用于空间堆的碱金属热电转换技术研究

2019-01-11马明阳谢奇林梁文峰张传飞

航天器工程 2018年6期

马明阳谢奇林梁文峰张传飞

(1 中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳 621900) (2 中国工程物理研究院，四川绵阳 621900)

随着航天技术的不断发展，一批新型空间应用和深空探测任务逐步纳入实施规划[1]。在空间应用领域，以天基雷达探测[2]、高功率微波[3]及空间碎片激光清除[4]等为代表的任务提出了数十千瓦乃至兆瓦的供电需求，而大面积的太阳能电池阵存在安装和展开难度高、易受空间碎片和陨石撞击、挠性影响航天器姿态控制等问题[5]，难以满足需求。在深空探测领域，载人深空飞行、小行星采样返回、建设星表基地等任务[6-9]需要配套百千瓦乃至兆瓦级供电和推进能力，但由于距离太阳较远或面对极端高低温、尘暴等恶劣环境，太阳能发电技术无法满足要求[10]。事实上，对利用太阳能困难或有大功率供能需求的航天任务，设计和开发基于核能装置的核动力航天器势在必行，以美国、俄罗斯为代表的空间技术强国竞相研究[11-12]。

热电转换单元是空间核动力装置的核心部件，理想的热电转换技术应具备长寿命、高可靠、高转换效率等技术特点[5]。为追求高可靠性，迄今成功发射和应用的空间核能装置均采用静态热电转换技术[13]，包括温差发电和热离子发电，但转换效率相对较低(不超过10%)，大功率应用须配套大量核原料以及辐射屏蔽材料，占据较大的质量和体积配额。为追求高转换效率，前人对朗肯、布雷顿以及斯特林等动态转换技术进行了大量研究[11-12]，转换效率可达20%以上。然而由于存在运动部件，动态转换技术要实现高可靠性和长寿命存在较大的难度，对在轨航天器的姿态控制存在潜在影响[5]，更适于星表任务[8]。事实上，作为一种兼具静态和高转换效率特征的转换技术，碱金属热电转换(AMTEC)在核动力航天器中有着巨大的应用潜力。NASA曾提出基于AMTEC的放射性同位素电源[14]和空间核反应堆电源[15]设计。

自20世纪60年代以来，AMTEC技术在国内外受到广泛关注，至今仍在持续研究[16-18]。本文基于文献调研，介绍了AMTEC的基本原理、国内外研究情况及最新进展，讨论了制约其实现工程应用的性能衰减问题及解决思路。针对空间核反应堆电源应用场景，就AMTEC的性能指标现状及预期水平进行了分析和总结，提出了我国AMTEC技术的后续发展建议。

1 工作原理

AMTEC的核心工作原理基于β"氧化铝固体电解质(Beta" Alumina Solid Electrolyte，BASE)独特的选择透过性[19]，表现为BASE对碱金属离子远高于对碱金属原子和电子的透过率[16,20]。AMTEC的工作原理在文献[19]中有详细介绍。如图1所示，AMTEC是一个密闭容器，被毫米级厚度的BASE和电磁泵(或毛细吸液芯)分隔成压力不同的两部分[21]。BASE的高温高压侧为阳极，充有适量的钠等碱金属作为工质，温度保持在900～1200 K。低压侧为与冷凝器相邻的阴极，冷凝器的温度在400～800 K。BASE的两端覆盖着导电性能优良的多孔薄膜电极，外电路通过引线连接电极上的集流栅。系统电化学总反应式[19]为

Na(T2,p2,anode)+e(T2,cathode)

Na(T2,p1,cathode)+e(T2,anode)

(1)

式中：Na和e分别表示钠原子和电子；T2为高压侧温度；p2为高压侧工质压力，p1为低压侧工质压力；anode表示阳极，cathode表示阴极。外电路接通时，电子通过外电路流通，碱金属离子通过BASE流通。正是通过碱金属离子在BASE中从阳极侧向阴极侧的迁移过程实现热能到电能的转换。冷凝后的液态钠通过电磁泵或毛细力驱动回到高温端得以循环使用。

