月表核电站堆芯物理特性设计研究
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【摘 要】 论文提出并初步论证了未来可用于月球表面核反应堆电站的方案 HPCMR（heat-pipe cooled module fast reactor power system），整个电站由三个相同的模块组成，每个模块均包含有锂热管导热的堆芯单元、热电偶转换单元、钾热管辐射器单元、转动控制鼓单元，以及堆芯顶部屏蔽单元。并对其中子物理特性开展深入研究，结果表明，方案具有发射质量少，固有安全特性好的优点。
【关键词】 月球表面电站 HPCMR 堆芯物理特性
1 引言
随着空间技术应用需求的日益加大以及空间技术的不断成熟，月球已经成为各国21世纪深空探测的首要目标。月球的探测和应用之所以成为有航天能力国家的重点目标，主要是因为月球具有许多优点：一是作为距离地球最近的自然天体，月球上具有超高真空、无大气活动、无磁场、地质构造稳定、弱重力、无污染等天然条件，是开展科学研究的天然实验室；二是天文观测及对地球观察的理想基地；三是人类探测太空并开发利用太空资源的前哨站与中转站；四是月球上有将来可供人类利用的能源储备等。
建立月球科研基地首先需解决能源供给问题。由于月球上的长夜达14天之久，采用太阳能帆板加蓄电池阵很难满足大功率需求。本论文研究是为解决月球基地的电能或热能稳定供应等问题而开展的基础技术研究。通过分析、论证和设计，给出一套经济安全的月球反应堆系统方案，为进一步开展各项技术研究提供技术基础。
2 月表核电站方案HPCMR
HPCMR采用锂热管冷却快堆，转鼓控制，热电偶转换，钾热管辐射器及月壤屏蔽。基于反应堆安全和运载能力方面的考虑，反应堆电源采用集成模块化设计，每块单独发射，在月球表面进行组装。每个模块均包括一个堆芯单元（不足以达到临界）、屏蔽体单元、控制转鼓单元、热电转换装置单元以及辐射器单元。反应堆堆芯采用热管冷却，无冷却剂回路；热电转换方式采用静态热电偶转换，无运动部件；废热排放方式采用热管式辐射器；以上几点特性保证了反应堆电源很高的可靠性和安全性。
堆芯分为三个模块，其中每个堆芯模块装载102根燃料元件和42根锂热管，6套大控制转鼓和6套小控制转鼓。整个堆芯共装载燃料元件306根，高温锂热管126根，控制转鼓12套。反应堆堆芯总高950mm，活性区高度600mm，堆芯横截面为正六边形，对边距为576mm，活性区横截面也是正六边形，对边距为342mm。堆芯反射层包容整个堆芯，材料为BeO，其中侧反射层厚117mm，上反射层厚120mm，下反射层厚130mm。堆芯周围均布6套大控制鼓和6套小控制鼓，其中大控制鼓直径156mm，小控制鼓直径100mm。控制鼓主体结构材料为BeO，吸收体材料为B4C，B4C厚5mm，高600mm，镶嵌在控制鼓主体上，包容角度120°，用于控制反应堆的反应性。
物理计算主要采用MCNP程序。计算中忽略堆芯反射层外其他结构和部件，计算模型数据库选用国际通用的ENDF/B-VI。
3.1 堆芯反应性分析
堆芯临界分析计算结果见表1，计算结果表明，堆芯的总体反应性系数为负值。
表中数据表明，堆芯初步方案能够满足月球表用反应堆的要求。月球表面反应堆总共设置6套大转鼓和6套小转鼓，两种转鼓均能够满足独立停堆的要求，事故情况下，即便最大价值的一套大转鼓卡在外侧，其余转鼓也能实现安全停堆。
从表2可以看出，HPCMR堆芯在受热膨胀时，轴向膨胀引入负反应性，径向膨胀引入正反应性，从总体效果呈负反应性效应。燃料多普勒效应为负，在1100K至1700K的范围内，燃料的温度系数为-2.2×10-6k/k/℃。
