空間核反應堆電源熱工水力特性研究綜述

代智文，劉天才，王成龍，張大林,*，田文喜，秋穗正，蘇光輝

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049；2.中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

隨著未來太空探索任務需求的日益提高，以及太陽能供電在深空探索任務和星表探索任務中的局限性，空間核反應堆電源是未來太空能源應用的主要研究方向。目前主要研究單位有美國新墨西哥大學、洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)、美國國家航天局(NASA)、美國能源部(DOE)、俄羅斯聯邦原子能部等。我國的中國原子能科學研究院、西北核技術研究所、西安交通大學、清華大學等也開展了空間堆的相關研究。空間核設施主要包含放射性同位素電源(RTG)、空間核反應堆電源(簡稱空間堆)、核熱核電推進等。根據太空軌道與星球表面所處的環境的差異性，如重力、散熱方式、中子屏蔽方式等，空間堆又分為軌道空間堆和星表空間堆。

空間堆熱工水力理論研究主要涉及以下方面：1) 空間堆系統穩態和事故瞬態特性研究；2) 冷卻劑換熱特性、單冷卻劑通道及全堆芯的三維流動換熱特性研究；3) 靜態熱電轉換、動態熱電轉換(布雷頓循環、斯特林循環)裝置特性分析。空間堆熱工水力試驗研究主要研究燃料元件熱工性能，以及全堆芯尺度下啟動、運行、瞬態和停堆等狀態下反應堆的熱工特性。本文針對空間堆熱工水力特性進行研究。

1 空間堆發展概述

空間堆主要堆型有鈾鋯氫空間堆、熱離子空間堆、液態金屬冷卻空間堆、氣體冷卻空間堆與熱管冷卻空間堆5種。鈾鋯氫空間堆是美國最早探索的設計路線，如SNAP系列，但20世紀70年代后不再發展該堆型。熱離子空間堆的代表有俄羅斯的TOPAZ、美國的Space-R等，目前技術已非常成熟。液態金屬反應堆多用于大功率(MW級)飛船設計，如美國的SP-100與SCoRe等。氣體冷卻空間堆多采用He-Xe氣體的布雷頓循環，如普羅米修斯計劃、俄羅斯的MW級空間核動力飛船等。熱管冷卻空間堆的方案較多，采用熱管可有效避免空間堆單點失效，且具有較好的等溫特性、高可靠性與保養成本低等特點，目前熱管反應堆與斯特林轉換器結合的方案是空間堆研究的熱點方向，如美國的Kilopower計劃等。我國的空間堆研究起步較晚，目前仍處于研發階段，需開展大量的研究工作。

1.1 軌道空間堆發展情況

軌道空間堆主要用于為深空探測器和地球探測器提供能量。美國和俄羅斯提出大量的軌道空間堆設計，美國于1962年發射了第1個軌道空間堆SNAP-10A，但20世紀70年代后放射性同位素電源的迅速發展且常規化學能源能滿足軌道空間探索需要，軌道空間堆的研究進展緩慢，美國于20世紀90年代提出了大量的軌道空間堆的設計方案，并開展了試驗研究。同時期，蘇聯也開展了大量研究工作，研發了BUK、TOPAZ系列軌道空間堆，但由于蘇聯解體，研究被迫停止，直到2009年才重新提出MW級空間核動力飛船設計。2018年3月，俄羅斯公布了核動力巡航導彈“海燕”、深海無人核動力潛航器“波塞冬”兩項戰略武器，從技術來看，可能正是對該空間堆技術成果的應用。目前提出的軌道空間堆的主要技術參數列于表1。

1.2 星表空間堆發展情況

星表空間堆定位為“月球表面或火星表面”的核反應堆，用于給科研人員或未來人類殖民地提供能量支持。星表空間堆的運行環境與軌道空間堆有所不同，需考慮星球重力、溫度、星表大氣等影響。星表空間堆的環境熱工參數列于表2。目前大功率的星表空間堆多采用非剛性展開設計，以提高運載火箭的空間利用率；運行時將堆芯埋入星表土壤以降低對周圍設備和人員的輻射，降低反射層厚度，減少發射質量。目前提出的星表空間堆列于表3。

