一種月面微型熱管堆電源概念設想

趙澤龍，楊 睿，王 傲，徐 馳，郭 鍵，安偉健，胡 古

(中國原子能科學研究院核工程設計研究所，北京 102413)

月球科研站建設、月面探測及短期有人活動等未來月面任務均需解決長期的能源、電力供給問題[1-2]。通訊、實驗、駐留、月面信息探測等任務需要穩定可靠的能源系統支持。受光照條件不理想、月夜時間長、劇烈溫差環境、帶電月塵環境等復雜月面環境影響，月球基地運營維護、月面科學實驗等均面臨極大的能源供給挑戰[3]。目前國外針對月球基地或科研站建設及資源利用等中長期規劃提出了Artemis 計劃、LSIIY 面創新計劃、CLPS 商業月球有效載荷服務等計劃，其中美國Artemis 計劃的目標定位為實現月球南極著陸和建立可持續月球基地，Artemis 1 號無人繞月飛行測試任務已于2022 年12 月完成，因此月面探測及科研站建設國際競爭十分激烈[4]。中國已通過探月工程一期、二期、三期的科學實踐為月球探測、科考與載人登月奠定了基礎，建立月球科研站是中國探月工程下一階段的重要目標[5]。

核電源具備不依賴太陽、環境耐受能力強等優勢，是月面任務長期供電的理想選擇[6-7]，主要包括同位素電源和核反應堆電源。同位素電源是數百瓦及以下空間、星表任務的優選技術方案，且應用成熟[8-9]。不過，綜合當前放射性同位素電源原料產能、功率區間及成本限制等因素，并結合未來月面中長期任務可能在千瓦級、十千瓦級方面的能源需求及技術積累考慮，核反應堆電源雖然體積質量較大，但綜合成本更低，可覆蓋同位素電源的功率盲區，與同位素電源二者優勢互補。熱管堆作為一種新型的空間核反應堆電源，系統結構簡單緊湊、易于實現自主控制和長壽命設計[10]，可滿足數百瓦至十千瓦級月表任務能源需求，是未來月面核反應堆電源的優選技術路線。故本文針對目前我國面臨的月面任務供電需求問題，基于鈾鉬合金快堆、鈉熱管傳熱、斯特林動態轉換及輻射器散熱的技術路線，提出了采用500 W 微型熱管堆電源為月面任務供電的初步設想，細微調整后可涵蓋數百瓦級至千瓦級功率需求，輕質且微型，可用較小的質量代價和成本覆蓋同位素電源功率盲區，并驗證核堆電源為月面長期穩定供電的關鍵核心技術，且技術體系與十千瓦級熱管堆具有高度繼承性，可為未來十千瓦至數十千瓦功率量級月面任務提供技術積累及支撐。本文主要對該微型熱管堆電源的屏蔽設計及輻射防護問題進行了研究，經初步屏蔽設計研究，該電源可采用移動式、固定式及月面淺坑等多種靈活布置方式，采用多重屏蔽措施后整體質量可約束在500 kg 左右，結合實際功率需求、屏蔽方位及區域、劑量限值裕量、有效受照時間等因素后，屏蔽及系統質量有進一步優化的空間。該研究可為科研站月面核反應堆電源屏蔽設計提供思路借鑒。

1 月面微型熱管堆電源方案

1.1 技術路線選擇

通常為實現較小的堆芯尺寸質量，應當選擇鈾密度盡可能高的燃料類型。鈾鉬合金燃料具有鈾密度高、熱導率高的優點，設計燃耗水平小于0.5%即可避免輻照腫脹問題，綜合考慮中子學性能、材料熱穩定性、技術成熟度、輻照穩定性等因素，可選擇鈾鉬合金作為堆芯燃料。熱管傳熱具有高可靠性及非能動優勢，可作為固態堆芯導熱的核心部件，綜合考慮燃料溫度、運行溫度區間、工質傳熱能力及熱穩定性、制作工藝成熟度等因素，鈉熱管是鈾鉬合金燃料堆芯導熱的最佳匹配選項。對于堆芯反射層材料，為了滿足熱管反應堆臨界安全要求，并同時降低燃料質量和維持堆芯緊湊結構，可選擇反應性價值較高且高溫特性較好的氧化鈹材料。在熱電轉換技術方面，自由活塞式斯特林發電機是百瓦至千瓦功率量級較優的技術選擇，國內外已研制出百瓦級斯特林樣機且進行了超長時的地面測試。在反應堆余熱排出方面，小功率的熱管堆可采用簡單的熱管固定式輻射器，輻射器構型可靈活設計。綜上，可基于鈾鉬合金快堆、鈉熱管傳熱、斯特林轉換、固定式熱管輻射器散熱的技術路線開展月面微型熱管堆電源設計。此外，美國熱管堆地面原型試驗裝置已驗證了該技術方案的可行性和工程可實現性。