图1 Na-AMTEC工作原理示意Fig.1 Operational principle of Na-AMTEC

理论上，锂、钠、钾等碱金属等均可以用作AMTEC的工质[22-23]。但锂因为运行温度高(固定温度下饱和蒸汽压较低)须配套难熔金属、受辐照产生氦和氚、Li-BASE工艺不成熟等因素而不宜使用[24]。相比而言，钠和钾则更实用且各有优点[23]。钠钾合金兼具钠和钾的一些共同优点且具有低熔点(易启动)，但NaK-BASE的制备工艺还很不成熟[19]。综合考虑物理、工艺和技术成熟度因素，钠是首选工质[24]，为大部分AMTEC器件所用。

2 国内外现状

2.1 主要研究机构及进展

基于BASE独特的选择透过性，美国福特公司的Kummer于1962年提出了高温钠浓度差电池设想[16]。之后Kummer和Weber通过实验，证明了该项技术的可行性，并于1969年申请了专利[25]，将之称为“钠热机”(Sodium Heat Engine)，此即为AMTEC的雏形。

在20世纪90年代之前，主要研究以钠为工质的液态阳极单管AMTEC，液态钠既作工质，又充当电极。此类AMTEC具有电极接触电阻小，制造工艺简单等特点[26]。然而采用液态阳极时，单管器件输出电压较低、功率较小，而多管串联绝缘难度大。在90年代，以美国先进模块电源公司(Advanced Modular Power Systems)为代表，提出气态阳极多管AMTEC设计[27]，虽然制造工艺较复杂，但BASE管间的绝缘比较容易实现，可获得较高电压。为进一步提高电压等指标，2000年左右以美国新墨西哥大学为代表，提出了气馈-液态阳极AMTEC设计[24,28]。2010年之后，国际上关于AMTEC的研究热度有所降低，但至今仍有机构持续关注并开展研究，如德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)，美国得克萨斯理工大学(Texas Technical University)以及韩国忠北国立大学(Chungbuk National University)等。

我国对AMTEC的研究起步较晚，参与的研究机构相对较少。中国科学院电工研究所与上海硅酸盐研究所合作，于1994年率先在国内开展Na-AMTEC技术应用研究，搭建了薄膜电极、器件封接用的工艺装备，开展了多管器件的设计和工艺研究，取得了显著进展。此后，哈尔滨工程大学、重庆大学、华北电力大学、西北核技术研究所等机构相继开展了一些基础和应用研究。国内外主要研究机构及主要研究进展和成果见表1。

表1 各AMTEC主要研究机构及进展

续表

2.2 航天器中的应用

作为一种外热式发电技术，AMTEC可与多种形式的热源配合使用，在各类航天器中都具备应用潜力。美国罗克韦尔(Rockwell)公司完成了电功率1200 W、基于太阳能加热AMTEC[72]的全球定位卫星初步设计，发现AMTEC与光伏电池板质量相当，但展开面积大为减少，在中低轨道任务中可作电池板的备选技术。事实上，对AMTEC在航天器中的应用研究主要针对深空探测的放射性同位素电源(RTG)[14]，其中最具代表性的是NASA的“冥王星快车”(Pluto Express)项目[73]。基于放射性通用热源(GPHS)，该项目完成了电功率10 W～1 kW、效率14%～25%、质量10～60 kg的AMTEC-RTG方案设计、组件研制及地面试验[74-75]。结果表明：AMTEC-RTG相比传统温差电池RTG效率更高、质量更小，对昂贵的钚-238同位素消耗量大为降低[75]。作为一种高效率、模块化的发电技术，AMTEC同样适用于配合裂变反应堆构造大功率空间堆电源系统。美国新墨西哥大学提出的SAIRS[53]空间堆电源系统设计，将钠热管冷却堆芯和AMTEC模块相结合，具备全系统非能动、防单点失效的优良特性，输出电功率为111 kW，热电转换效率高达22.7%～27.3%。

2.3 性能衰减问题

经过多年的发展，AMTEC技术已从早期以原理演示验证为目标的单BASE管液态阳极技术发展为更接近实用的多BASE管气态阳极技术。相关理论、BASE材料的性能、多孔电极的制作工艺、集流栅的制作、吸液芯的设计和制造、BASE管与金属法兰的封接等方面取得了巨大进展，器件研制日趋成熟。然而近年来，国际上AMTEC研究热度却逐步降低，其主要技术原因在于各类型器件普遍存在的性能衰减问题始终没有得到好的解决。例如PX-3A器件[47]在运行18 000 h后，最大电功率从2.45 W降至1.27 W，跌幅近50%。如此显著的缺陷，使得AMTEC难以满足长寿命应用需求，尤其是不易做寿命期内维护的空间任务。

