Kilopower 空間堆燃料低濃化方案研究

安偉健, 郭 鍵, 胡 古, 葛攀和, 高 劍

(中國原子能科學研究院, 北京 102413)

1 引言

2018 年5 月,美國宣布Kilopower 空間堆的地面試驗(KRUSTY)取得成功,各項試驗數據與程序預測結果十分吻合[1-2]。KRUSTY 是美國繼20 世紀六七十年代后,在近50 年時間里建成的第一座空間堆的地面試驗堆。KRUSTY 的成功使得Kilopower 向實現工程應用邁進了一大步。

KRUSTY 采用了U-235 富集度為93%的高濃鈾燃料(High Enriched Uranium,HEU)。相比于低濃鈾(Low Enriched Uranium,LEU),HEU 的主要優勢在于可以減小反應堆的質量和尺寸[3-6]。美俄早期發射或設計的空間堆均使用HEU,用以降低發射成本或增加任務載荷的質量。

但是,HEU 同時存在諸多問題[3,5-6]。近年來,國際上空間堆的研究熱點已由HEU 轉向LEU。在空間核熱推進反應堆領域,美國、韓國提出了諸多LEU 反應堆方案,如美國的SCCTE[7]、INsTAR[8]、Cermet LEU-NTR[9],韓國的KANUTER-LEU[10]、SULEU[11]等;國內趙潤喆等[12]提出了一型LEU-SCCTE 核熱推進反應堆方案。在空間反應堆電源領域,美國研究了數個Kilopower 反應堆低濃化方案[5-6],國內目前尚未見相關研究。

美國所提的數個Kilopower 低濃化方案在尺寸、質量、可實現性等方面存在不足。本文提出一種采用板狀HEU 與YH2交疊布置的新方案,并從物理、熱工及特殊臨界安全等方面對各方案進行比較。

2 Kilopower 低濃化方案設計

Kilopower 堆芯方案由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)提出,堆芯結構如圖1 所示,采用塊狀UMo 合金燃料,U-235 富集度為93%,堆芯熱量由8 根Na 熱管導出。Kilopower 堆芯半徑為15.8 cm,高度為40.0 cm,U-235 裝量約為28.6 kg,堆芯質量僅約為108.6 kg,系統總重約為400 kg,其熱功率為4.3 kW,電功率為1 kW,設計壽命達15 年[13-14]。

針對HEU 所帶來的一系列問題,LANL 發布了兩版關于Kilopower 用LEU 的白皮書,對Kilopower 采用HEU 和LEU 的方案進行了初步比較,如圖2 所示[5]。圖中4 個方案分別采用HEUUMo(Kilopower 原方案)、LEU-UMo、LEU-U 以及LEU-UZrH。其中,LEU-U 方案,由于純U 存在材料相變、輻照腫脹嚴重的問題,并且其高溫蠕變強度太低,可實現性較低;LEU-UZrH 方案的可實現性也較低, Kilopower 的燃料運行溫度約800 ℃[15],UZrH 燃料在該溫度下存在腫脹、氫遷移以及氫泄漏問題;LEU-UMo 方案的技術可實現性和Kilopower 原方案相當,唯一的缺點是尺寸和質量大幅增加。該堆芯半徑為28.5 cm,高度為58.4 cm,U-235 裝量達63.5 kg,堆芯質量約為576.4 kg,系統總重超過1100 kg[5-6]。

圖2 采用HEU 和LEU 的Kilopower 方案比較[5]Fig.2 Comparison of Kilopower reactor core using HEU and LEU[5]

針對上述Kilopower 低濃化方案所存在的問題,本文提出一種新方案如圖3 所示,采用U-235富集度為19.75%的板狀UMo 燃料,其厚度為0.3 cm,采用YH2作為慢化劑,其厚度為1.2 cm,堆芯活性區由25 層燃料與慢化劑交疊布置而成,活性區外圍設置有0.2 cm 的Mo 容器以防止氫泄漏[16],熱管蒸發段布置于燃料內部,以降低燃料的運行溫度,堆芯其余結構與Kilopower 類似。

圖3 LEU-UMo-YH2 堆芯結構Fig.3 LEU-UMo-YH2 core structure

該方案相比于LEU 方案,具備如下優勢:①相比于UZrH,YH2具有更好的耐高溫性能(圖4)[16],可以滿足Kilopower 的運行溫度需求(約800 ℃);②相比于LEU-UMo 方案,大幅減小了堆芯的尺寸和質量,其中,堆芯半徑為23.1 cm,高度為46.6 cm,U-235 質量減小至10.9 kg,堆芯質量則減小至233.4 kg。

圖4 氫化物的H 原子密度隨溫度的變化[16]Fig.4 H atomic densities of hydrides under different temperatures[16]

3 方案計算和比較

3.1 物理特性

Kilopower 具有獨特的全自主運行特性,運行過程中的反應性損失(包括燃耗反應性損失和燃料腫脹反應性損失)由燃料溫度下降所引入的正反應性來補償,無需控制系統的干預。燃料的溫降幅度為反應性損失與燃料溫度系數的比值,該數值將影響系統電功率的變化。

3.1.1 燃料溫度系數

UMo 膨脹系數與溫度的關系式為[17]:αT=(7.91+ 1.21× 10-2T)× 10-6。采用MCNP 程序計算各反應堆有效增殖系數keff隨溫度的變化,如圖5 所示。對各組結果進行多項式擬合并求導,即可得到燃料在運行溫度下的反應性系數,結果見表1(LEU-UMo-YH2的計算同時考慮了YH2的溫度變化)。

