TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源辐射屏蔽优化措施影响分析

李 臻，陆道纲，曹 琼,*

(1.华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206；2.非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206)

随着未来深空探测以及星表基地供电等任务需求的日益提高以及太阳能、化学能供电的局限性，结构紧凑、功率密度高、寿命较长、环境适应性强的空间核反应堆电源已成为太空能源应用的主要发展方向。前苏联TOPAZ-Ⅱ是目前投入制造的最先进、成熟的空间核反应堆电源[1-3]。

辐射屏蔽专门用于减弱辐照敏感装置周围辐射场，是空间核反应堆电源的关键部件之一。辐射屏蔽的温度场分析是空间核反应堆电源设计中的必要环节。辐射屏蔽因自身温度的不均匀分布会产生较大热应力，以温度场分析为基础的热力学分析是反应堆热工设计中不可缺少的部分。从安全角度来看，在各种工况下，要求辐射屏蔽的温度峰值不能过高，且温度分布尽可能均匀以减小热应力，才能保证其长期工作的能力。因此，在技术可行的前提下，对辐射屏蔽采取适当的优化措施，控制热阻、削弱换热十分必要。

国内外对辐射屏蔽在空间核反应堆电源内真空环境下的温度分布研究资料几乎没有。马晓等[4]利用CFX软件对中国实验快堆堆顶固定屏蔽冷却系统进行三维数值模拟，并对该系统提出了优化建议。盛选禹等[5]使用Abaqus 6.7商业有限元软件分析了高温气冷堆的屏蔽层在额定工况和事故工况下的温度分布。何杰等[6]针对2 MW液态钍基熔盐实验堆将利用MCNP软件获得的反应堆功率分布导入Fluent软件，分析了主屏蔽的三维温度场。

本文针对TOPAZ-Ⅱ型空间核反应堆电源所采用的辐射屏蔽使用Fluent软件对其在真空环境下的换热行为进行三维数值模拟，根据优化措施，对辐射屏蔽方案温度分布进行计算，研究分析这些措施对辐射屏蔽温度分布特性产生的影响，为相关实验与工程设计提供参考。

1 模拟对象及优化措施

TOPAZ-Ⅱ型空间核反应堆电源结构如图1所示，TOPAZ-Ⅱ型空间核反应堆电源主要由堆芯及热离子转换系统、电磁泵、辐射屏蔽、控制驱动单元、铯蒸气单元和热管辐射换热器组成[7]。TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源辐射屏蔽采用“阴影屏蔽”，会在有限的空间内造成辐射水平低的区域，这个区域具有截头圆锥体的形状。因此辐射屏蔽同样采用截头圆锥体的形式，并且是1个由各种不同功能的材料组成的多层结构[8]。在空间核反应堆电源系统辐射屏蔽的设计中，选择屏蔽材料非常重要。对中子而言，LiH是非常优秀的中子屏蔽材料；对γ射线而言，应选用原子序数高的材料，如不锈钢、铅、W、B4C等[9]。辐射屏蔽结构主要分为两种类型:降低中子通量的轻屏蔽，是一充有LiH的钢外壳;降低伽马通量的重屏蔽，为厚度几厘米的容器底[10]。

图1 TOPAZ-Ⅱ型空间核反应堆电源

真空环境内稀薄空气流速缓慢、换热系数偏低，对流换热作用较弱，辐射换热占据主导地位。对于辐射屏蔽，辐射换热主要发生在冷却剂管道与辐射屏蔽之间。为削弱它们之间的辐射换热，通常在冷却剂管道及阴影屏蔽上冷却剂管管槽间添加真空遮热板、在材料表面覆盖改变发射率的涂层[11]。

2 数值模拟

2.1 几何模型

本文计算区域为图1中虚线框部分。根据对辐射屏蔽传热过程的分析，将TOPAZ-Ⅱ空间核反应堆电源的辐射屏蔽等效为轻、重屏蔽两均匀整体，轻屏蔽为一高度0.6 m、上截面半径0.38 m、下截面半径0.5 m的截头圆锥体，重屏蔽为一厚度0.02 m的圆板。并且为模拟辐射屏蔽在真空环境下的换热行为，在屏蔽模型外部加上一高度2 m、底面半径1 m的圆柱体外罩即划分一模拟真空环境的腔室；为考虑反应堆底部温度对辐射屏蔽温度分布的影响，在重屏蔽上部添加一薄板模拟反应堆底部。以在冷却剂管与冷却剂管管槽间添加一厚度2 mm的真空遮热板的辐射屏蔽模型为例，简化处理后的结果如图2所示。

图2 简化模型

2.2 网格划分

本研究采用四面体非结构网格，整体网格质量较好，满足计算精度要求。以在冷却剂管与冷却剂管管槽间添加一层真空遮热板的辐射屏蔽模型为例，局部网格分布示于图3。

3月21日，担任银监会主席一年多的郭树清成为刚刚成立的中国银行保险业监督管理委员会第一任主席。5天之后，中国人民银行召开干部大会，中组部相关负责人宣布了他的另一项职务：郭树清任央行党委书记、副行长。

