空间核反应堆电源热工水力特性研究综述

代智文，刘天才，王成龙，张大林,*，田文喜，秋穗正，苏光辉

(1.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049；2.中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

随着未来太空探索任务需求的日益提高，以及太阳能供电在深空探索任务和星表探索任务中的局限性，空间核反应堆电源是未来太空能源应用的主要研究方向。目前主要研究单位有美国新墨西哥大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)、美国国家航天局(NASA)、美国能源部(DOE)、俄罗斯联邦原子能部等。我国的中国原子能科学研究院、西北核技术研究所、西安交通大学、清华大学等也开展了空间堆的相关研究。空间核设施主要包含放射性同位素电源(RTG)、空间核反应堆电源(简称空间堆)、核热核电推进等。根据太空轨道与星球表面所处的环境的差异性，如重力、散热方式、中子屏蔽方式等，空间堆又分为轨道空间堆和星表空间堆。

空间堆热工水力理论研究主要涉及以下方面：1) 空间堆系统稳态和事故瞬态特性研究；2) 冷却剂换热特性、单冷却剂通道及全堆芯的三维流动换热特性研究；3) 静态热电转换、动态热电转换(布雷顿循环、斯特林循环)装置特性分析。空间堆热工水力试验研究主要研究燃料元件热工性能，以及全堆芯尺度下启动、运行、瞬态和停堆等状态下反应堆的热工特性。本文针对空间堆热工水力特性进行研究。

1 空间堆发展概述

空间堆主要堆型有铀锆氢空间堆、热离子空间堆、液态金属冷却空间堆、气体冷却空间堆与热管冷却空间堆5种。铀锆氢空间堆是美国最早探索的设计路线，如SNAP系列，但20世纪70年代后不再发展该堆型。热离子空间堆的代表有俄罗斯的TOPAZ、美国的Space-R等，目前技术已非常成熟。液态金属反应堆多用于大功率(MW级)飞船设计，如美国的SP-100与SCoRe等。气体冷却空间堆多采用He-Xe气体的布雷顿循环，如普罗米修斯计划、俄罗斯的MW级空间核动力飞船等。热管冷却空间堆的方案较多，采用热管可有效避免空间堆单点失效，且具有较好的等温特性、高可靠性与保养成本低等特点，目前热管反应堆与斯特林转换器结合的方案是空间堆研究的热点方向，如美国的Kilopower计划等。我国的空间堆研究起步较晚，目前仍处于研发阶段，需开展大量的研究工作。

1.1 轨道空间堆发展情况

轨道空间堆主要用于为深空探测器和地球探测器提供能量。美国和俄罗斯提出大量的轨道空间堆设计，美国于1962年发射了第1个轨道空间堆SNAP-10A，但20世纪70年代后放射性同位素电源的迅速发展且常规化学能源能满足轨道空间探索需要，轨道空间堆的研究进展缓慢，美国于20世纪90年代提出了大量的轨道空间堆的设计方案，并开展了试验研究。同时期，苏联也开展了大量研究工作，研发了BUK、TOPAZ系列轨道空间堆，但由于苏联解体，研究被迫停止，直到2009年才重新提出MW级空间核动力飞船设计。2018年3月，俄罗斯公布了核动力巡航导弹“海燕”、深海无人核动力潜航器“波塞冬”两项战略武器，从技术来看，可能正是对该空间堆技术成果的应用。目前提出的轨道空间堆的主要技术参数列于表1。

1.2 星表空间堆发展情况

星表空间堆定位为“月球表面或火星表面”的核反应堆，用于给科研人员或未来人类殖民地提供能量支持。星表空间堆的运行环境与轨道空间堆有所不同，需考虑星球重力、温度、星表大气等影响。星表空间堆的环境热工参数列于表2。目前大功率的星表空间堆多采用非刚性展开设计，以提高运载火箭的空间利用率；运行时将堆芯埋入星表土壤以降低对周围设备和人员的辐射，降低反射层厚度，减少发射质量。目前提出的星表空间堆列于表3。

1.3 空间堆设计与发展趋势

空间堆设计过程中，需综合考虑堆芯类型、热电转换方式、辐射散热器等优缺点。热离子燃料元件技术比较成熟，但效率较低、寿期较短；液态金属冷却剂如NaK、Li等，由于金属沸点较高所以反应堆回路不需要加压，但存在冷却剂腐蚀泄漏的风险；气冷空间堆由于其设计特点，辐射换热器面积较大，并需加压到0.3～1.0 MPa，存在气体密封等问题。静态热电转换技术相比于动态热电转换技术更加成熟，且体积、重量非常小，缺点是转换效率低；动态转换效率较高，但转换装置及辐射散热器较大，增加了质量比功率，使得空间堆的经济性变差。

