模块化热管式冷却快堆概念研究

孙志勇

摘 要：根据月球表面的环境条件和火箭运载能力，提出并了月球表面核反应堆电站的基本方案：一个设计模块化、布置一体化热管冷却堆芯的快堆电站—电功率100 kW，寿命10年，总质量2.9 t左右。整个电站由三个相同的模块组成，每个模块均包含有锂热管导热的堆芯单元、热电偶转换单元、钾热管辐射器单元、转动控制鼓单元，以及堆芯顶部屏蔽单元。三个模块均单独运输发射，在月球表面总装集成。该方案具有体积小、质量少、操作方便、安全可靠性高、发射性能好等特点。从根本上消除了发射过程中可能导致的临界安全事故风险。

关键词：模块化 热管式 快堆

中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0020-02

月球是距离地球最近的自然天体，具有许多独有的优点。随着人类对空间需求的日益增长和航天技术的飞速发展，探测月球、重返月球、开发利用月球和在月球建立人类活动的基地，已成为世界各航天大国深空探测最为重要的目标。建立月球科研基地首先需解决能源供给问题。近年来世界相关国家的研究表明，在月球表面建立核反应堆电站是解决月球基地持续稳定能源供应的最理想方案。该论文所研究的项目来源于国家“863”计划的一个子课题“月面核反应堆电源技术方案研究”。立足于国内科技和工业基础，瞄准未来中国探月工程的需要，而开展的前期工作，因此从方案选择方面，既要能够体现出概念上的前瞻性，同时必须立足于国内基础，使得方案在未来通过15～20年的技术研究能够得以实现。因此充分调研和分析国内外的经验，扬长避短，拿出一个合适的方案是研究工作的前提和基础。

1 方案筛选

系统的初步构想应当具有如下几个方面的考虑：

（1）质量小，体积小，易于在运载火箭内布置。

（2）发射过程中避免发生临界安全事故。

（3）整个系统在运行过程中操控简单，反应堆固有安全特性好。

（4）系统运行过程中不需要额外维护。反应堆的维护由于放射性的存在相对较为复杂，特别是在月球表面，高放射性的部件几乎不可能检修，因此系统设计中应当极力避免单点实效。

以下从堆型、冷却方式、热电转换方式、废热排放方式等方面对各种可行的方案进行比较和筛选。

1.1 堆芯能谱选取

堆芯设计首先要选择堆型。有三种选项：热堆、超热堆、快堆。热堆、超热堆及快堆分别主要由热中子、超热中子及快中子引起裂变。这三种堆型各有优缺点。表1给出不同能谱堆芯的评分，评价标准借鉴了参照美国MSR堆选择评判标准

综合考虑，快堆用于空间及星球表面利用具有最优性能，因此选择快堆用于月球表面用反应堆。不过需要指出的是，快堆在与反应堆安全相关的两个选项方面性能最差：发射事故临界安全特性最差、辐照损伤最严重。

1.2 冷却方式

通过对星表核反应堆电源冷却方式的调研和分析，将可选冷却方式限制在以下三种方式上：热管冷却、液态金属冷却及气冷。

热管冷却方式具有最优性能，特别是对于空间应用，采用一个坚固可靠的冷却方式对于任务需求极为重要，由于热管传热的特性，在这方面热管冷却方式具有明显优势。用泵或风机驱动冷却工质的液态金属冷却或气冷存在由于冷却剂丧失（LOCA）而造成系统单点失效的风险，也可能由于泵或风机故障造成冷却剂流量丧失（LOFA），这两种情况都可能导致堆芯熔化、任务失败。因此可考虑选择热管冷却用于月球表面用反应堆堆芯冷却。

1.3 能量转换方式

热电转换方式从大的方面可以分为静态转换和动态转换，总体上说动态转换由于效率相对较高，因而在同样电功率下反应堆热功率较低，废热较小。静态转换由于没有运动部件在空间轨道应用中对卫星姿态影响小而优势明显。考虑到技术成熟度，可以在短期内实现的技术主要是闭式布雷顿循环、斯特林循环和静态热电偶转换。表2给出了三种热电转换方式的评分。