图3 局部网格分布

2.3 控制方程

考虑到本文模拟真空环境下辐射屏蔽的换热行为，选用Surface-to-Surface(S2S)辐射模型，该模型非常适用于无参与性介质的封闭空间中的辐射问题[12]。S2S辐射模型的控制方程[12]为:

式中：qout,k、qout,j为表面k、j发出的辐射热流密度；εk为物体发射率(黑度)；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量(黑体辐射常数)，其值为5.67×10-9W/(m2·K4)；Tk为表面温度；ρk为反射比；Fkj为角系数。

固体域能量控制方程[12]可表示为：

式中：k为热导率；T为温度；Sh为体热源。

2.4 物性参数

除轻屏蔽的材料LiH和重屏蔽、反应堆底部、真空遮热板、冷却剂管的材料不锈钢外，数值计算中使用的材料还包括为模拟真空环境在腔室内填充的稀薄空气，这些材料的物性参数列于表1。

表1 材料的物性参数

2.5 边界条件

边界条件的设置包括：1) 根据文献[10]，3根从堆芯带出冷却剂的冷却剂管道表面温度843 K，3根向堆芯带入冷却剂的冷却剂管道表面温度743 K；2) 保守地将模拟真空环境的腔室顶面设置绝热边界条件；3) 考虑到辐射屏蔽底部的堆内构件的温度限值，将模拟真空环境的腔室底面温度设置为473 K；4) 考虑到堆芯底部的氦气腔传热较差，将反应堆底部温度设置为550 K；5) 辐射屏蔽俘获中子、吸收γ射线后，会有释热，因此对屏蔽添加体热源70 W/m3；6) 考虑到腔室为模拟真空环境，因此将真空腔室外罩顶面、底面及侧壁发射率设为0.9；7) 轻屏蔽、重屏蔽及反应堆底部表面常喷涂低发射率材料，设为0.3。

3 计算结果与分析

为得到辐射屏蔽的温度分布状况，在辐射屏蔽上选取一截面A，并在截面A上取直线B、C，分析直线B、C上温度计算结果，截面A及直线B、C的位置如图4所示。对于直线B、C，取箭头方向为正方向，分别为x、y方向，其中直线B正方向为向堆芯带入冷却剂的冷却剂管侧向，并分别取截面中心(0，0)点、(0，0.04)点为原点。

图4 截面A及直线B、C位置

3.1 网格无关性分析

图5 网格无关性分析

3.2 环境温度敏感性分析

辐射屏蔽温度分布的数值计算依赖于其所处的环境是稳定的，因此进行环境温度敏感性分析十分必要。为模拟在不同环境温度下辐射屏蔽的换热行为，将真空腔室的侧壁温度设置为303、313、323、333、343 K等5种工况，环境温度敏感性分析结果如图6所示。由图6可见，当辐射屏蔽所处的环境温度在改变时，辐射屏蔽的温度分布也会随之改变，辐射屏蔽的温度变化值与其所处环境的温度变化值呈正比，且每种工况下温度在x、y方向上的分布趋势不变。

图6 环境温度敏感性分析

3.3 真空遮热板影响

1) 真空遮热板层数影响

为减少冷却剂管道向辐射屏蔽的辐射传热，在冷却剂管管槽的外侧设置厚度为2 mm的真空遮热板。在其他边界条件相同的情况下，对无真空遮热板、单层真空遮热板、3层真空遮热板3种工况进行数值计算，结果如图7、8所示。

图7 不同真空遮热板层数工况下辐射屏蔽温度场

真空遮热板层数分别为0、1、3时辐射屏蔽的温度场如图7所示。由图7可见，随着真空遮热板层数的增加，辐射屏蔽的温度下降明显。并且3种工况下截面A上最低温度均出现在调节机构传动管侧，而最高温度出现位置则随真空遮热板层数的增加逐渐由从堆芯带出冷却剂的冷却剂管侧向截面中心移动。

真空遮热板层数对温度分布的影响如图8所示。由图8可见，添加单层真空遮热板与无真空遮热板相比，辐射屏蔽温度下降明显且温度分布更均匀；添加3层真空遮热板与添加单层真空遮热板相比，辐射屏蔽温度依然下降但下降幅度极大减小，并且x方向上温度分布均匀性上升程度极大减弱、y方向上温度分布均匀性反而恶化，说明当真空遮热板层数超过1层，继续增加真空遮热板层数对优化辐射屏蔽温度分布已十分有限。因此，综合考虑应用场景尺寸限制、温度分布优化程度等因素，单层真空遮热板为最佳选择。