圖5 keff 隨溫度的變化Fig.5 keff under different temperatures

表1 物理參數列表Table 1 List of physical parameters

3.1.2 燃耗反應性損失

反應堆熱功率僅為4.3 kW,壽期內燃耗反應性損失非常小。采用耦合了燃耗計算功能的MCNP 程序,所得的keff統計誤差與反應性損失數值相當,因此難以得到準確的結果。為此,在計算過程中,將燃耗步長大幅延長,使每個步長的反應性損失遠大于統計誤差,如圖6 所示。可見,keff隨運行時間基本呈線性下降,通過多項式擬合并求導即可得到各反應堆的反應性下降速率,進而得到15 年壽期末的燃耗反應性損失,結果見表1。需要說明的是,由于功率非常小,LEU-UMo-YH2方案的Xe、Sm 中毒問題可以忽略不計(Xe、Sm 反應性約1.7E-5[18])。

圖6 燃耗計算結果Fig.6 Results of depletion calculation

3.1.3 燃料腫脹反應性損失

UMo 輻照腫脹與燃耗深度的關系式為[19]:ΔV/V=0.356×B,其中,B為單位體積燃料內的裂變數(單位為1E+20 /cm3)。由此可算得各方案的燃料腫脹量,結果見表1。

由于腫脹量很小,使得腫脹反應性損失的數值非常小,無法通過計算腫脹前后的keff差值來獲得準確的數值。為解決該問題,計算流程如下:

1)首先采用MCNP 求得各反應堆的燃料膨脹反應性系數。各反應堆keff隨膨脹量的變化見圖7,通過多項式擬合并求導,即可算得運行狀態下燃料的膨脹反應性系數。

圖7 keff 隨膨脹量的變化Fig.7 keff under various ΔV/V

2)將膨脹反應性系數和燃料腫脹量相乘,即為全壽期的腫脹反應性損失,結果見表1。

3.1.4 燃料溫降

燃料溫降可根據式(1)算得,結果見表1。從表中可以看出,LEU-UMo 的燃料溫降非常小,僅為8.0 K,這主要是由于該方案燃料裝量最大,使得其反應性損失的數值非常小;LEU-UMo-YH2方案的燃料溫降相比于Kilopower 也有較大優勢。

3.2 熱工特性

熱工計算采用ANSYS-CFX 程序。堆芯功率密度分布由MCNP 算得,以熱管孔道表面溫度775 ℃[20]為邊界條件,分別給出了各方案在正常運行以及單根熱管失效情況下的溫度分布,結果見圖8 ～10。可以看出,LEU-UMo 的燃料最高運行溫度低于Kilopower;LEU-UMo-YH2的燃料最高運行溫度則高于Kilopower,在單根熱管失效的情況下,其最高溫度為938 ℃,仍低于1000 ℃的UMo 燃料運行溫度限值[21]。

圖8 Kilopower 在正常及單根熱管失效情況下的燃料溫度分布Fig.8 Fuel temperature of Kilopower under normal and one heat pipe failure conditions

圖9 LEU-UMo 方案在正常及單點失效情況下的燃料溫度分布Fig.9 Fuel temperature of LEU-UMo under normal and one heat pipe failure conditions

3.3 特殊臨界安全特性

圖10 LEU-UMo-YH2 方案在正常及單點失效情況下的燃料溫度分布Fig.10 Fuel temperature of LEU-UMo-YH2 under normal and one heat pipe failure conditions

各方案在掉落事故下的keff列于表2。可以看出,在掉落工況下,3 個方案均可維持次臨界狀態。目前國際上對于掉落事故的keff限值沒有統一規定,若按照中國現行空間熱離子反應堆發射掉落事故的要求(keff≤0.98[22]),則只有LEUUMo-YH2方案可以達到要求。

表2 各方案在掉落事故下的keffTable 2 keff under launch failure accidents

3.4 綜合比較

各方案的關鍵性能參數列于表3。

表3 各方案參數綜合比較Table 3 Comprehensive comparison of different schemes

在尺寸和質量方面,LEU-UMo 遠遠超出了其他2 個方案,其質量約為Kilopower 的5 倍;LEUUMo-YH2的質量僅為LEU-UMo 的40%,這是由于慢化劑的存在使得燃料大幅度減少;但相較于Kilopower,LEU-UMo-YH2仍有大幅增加,這主要是由于YH2慢化劑占據了遠超燃料的體積,使得反應堆的整體尺寸大大超過了Kilopower。在U-235 裝量方面,YH2慢化劑使得LEU-UMo-YH2的U-235 裝量得到了大幅度減少,其U-235 裝量為10.9 kg,為Kilopower 的38%,LEU-UMo 的17%。

在全壽期燃料溫降方面,LEU-UMo 溫降最少,LEU-UMo-YH2的燃料溫降相比Kilopower 也有大幅減小。

運行溫度方面,LEU-UMo-YH2的運行溫度相對最高,但仍在溫度限值之內。

技術成熟度方面,Kilopower 與LEU-UMo 均采用成熟材料,集成工藝也已通過了KRUSTY 的驗證;而對于LEU-UMo-YH2方案,YH2的相關技術尚不成熟,該堆芯結構的集成工藝也仍待驗證。

4 結論

1) LEU-UMo-YH2方案相比LEU-UMo 方案,堆芯尺寸得到了較大幅度的減小,其堆芯質量和U-235 裝量分別僅為LEU-UMo 方案的40%和17%。同時,物理、熱工及特殊臨界安全方面也可以滿足要求,該方案的主要問題是YH2的相關技術不成熟,且該堆芯結構的集成工藝仍待驗證。

2) 若Kilopower 最終被禁止使用HEU,那么對于近期的任務,LEU-UMo 方案是一個具有較高可實現性的方案。

3) 對于較遠期的任務,LEU-UMo-YH2方案具備很高研究價值,如果其相關技術得到攻克,該方案將比LEU-UMo 方案更具優勢。