3.2 堆芯释热分析
月球表面反应堆设计为快中子反应堆，侧面带有铍反射层，每根燃料元件的平均功率为5.06kW。快中子泄露出堆芯到侧反射层中受到铍反射层的慢化和反射作用，导致堆芯边缘燃料元件裂变率与堆芯内部燃料元件相比更高，因此堆芯功率峰所在的位置在堆芯边缘，其最大功率峰因子达到1.39，考虑到堆芯独特的热管冷却方式，边缘燃料元件冷却压力并不太大，除了最外一圈燃料元件，其余燃料元件的最大功率峰因子仅为1.158。
3.3 堆芯燃耗分析
HPCMR反应堆为热管冷却快堆，堆芯中子能谱较硬，超过了一般钠冷却快堆，从中子能谱分析，绝大多数中子处于能量100keV～10MeV区间内，超出了U、Re的共振吸收区间。锕系核素对反应堆的影响远大于裂变产物对反应堆的影响。随着反应堆燃耗的加深，锕系核素积累较为明显，寿期末，236U积累达到1.4kg，239Pu的累积量也达到160g。235U消耗量大约7kg，相对燃耗4.8%，燃料芯体绝对燃耗17230MWD/tU，燃耗相对较浅。HPCMR满功率运行3600天后，反应堆有效增殖系数大于1，并有0.6%Δk/k的裕量。证明反应堆的后备反应性足够运行十年的要求。
3.4 发射过程中的临界安全问题
对于空间用快堆系统，较大的危险来自于发射过程中的掉落事故。由于通常快堆采用高富集度的燃料元件，燃料装载相对较大，因此如果发射失败，反应堆落入水中，存在临界安全风险。因此本文堆芯方案，堆芯分为3个模块，每个模块单独发射，另外，结构材料选用钼铼合金，其中铼具有较大的热中子吸收截面，能够有效降低临界事故风险。
计算表明，单独一个模块落入水中，若堆芯保持完好，内部没有进水，则反应堆系统Keff=0.77964；若堆芯内部充满水时，Keff=0.87741。两种情况下，堆芯模块均偏离临界很远，不会发生临界安全事故。
3.5 堆芯热管失效
HPCMR在月球表面运行过程中，存在一些可能导致对内热管失效的因素。例如堆芯热管意外破裂等，在这种情况下如果不能有效地将局部热量带出对外而发生燃料元件熔化，对这种结构的反应堆来说后果是灾难性的，可能发生一系列连锁反应而导致整个堆芯熔化。
事故工况下，从保守角度考虑假定失效热管相邻燃料元件为热通道燃料元件，且其周围热管为非对称分布。计算分析结果如下：寿期初，燃料芯块中最高温度为1810K，包壳中最高温度为1805K，密实金属细丝填充区中最高温度为1805K。寿期末，燃料芯块中最高温度为1880K，包壳中最高温度为1875K，密实金属细丝填充区中最高温度为1875K。
结果表明，事故情况下，当一根堆内热管失效时，其周围的燃料元件能够被相邻热管有效冷却，整个系统安全性能够得到保证。
4 结语
论文对月球表面核反应堆电站的概念堆芯主要物理特性进行了计算分析，结果表明HPCMR的堆芯方案满足月表电站需求，并且具有较高的固有安全特性：（1）反应堆在发射过程中，单个模块落入水中或湿沙子中，反应堆偏离临界很远，不会造成发射临界事故，从而对环境造成核污染。（2）堆芯采用热管冷却，不会因为冷却回路破口而发生LOCA事故，并且每一根燃料棒周围至少与两根热管相邻，若一根热管发生故障失效，燃料发热也能够安全导出，而不会发生堆芯烧毁。（3）反应堆除了冗余设计的转动控制鼓之外没有任何其他转动部件，包括堆内热管、热电偶热电转换模块、堆外热管、热管式换热器等部件均为非能动部件，具有很高的可靠性。
参考文献：
[1]孙志勇.月球表面用核反应堆电源技术方案物理概念设计，2010年，内部报告.
[2]陈纲.月球表面用核反应堆电源系统热工分析报告，2010年，内部报告.
[3]胡古，孙志勇.陈纲等月球表面用核反应堆电源调研及可行性方案初步研究，2010年，内部报告.