综上所述，热电偶转换方式具有最优性能。实际上，除了上述考虑因素外，转换效率也是一个十分重要的参数，上述三种转换方式中热电偶转换效率最低，不过目前高温热电偶及多级热电偶的不断发展已经可以获得较高的转换效率（>10%），因此，可选择热电偶转换方式用于月球表面用反应堆能源系统。

1.4 废热排放方式

目前研究的空间核动力系统基本上均采用热管式热辐射器排出废热（除了SUSEE采用冷凝式热辐射器）。因此，选择热管式热辐射器作为月球表面用反应堆能源系统的废热排放方式。

2 月表核电站方案

根据上述选择，电源系统总体方案选择采用锂热管冷却快堆、多级热电偶转换、钾热管式辐射器及月壤屏蔽，控制方式采用转鼓控制方式。方案具有如下特征。核反应堆电源由三个独立模块构成，固体堆芯热管冷却，静态热电偶转换，废热排放采用热管辐射器，方案称之为HPCMR（见表3）（Heat-pipes Cooled modular fast reactor）。

基于反应堆安全及运载能力方面考虑，将堆芯、热电偶转换系统、热管式辐射器及控制装置设计成集成模块型式，每个模块分别包含一个堆芯单元（不足以达到临界）、热电偶转换单元、热管式辐射器单元及控制单元，屏蔽体则根据需要单独设计成单模块或多模块型式，分次运输至月面基地附近，然后将各模块组装布置在月壤坑中构成一个达临界的反应堆能量系统。该方案为全静态能量供应系统，没有任何运动部件，也无冷却剂流动回路。采用热管冷却堆芯、热电偶转换及热管式辐射器可以达到很高的可靠性，完全避免了单点失效情况，而采用固体堆芯结构（仅热管内包容有流动工质）可以方便引入模块化设计理念，有效降低单模块质量以满足运载需求，同时将堆芯设计成可以方便组装的三个模块分别用火箭运输，可以有效消除发射事故引起的临界安全问题，从本质上解决了空间反应堆应用极其关注的发射临界安全问题。

月球表面用核反应堆电源系统由核电源、放置在月球基地仪表舱内的自动控制系统、核电源与自动控制系统之间的电缆网络组成。图1为系统流程示意简图。

3 结论

建立月球基地重大的科学意义，月球表面用核反应堆是为基地提供能源的理想方案。该文根据中国探月工程对能源的需求，结合国内已有基础，提出了一种基于热管冷却、静态热电偶转换、月壤屏蔽的模块化核反应堆电源概念—— HPCMR。模块化设计思想从本质上消除了发射临界安全事故风险，采用热管换热、静态热电转换，整个系统除冗余设计的控制转鼓之外，没有任何运动部件。有效避免了单点失效问题。通过物理、热工水力、屏蔽等分析，该概念堆型具备良好的固有安全特性、质量特性和可靠性。

摘 要：根据月球表面的环境条件和火箭运载能力，提出并了月球表面核反应堆电站的基本方案：一个设计模块化、布置一体化热管冷却堆芯的快堆电站—电功率100 kW，寿命10年，总质量2.9 t左右。整个电站由三个相同的模块组成，每个模块均包含有锂热管导热的堆芯单元、热电偶转换单元、钾热管辐射器单元、转动控制鼓单元，以及堆芯顶部屏蔽单元。三个模块均单独运输发射，在月球表面总装集成。该方案具有体积小、质量少、操作方便、安全可靠性高、发射性能好等特点。从根本上消除了发射过程中可能导致的临界安全事故风险。

关键词：模块化 热管式 快堆

中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0020-02

月球是距离地球最近的自然天体，具有许多独有的优点。随着人类对空间需求的日益增长和航天技术的飞速发展，探测月球、重返月球、开发利用月球和在月球建立人类活动的基地，已成为世界各航天大国深空探测最为重要的目标。建立月球科研基地首先需解决能源供给问题。近年来世界相关国家的研究表明，在月球表面建立核反应堆电站是解决月球基地持续稳定能源供应的最理想方案。该论文所研究的项目来源于国家“863”计划的一个子课题“月面核反应堆电源技术方案研究”。立足于国内科技和工业基础，瞄准未来中国探月工程的需要，而开展的前期工作，因此从方案选择方面，既要能够体现出概念上的前瞻性，同时必须立足于国内基础，使得方案在未来通过15～20年的技术研究能够得以实现。因此充分调研和分析国内外的经验，扬长避短，拿出一个合适的方案是研究工作的前提和基础。