图8 真空遮热板层数对温度分布的影响

2) 真空遮热板表面发射率影响

真空遮热板表面发射率对温度分布的影响如图9所示。图9中，ε为真空遮热板表面发射率。由图9可见，辐射屏蔽的温度随着真空遮热板表面发射率下降而降低，真空遮热板表面发射率取0.01时，辐射屏蔽温度最低，而且辐射屏蔽温度的下降幅度随着真空遮热板表面发射率的下降而增大。并且随着真空遮热板表面发射率下降，辐射屏蔽温度分布更加均匀，但在发射率为0.01时，考虑到此时反应堆底部温度对辐射屏蔽温度分布的影响超过冷却剂管道温度的影响，x方向上温度分布均匀性上升程度大为减弱、y方向上温度分布均匀性反而恶化。因此在工程实践中，应尽可能降低真空遮热板表面的表面发射率但不能太低，发射率为0.04～0.07最为适宜。

图9 真空遮热板表面发射率对温度分布的影响

3.4 表面涂层影响

通过在冷却剂管道及冷却剂管管槽表面喷射不同发射率的涂层，可改变其表面发射率，起到改变辐射换热效果的作用。

1) 冷却剂管道表面发射率

冷却剂管道表面发射率分别为0.1、0.5、0.9时辐射屏蔽的温度场如图10所示。由图10可见，随着冷却剂管道表面发射率的降低，辐射屏蔽温度下降明显。截面A上最低温度均出现在调动机构传动管侧，而最高温度出现位置则随着冷却剂管道表面发射率的降低逐渐由从堆芯带出冷却剂的冷却剂管侧向截面中心移动。冷却剂管道表面发射率对温度分布的影响如图11所示。图11中，ε为冷却剂管道表面发射率。由图10、11可见，辐射屏蔽温度随着冷却剂管道表面发射率下降而降低，但辐射屏蔽温度下降幅度随着冷却剂管道表面发射率下降而增大。且随着冷却剂管道表面发射率下降，辐射屏蔽温度分布更均匀。但在发射率为0.3时，辐射屏蔽温度分布的均匀性反而稍优于发射率为0.1时的。因此，经综合考虑，冷却剂管道表面发射率为0.1～0.3最适宜。

图10 不同冷却剂管道表面发射率工况下辐射屏蔽温度场

图11 冷却剂管道表面发射率对温度分布的影响

2) 冷却剂管管槽表面发射率

冷却剂管管槽表面发射率分别为0.1、0.5、0.9时辐射屏蔽的温度场如图12所示。由图12可见，随着冷却剂管管槽表面发射率改变，截面A上最低温度、最高温度的位置变化趋势与冷却剂管道表面发射率改变时的位置变化趋势相同。但对比图10、12可见：分别降低冷却剂管道、冷却剂管管槽表面发射率至同一值的情况下，当发射率较低时，前者最高温度出现位置更加接近截面中心；当发射率较高时，后者最高温度出现位置更加接近截面中心。

图12 不同冷却剂管管槽表面发射率工况下辐射屏蔽温度场

冷却剂管管槽表面发射率对温度分布的影响如图13所示。图中，ε为冷却剂管管槽表面发射率。由图13可见，随着冷却剂管管槽表面发射率下降，辐射屏蔽温度下降且分布均匀性上升。因此冷却剂管管槽表面发射率为0.1左右最为适宜。对比图13、15可见：分别降低冷却剂管道、冷却剂管管槽表面发射率至同一值的情况下，当发射率较低时，前者温度更低且温度分布均匀性更高；当发射率较高时，后者温度更低、温度分布更加均匀。总之，降低冷却剂管道表面发射率较降低冷却剂管管槽表面发射率能更好优化辐射屏蔽温度分布。

图13 冷却剂管管槽表面发射率对温度分布的影响

4 结论

本文针对TOPAZ-Ⅱ型空间核反应堆电源的辐射屏蔽在真空环境下的辐射换热行为，对优化辐射屏蔽的温度分布所采取了相应措施：在冷却剂管及其管槽间设置真空遮热板、在冷却剂管道表面及冷却剂管管槽表面喷涂合适发射率的涂层。利用Fluent软件进行模拟计算，分析了对辐射屏蔽温度分布产生的影响，得出如下结论。

1) 在真空环境条件下，来自冷却剂管道的辐射传热是影响辐射屏蔽温度分布的主要因素；添加真空遮热板和喷涂改变发射率的涂层均可有效降低辐射屏蔽温度峰值，并提升其温度分布均匀性。

2) 添加真空遮热板优化辐射屏蔽温度分布的效果主要受真空遮热板层数和其表面发射率影响，隔热效果与真空遮热板层数呈正比，与表面发射率呈反比；在工程实践中，单层真空遮热板、喷涂表面发射率为0.04～0.07的涂层为最佳选择。

3) 冷却剂管道表面、冷却剂管管槽表面喷涂改变发射率的涂层对辐射屏蔽温度分布的优化效果与发射率呈反比，且冷却剂管道表面发射率对辐射屏蔽温度分布影响更显著；在工程实践中，应尽可能降低这两个表面的表面发射率，特别是冷却剂管道表面，冷却剂管管槽表面发射率为0.1左右、冷却剂管道表面发射率为0.1～0.3最适宜。

本文实现了TOPAZ-Ⅱ型空间核反应堆电源的辐射屏蔽结构的数值模拟，为相关实验和工程实践中辐射屏蔽结构的优化提供了参考。