1.2 總體方案

圖1 為月面微型熱管堆電源整體結構示意，主要包括堆芯活性區、屏蔽體、斯特林熱電轉換系統、熱管式輻射器以及核堆電源平臺。當電源系統運行時，由8 根鈉熱管帶出反應堆堆芯熱量，熱管穿過自帶屏蔽體后，將熱量傳遞至斯特林發電機熱端，斯特林發電機完成熱電轉換后，冷端廢熱傳遞至輻射器熱管，熱管冷凝段貼附輕質輻射器翅片，將余熱排放至月面空間。核堆電源熱功率為2.5 kW，凈輸出電功率500 W，系統轉換效率約20%，堆本體質量約為130 kg，熱管、斯特林及余熱排放等其它部件約200 kg。堆本體燃料采用U-235 富集度為90%的塊狀鈾鉬合金，反應堆啟停堆控制采用B4C 中心安全棒設計，反射層為氧化鈹，堆本體在8～10 年壽期運行過程中，無需額外的反應性調節設計，依靠堆本體自身溫度負反饋效應自主補償燃耗以及燃料腫脹導致的反應性損失。在屏蔽方案設計中，斯特林發電機的快中子注量(≥0.1 MeV)限值為2.0×1014～2.5×1014n/cm2，光子劑量限值為5.0×106～10.0×106rad；防護目標平臺的快中子注量(≥0.1 MeV)限值為1×1011～2×1011n/cm2，光子劑量限值為50～100 krad。

圖1 月面微型熱管堆電源三維構型

2 核堆電源屏蔽設計

基于初步的月面微型熱管堆電源方案，本部分開展了電源屏蔽設計及布置方式研究，提出了相關的屏蔽減重措施及核堆電源布置建議。

2.1 計算程序及方法

蒙卡程序可以進行復雜的三維幾何建模及精確的劑量場評估，故本文在屏蔽設計研究時采用MCNP 反應堆蒙特卡羅程序計算防護目標劑量及月面微型熱管堆電源周圍的劑量場分布。MCNP 是美國阿貢實驗室開發的大型多粒子蒙特卡羅輸運程序，可用于模擬中子、光子在復雜三維幾何內的粒子輸運過程，擁有良好的可視化建模及并行計算能力，可用于劑量場評估。對于MCNP 程序，粒子輸運計算得到的目標物理量為單個源粒子的統計貢獻，需乘以系數因子才能得到真實功率水平下的參數。系數因子計算如式(1)：

式中：P為核堆電源熱功率；υ為裂變核單次裂變平均中子數；Efission為重核單次裂變釋放能量；T為核堆電源設計壽期。對于目標物理量快中子注量及光子劑量，采用F4統計卡及相關輔助卡即可得到統計結果。

2.2 屏蔽減重措施

通常，月面核反應堆電源的輻射防護設計相比于空間應用更為復雜，除考慮儀器、人員的劑量限值要求外，還需綜合地形、地質等環境條件影響，基于初步的屏蔽減重優化研究，提出以下屏蔽減重措施：

(1)防護目標平臺與核堆電源平臺應拉開一定距離，通過距離衰減輻射強度，降低防護目標劑量。

(2)核堆電源的輻射防護屏蔽設計應重點防護某一區域，例如斯特林發電機區域、防護目標平臺充電點位區域等；其它方位或區域的防護適當減弱以減輕屏蔽質量。

(3)防護目標平臺的有效充電時間(有效受照時間)：理論上，防護目標平臺不可能隨時隨地都與核堆電源連接充電，正常情況下，防護目標平臺在核堆電源周圍的充電點位區域充滿電后，即可離開核堆電源進行遠距離月面信息的探測，故在核堆電源8～10 年的運行周期內，防護目標平臺的有效充電時間(有效受照時間)應小于8～10 年。若核堆電源為防護目標平臺供電時，約十分之一時間核堆電源為防護目標平臺充電，十分之九時間防護目標平臺離開核堆電源進行周圍月面信息探測，從時間上可為輻射防護的注量、劑量要求降低一個量級，降低輻射防護要求。此外，可考慮為核堆平臺提供蓄能儲電模塊，利用空余時間為蓄電模塊充電，當防護目標平臺需要充電時，核堆電源與蓄電模塊聯合為其充電，進一步縮短防護目標平臺靠近核堆電源的有效受照時間。

(4)防護目標平臺正對核堆電源方向布置屏蔽材料并充分利用其結構件以防護目標平臺。

2.3 屏蔽及布置方案

通常，月面堆可采用自帶屏蔽及利用月面淺坑、深坑地形等多種手段方式進行屏蔽設計。采用深坑布置時需同時屏蔽核堆電源軸向及徑向頂部方向，經初步評估總體質量約噸級起步，嚴重超出系統質量約束條件，不予考慮。其次，考慮采用以自帶屏蔽為主，輔助以布置距離、重點防護區、有效受照時間、防護目標平臺局部屏蔽等方式，經初步評估，核堆電源移動式布置、月面固定點位式布置、淺坑式固定布置均可滿足輻射防護要求，具體屏蔽設計及布置方案如圖2 到圖4。