1 方案筛选

系统的初步构想应当具有如下几个方面的考虑：

（1）质量小，体积小，易于在运载火箭内布置。

（2）发射过程中避免发生临界安全事故。

（3）整个系统在运行过程中操控简单，反应堆固有安全特性好。

（4）系统运行过程中不需要额外维护。反应堆的维护由于放射性的存在相对较为复杂，特别是在月球表面，高放射性的部件几乎不可能检修，因此系统设计中应当极力避免单点实效。

以下从堆型、冷却方式、热电转换方式、废热排放方式等方面对各种可行的方案进行比较和筛选。

1.1 堆芯能谱选取

堆芯设计首先要选择堆型。有三种选项：热堆、超热堆、快堆。热堆、超热堆及快堆分别主要由热中子、超热中子及快中子引起裂变。这三种堆型各有优缺点。表1给出不同能谱堆芯的评分，评价标准借鉴了参照美国MSR堆选择评判标准

综合考虑，快堆用于空间及星球表面利用具有最优性能，因此选择快堆用于月球表面用反应堆。不过需要指出的是，快堆在与反应堆安全相关的两个选项方面性能最差：发射事故临界安全特性最差、辐照损伤最严重。

1.2 冷却方式

通过对星表核反应堆电源冷却方式的调研和分析，将可选冷却方式限制在以下三种方式上：热管冷却、液态金属冷却及气冷。

热管冷却方式具有最优性能，特别是对于空间应用，采用一个坚固可靠的冷却方式对于任务需求极为重要，由于热管传热的特性，在这方面热管冷却方式具有明显优势。用泵或风机驱动冷却工质的液态金属冷却或气冷存在由于冷却剂丧失（LOCA）而造成系统单点失效的风险，也可能由于泵或风机故障造成冷却剂流量丧失（LOFA），这两种情况都可能导致堆芯熔化、任务失败。因此可考虑选择热管冷却用于月球表面用反应堆堆芯冷却。

1.3 能量转换方式

热电转换方式从大的方面可以分为静态转换和动态转换，总体上说动态转换由于效率相对较高，因而在同样电功率下反应堆热功率较低，废热较小。静态转换由于没有运动部件在空间轨道应用中对卫星姿态影响小而优势明显。考虑到技术成熟度，可以在短期内实现的技术主要是闭式布雷顿循环、斯特林循环和静态热电偶转换。表2给出了三种热电转换方式的评分。

综上所述，热电偶转换方式具有最优性能。实际上，除了上述考虑因素外，转换效率也是一个十分重要的参数，上述三种转换方式中热电偶转换效率最低，不过目前高温热电偶及多级热电偶的不断发展已经可以获得较高的转换效率（>10%），因此，可选择热电偶转换方式用于月球表面用反应堆能源系统。

1.4 废热排放方式

目前研究的空间核动力系统基本上均采用热管式热辐射器排出废热（除了SUSEE采用冷凝式热辐射器）。因此，选择热管式热辐射器作为月球表面用反应堆能源系统的废热排放方式。

2 月表核电站方案

根据上述选择，电源系统总体方案选择采用锂热管冷却快堆、多级热电偶转换、钾热管式辐射器及月壤屏蔽，控制方式采用转鼓控制方式。方案具有如下特征。核反应堆电源由三个独立模块构成，固体堆芯热管冷却，静态热电偶转换，废热排放采用热管辐射器，方案称之为HPCMR（见表3）（Heat-pipes Cooled modular fast reactor）。