表1 轨道空间堆主要技术参数

表2 星表空间堆设计环境热工参数

目前空间堆通常要求达到15 a的使用寿命，所以要考虑到太空极端条件下和反应堆事故情况下的生存能力。图1示出目前空间堆的主要设计方案按部件、转换形式、研发时间等因素的分类情况，由于20世纪90年代末斯特林热电转换器技术的成熟以及高温热管独特的优点，热管冷却空间堆与斯特林相结合的方式成为了空间堆设计发展的热点。

表3 星表空间堆的主要技术参数

图1 空间堆分类与设计方案

图2示出轨道空间堆和星表空间堆设计的主要参数指标(质量比功率、堆芯出口温度、材料)之间的关系：对于轨道空间堆，质量比功率越低，发射成本越低；堆芯出口温度越高，热电转换效率越高，但对堆芯材料的要求越高；堆芯出口温度在1 000 K以下时，结构材料可使用不锈钢以降低成本和提高运行可靠性。星表空间堆一般利用地表土壤屏蔽或作为反射层，可极大降低反应堆重量，质量比功率40 kg/kW之下的星表堆堆型的竞争能力较强[21]，同样在堆芯出口温度1 000 K以下情况可使用不锈钢以降低成本。目前研究方向趋向于质量比功率、堆芯出口温度相对较低的设计方案。

图2 温度对轨道空间堆(a)和星表空间堆(b)的影响

尽管空间堆具有广阔的发展前景，但也面临诸多挑战：1) 虽然空间堆应用潜力巨大，但由于目前使用化学能源就可满足需求，空间堆发展与研制依旧缓慢；2) 投资过高、技术复杂、对耐高温材料依赖大且研发周期过长，目前研究方向趋向于低成本、研发周期短、较为成熟的技术的设计方案，如热离子转换技术、高温热管技术、先进斯特林转换器(ASE)技术等；3) 太空环境恶劣，任务风险高。目前热门的空间堆设计采用多回路、模块化的设计方案，发生事故时可保持空间堆在低功率下运行，避免单点失效，降低单次发射失败的损失。

2 空间堆热工水力特性研究

在空间堆热工水力特性理论研究方面，主要进行的研究有：1) 空间堆系统热工水力安全分析。由于空间堆的结构、运行环境、废热排出方式等与常规反应堆有较大差异，适用于空间堆系统安全分析的通用程序很少，研究人员多通过开发专用的系统分析程序对特定的空间堆系统进行研究。2) 冷却剂的换热特性、单冷却剂通道及全堆芯的三维流动换热。冷却剂包括金属冷却剂、气体冷却剂、高温热管等。3) 静态、动态热电转换装置特性分析，包括热离子燃料元件、斯特林转换器、布雷顿转换装置等。

在试验研究方面，主要进行了燃料元件热工性能分析以及全堆芯尺度下空间堆启动、运行、瞬态行为和停堆等工况的系统响应情况研究。

2.1 热离子空间堆热工水力特性

热离子空间堆(简称热离子堆)是目前研究较为成熟的一种空间堆，其特点是采用了堆内热离子转换燃料元件(TFE)，如俄罗斯的TOPAZ-Ⅱ与美国的Space-R等。

在热离子堆理论研究方面，多数研究集中在俄罗斯设计的TOPAZ系列堆型上，系统性研究了热离子堆的启动、稳态运行和各种事故工况下反应堆的响应情况(表4)。

在堆芯及装置局部精细模拟方面，邹佳讯等[40]使用FLUENT软件建立了TOPAZ-Ⅱ堆芯的三维流动换热模型，得到了堆芯三维流场与温度场分布。黄东兴[41]对TFE燃料元件的温度分布及输出伏安特性进行了研究，计算了二极管的发射极与接收极沿轴向的温度分布、电压分布、电流密度分布以及输出电流与输出电压的关系。