1.3 空間堆設計與發展趨勢

空間堆設計過程中，需綜合考慮堆芯類型、熱電轉換方式、輻射散熱器等優缺點。熱離子燃料元件技術比較成熟，但效率較低、壽期較短；液態金屬冷卻劑如NaK、Li等，由于金屬沸點較高所以反應堆回路不需要加壓，但存在冷卻劑腐蝕泄漏的風險；氣冷空間堆由于其設計特點，輻射換熱器面積較大，并需加壓到0.3～1.0 MPa，存在氣體密封等問題。靜態熱電轉換技術相比于動態熱電轉換技術更加成熟，且體積、重量非常小，缺點是轉換效率低；動態轉換效率較高，但轉換裝置及輻射散熱器較大，增加了質量比功率，使得空間堆的經濟性變差。

表1 軌道空間堆主要技術參數

表2 星表空間堆設計環境熱工參數

目前空間堆通常要求達到15 a的使用壽命，所以要考慮到太空極端條件下和反應堆事故情況下的生存能力。圖1示出目前空間堆的主要設計方案按部件、轉換形式、研發時間等因素的分類情況，由于20世紀90年代末斯特林熱電轉換器技術的成熟以及高溫熱管獨特的優點，熱管冷卻空間堆與斯特林相結合的方式成為了空間堆設計發展的熱點。

表3 星表空間堆的主要技術參數

圖1 空間堆分類與設計方案

圖2示出軌道空間堆和星表空間堆設計的主要參數指標(質量比功率、堆芯出口溫度、材料)之間的關系：對于軌道空間堆，質量比功率越低，發射成本越低；堆芯出口溫度越高，熱電轉換效率越高，但對堆芯材料的要求越高；堆芯出口溫度在1 000 K以下時，結構材料可使用不銹鋼以降低成本和提高運行可靠性。星表空間堆一般利用地表土壤屏蔽或作為反射層，可極大降低反應堆重量，質量比功率40 kg/kW之下的星表堆堆型的競爭能力較強[21]，同樣在堆芯出口溫度1 000 K以下情況可使用不銹鋼以降低成本。目前研究方向趨向于質量比功率、堆芯出口溫度相對較低的設計方案。

圖2 溫度對軌道空間堆(a)和星表空間堆(b)的影響

盡管空間堆具有廣闊的發展前景，但也面臨諸多挑戰：1) 雖然空間堆應用潛力巨大，但由于目前使用化學能源就可滿足需求，空間堆發展與研制依舊緩慢；2) 投資過高、技術復雜、對耐高溫材料依賴大且研發周期過長，目前研究方向趨向于低成本、研發周期短、較為成熟的技術的設計方案，如熱離子轉換技術、高溫熱管技術、先進斯特林轉換器(ASE)技術等；3) 太空環境惡劣，任務風險高。目前熱門的空間堆設計采用多回路、模塊化的設計方案，發生事故時可保持空間堆在低功率下運行，避免單點失效，降低單次發射失敗的損失。

2 空間堆熱工水力特性研究

在空間堆熱工水力特性理論研究方面，主要進行的研究有：1) 空間堆系統熱工水力安全分析。由于空間堆的結構、運行環境、廢熱排出方式等與常規反應堆有較大差異，適用于空間堆系統安全分析的通用程序很少，研究人員多通過開發專用的系統分析程序對特定的空間堆系統進行研究。2) 冷卻劑的換熱特性、單冷卻劑通道及全堆芯的三維流動換熱。冷卻劑包括金屬冷卻劑、氣體冷卻劑、高溫熱管等。3) 靜態、動態熱電轉換裝置特性分析，包括熱離子燃料元件、斯特林轉換器、布雷頓轉換裝置等。

