空間核反應堆安全分析

張一帆，屈 伸，曹良志，鄭友琦

（西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049）

0 引言

空間反應堆電源的應用大大提高了航天器的適應性和工作能力，拓寬了航天器的應用領域，為航天技術的發展提供了新的空間[1]。美國及蘇聯于20 世紀50 年代開始了空間反應堆電源的研究，并成功發射了30 多顆使用核反應堆作為電源的衛星[2]。目前世界上多個國家正積極開發大功率核反應堆電源，用于航天器推進與供電。本文以自主設計的MW 級熱管型空間反應堆（以下簡稱熱管堆）為例，采用目前國際上公認的蒙特卡洛方法進行中子學分析[3]，采用確定論方法進行瞬態模擬，進行了典型的水淹和沙埋事故分析，與單根控制鼓旋轉瞬態過程模擬，驗證了在特定事故工況下所設計的空間堆的安全性能。

1 堆芯設計方案

本文所分析的對象為自主設計的一種MW 級熱管型空間反應堆。圖1 給出了采用該反應堆燃料組件的設計簡圖[4]。該組件將熱管元件嵌套在管狀燃料元件當中，呈現一體式結構。相對于國際上成熟的、研究較多的熱管堆堆芯設計方案SAIRS、HPSTMCs、S4、SCoRe[5]等，這種采用嵌套一體式燃料熱管組件的設計增大了堆芯的冷卻，從而使得熱管堆中熱管的熱效率大大提高。

圖1 單根熱管組件設計簡圖［5］Fig.1 Single heat pipe design sketch［5］

由圖1 可見，熱管按照徑向由內而外可分為蒸汽腔、內管壁、吸液芯、外管壁4 部分。蒸汽腔中充有Li 蒸汽，吸液芯和內外熱管壁的材料均為Mo-Re合金。外部的燃料組件可分為內包殼、管狀燃料以及外包殼。內外包殼材料均為Mo-Re 合金。該合金為譜移吸收體材料[6]，可在熱管堆發生水淹和沙埋事故時，有效吸收熱管堆慢化的熱中子，從而防止堆芯重返臨界。燃料熱管組件按照軸向可劃分為3 段（包覆燃料管的部分為熱管的蒸發段，液態金屬Li 吸收燃料裂變熱后蒸發；Li 蒸汽沿蒸汽腔流經絕熱段；到達冷凝段后，Li 蒸汽放出汽化潛熱，重新冷凝為過冷液態Li 后，經吸液芯回流到蒸發段），從而實現將活性區裂變熱帶出堆芯的目的。設計方案選用235U 富集度為90%的UN 材料，燃料管內徑為1.23 cm，外徑為1.28 cm。同時在堆芯活性區中心[7]設計安全棒，起到緊急停堆的作用。其安全棒結構設計如圖2 所示，參數如表1 所示。

圖2 熱管堆安全棒結構示意圖Fig.2 Safety rod structure of heat pipe reactor schematic diagram

2 穩態安全分析

2.1 水淹、沙埋事故工況下的堆芯安全性分析

水淹和沙埋事故工況是空間堆發生燃料再入事故（即發射失敗，熱管堆再次進入大氣層事故）后的兩種嚴重事故工況[8]。本文采用蒙特卡洛方法對熱管堆水淹和沙埋事故工況進行穩態計算分析。

假設堆容器壁沒有破裂，即海水并未進入堆芯。此時堆芯所處環境如圖3 所示，假設在水淹工況下，堆芯被海水所包圍；在沙埋工況下，堆芯被濕沙所包圍。堆芯觸發停堆信號，6 個控制鼓起最大控制作用，安全棒處于彈出狀態。

圖3 水淹或沙埋事故工況下的堆芯結構Fig.3 Core structure under water flooded or sand buried accident conditions

計算了外部水淹和外部沙埋工況下的堆芯有效增殖系數，并與外部真空（太空中正常工況）工況下的結果進行對比，見表2。表中的0°表示6 根控制鼓均正對堆芯。

表2 熱管堆在水淹或沙埋事故工況下堆芯keff比對Tab.2 keffof heat pipe reactor core under water flooded or sand buried accident conditions

由表2 中的對比計算可以發現：在外部水淹的工況下，堆芯會引入296 pcm 的正反應性；在外部沙埋的工況下堆芯會引入481 pcm 的反應性。由于泄漏出來的中子，在外部的海水或濕沙原子的散射作用下得以慢化，使得有一定的幾率反射回堆芯。濕沙的慢化作用強于海水，因此，沙埋工況對安全性影響更大。

但是，本文設計的熱管堆中有大量的結構材料及包殼材料Mo-Re 合金[10]，該材料為譜移吸收體材料，擁有較大的熱中子吸收截面，熱中子的吸收截面是快中子吸收截面的103～104倍，因此，堆芯活性區的能譜并不會隨外部水淹或沙埋事故工況的影響而變軟。反之，堆芯活性區的能譜仍然偏硬。將正常工況、水淹事故工況以及沙埋事故工況下的堆芯平均能譜進行統計，如圖4 所示。

圖4 熱管堆堆芯歸一化平均中子能譜比對Fig.4 Normalized mean neutron energy spectrum ratio in heat pipe core

