空间核反应堆安全分析

2019-12-30张一帆曹良志郑友琦

上海航天 2019年6期

张一帆，屈伸，曹良志，郑友琦

（西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049）

0 引言

空间反应堆电源的应用大大提高了航天器的适应性和工作能力，拓宽了航天器的应用领域，为航天技术的发展提供了新的空间[1]。美国及苏联于20 世纪50 年代开始了空间反应堆电源的研究，并成功发射了30 多颗使用核反应堆作为电源的卫星[2]。目前世界上多个国家正积极开发大功率核反应堆电源，用于航天器推进与供电。本文以自主设计的MW 级热管型空间反应堆（以下简称热管堆）为例，采用目前国际上公认的蒙特卡洛方法进行中子学分析[3]，采用确定论方法进行瞬态模拟，进行了典型的水淹和沙埋事故分析，与单根控制鼓旋转瞬态过程模拟，验证了在特定事故工况下所设计的空间堆的安全性能。

1 堆芯设计方案

本文所分析的对象为自主设计的一种MW 级热管型空间反应堆。图1 给出了采用该反应堆燃料组件的设计简图[4]。该组件将热管元件嵌套在管状燃料元件当中，呈现一体式结构。相对于国际上成熟的、研究较多的热管堆堆芯设计方案SAIRS、HPSTMCs、S4、SCoRe[5]等，这种采用嵌套一体式燃料热管组件的设计增大了堆芯的冷却，从而使得热管堆中热管的热效率大大提高。

图1 单根热管组件设计简图［5］Fig.1 Single heat pipe design sketch［5］

由图1 可见，热管按照径向由内而外可分为蒸汽腔、内管壁、吸液芯、外管壁4 部分。蒸汽腔中充有Li 蒸汽，吸液芯和内外热管壁的材料均为Mo-Re合金。外部的燃料组件可分为内包壳、管状燃料以及外包壳。内外包壳材料均为Mo-Re 合金。该合金为谱移吸收体材料[6]，可在热管堆发生水淹和沙埋事故时，有效吸收热管堆慢化的热中子，从而防止堆芯重返临界。燃料热管组件按照轴向可划分为3 段（包覆燃料管的部分为热管的蒸发段，液态金属Li 吸收燃料裂变热后蒸发；Li 蒸汽沿蒸汽腔流经绝热段；到达冷凝段后，Li 蒸汽放出汽化潜热，重新冷凝为过冷液态Li 后，经吸液芯回流到蒸发段），从而实现将活性区裂变热带出堆芯的目的。设计方案选用235U 富集度为90%的UN 材料，燃料管内径为1.23 cm，外径为1.28 cm。同时在堆芯活性区中心[7]设计安全棒，起到紧急停堆的作用。其安全棒结构设计如图2 所示，参数如表1 所示。

图2 热管堆安全棒结构示意图Fig.2 Safety rod structure of heat pipe reactor schematic diagram

2 稳态安全分析

2.1 水淹、沙埋事故工况下的堆芯安全性分析

水淹和沙埋事故工况是空间堆发生燃料再入事故（即发射失败，热管堆再次进入大气层事故）后的两种严重事故工况[8]。本文采用蒙特卡洛方法对热管堆水淹和沙埋事故工况进行稳态计算分析。

假设堆容器壁没有破裂，即海水并未进入堆芯。此时堆芯所处环境如图3 所示，假设在水淹工况下，堆芯被海水所包围；在沙埋工况下，堆芯被湿沙所包围。堆芯触发停堆信号，6 个控制鼓起最大控制作用，安全棒处于弹出状态。

图3 水淹或沙埋事故工况下的堆芯结构Fig.3 Core structure under water flooded or sand buried accident conditions

计算了外部水淹和外部沙埋工况下的堆芯有效增殖系数，并与外部真空（太空中正常工况）工况下的结果进行对比，见表2。表中的0°表示6 根控制鼓均正对堆芯。

表2 热管堆在水淹或沙埋事故工况下堆芯keff比对Tab.2 keffof heat pipe reactor core under water flooded or sand buried accident conditions

由表2 中的对比计算可以发现：在外部水淹的工况下，堆芯会引入296 pcm 的正反应性；在外部沙埋的工况下堆芯会引入481 pcm 的反应性。由于泄漏出来的中子，在外部的海水或湿沙原子的散射作用下得以慢化，使得有一定的几率反射回堆芯。湿沙的慢化作用强于海水，因此，沙埋工况对安全性影响更大。