在試驗研究方面，主要進行了燃料元件熱工性能分析以及全堆芯尺度下空間堆啟動、運行、瞬態行為和停堆等工況的系統響應情況研究。

2.1 熱離子空間堆熱工水力特性

熱離子空間堆(簡稱熱離子堆)是目前研究較為成熟的一種空間堆，其特點是采用了堆內熱離子轉換燃料元件(TFE)，如俄羅斯的TOPAZ-Ⅱ與美國的Space-R等。

在熱離子堆理論研究方面，多數研究集中在俄羅斯設計的TOPAZ系列堆型上，系統性研究了熱離子堆的啟動、穩態運行和各種事故工況下反應堆的響應情況(表4)。

在堆芯及裝置局部精細模擬方面，鄒佳訊等[40]使用FLUENT軟件建立了TOPAZ-Ⅱ堆芯的三維流動換熱模型，得到了堆芯三維流場與溫度場分布。黃東興[41]對TFE燃料元件的溫度分布及輸出伏安特性進行了研究，計算了二極管的發射極與接收極沿軸向的溫度分布、電壓分布、電流密度分布以及輸出電流與輸出電壓的關系。

在試驗研究方面，目前的試驗大多圍繞單個TFE燃料元件熱電特性展開。TFE試驗的試驗臺架最初是在俄羅斯科學工業協會(LUTCH)搭建并測試，后來在TOPAZ國際計劃(TIP)期間在美國重新組裝，主要有兩個試驗：V-71試驗和Ya-21u試驗。V-71試驗是TFE的早期設計，Ya-21u試驗對電極間距、Cs蒸氣系統等進行了改造。俄羅斯進行了局部燃料元件特性試驗與全堆尺度的核加熱與電加熱的試驗，如在Rig試驗臺架[42]進行TFE燃料元件性能分析，在Baikal試驗臺架[43]進行TOPZA-Ⅱ電加熱測試，并開發了熱離子堆仿真程序，但相關文獻較少。Paramonov等[44]利用YA-21試驗臺架研究了TFE燃料元件在填充氣體有雜質時的工作情況，發現污染氣體的進入會降低發射極溫度和輸出負載電壓。美國海軍研究生院[45]進行了單根TFE燃料元件電加熱試驗，并用試驗數據對熱工模型進行了驗證。目前試驗大多集中于單根熱離子燃料元件的穩態熱工分析，有關單根熱離子及全堆尺度的瞬態熱電分析較少。

表4 TOPAZ熱離子堆熱工水力特性研究進展

綜上所述，美俄均對熱離子堆開展了大量的理論和試驗研究，中國原子能科學研究院、西安交通大學等也正在進行有關的研究工作。目前熱離子堆的技術已相當成熟，但相關的試驗數據文獻較少，由于其功率低(3～5 kW)、壽期短(<5 a)和轉換效率低(<6%)等問題，滿足不了現實需求，已逐漸被新型反應堆技術所取代。未來研究方向趨向于多維物理場耦合研究、堆芯精細化數值模擬的相關研究工作。

2.2 熱管冷卻空間堆熱工水力特性

熱管冷卻空間堆(簡稱熱管堆)的種類繁多，但基本結構相似，是近幾年研究的熱點，如SAIRS、HP-STMCs和剛完成地面試驗的Kilopower計劃等。

在熱管堆理論研究方面，研究了熱管堆系統的穩態與瞬態響應特性，如熱管堆啟動、穩態運行、控制鼓故障、熱管部分喪失、斯特林轉換器失效等。Gaeta等[46]對熱管堆各部件進行了簡化建模及穩態和事故條件下瞬態研究。NASA與LANL研究了Kilopower的系統的響應特性[47-48]。劉松濤等[49]基于SAIRS研究了其控制鼓故障導致的反應性引入、熱電轉換裝置失效和輻射散熱器部分喪失等事故，其計算結果肯定了SAIRS的安全性。田曉艷等[50]研究了雙模式熱管堆在推進模式和電源模式時，芯塊最高溫度、高溫下氫氣物性和固體燃料多流程不同推進器通道之間的多維耦合換熱，以及在推進模式時，反應性引入事故和堆芯失流事故下的系統安全特性[51]。李華琪等[52]建立HP-STMCs的堆芯穩態熱工模型，并基于CFD的UDF添加了反應性反饋模型和功率瞬變模型。