通過能譜對比可以看出：正常工況下，熱管堆的能譜偏硬；水淹和沙埋事故工況的引入會使能譜軟化，但是由于譜移吸收體材料的存在，使得其影響并不顯著；沙埋下的熱管堆堆芯平均能譜相對于水淹事故下的平均能譜較軟。因此，堆芯外部水淹或者沙埋事故工況，對堆芯活性區的以及能譜的影響并沒有太大。由此看來，譜移吸收體材料對熱管堆在事故工況下起著相當大的保護作用。

2.2 水淹和沙埋混合事故工況下的堆芯安全性分析

熱管堆發射失敗或失控狀態下，墜入大氣層最終掉落沙灘是另一種事故工況，即混合事故工況。

2.2.1 熱管堆外壁未破裂

熱管堆掉落沙灘事故工況下的堆芯結構示意圖如圖5 所示。由圖5 可見，堆芯下部外側被濕沙所包圍，堆芯上部外側被海水所包圍，沙子與海水間有一條分界線。該模型較為簡單，為水淹沙埋混合事故工況的分層模型。設置分界線位置的高低，可以進行熱管堆在不同混合事故工況下堆芯的臨界計算。

圖5 水淹和沙埋混合事故工況下的堆芯結構圖Fig.5 Core structure under mixed accident conditions of water flooding and sand burial

計算結果如圖6 所示。統計誤差為24 pcm，該統計誤差的影響使得堆芯有效增殖系數曲線并不很光滑。由圖6 可以看出，當采用分層模型時，水淹和沙埋混合事故工況下的堆芯keff位于外部純水淹或外部純沙埋單一事故工況下的堆芯keff之間。

圖6 水淹和沙埋混合事故工況下的堆芯keff變化曲線Fig.6 Core keffcurve under mixed accident conditions of water flooding and sand burial

在混合事故工況下，堆芯依然會引進一個正反應性，但是該正反應性的最大值為外部沙埋事故工況下引進的正反應性。因此，若能保證外部沙埋工況下，堆芯不會發生重返臨界就能保證混合事故工況下堆芯的安全性。

2.2.2 熱管堆外壁破裂

熱管堆外壁破裂、沙水混合物進入堆芯時的示意圖如圖7 所示。此時，外部及熱管中均被沙水混合物充滿，該模型為打混模型。

圖7 沙水混合物進入堆芯示意圖Fig.7 Diagram of sand-water mixture entering core

調整海水和濕沙的質量比，計算堆芯keff，結果如圖8 所示。由計算結果可以看出，沙水混合物進入堆芯后會引入一個正反應性。混合物中海水的質量份額在50%左右，引入的反應性最大。此時為危險時刻，堆芯keff為0.967 32，引入的正反應性為588 pcm。

圖8 堆芯keff變化曲線Fig.8 Core keffvariation curve

3 熱管堆瞬態安全分析

熱管堆全堆芯建模示意圖如圖9 所示。考慮熱態滿功率狀態下單根控制鼓旋轉的瞬態過程。瞬態過程是由1 號控制鼓在2 s 內順時針旋轉30°所引起的。采用自主開發的確定論瞬態分析程序TMACS進行模擬計算分析，計算中考慮了熱工反饋和膨脹反饋。

圖9 熱管堆全堆芯R-Z 幾何模型Fig.9 R-Z geometric model of the whole core of the heat pipe reactor

擾動的初始時刻為10 s，終止時刻為12 s，時間步長為2 ms，瞬態過程持續到100 s 結束。堆芯熱態為滿功率，即3 MWt。圖10 給出了瞬態計算結果，包括相對功率、燃料平均溫度、反應性、冷卻劑平均溫度隨時間的變化。

從圖10 中可以看出，當1 號控制鼓旋轉后，功率升高引起燃料溫度升高，隨即通過燃料溫度系數引入負反饋使得功率水平立即下降，此時熱管中的冷卻劑溫度在緩慢的變化，并且堆芯隨之膨脹，導致功率水平略微上升。由于燃料溫度變化過程較快，導致功率曲線存在持續時間非常短的功率峰值，達到113.8%的額定功率水平。在這兩種負反饋的作用下，堆芯的功率水平逐漸降低，直至穩定在新的平衡狀態。

圖10 堆芯HFP 狀態1 號控制鼓突轉30°考慮雙重反饋的瞬態結果Fig.10 No.1 control drum rotation 30° with double feedback transient results in core HFP state

堆芯瞬態前后的相對功率分布如圖11 所示。由圖11 可以看出，B4C 涂層對熱中子有明顯的吸收作用。瞬態前，堆芯的通量分布和功率分布呈1/6旋轉對稱；瞬態后，1 號控制鼓處出現明顯變化。

圖11 熱管堆瞬態前后相對功率對比Fig.11 Comparison of relative power before and after transient in heat pipe reactor

4 結語

針對空間堆特有的安全問題，計算了在水淹和沙埋事故工況下的堆芯有效增殖系數，模擬了考慮熱工反饋和膨脹反饋下的單根控制鼓轉動的瞬態過程，驗證了反應性控制系統失效下的安全性能。計算結果表明，本文所分析的熱管型空間堆具有良好的事故安全性，可進行進一步的堆芯性能優化設計。