2000年前后，学者们就AMTEC的性能衰减问题做了不少定性和定量研究，Wu[67]对相关工作做了非常详尽的梳理。已有结果表明：AMTEC的性能衰减问题主要源于BASE和电极材料的性能衰退。主要作用因素可归纳为两类：一是碱金属与结构材料反应生成的杂质与BASE和电极材料发生物理化学反应；二是BASE和电极材料自身在热环境下发生物理和化学变化。两类因素又同时受运行参数尤其是温度影响，运行参数越高则性能衰减越厉害。鉴于上述原因，建议从以下几方面来改善性能衰减问题[67]：①选择铌、钼、钽等难熔合金而非钢、镍基合金作结构材料，以尽量减少镍、铬、镁等杂质元素；②选择离子电导率适中的BASE，并在其中添加Li2O等稳定剂；③选用晶粒增长较为缓慢的难熔合金电极；④降低温度等运行参数。

回溯发展历程，传统AMTEC技术面临的问题从根本上源自其工作原理两个重要特征：①碱金属在BASE中输运的驱动力是两侧足够大的压差，这就要求器件运行温度足够高；②无论何种构型，BASE的阴极侧(低压侧)总是气态钠，故必须使用多孔电极以增大接触面积。除前述传统解决思路，可回归原理本源去寻求解决方案，以期降低运行温度，避免使用多孔电极。事实上，近几年基于液态电极的新型Na-BASE储能电池[76]的研究，为解决AMTEC的性能衰减问题提供了很好的思路。此类电池中BASE两侧均为液态工质，工质本身即为电极，不存在晶粒长大问题。此外，其背后的电化学反应基于两种金属(A+B↔AB)而非一种金属的电化学反应，其驱动力是BASE两侧工质的活度之差而非压差。如此一来，便有望在较低的运行温度下实现高的性能指标。应当注意上述液态电极电池的功能是储能(充电)和放能(放电)，而AMTEC的功能在于将热能转换为电能。那么问题的关键就在于如何用加热而非充电的方式将AB化合物分解还原为A和B。事实上，德国德累斯顿理工大学近期就提出了这样一种新型AMTEC器件的设计思路(见图2[62])，并于2017年启动一项为期3年的研制项目[62]。该新型AMTEC基于Na和某种金属元素Me(具体种类未知)，BASE两侧均为液态金属而无其他电极，NaMe→Na+Me的还原过程通过外部供热实现。此类AMTEC器件极具吸引力，有待研究的关键问题包括：优选Na的最佳搭配元素Me；验证器件是否有可能在较低的运行温度下兼具高性能和长寿命。应当注意，由于使用液态电极，有可能面临与早期液态阳极AMTEC同样的问题，即因为绝缘问题而无法在单个器件中实现多BASE管串联以提高电压等运行参数。但如果未来研究证明此类新型AMTEC的单器件性能足够高，通过模块化器件间的电路组合同样有可能满足高运行指标的发电需求。

图2 基于双液态电极的新型AMTEC器件概念设计Fig.2 Novel AMTEC device based on double liquid electrodes

3 空间核反应堆电源概念设计

3.1 技术路线优选

基于国内外航天任务及空间核动力的发展态势调研，亟待开展大功率空间核反应堆电源研究。以100 kW电功率为设计指标，兼顾长寿命、高可靠性及高转换效率，提出如图3所示的全系统非能动、可防单点失效的空间核反应堆电源概念设计。采用紧凑的高温UO2快中子反应堆将裂变能转换为热能，并通过多根锂热管传输至热辐射换热器，按夹心结构布置的AMTEC模块吸热发电，最终通过钾热管辐射散热板将余热排散至宇宙空间中。屏蔽体采用LiH/B4C(用于屏蔽中子)和W(用于屏蔽伽马)影锥型复合结构设计，可将后方阴影区域的辐射剂量降至典型允值。相较SAIRS[53]空间堆设计，本系统采用比钠热管更为高效的锂热管实现堆芯裂变热传输，有助于减小反应堆和屏蔽体体积及质量；对比SAIRS所用的导热接口，AMTEC热端采用C-C辐射换热接口可大为降低装配难度，易于作夹心结构布局从而使系统更为紧凑。