在堆芯及裝置局部精細模擬方面，多通過CFD對堆芯精細化建模，Kapernick等[53]利用FLUENT對3～6根燃料棒束包圍熱管的燃料組件進行了模擬，得到燃料組件三維溫度分布。張文文等[54]利用FLUENT的UDF對新型熱管堆堆芯進行了穩態模擬，得到了控制鼓意外轉動與單根熱管失效情況下的堆芯溫度分布。熱管方面主要研究了熱管啟動、穩態運行及各種傳熱極限等，1965年，Cotter[55]首先較為系統地研究了熱管的理論模型、工作方程和毛細極限，奠定了熱管的理論研究基礎。Beard等[56-57]基于Kilopower計劃的需求，對空間堆中常用的3種熱管(水熱管、堿金屬熱管及脈動熱管)進行分析和對比，分析了常規溝槽吸液芯結構的熱管在空間堆任務中的局限性，對新型混合絲網槽熱管進行試驗研究。王成龍等[58]采用有限元方法對熱管瞬態啟動特性進行數值模擬，啟動過程采用Cotter熱管極限理論判定熱管的啟動狀態。胡攀等[59]利用有限元法分析了燃料組件的接觸熱阻對傳熱的影響。由于熱管啟動的復雜性和結構的特殊性，目前熱管堆的CFD研究多針對于堆芯組件，熱管并沒有較為準確的CFD計算方法。斯特林熱電轉換器方面主要研究了其冷熱端溫度變化時的響應特性，FAN等[60]研究了斯特林轉換器的熱端與冷端溫度對熱電轉換效率的影響。梁光照[61]總結了斯特林轉換器內部各部件的運動方程與系統穩定運行的判別條件等，并通過12.5 kW斯特林轉換器試驗結果驗證了仿真分析的正確性。Kilopower項目采用了Sunpower公司為空間項目專門開發的先進斯特林轉換器(ASC)[62]，但該型轉換器部件參數與仿真過程由于涉密未向外公布。

圖3 HPR-1 試驗裝置

在試驗研究方面，NASA在馬歇爾太空飛行中心的裂變試驗裝置(EFF-TF)上開展了相關試驗[63-64]。該試驗分為組件級與堆芯級試驗(SAFE-30/100)，完成了30 kWt、100 kWt功率下的試驗研究[65-66]。組件級試驗用于研究電加熱堆芯、熱管等器件的性能及制造方案，為堆芯級試驗提供經驗支持；堆芯級試驗用于評價熱管部件和系統可靠性、驗證熱工分析程序、驗證堆芯的排熱能力。2005年進行了HPR-1試驗[67]，HPR-1結構與HOMER結構近似，熱管束蒸發段與堆芯連接，冷凝段浸入冷卻水池中，如圖3所示，通過試驗分析了熱管堆的啟動、穩態運行、改變功率、停堆等工況。2012年進行了DUFF試驗，如圖4所示，該試驗臺采用了半球型反射層，位于反射層中心的239Pu核燃料通過水熱管與外部的斯特林轉換器連接，測試了單個斯特林轉換器及單根熱管從堆芯的穩態與瞬態傳熱情況，驗證設計的可行性[68-69]，但該試驗并沒有考慮斯特林轉換器和熱管的連接方式。2015年進行了更加系統性的試驗KRUSTY，試驗裝置如圖5所示。結果顯示，堆芯溫度與斯特林轉換器熱端溫差約為200 K，當關閉全部斯特林模擬器，單靠兩個斯特林轉換器可產生120 W電功率[70-72]，但該試驗未考慮到影子屏蔽的影響，且斯特林轉換器和熱管接觸的熱損失過高。