基于反应堆安全及运载能力方面考虑，将堆芯、热电偶转换系统、热管式辐射器及控制装置设计成集成模块型式，每个模块分别包含一个堆芯单元（不足以达到临界）、热电偶转换单元、热管式辐射器单元及控制单元，屏蔽体则根据需要单独设计成单模块或多模块型式，分次运输至月面基地附近，然后将各模块组装布置在月壤坑中构成一个达临界的反应堆能量系统。该方案为全静态能量供应系统，没有任何运动部件，也无冷却剂流动回路。采用热管冷却堆芯、热电偶转换及热管式辐射器可以达到很高的可靠性，完全避免了单点失效情况，而采用固体堆芯结构（仅热管内包容有流动工质）可以方便引入模块化设计理念，有效降低单模块质量以满足运载需求，同时将堆芯设计成可以方便组装的三个模块分别用火箭运输，可以有效消除发射事故引起的临界安全问题，从本质上解决了空间反应堆应用极其关注的发射临界安全问题。

月球表面用核反应堆电源系统由核电源、放置在月球基地仪表舱内的自动控制系统、核电源与自动控制系统之间的电缆网络组成。图1为系统流程示意简图。

3 结论

建立月球基地重大的科学意义，月球表面用核反应堆是为基地提供能源的理想方案。该文根据中国探月工程对能源的需求，结合国内已有基础，提出了一种基于热管冷却、静态热电偶转换、月壤屏蔽的模块化核反应堆电源概念—— HPCMR。模块化设计思想从本质上消除了发射临界安全事故风险，采用热管换热、静态热电转换，整个系统除冗余设计的控制转鼓之外，没有任何运动部件。有效避免了单点失效问题。通过物理、热工水力、屏蔽等分析，该概念堆型具备良好的固有安全特性、质量特性和可靠性。

摘 要：根据月球表面的环境条件和火箭运载能力，提出并了月球表面核反应堆电站的基本方案：一个设计模块化、布置一体化热管冷却堆芯的快堆电站—电功率100 kW，寿命10年，总质量2.9 t左右。整个电站由三个相同的模块组成，每个模块均包含有锂热管导热的堆芯单元、热电偶转换单元、钾热管辐射器单元、转动控制鼓单元，以及堆芯顶部屏蔽单元。三个模块均单独运输发射，在月球表面总装集成。该方案具有体积小、质量少、操作方便、安全可靠性高、发射性能好等特点。从根本上消除了发射过程中可能导致的临界安全事故风险。

关键词：模块化 热管式 快堆

中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0020-02

月球是距离地球最近的自然天体，具有许多独有的优点。随着人类对空间需求的日益增长和航天技术的飞速发展，探测月球、重返月球、开发利用月球和在月球建立人类活动的基地，已成为世界各航天大国深空探测最为重要的目标。建立月球科研基地首先需解决能源供给问题。近年来世界相关国家的研究表明，在月球表面建立核反应堆电站是解决月球基地持续稳定能源供应的最理想方案。该论文所研究的项目来源于国家“863”计划的一个子课题“月面核反应堆电源技术方案研究”。立足于国内科技和工业基础，瞄准未来中国探月工程的需要，而开展的前期工作，因此从方案选择方面，既要能够体现出概念上的前瞻性，同时必须立足于国内基础，使得方案在未来通过15～20年的技术研究能够得以实现。因此充分调研和分析国内外的经验，扬长避短，拿出一个合适的方案是研究工作的前提和基础。

1 方案筛选

系统的初步构想应当具有如下几个方面的考虑：

（1）质量小，体积小，易于在运载火箭内布置。

（2）发射过程中避免发生临界安全事故。

（3）整个系统在运行过程中操控简单，反应堆固有安全特性好。

（4）系统运行过程中不需要额外维护。反应堆的维护由于放射性的存在相对较为复杂，特别是在月球表面，高放射性的部件几乎不可能检修，因此系统设计中应当极力避免单点实效。

以下从堆型、冷却方式、热电转换方式、废热排放方式等方面对各种可行的方案进行比较和筛选。

1.1 堆芯能谱选取

堆芯设计首先要选择堆型。有三种选项：热堆、超热堆、快堆。热堆、超热堆及快堆分别主要由热中子、超热中子及快中子引起裂变。这三种堆型各有优缺点。表1给出不同能谱堆芯的评分，评价标准借鉴了参照美国MSR堆选择评判标准

综合考虑，快堆用于空间及星球表面利用具有最优性能，因此选择快堆用于月球表面用反应堆。不过需要指出的是，快堆在与反应堆安全相关的两个选项方面性能最差：发射事故临界安全特性最差、辐照损伤最严重。

