。此外,在中子屏蔽方面,可增加W后低密度的LiH在中子屏蔽材料中的比例,在滿足LiH輻照劑量限值的要求下,減小Be和B4C的質量。

3.2 屏蔽優化過程

3.2.1Be-B4C布置方案優化 屏蔽材料對射線的慢化和吸收順序會影響屏蔽性能[13],如表2所列,當Be和B4C層的厚度比例不變時,單層布置方案對于LiH前沿中子劑量的衰減能力更優,多層布置方案對光子劑量的衰減能力更優,二者對1 MeV(Si)等效中子注量的衰減能力幾乎相同。

表2 單層Be-B4C與多層Be-B4C方案屏蔽性能對比Table 2 Shielding performance comparison between single-layer Be-B4C and multi-layer Be-B4C schemes

圖6示出屏蔽體前端0.0～19.0 cm處中子-光子耦合輸運特性的輻照參數及中子能譜的變化。與單層Be-B4C方案相比,多層布置可有效減少中子經Be反射重新到達屏蔽前端的比例,因此屏蔽前端的熱中子注量顯著降低。經過16.5 cm厚的屏蔽層后,多層布置方案由于沿程的B4C可以有效吸收熱中子,因此熱中子注量更低,快中子注量無顯著區別。從Be-B4C屏蔽后端來看,單層布置方案中,Be可充分慢化快中子,更有利于B4C對中子的吸收,因此屏蔽后端的熱中子注量更小,而快中子注量無顯著區別。從損傷機理而言,熱中子注量差異主要影響LiH前沿中子劑量,對1 MeV(Si)等效中子注量無顯著影響。因此與單層布置方案相比,多層Be-B4C方案的LiH前沿中子劑量增加約38%。

圖6 單層Be-B4C與多層Be-B4C方案輻照參數(a)及中子能譜(b)對比Fig.6 Comparison of radiation parameter (a) and neutron energy spectrum (b) between single-layer Be-B4C and multi-layer Be-B4C schemes

與單層Be-B4C方案相比,多層布置方案中屏蔽前端較低的中子注量導致SS316產生的次生光子更少。因此與單層布置方案相比,多層布置方案的光子劑量降低約33%。

結合基準屏蔽方案設計,光子劑量降低所帶來的W質量節省對屏蔽體總質量優化有正向貢獻,因此本文依然選取多層Be-B4C布置方案。

此外,將Be與B4C按厚度比均勻化,LiH前沿中子劑量和負載處1 MeV(Si)等效中子注量、累積光子劑量分別為100.32 Grad(LiH)、9.38×109cm-2、217.65 krad(Si),與多層方案相比差異在5%以內,說明以均勻化材料替代多層方案進行計算分析是合理的。為簡化計算過程,后續使用均勻化Be+B4C進行屏蔽方案的優化,并在最終方案中采用多層建模的方法以保證結果的準確性。

3.2.2W布置方案優化 屏蔽體半徑由以反射層前沿為頂點的12°/6°陰影線決定,以防止經反射層反射的中子對負載處電子器件造成損傷。與中子相比,光子穿透能力較強,因此減小光子屏蔽體半徑至以堆芯活性區前沿為頂點的陰影線,如圖7所示。負載處輻照參數的徑向分布對比如圖8所示。光子屏蔽半徑的縮減對1 MeV(Si)等效中子注量的衰減能力幾乎沒有影響,但導致了光子劑量的增加,且以邊緣處最為明顯。補償光子劑量的增加需將W厚度增加至2.65 cm,此時屏蔽體總質量1 749.08 kg,較基準方案仍有81.65kg的優化。

a——基準布置方案;b——半徑縮減方案圖7 光子屏蔽布置方案Fig.7 Photon shielding arrangement scheme

圖8 光子屏蔽半徑縮減前后負載處輻照參數對比Fig.8 Comparison of radiation parameter at payload before and after photon shielding radius reduction

3.2.3中子屏蔽尺寸優化 本文研究了材料慢化與吸收順序對屏蔽效果的影響,而慢化與吸收層的厚度比例同樣會影響屏蔽性能[4]。Be-B4C混合比例改變時,滿足LiH前沿中子劑量限值的Be-B4C最小厚度以及滿足負載處中子注量限值的LiH最小厚度如表3所列。由表3可看出,70%Be+30%B4C方案可在保證屏蔽質量較小的同時實現較好的屏蔽效果。

表3 Be-B4C比例對屏蔽性能的影響Table 3 Effect of Be-B4C mixing ratio on shielding performance

3.2.4光子屏蔽尺寸優化 根據優化思路,W布置位置會影響次生光子劑量及屏蔽層半徑。表4列出W布置位置對屏蔽性能的影響。由表4可看出,當W距屏蔽體前端30 cm時,可在不產生過多次生光子的前提下減少W屏蔽層半徑,所獲得的屏蔽質量最優。

表4 W布置位置對屏蔽性能的影響Table 4 Effect of W position on shielding performance

3.3 屏蔽優化方案

綜合上述結果,可獲得優化后的屏蔽方案,如圖9所示,即采用多層Be-B4C方案,單層B4C最小厚度為0.5 cm,Be與B4C厚度比為7∶3,W布置于距屏蔽前端30 cm處,LiH布置于輻照劑量低于102.57 Grad(LiH)處。優化后的屏蔽方案總重為1 732.32 kg,較基準方案降低98.41 kg。

圖9 優化后的屏蔽方案Fig.9 Optimized shielding scheme

4 總結

本文針對JIMO項目熱功率1 MW、壽期15 a的開放柵格式氣冷空間堆設計方案,在Be-B4C-W-LiH分層組合屏蔽方案的基礎上,完成了屏蔽設計優化工作。利用蒙特卡羅方法求解了屏蔽體內的中子-光子耦合輸運過程,分析了屏蔽設計原理。在此基礎上提出了分步優化的思路,通過屏蔽材料成分比例、布置位置和尺寸調整等措施,實現了較好的減重效果,證明了屏蔽優化流程的合理性。本文屏蔽方案及優化流程為空間核電源屏蔽設計提供了參考,為總體設計階段快速評估及優化屏蔽奠定了基礎。

為進一步優化屏蔽方案,后續可開展以下工作:1) 當前屏蔽體半徑較大,主要是由滑動反射層前端尺寸和屏蔽半錐角所決定,后續可對反射層前端進行適當切角,以減小屏蔽半徑;2) 減小W半徑后,負載邊緣處的光子劑量約為負載中心處的1.2倍,后續可明確受輻照限制的負載半徑,以減小W尺寸;3) 進一步研究LiH材料的輻照特性,提高LiH輻照劑量設計限值,減少Be-B4C所需質量;4) 評估組合屏蔽的工藝難度、組裝難度、成本造價,以實現工程應用。