圖2 月面微型熱管堆電源屏蔽及防護目標平臺動態布置方案A

圖2 為月面微型熱管堆電源屏蔽及防護目標平臺動態布置方案A，其中Z軸正方向為主屏蔽方向，同時防護斯特林區域及目標平臺區，Z軸負方向及Y軸方向為薄弱屏蔽設計區域。表1 和表2 分別為目標平臺與斯特林區域的劑量數據，可以看到A 方案滿足1.2 節輻射防護要求，為降低底部中子泄漏對目標平臺影響，其電源底部需增加約上文50～60 kg氫化鋰輕屏蔽。圖3 和圖4分別為月面直接靜態固定方案B 及淺坑固定方案C，對比發現，兩種方案均可滿足屏蔽限值要求，直接靜態固定布置方案B 相比方案A 可省去底部屏蔽質量，會減重電源系統；其次，從劑量數據來看，采用淺坑布置對比方案B沒有明顯優勢。

表1 防護目標平臺快中子注量及光子劑量

表2 斯特林區域快中子注量及光子劑量

圖3 月面微型熱管堆電源屏蔽及防護目標平臺固定布置方案B

圖4 月面微型熱管堆電源屏蔽及防護目標平臺固定淺坑布置方案C

2.4 核堆電源周圍劑量場數據

圖5 為月面核堆電源周圍各方向上的快中子注量和光子劑量分布變化情況。可以看出，重點防護區域Z軸正方向相比于Z軸負方向和Y軸方向薄弱防護區域，快中子注量會降低約2～3 個量級，光子劑量降低約1 個量級，屏蔽效果顯著。若考慮防護目標平臺的有效受照時間為～1/10 核堆壽期進行布置，則重點防護區域的防護目標平臺安全布置區約在距離核堆電源10～15 m 以外的區域；Z軸負方向、Y軸方向非重點防護區約在100 m 以外的區域；若考慮防護目標平臺的有效受照時間為核堆全壽期進行布置，重點防護區域的防護目標平臺安全布置區約在距離核堆電源50 m 以外的區域；Z軸負方向、Y軸方向非重點防護區約在300 m 以外的區域。此外，快中子注量是限制核堆電源與防護目標平臺之間布置距離的核心因素，光子劑量對布置距離的限制很小。

圖5 月面核堆電源各方向快中子注量分布和光子劑量分布

2.5 屏蔽設計及布置方式總結

2.5.1 屏蔽設計總結

綜合上述屏蔽設計方案及劑量場分布數據，可得出以下結論：采用多重屏蔽措施后，月面微型熱管冷卻核堆電源整體質量可約束在500 kg 左右，可覆蓋數百瓦級至千瓦級功率需求；當電源平臺采用月面動態布置時，電源平臺底部需額外付出約50～60 kg 的屏蔽質量；當采用月面淺坑布置或月面靜態定點直接布置方式時，可省去平臺底部屏蔽，系統可減重；月面淺坑布置相比于月面靜態定點直接布置沒有明顯優勢；考慮防護目標平臺的有效受照時間后，防護目標平臺與核堆電源之間的布置距離可縮減數倍左右，減小電纜長度及質量；結合實際功率需求、屏蔽方位及區域、劑量限值裕量、布置距離、有效受照時間等因素后，屏蔽及系統質量有進一步優化空間。

2.5.2 月面動點布置

若核堆電源平臺與探測器載荷平臺采用動點布置，當變更探測區域后，核堆電源平臺移動至探測區的核心位置，選取合適點位布置，為防護目標平臺進行供電，探測完該區域后，核堆電源再移動布置到其它目標探測區，可擴大月面探測區，獲取更豐富的探月數據。但核堆電源平臺的可移動性布置需求會增加電源平臺整體的設計難度，包括可靠性、機械結構、強度、運行穩定性等要求；其次平臺底部泄漏中子會大幅增加，需額外付出一定屏蔽質量。

2.5.3 月面靜態定點布置

在著陸目標區選取相對平坦的月面區域，并在固定點位布置微型熱管堆電源，或者將其固定點位布置于月球科研站核心區外，由月面電網系統將核堆電力傳輸至目標用電區。該布置方式可提高核堆電源整體的運行穩定性并有效緩解核堆電源平臺底部的中子泄漏問題，降低系統質量。

3 結論

探索和開發利用月球是目前國際競爭的焦點，中長期內我國的目標是建立月球科研站并開展月面信息探測及月面資源利用等工作。其中月面能源需求的長期穩定供給是核心的關鍵技術難題之一，而核反應堆電源是優選的長期穩定能源供給手段。本文基于鈾鉬合金快堆、鈉熱管傳熱、斯特林動態轉換及熱管式輻射器散熱的總體技術路線提出了采用500 W 電功率月面微型熱管堆電源進行目標平臺供電的設想。論文重點對其屏蔽設計進行了研究，提出了多重輻射防護及屏蔽設計舉措以滿足防護目標平臺劑量要求，核堆電源可采用移動式或固定點位等布置方式，其系統質量均可約束在500 kg 左右，輕質且微型。該系統可用較小的質量代價初步驗證核堆電源為月面長期穩定供電的關鍵核心技術，并為月面核堆電源的屏蔽設計輻射防護問題提供解決思路。