火星表面環(huán)境對(duì)核反應(yīng)堆屏蔽性能的影響分析

姚成志，趙守智，胡 古，解家春

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

火星作為太陽(yáng)系的八大行星之一，是地球軌道外側(cè)距離地球最近的行星，其表面環(huán)境特點(diǎn)也最接近于地球，因此一直以來火星都是人類進(jìn)行深空探測(cè)和開發(fā)的首選目標(biāo)。作為我國(guó)深空探測(cè)的重要內(nèi)容，火星等星球表面的探測(cè)項(xiàng)目也正在開展與論證中[1]?；鹦潜砻嫣綔y(cè)時(shí)所需的電源功率一般在10～100 kWe，壽期在5年以上[2]，同時(shí)需要電源系統(tǒng)具有高比功率、高安全性、高可靠性及良好的環(huán)境適應(yīng)性，能在火星表面的極端環(huán)境條件下長(zhǎng)期可靠供電。核反應(yīng)堆電源以其功率大、壽命長(zhǎng)、生存能力強(qiáng)、不依賴陽(yáng)光、可全天候工作等特點(diǎn)[3-4]，被認(rèn)為是火星表面及其他深空探測(cè)任務(wù)中理想的電源提供方案。

核反應(yīng)堆電源在火星表面供電時(shí)會(huì)對(duì)周邊工作人員和系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生輻照，為確保人員及設(shè)備在核反應(yīng)堆運(yùn)行期間由中子和γ射線引起的輻照劑量在許可范圍內(nèi)，避免輻照引起人員傷害和設(shè)備失效或性能明顯下降，有必要對(duì)核反應(yīng)堆進(jìn)行屏蔽[5-6]。本文針對(duì)火星表面的特殊環(huán)境，提出火星基地上工作人員和設(shè)備的劑量限值要求，對(duì)影響核反應(yīng)堆屏蔽性能的環(huán)境因素進(jìn)行初步分析，并給出火星表面用核反應(yīng)堆的屏蔽建議。

1 屏蔽要求

屏蔽的目的是確?；鹦潜砻嫔先藛T和設(shè)備在整個(gè)壽期內(nèi)所受的輻射劑量在許可范圍內(nèi)。2006年美國(guó)開展25 kWe月球表面核反應(yīng)堆系統(tǒng)[7-9]方案研究時(shí)要求距離堆芯100 m處月球表面的年劑量小于50 mSv，壽期內(nèi)堆芯上方的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)所受的γ劑量小于20 Mrad，能量大于0.1 MeV的中子注量小于4×1014cm-2。2010年美國(guó)進(jìn)行AFSPS反應(yīng)堆[10]設(shè)計(jì)時(shí)要求距離堆芯100 m處星球表面的年劑量小于50 mSv，壽期內(nèi)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)所受的γ劑量小于5 Mrad，能量大于0.1 MeV的中子注量小于2.5×1014cm-2。參考AFSPS反應(yīng)堆相對(duì)保守的劑量限值，本文要求距離反應(yīng)堆堆芯100 m處火星表面的年劑量小于50 mSv，壽期內(nèi)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)所受的γ劑量小于5 Mrad，能量大于0.1 MeV的中子注量小于2.5×1014cm-2。

2 計(jì)算條件

火星表面用核反應(yīng)堆為正六邊形結(jié)構(gòu)，總高約60 cm，直徑約51 cm，如圖1所示[11]。堆芯共有156根燃料元件和61根熱管，燃料元件與熱管的外徑相同，采用相對(duì)緊湊的正三角柵格布置。為保證在單點(diǎn)失效時(shí)堆芯冷卻性能不降低，每根燃料元件均至少由2根Li熱管冷卻。燃料芯體材料采用技術(shù)相對(duì)成熟、235U富集度較高的UO2。堆芯活性區(qū)的外圍為軸向和徑向BeO反射層，反射層包殼為MA-ODS 956合金，6個(gè)BeO/B4C控制鼓均勻布置在徑向反射層內(nèi)。

圖1 堆芯結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of reactor core

火星表面核反應(yīng)堆一般可采用全集成屏蔽模式、天然地形屏蔽模式以及火星土壤屏蔽模式。全集成屏蔽模式的屏蔽體在地球上完成安裝，具有無需現(xiàn)場(chǎng)安裝的優(yōu)點(diǎn)，但屏蔽體質(zhì)量大，不利于發(fā)射。天然地形屏蔽模式利用火星表面的天然地形(如環(huán)形坑等)進(jìn)行屏蔽，只需部分人造屏蔽，屏蔽體質(zhì)量較小，但受地形限制明顯，使火星基地的選址受限。火星土壤屏蔽模式具有最小質(zhì)量，缺點(diǎn)是需要專用的火星土壤移動(dòng)或挖掘設(shè)備，需要一定布置時(shí)間，有一定風(fēng)險(xiǎn)。本文采用火星土壤屏蔽模式進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算采用的火星土壤和大氣成分[12]列于表1、2。

表1 火星土壤主要成分Table 1 Composition of Martian regolith

表2 火星大氣成分Table 2 Composition of Martian atmosphere

屏蔽計(jì)算采用MCNP-5程序，數(shù)據(jù)庫(kù)為MCNP-5程序自帶的截面數(shù)據(jù)庫(kù)ENDF/B-Ⅵ.2。計(jì)算時(shí)，針對(duì)人員的探測(cè)器布置在火星表面，且距離反應(yīng)堆堆芯100 m的位置。針對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的探測(cè)器布置在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的下表面，當(dāng)反應(yīng)堆未完全埋入火星土壤時(shí)，探測(cè)器距離反應(yīng)堆堆芯上表面1.6 m；當(dāng)反應(yīng)堆完全埋入火星土壤時(shí)，探測(cè)器距離火星表面1.6 m。