在试验研究方面，目前的试验大多围绕单个TFE燃料元件热电特性展开。TFE试验的试验台架最初是在俄罗斯科学工业协会(LUTCH)搭建并测试，后来在TOPAZ国际计划(TIP)期间在美国重新组装，主要有两个试验：V-71试验和Ya-21u试验。V-71试验是TFE的早期设计，Ya-21u试验对电极间距、Cs蒸气系统等进行了改造。俄罗斯进行了局部燃料元件特性试验与全堆尺度的核加热与电加热的试验，如在Rig试验台架[42]进行TFE燃料元件性能分析，在Baikal试验台架[43]进行TOPZA-Ⅱ电加热测试，并开发了热离子堆仿真程序，但相关文献较少。Paramonov等[44]利用YA-21试验台架研究了TFE燃料元件在填充气体有杂质时的工作情况，发现污染气体的进入会降低发射极温度和输出负载电压。美国海军研究生院[45]进行了单根TFE燃料元件电加热试验，并用试验数据对热工模型进行了验证。目前试验大多集中于单根热离子燃料元件的稳态热工分析，有关单根热离子及全堆尺度的瞬态热电分析较少。

表4 TOPAZ热离子堆热工水力特性研究进展

综上所述，美俄均对热离子堆开展了大量的理论和试验研究，中国原子能科学研究院、西安交通大学等也正在进行有关的研究工作。目前热离子堆的技术已相当成熟，但相关的试验数据文献较少，由于其功率低(3～5 kW)、寿期短(<5 a)和转换效率低(<6%)等问题，满足不了现实需求，已逐渐被新型反应堆技术所取代。未来研究方向趋向于多维物理场耦合研究、堆芯精细化数值模拟的相关研究工作。

2.2 热管冷却空间堆热工水力特性

热管冷却空间堆(简称热管堆)的种类繁多，但基本结构相似，是近几年研究的热点，如SAIRS、HP-STMCs和刚完成地面试验的Kilopower计划等。

在热管堆理论研究方面，研究了热管堆系统的稳态与瞬态响应特性，如热管堆启动、稳态运行、控制鼓故障、热管部分丧失、斯特林转换器失效等。Gaeta等[46]对热管堆各部件进行了简化建模及稳态和事故条件下瞬态研究。NASA与LANL研究了Kilopower的系统的响应特性[47-48]。刘松涛等[49]基于SAIRS研究了其控制鼓故障导致的反应性引入、热电转换装置失效和辐射散热器部分丧失等事故，其计算结果肯定了SAIRS的安全性。田晓艳等[50]研究了双模式热管堆在推进模式和电源模式时，芯块最高温度、高温下氢气物性和固体燃料多流程不同推进器通道之间的多维耦合换热，以及在推进模式时，反应性引入事故和堆芯失流事故下的系统安全特性[51]。李华琪等[52]建立HP-STMCs的堆芯稳态热工模型，并基于CFD的UDF添加了反应性反馈模型和功率瞬变模型。

在堆芯及装置局部精细模拟方面，多通过CFD对堆芯精细化建模，Kapernick等[53]利用FLUENT对3～6根燃料棒束包围热管的燃料组件进行了模拟，得到燃料组件三维温度分布。张文文等[54]利用FLUENT的UDF对新型热管堆堆芯进行了稳态模拟，得到了控制鼓意外转动与单根热管失效情况下的堆芯温度分布。热管方面主要研究了热管启动、稳态运行及各种传热极限等，1965年，Cotter[55]首先较为系统地研究了热管的理论模型、工作方程和毛细极限，奠定了热管的理论研究基础。Beard等[56-57]基于Kilopower计划的需求，对空间堆中常用的3种热管(水热管、碱金属热管及脉动热管)进行分析和对比，分析了常规沟槽吸液芯结构的热管在空间堆任务中的局限性，对新型混合丝网槽热管进行试验研究。王成龙等[58]采用有限元方法对热管瞬态启动特性进行数值模拟，启动过程采用Cotter热管极限理论判定热管的启动状态。胡攀等[59]利用有限元法分析了燃料组件的接触热阻对传热的影响。由于热管启动的复杂性和结构的特殊性，目前热管堆的CFD研究多针对于堆芯组件，热管并没有较为准确的CFD计算方法。斯特林热电转换器方面主要研究了其冷热端温度变化时的响应特性，FAN等[60]研究了斯特林转换器的热端与冷端温度对热电转换效率的影响。梁光照[61]总结了斯特林转换器内部各部件的运动方程与系统稳定运行的判别条件等，并通过12.5 kW斯特林转换器试验结果验证了仿真分析的正确性。Kilopower项目采用了Sunpower公司为空间项目专门开发的先进斯特林转换器(ASC)[62]，但该型转换器部件参数与仿真过程由于涉密未向外公布。