图3 大功率AMTEC热管冷却型空间堆电源概念示意Fig.3 A conceptual sketch of a large-power heat-pipe-cooled space reactor power system based on AMTEC

拟优选使用基于图4所示“弧顶BASE扁管”[24]的多管串联气馈-液态阳极Na-AMTEC技术。此类AMTEC器件的设计方法已非常成熟，一旦明确具体的技术需求即可开展详细设计。在空间核反应堆电源系统概念设计阶段，考虑到应用需求和工作场景的相似性，可依据表2设计结果预估AMTEC指标参数。

图4 用于大功率AMTEC的“弧顶BASE扁管”Fig.4 A narrow dome-shaped BASE for high-power AMTEC

温度范围/K转换效率/%单位功率质量/(kg/kW)单位功率面积/(m2/kW)备注热端:1000～1200冷端:600～7002510.00.080设计参考值热端:1092～1169冷端:70025.2～30.29.60.049～0.053文献[53]热端:1006～1127冷端:596～62622.6～29.79.60.074～0.120文献[24]

3.2 系统性能预估

基于热管型空间堆电源系统的热控分析方法[77]，构建核心能量传输和转换过程的基本关系，结合反应堆(含热管)、屏蔽体、AMTEC及辐射散热板的物理分析和质量估算模型开展系统指标的设计。堆芯出口温度取一较高值(1500 K)以提升系统整体性能，充分发掘锂热管的传热能力(温度越高则传热极限越高)。依据物理分析，锂热管的温降、反应堆与热管热端温差以及热管冷端与辐射传热接口温差之和预估为100 K，辐射散热板工作温度取1400 K。为追求高转换效率，AMTEC的热端温度应尽量高，冷端温度应尽量低。但由于受钠工质蒸气压和结构材料长期使用温度限制，热端温度不能太高，取1100 K为宜。冷端温度不宜低于700 K，否则辐射散热板中的钾热管将因为传热能力太弱而无法满足要求。考虑AMTEC与辐射散热板的界面热阻，辐射散热板温度取650 K。依据表2，AMTEC的转换效率典型值可取25%。为产生100 kW电功率，AMTEC热端输入功率为400 kW。此外参考SAIRS设计[53]，将反应堆到AMTEC的传热损失定为10%，故反应堆的总热功率为440 kW，系统的转换效率预估为22.7%。系统的额定运行参数见图5。

图5 AMTEC热管堆电源系统额定工况示意Fig.5 Standard operating conditions of the heat-pipe-cooled space reactor power system based on AMTEC

基于反应堆物理(MCNP软件)和热工(ANSYS软件)设计，440 kW热功率反应堆(含锂热管)的质量约700 kg，包络尺寸约Φ500 mm×500 mm。屏蔽计算(MCNP软件)结果表明：锥台形屏蔽体的质量预估为1000 kg，屏蔽体最小直径约500 mm，最大直径约1000 mm，厚度约1500 mm，半锥角为10°。依据表2，100 kW电功率所需AMTEC组件的质量和面积分别为1000 kg和8 m2。考虑夹芯板布局设计，AMTEC、辐射换热接口近似为尺寸Φ1500 mm×1000 mm的柱面。辐射换热接口采用薄C-C板设计，其质量相对其他分系统可忽略。散热板的排热功率为300 kW，工作温度和发射率分别取650 K和0.9，预估散热板面积(单面辐射)为33 m2，近似为尺寸Φ2000 mm×5000 mm的柱面，总质量约600 kg。此外，将运行控制系统和支撑连接等其他物项的总质量预估为500 kg。综上，系统的总质量预估为3800 kg，即不超过4 t(单位质量比功率不低于25 W/kg)。基于上述反应堆、屏蔽体、AMTEC及散热板预估尺寸，考虑一定装配裕量以及AMTEC冷端与散热板的部分重叠，全系统的包络尺寸预估为Φ3000 mm× 8000 mm。