圖4 DUFF試驗裝置

圖5 KRUSTY試驗裝置

綜上所述，熱管堆由于其優勢得到了快速發展，是目前研究的熱點方向，但也存在一些問題：1) 目前研究仍無法完整、準確地模擬熱管的瞬態過程，且基于空間堆應用的熱管模型多采用溝槽吸液芯式熱管建立，其他類型熱管計算模型研究較少；2) 目前熱管堆系統分析大多是基于靜態熱電轉換裝置進行的，使用動態轉換裝置的熱管堆相關分析較少；3) 國外已開展了大量熱管堆的試驗研究，國內對熱管堆的研究大多處于理論方面。

2.3 液態金屬冷卻空間堆熱工水力特性

液態金屬冷卻空間堆(簡稱液態金屬堆)的早期研究主要關注SP-100型液態金屬堆，近期的研究熱點是El-Genk等提出的SCoRe設計，該空間堆設計具有堆芯溫度低、質量比功率低等優點，并采用獨立冷卻劑回路設計方案，可避免單點失效。

液態金屬堆的理論研究方面，El-Genk等[73-76]通過開發系統分析程序SNPSAM對SP-100的穩態與瞬態過程進行了分析。該團隊又通過MATLAB SIMULINK建立了SCoRe的動態仿真系統(DynMo-TE)，分析了該液態金屬堆的啟動過程熱電特性和功率負荷響應能力[77]。Fletcher等[78]利用熱工水力分析程序ATHENA對SP-100的電磁泵事故、熱管輻射散熱器失效事故進行了研究。

在堆芯及裝置局部精細模擬方面，Schriener等[79]建立了SCoRe-N5的三維中子熱工水力耦合模型，計算了全堆芯的溫度分布。2015年，Schriener等[80-83]利用STAR-CCM+對SCoRe的固體堆芯改進型SC-SCoRe開展了大量研究：分析了NaK-56與NaK-78兩種金屬冷卻劑的換熱特性，基于Alanov和Ushakov圓通道NaK冷卻劑的Nu計算公式進行修正，得到了三瓣型冷卻劑通道的Nu關系式；對三瓣型堆芯冷卻劑通道進行精細化建模，對不同的湍流處理模型進行了分析，分別研究了兩層可實現的κ-ε模型、切應力輸運(SST)κ-ω模型和大渦模擬模型(DES)對計算結果的影響；分析了堆芯入口腔室內冷卻劑流動混合及溫度分布，研究了當使用兩種堆芯結構材料(316L和ODS-Mo)時的全堆芯三維溫度分布。

綜上所述，早期SP-100的相關試驗研究由于涉密原因美國國防部沒有公布，近期的研究工作大多是El-Genk等對其提出的SCoRe設計進行研究，目前仍處于概念設計階段。基于空間堆的液態金屬冷卻劑流動換熱特性的試驗研究較少，目前對液態金屬堆的研究大多通過CFD方法，通過CFD精確模擬對理論設計方案進行修正。

2.4 氣體冷卻空間堆熱工水力特性

氣體冷卻空間堆(簡稱氣冷堆)多用于核熱推進，采用氣冷堆設計的空間堆有美國的普羅米修斯計劃、S4等，動態熱電轉換裝置多采用He-Xe氣體布雷頓循環(CBC)。俄羅斯在MW級空間核動力飛船方面做了大量的研究工作，并在核動力巡航導彈與深海核動力無人潛航器等方面得到了應用，但由于設計技術保密等因素，文獻及報道很少。

在氣冷堆理論研究方面，El-Genk等[84-85]研究了S4的CBC系統的動態特性，在DynMo分析程序的基礎上添加了布雷頓循環分析模塊與PID控制器，通過該程序得到了S4的啟動時間、穩態運行的功率、熱效率、布雷頓轉換器的透平及壓氣機熱工參數等。但由于S4仍處于設計階段，設計數據有限，該結果僅粗略驗證了DynMo的分析能力。King等[86-88]計算了S4的不同吸收材料對空間堆溫度、燃耗反應系數與壽期的影響，用Solidworks的FloWorks插件計算了S4堆芯的溫度和壓力的三維分布，通過計算結果對早期堆芯設計進行優化，改進冷卻劑通道以展平堆芯溫度分布，提高了反應堆的安全性。美國海軍反應堆主承包商團隊(NRPCT)[89]對普羅米修斯計劃進行了詳細研究，對比MATLAB、RELAP5-3D和TRACE在系統分析中的局限性，并通過上述3種系統分析程序對反應堆啟動、穩態運行及各種事故等工況進行瞬態模擬，對布雷頓循環系統進行了詳細的分析計算。游爾勝等[90]在高溫氣冷堆研究基礎上，對反應堆結構、工質材料、運行參數等進行了熱工分析，提出一種氣冷球狀堆在空間應用設計方案。