图3 HPR-1 试验装置

在试验研究方面，NASA在马歇尔太空飞行中心的裂变试验装置(EFF-TF)上开展了相关试验[63-64]。该试验分为组件级与堆芯级试验(SAFE-30/100)，完成了30 kWt、100 kWt功率下的试验研究[65-66]。组件级试验用于研究电加热堆芯、热管等器件的性能及制造方案，为堆芯级试验提供经验支持；堆芯级试验用于评价热管部件和系统可靠性、验证热工分析程序、验证堆芯的排热能力。2005年进行了HPR-1试验[67]，HPR-1结构与HOMER结构近似，热管束蒸发段与堆芯连接，冷凝段浸入冷却水池中，如图3所示，通过试验分析了热管堆的启动、稳态运行、改变功率、停堆等工况。2012年进行了DUFF试验，如图4所示，该试验台采用了半球型反射层，位于反射层中心的239Pu核燃料通过水热管与外部的斯特林转换器连接，测试了单个斯特林转换器及单根热管从堆芯的稳态与瞬态传热情况，验证设计的可行性[68-69]，但该试验并没有考虑斯特林转换器和热管的连接方式。2015年进行了更加系统性的试验KRUSTY，试验装置如图5所示。结果显示，堆芯温度与斯特林转换器热端温差约为200 K，当关闭全部斯特林模拟器，单靠两个斯特林转换器可产生120 W电功率[70-72]，但该试验未考虑到影子屏蔽的影响，且斯特林转换器和热管接触的热损失过高。

图4 DUFF试验装置

图5 KRUSTY试验装置

综上所述，热管堆由于其优势得到了快速发展，是目前研究的热点方向，但也存在一些问题：1) 目前研究仍无法完整、准确地模拟热管的瞬态过程，且基于空间堆应用的热管模型多采用沟槽吸液芯式热管建立，其他类型热管计算模型研究较少；2) 目前热管堆系统分析大多是基于静态热电转换装置进行的，使用动态转换装置的热管堆相关分析较少；3) 国外已开展了大量热管堆的试验研究，国内对热管堆的研究大多处于理论方面。

2.3 液态金属冷却空间堆热工水力特性

液态金属冷却空间堆(简称液态金属堆)的早期研究主要关注SP-100型液态金属堆，近期的研究热点是El-Genk等提出的SCoRe设计，该空间堆设计具有堆芯温度低、质量比功率低等优点，并采用独立冷却剂回路设计方案，可避免单点失效。

液态金属堆的理论研究方面，El-Genk等[73-76]通过开发系统分析程序SNPSAM对SP-100的稳态与瞬态过程进行了分析。该团队又通过MATLAB SIMULINK建立了SCoRe的动态仿真系统(DynMo-TE)，分析了该液态金属堆的启动过程热电特性和功率负荷响应能力[77]。Fletcher等[78]利用热工水力分析程序ATHENA对SP-100的电磁泵事故、热管辐射散热器失效事故进行了研究。

在堆芯及装置局部精细模拟方面，Schriener等[79]建立了SCoRe-N5的三维中子热工水力耦合模型，计算了全堆芯的温度分布。2015年，Schriener等[80-83]利用STAR-CCM+对SCoRe的固体堆芯改进型SC-SCoRe开展了大量研究：分析了NaK-56与NaK-78两种金属冷却剂的换热特性，基于Alanov和Ushakov圆通道NaK冷却剂的Nu计算公式进行修正，得到了三瓣型冷却剂通道的Nu关系式；对三瓣型堆芯冷却剂通道进行精细化建模，对不同的湍流处理模型进行了分析，分别研究了两层可实现的κ-ε模型、切应力输运(SST)κ-ω模型和大涡模拟模型(DES)对计算结果的影响；分析了堆芯入口腔室内冷却剂流动混合及温度分布，研究了当使用两种堆芯结构材料(316L和ODS-Mo)时的全堆芯三维温度分布。

综上所述，早期SP-100的相关试验研究由于涉密原因美国国防部没有公布，近期的研究工作大多是El-Genk等对其提出的SCoRe设计进行研究，目前仍处于概念设计阶段。基于空间堆的液态金属冷却剂流动换热特性的试验研究较少，目前对液态金属堆的研究大多通过CFD方法，通过CFD精确模拟对理论设计方案进行修正。

2.4 气体冷却空间堆热工水力特性

气体冷却空间堆(简称气冷堆)多用于核热推进，采用气冷堆设计的空间堆有美国的普罗米修斯计划、S4等，动态热电转换装置多采用He-Xe气体布雷顿循环(CBC)。俄罗斯在MW级空间核动力飞船方面做了大量的研究工作，并在核动力巡航导弹与深海核动力无人潜航器等方面得到了应用，但由于设计技术保密等因素，文献及报道很少。