3 屏蔽性能主要影響因素

3.1 火星坑深度

圖2 年劑量隨火星坑深度的變化Fig.2 Annual dose as a function of hole depth

圖2為火星坑深0～2.2 m時(shí)距離堆芯100 m處的年劑量，當(dāng)反應(yīng)堆置于火星表面時(shí)，距離堆芯100 m處的年劑量為1.16×107mSv，該值遠(yuǎn)大于劑量限值要求。當(dāng)反應(yīng)堆部分埋入火星土壤時(shí)，隨著埋入深度的增加，距離堆芯100 m處火星表面的年劑量呈下降趨勢(shì)。反應(yīng)堆剛好完全埋入火星土壤時(shí)，距離堆芯100 m處的年劑量降低到5.86×105mSv。在火星坑深為1.5 m時(shí)，距離堆芯100 m處的年劑量為20.1 mSv，該值已滿足劑量限值要求，可見火星土壤起到了很好的屏蔽作用。

圖3為火星坑深0～2.2 m時(shí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量。當(dāng)反應(yīng)堆未完全埋入火星土壤時(shí)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量基本不隨火星坑深度變化，γ劑量最大值為580.47 Mrad，快中子注量最大可達(dá)1.09×1018cm-2，遠(yuǎn)大于劑量限值要求。當(dāng)反應(yīng)堆完全埋入火星土壤后，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量隨火星坑深度的增加呈下降趨勢(shì)，在火星坑深度為1.5 m時(shí)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量為2.21 Mrad，快中子注量為1.41×1013cm-2，已滿足劑量限值要求。

圖3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量隨火星坑深度的變化Fig.3 Stirling alternator dose as a function of hole depth (gamma dose and fast neutron flux)

3.2 火星大氣

將反應(yīng)堆置于火星表面以及深1.5 m的火星坑中時(shí)，火星表面大氣對(duì)劑量的影響列于表3?？煽闯?，將反應(yīng)堆置于火星表面時(shí)，與無大氣情況相比，大氣的散射作用可使距離堆芯100 m處的年劑量有少量增加，但對(duì)于距離堆芯較近的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)處的γ劑量和快中子注量基本無影響。將反應(yīng)堆置于1.5 m深的火星坑中時(shí)，大氣的散射作用對(duì)外圍劑量的影響較大，有大氣時(shí)距離堆芯100 m處的年劑量是無大氣時(shí)的3倍多，有大氣時(shí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的快中子注量與無大氣時(shí)相比也增加約29.4%，這與Wright等[13]的研究結(jié)果(快中子注量增加30%)基本一致，但火星大氣對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)處的γ劑量基本無影響。

表3 大氣散射對(duì)屏蔽的影響Table 3 Effect of atmospheric scattering on shielding

3.3 火星土壤密度

將反應(yīng)堆放入火星坑中，采用不同密度回填土壤進(jìn)行回填時(shí)距離堆芯100 m處的年劑量示于圖4?？煽闯?，隨著回填土壤密度的增大，年劑量呈下降趨勢(shì)。圖5為采用不同密度回填土壤時(shí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量?？煽闯?，隨著回填土壤密度的增大，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量總體呈減小趨勢(shì)。可見，采用火星土壤進(jìn)行屏蔽時(shí)，應(yīng)盡量增大回填土壤密度，以利于屏蔽，但實(shí)際回填土壤的密度一般會(huì)小于原始密度。

圖4 不同回填土壤密度時(shí)的年劑量Fig.4 Annual dose as a function of regolith repacking density

參考美國(guó)的做法[7]，本方案選擇回填土壤的相對(duì)密度為0.9，此時(shí)距離堆芯100 m處的年劑量為29 mSv，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量為4.69 Mrad，快中子注量為3.72×1013cm-12，均滿足劑量限值要求。

圖5 不同回填土壤密度時(shí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的γ劑量和快中子注量Fig.5 Stirling alternator dose as a function of regolith repacking density (gamma dose and fast neutron flux)

4 結(jié)論

本文針對(duì)核反應(yīng)堆電源可能對(duì)火星基地工作人員和設(shè)備產(chǎn)生輻照的問題，提出了人員和設(shè)備的劑量限值要求及計(jì)算條件，結(jié)合火星表面環(huán)境情況，分析了火星土壤、大氣等對(duì)屏蔽性能的影響，得到如下主要結(jié)論。

1) 火星土壤對(duì)核反應(yīng)堆可起到很好的屏蔽效果，隨著火星坑深度的增加，反應(yīng)堆外圍的劑量呈下降趨勢(shì)?；鹦谴髿鈱?duì)中子和γ射線具有一定的散射作用，影響核反應(yīng)堆的屏蔽效果。

2) 核反應(yīng)堆置于火星表面時(shí)，大氣的散射作用對(duì)距離核反應(yīng)堆較遠(yuǎn)處的影響大于較近處。核反應(yīng)堆置于火星坑中時(shí)，火星表面大氣的散射作用對(duì)外圍劑量的影響較大?；鹦强踊靥钔寥烂芏鹊脑黾涌蓽p小核反應(yīng)堆外圍劑量。

3) 核反應(yīng)堆置于1.5 m深的火星坑中，采用相對(duì)密度為0.9的土壤進(jìn)行回填時(shí)，距離核反應(yīng)堆100 m處的年劑量以及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)下表面的劑量均可滿足劑量限值要求。

可看出，似乎只要通過增加火星坑深度以及回填土壤的相對(duì)密度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)堆的屏蔽。但由于火星表面環(huán)境的不確定性，實(shí)際上核反應(yīng)堆的屏蔽是采用全集成屏蔽模式、天然地形屏蔽模式還是火星土壤屏蔽模式，需要綜合考慮。