El-Genk等[91-92]對惰性氣體及其混合氣體進行研究，比較了它們的物性及在布雷頓循環中各自的優劣勢，但該分析都是基于氣冷堆核電站的運行環境。李楊柳等[93]基于He-Xe混合氣體物性、傳熱關系式、摩擦系統等研究開發了He-Xe冷卻劑的單通道分析程序，并通過試驗數據驗證了程序的正確性。李智等[94-95]對布雷頓轉換系統進行研究，提出了適用于太空的循環比功最優化方案，并研究了混合工質成分變化對布雷頓循環的影響。郭凱倫等[96]以MW級核電推進系統布雷頓循環使用的多種工質及其混合氣進行研究，分析了不同比例混和下氣體的熱物性、布雷頓循環效率。Juhasz等[97]對布雷頓系統的輻射散熱器進行計算，得出換熱面積與冷端溫度的關系及輻射散熱器溫度的分布。目前由于運載能力、空間電力需求、氣冷堆相關技術不夠成熟等原因，對氣冷堆的研究仍停留在理論研究層面，試驗研究并沒有相關文獻披露。

綜上所述，目前氣冷堆在核熱推進方面研究較為深入，相比于前幾種堆型，采用氣冷的空間堆設計不多，其設計仍處于概念設計階段，如美國的普羅米修斯計劃進行幾年后便停滯，直到2015年才提出最終設計方案。俄羅斯的研究相對較為深入，但向外披露的文獻與數據極少。

3 結論

空間堆相比常規能源具有質量比功率低(10～200 kg/kW)、功率高(kW～MW量級)、壽期時間長(>10 a)等優點，在未來的空間探索中具有極大的應用前景。國外尤其是美國和俄羅斯提出了大量的空間堆設計，并在理論設計和試驗研究上開展大量的研究工作，但空間堆發展與研制依舊緩慢，任務風險高、投資過高、技術復雜、研發周期過長是目前空間堆發展面臨的主要問題。早期熱離子堆技術發展已經成熟，而氣冷堆與液冷堆的研究較少，目前熱管與斯特林轉換器結合的方案是空間堆設計的熱門方向。

空間堆熱工水力研究方面，美俄均對熱離子堆開展了大量的理論和試驗研究，但相關的試驗數據文獻較少，未來研究方向趨向于多維物理場耦合研究。熱管堆基于動態轉換裝置的系統特性分析不夠全面，局部部件如熱管、斯特林轉換器等還需進一步研究。基于太空條件下的液態金屬冷卻劑流動特性研究不夠充分，采用CFD模擬數據難以得到驗證。總體上空間堆熱工水力試驗開展較少，大部分反應堆設計仍停留在概念設計階段。

深空探索對于我國的國民經濟和國防戰略均具有舉足輕重的地位，空間核動力研究對我國航天事業具有重要的意義。本文認為我國發展空間堆應從以下3個方面重點開展：1) 應針對我國航天研究實際情況論證需求，如火箭運載器載重能力、探測設備需求的功率、空間堆所處環境(用于星表或軌道探測器)等，明確空間堆的技術指標；2) 根據技術指標，設計頂層設計框架，建立科學的空間堆研究體系與方法，選擇合適的空間堆類型進行詳細的方案設計；3) 由于我國空間堆相關研究起步較晚，關鍵部件的研究應在較為成熟的技術中進行選擇，如熱離子技術、熱管技術、熱電偶轉換技術等，并選擇適當的研發方案。