在气冷堆理论研究方面，El-Genk等[84-85]研究了S4的CBC系统的动态特性，在DynMo分析程序的基础上添加了布雷顿循环分析模块与PID控制器，通过该程序得到了S4的启动时间、稳态运行的功率、热效率、布雷顿转换器的透平及压气机热工参数等。但由于S4仍处于设计阶段，设计数据有限，该结果仅粗略验证了DynMo的分析能力。King等[86-88]计算了S4的不同吸收材料对空间堆温度、燃耗反应系数与寿期的影响，用Solidworks的FloWorks插件计算了S4堆芯的温度和压力的三维分布，通过计算结果对早期堆芯设计进行优化，改进冷却剂通道以展平堆芯温度分布，提高了反应堆的安全性。美国海军反应堆主承包商团队(NRPCT)[89]对普罗米修斯计划进行了详细研究，对比MATLAB、RELAP5-3D和TRACE在系统分析中的局限性，并通过上述3种系统分析程序对反应堆启动、稳态运行及各种事故等工况进行瞬态模拟，对布雷顿循环系统进行了详细的分析计算。游尔胜等[90]在高温气冷堆研究基础上，对反应堆结构、工质材料、运行参数等进行了热工分析，提出一种气冷球状堆在空间应用设计方案。

El-Genk等[91-92]对惰性气体及其混合气体进行研究，比较了它们的物性及在布雷顿循环中各自的优劣势，但该分析都是基于气冷堆核电站的运行环境。李杨柳等[93]基于He-Xe混合气体物性、传热关系式、摩擦系统等研究开发了He-Xe冷却剂的单通道分析程序，并通过试验数据验证了程序的正确性。李智等[94-95]对布雷顿转换系统进行研究，提出了适用于太空的循环比功最优化方案，并研究了混合工质成分变化对布雷顿循环的影响。郭凯伦等[96]以MW级核电推进系统布雷顿循环使用的多种工质及其混合气进行研究，分析了不同比例混和下气体的热物性、布雷顿循环效率。Juhasz等[97]对布雷顿系统的辐射散热器进行计算，得出换热面积与冷端温度的关系及辐射散热器温度的分布。目前由于运载能力、空间电力需求、气冷堆相关技术不够成熟等原因，对气冷堆的研究仍停留在理论研究层面，试验研究并没有相关文献披露。

综上所述，目前气冷堆在核热推进方面研究较为深入，相比于前几种堆型，采用气冷的空间堆设计不多，其设计仍处于概念设计阶段，如美国的普罗米修斯计划进行几年后便停滞，直到2015年才提出最终设计方案。俄罗斯的研究相对较为深入，但向外披露的文献与数据极少。

3 结论

空间堆相比常规能源具有质量比功率低(10～200 kg/kW)、功率高(kW～MW量级)、寿期时间长(>10 a)等优点，在未来的空间探索中具有极大的应用前景。国外尤其是美国和俄罗斯提出了大量的空间堆设计，并在理论设计和试验研究上开展大量的研究工作，但空间堆发展与研制依旧缓慢，任务风险高、投资过高、技术复杂、研发周期过长是目前空间堆发展面临的主要问题。早期热离子堆技术发展已经成熟，而气冷堆与液冷堆的研究较少，目前热管与斯特林转换器结合的方案是空间堆设计的热门方向。

空间堆热工水力研究方面，美俄均对热离子堆开展了大量的理论和试验研究，但相关的试验数据文献较少，未来研究方向趋向于多维物理场耦合研究。热管堆基于动态转换装置的系统特性分析不够全面，局部部件如热管、斯特林转换器等还需进一步研究。基于太空条件下的液态金属冷却剂流动特性研究不够充分，采用CFD模拟数据难以得到验证。总体上空间堆热工水力试验开展较少，大部分反应堆设计仍停留在概念设计阶段。

深空探索对于我国的国民经济和国防战略均具有举足轻重的地位，空间核动力研究对我国航天事业具有重要的意义。本文认为我国发展空间堆应从以下3个方面重点开展：1) 应针对我国航天研究实际情况论证需求，如火箭运载器载重能力、探测设备需求的功率、空间堆所处环境(用于星表或轨道探测器)等，明确空间堆的技术指标；2) 根据技术指标，设计顶层设计框架，建立科学的空间堆研究体系与方法，选择合适的空间堆类型进行详细的方案设计；3) 由于我国空间堆相关研究起步较晚，关键部件的研究应在较为成熟的技术中进行选择，如热离子技术、热管技术、热电偶转换技术等，并选择适当的研发方案。