1.2 冷却方式

通过对星表核反应堆电源冷却方式的调研和分析，将可选冷却方式限制在以下三种方式上：热管冷却、液态金属冷却及气冷。

热管冷却方式具有最优性能，特别是对于空间应用，采用一个坚固可靠的冷却方式对于任务需求极为重要，由于热管传热的特性，在这方面热管冷却方式具有明显优势。用泵或风机驱动冷却工质的液态金属冷却或气冷存在由于冷却剂丧失（LOCA）而造成系统单点失效的风险，也可能由于泵或风机故障造成冷却剂流量丧失（LOFA），这两种情况都可能导致堆芯熔化、任务失败。因此可考虑选择热管冷却用于月球表面用反应堆堆芯冷却。

1.3 能量转换方式

热电转换方式从大的方面可以分为静态转换和动态转换，总体上说动态转换由于效率相对较高，因而在同样电功率下反应堆热功率较低，废热较小。静态转换由于没有运动部件在空间轨道应用中对卫星姿态影响小而优势明显。考虑到技术成熟度，可以在短期内实现的技术主要是闭式布雷顿循环、斯特林循环和静态热电偶转换。表2给出了三种热电转换方式的评分。

综上所述，热电偶转换方式具有最优性能。实际上，除了上述考虑因素外，转换效率也是一个十分重要的参数，上述三种转换方式中热电偶转换效率最低，不过目前高温热电偶及多级热电偶的不断发展已经可以获得较高的转换效率（>10%），因此，可选择热电偶转换方式用于月球表面用反应堆能源系统。

1.4 废热排放方式

目前研究的空间核动力系统基本上均采用热管式热辐射器排出废热（除了SUSEE采用冷凝式热辐射器）。因此，选择热管式热辐射器作为月球表面用反应堆能源系统的废热排放方式。

2 月表核电站方案

根据上述选择，电源系统总体方案选择采用锂热管冷却快堆、多级热电偶转换、钾热管式辐射器及月壤屏蔽，控制方式采用转鼓控制方式。方案具有如下特征。核反应堆电源由三个独立模块构成，固体堆芯热管冷却，静态热电偶转换，废热排放采用热管辐射器，方案称之为HPCMR（见表3）（Heat-pipes Cooled modular fast reactor）。

基于反应堆安全及运载能力方面考虑，将堆芯、热电偶转换系统、热管式辐射器及控制装置设计成集成模块型式，每个模块分别包含一个堆芯单元（不足以达到临界）、热电偶转换单元、热管式辐射器单元及控制单元，屏蔽体则根据需要单独设计成单模块或多模块型式，分次运输至月面基地附近，然后将各模块组装布置在月壤坑中构成一个达临界的反应堆能量系统。该方案为全静态能量供应系统，没有任何运动部件，也无冷却剂流动回路。采用热管冷却堆芯、热电偶转换及热管式辐射器可以达到很高的可靠性，完全避免了单点失效情况，而采用固体堆芯结构（仅热管内包容有流动工质）可以方便引入模块化设计理念，有效降低单模块质量以满足运载需求，同时将堆芯设计成可以方便组装的三个模块分别用火箭运输，可以有效消除发射事故引起的临界安全问题，从本质上解决了空间反应堆应用极其关注的发射临界安全问题。

月球表面用核反应堆电源系统由核电源、放置在月球基地仪表舱内的自动控制系统、核电源与自动控制系统之间的电缆网络组成。图1为系统流程示意简图。

3 结论

建立月球基地重大的科学意义，月球表面用核反应堆是为基地提供能源的理想方案。该文根据中国探月工程对能源的需求，结合国内已有基础，提出了一种基于热管冷却、静态热电偶转换、月壤屏蔽的模块化核反应堆电源概念—— HPCMR。模块化设计思想从本质上消除了发射临界安全事故风险，采用热管换热、静态热电转换，整个系统除冗余设计的控制转鼓之外，没有任何运动部件。有效避免了单点失效问题。通过物理、热工水力、屏蔽等分析，该概念堆型具备良好的固有安全特性、质量特性和可靠性。