但是，本文设计的热管堆中有大量的结构材料及包壳材料Mo-Re 合金[10]，该材料为谱移吸收体材料，拥有较大的热中子吸收截面，热中子的吸收截面是快中子吸收截面的103～104倍，因此，堆芯活性区的能谱并不会随外部水淹或沙埋事故工况的影响而变软。反之，堆芯活性区的能谱仍然偏硬。将正常工况、水淹事故工况以及沙埋事故工况下的堆芯平均能谱进行统计，如图4 所示。

图4 热管堆堆芯归一化平均中子能谱比对Fig.4 Normalized mean neutron energy spectrum ratio in heat pipe core

通过能谱对比可以看出：正常工况下，热管堆的能谱偏硬；水淹和沙埋事故工况的引入会使能谱软化，但是由于谱移吸收体材料的存在，使得其影响并不显著；沙埋下的热管堆堆芯平均能谱相对于水淹事故下的平均能谱较软。因此，堆芯外部水淹或者沙埋事故工况，对堆芯活性区的以及能谱的影响并没有太大。由此看来，谱移吸收体材料对热管堆在事故工况下起着相当大的保护作用。

2.2 水淹和沙埋混合事故工况下的堆芯安全性分析

热管堆发射失败或失控状态下，坠入大气层最终掉落沙滩是另一种事故工况，即混合事故工况。

2.2.1 热管堆外壁未破裂

热管堆掉落沙滩事故工况下的堆芯结构示意图如图5 所示。由图5 可见，堆芯下部外侧被湿沙所包围，堆芯上部外侧被海水所包围，沙子与海水间有一条分界线。该模型较为简单，为水淹沙埋混合事故工况的分层模型。设置分界线位置的高低，可以进行热管堆在不同混合事故工况下堆芯的临界计算。

图5 水淹和沙埋混合事故工况下的堆芯结构图Fig.5 Core structure under mixed accident conditions of water flooding and sand burial

计算结果如图6 所示。统计误差为24 pcm，该统计误差的影响使得堆芯有效增殖系数曲线并不很光滑。由图6 可以看出，当采用分层模型时，水淹和沙埋混合事故工况下的堆芯keff位于外部纯水淹或外部纯沙埋单一事故工况下的堆芯keff之间。

图6 水淹和沙埋混合事故工况下的堆芯keff变化曲线Fig.6 Core keffcurve under mixed accident conditions of water flooding and sand burial

在混合事故工况下，堆芯依然会引进一个正反应性，但是该正反应性的最大值为外部沙埋事故工况下引进的正反应性。因此，若能保证外部沙埋工况下，堆芯不会发生重返临界就能保证混合事故工况下堆芯的安全性。

2.2.2 热管堆外壁破裂

热管堆外壁破裂、沙水混合物进入堆芯时的示意图如图7 所示。此时，外部及热管中均被沙水混合物充满，该模型为打混模型。

图7 沙水混合物进入堆芯示意图Fig.7 Diagram of sand-water mixture entering core

调整海水和湿沙的质量比，计算堆芯keff，结果如图8 所示。由计算结果可以看出，沙水混合物进入堆芯后会引入一个正反应性。混合物中海水的质量份额在50%左右，引入的反应性最大。此时为危险时刻，堆芯keff为0.967 32，引入的正反应性为588 pcm。

图8 堆芯keff变化曲线Fig.8 Core keffvariation curve

3 热管堆瞬态安全分析

热管堆全堆芯建模示意图如图9 所示。考虑热态满功率状态下单根控制鼓旋转的瞬态过程。瞬态过程是由1 号控制鼓在2 s 内顺时针旋转30°所引起的。采用自主开发的确定论瞬态分析程序TMACS进行模拟计算分析，计算中考虑了热工反馈和膨胀反馈。

图9 热管堆全堆芯R-Z 几何模型Fig.9 R-Z geometric model of the whole core of the heat pipe reactor

扰动的初始时刻为10 s，终止时刻为12 s，时间步长为2 ms，瞬态过程持续到100 s 结束。堆芯热态为满功率，即3 MWt。图10 给出了瞬态计算结果，包括相对功率、燃料平均温度、反应性、冷却剂平均温度随时间的变化。

从图10 中可以看出，当1 号控制鼓旋转后，功率升高引起燃料温度升高，随即通过燃料温度系数引入负反馈使得功率水平立即下降，此时热管中的冷却剂温度在缓慢的变化，并且堆芯随之膨胀，导致功率水平略微上升。由于燃料温度变化过程较快，导致功率曲线存在持续时间非常短的功率峰值，达到113.8%的额定功率水平。在这两种负反馈的作用下，堆芯的功率水平逐渐降低，直至稳定在新的平衡状态。