核热火箭反应堆燃料技术的国内外研究进展

李司宇 霍红磊

摘   要：核热火箭是人类执行火星计划以及其后任务可行且有效的推进方法。在美国和前苏联开展了一系列核热火箭研发计划，并且进行了相关的核热火箭燃料的测试。其中的一些计划还达到了发动机地面试验的程度，技术成熟度达到6级，这些计划进行了多种燃料形式的开发，包括石墨基体燃料及复合燃料，CERMET燃料，颗粒状燃料，混合碳化物燃料等。核热火箭的性能是直接与材料性能和核燃料有关的。未来，工程师们可以参照以前的设计，创造出效率更高，性能更好的推进系统。本文报告归纳总结了迄今为止，美国和前苏联的核热火箭燃料种类、燃料元件形式及优缺点，以期对今后国内选用堆内燃料形式提供参考。

关键词：核热火箭  六棱柱状  颗粒状  扭条状  珠状  球状  线状

中图分类号：TL351                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0122-05

Abstract： Nuclear Thermal reactor is a viable and effective way to implement the Mars program and its subsequent missions. The United State and the former Soviet Union carried a series of development plans and conducted tests on related nuclear heat propellant fuels. These plans have been developed in a variety of fuel forms including： graphite matrix fuels and composite fuels， CERMET fuels， particle fuels， mixed carbide fuels， and so on. The performance of a nuclear thermal rocket is directly dependent on the material properties and create more efficient and higher performing systems for the future. This report summarizes the development efforts to date on NTP fuels and fuel forms both by the U.S. and former Soviet Union，and helps engineers to more specifically select the form of fuel elements in the reactor.

Key Words： Nuclear Thermal reactor; Hexagonal prismatic; Particles; Twisted-ribbon;Beads; Spheres; Wires

1  引言

核热火箭是利用核能将工质加热到很高的温度，然后通过收缩扩张喷管将工质加速到超音速，从而产生推进动力的先进推进系统。核热火箭推力大、比冲高、工作时间长，能够降低近地轨道的初始质量（IMLEO）和增大载荷质量份额，在载人深空探测、大型星际货物运输等方面有广阔的应用前景。在美国航空航天局（NASA）最新发布的火星参考任务文件5.0中，核热火箭再次被选为载人探索火星的推进动力[1]。经分析，把化学推进改为核热火箭后可将IMLEO由1250t降低至800 t左右[1]，从而大大降低了发射成本。

2  核热火箭燃料的要求及分类

燃料元件是核热火箭反应堆的最核心部件[2]，核热火箭反应堆是开放式的氢气冷却的高温反应堆，对燃料的要求与一般的反应堆有很大的不同。核热火箭的燃料需要满足的特性要求如下[3]：

（1）高温稳定性（超过2700K下可以坚持1000s以上）;

（2）與高温氢气的化学相容性;

（3）足够的机械/结构强度;

（4）抗热冲击能力强，热循环能力较好;

（5）合适的失效裕度;

（6）能够在可接受的质量保证和控制下制造;

（7）运行条件下的裂变产物包容;

（8）可以适应双模式应用;

（9）鲁棒特性，可扩展应用于其他类型反应堆。

核热火箭燃料化合物形式有氮化物、氧化物或者碳化物，由于其在高温下蒸发率较高、易与氢气反应等原因，单独的燃料化合物形式不能直接应用于核热火箭反应堆中，通常需要包含在基体材料中，或者与高熔点金属化合物混合。

核热火箭反应堆中的燃料元件可以被设计成多种形状，有六棱柱状、扭条状、球状、颗粒状、珠状、线状等。图1中展示了历史上美国和前苏联在核热火箭燃料方面发展的时间线。

按照基体材料的种类和有无，核热火箭的燃料主要分为石墨基体燃料[4]、CERMET燃料[5]和混合碳化物燃料[4]三类。石墨基体燃料，是将燃料均匀弥散在石墨基体或者碳化物石墨复合基体（C—ZrC）中做成的燃料（后一种情况一般简称为复合燃料）;CERMET燃料是将UO2或UN燃料弥散在难熔金属（Mo或W）基体中做成的燃料;混合碳化物燃料是含有铀的二元或多元碳化物燃料，即是多种碳化物（ZrC、NbC、TaC等）与UCx的混合相。三种燃料如图2～4所示，从图中可以看出，其均有不同形状的元件方案。图5给出了各种燃料的运行寿期与运行温度的初步预计关系，从中可以看出，三种燃料运行温度均已超过2200K，混合碳化物燃料运行温度最高，CERMET燃料次之，石墨基体燃料运行温度最低。

美国和前苏联在冷战时期均针对核热火箭燃料开展了大量的研究工作，美国研究最多的是在Rover/NERVA工程中开发的六棱柱形石墨基体燃料（图2左下），其次是Rover/NERVA工程备用燃料——六棱柱形的CERMET燃料（图3右上）以及SNTP工程研发的混合碳化物颗粒燃料（图4右上），前苏联则主要集中研究扭条状的混合碳化物燃料（图4右下）。从2011年开始，美国根据本国情况将复合燃料和CERMET燃料作为下一步核热火箭计划的备选燃料，对这两种燃料进行了技术改进和进一步研究。俄罗斯尚未公开透露进行最新的核热火箭燃料的相关研究计划。

3  各种燃料元件的发展情况

3.1 Rover/NEVRA石墨基体燃料元件的发展

Rover/NEVRA期间开发了四种燃料元件形式（见图6），第一种燃料（图6 左上）是由其中填充了UO2或UC2燃料颗粒的石墨燃料做基体，由NbC做元件外层涂层。裂变产物不会存留在没有涂层的燃料颗粒中。裂变产物会引起石墨燃料基体的错位，会使早期燃料元件运行期间产生大量裂缝[6]。开发外包有热解碳涂层的UC2（图6右上）球颗粒，有助于保留裂变产物并减少燃料裂缝。

在Rover/NEVRA计划实施期间，开发的最优的燃料元件是复合燃料（图6左下）。复合燃料形式热膨胀系数与燃料元件涂层更为接近。这可以缓解因热应力和燃料元件基体的腐蚀而造成的燃料损伤。复合燃料元件形式被认为是有比石墨燃料元件更好的能力去抵抗氢气流造成的损伤[6]。

3.2 CERMET燃料元件计划

CERMET燃料元件与Rover/NEVRA计划中的石墨基体燃料的开发同时进行，这两种燃料元件虽然保持相似的几何形状，但是燃料元件基体材料不同。CERMET燃料的元件基体材料是由钨/钼材料构成的。由于钨的高熔点和与燃料较高的相容性，钨基燃料元件是最快发展的CERMET燃料。

CERMET燃料因为其较好的高温强度和耐久性而有很大的发展潜力。非核试验表明，基于钨的CERMET燃料可以在3000K条件下运行长达50h。钨不会与氢气发生反应，这使得CERMET燃料比Rover/NEVRA计划中的石墨燃料有更好的包容裂变产物的能力。

3.3 颗粒状燃料元件的发展情况

在20世纪80年代末，空间核热火箭计划（SNTP）要求开发用于太空的核热火箭颗粒燃料元件。这种元件具有多种涂层的小型（400～450μm直径）UCx颗粒球，并且逐渐追求先进的混合碳化物燃料颗粒元件。这些小颗粒元件可以提供更多的换热表面积，并且会提高燃料运行温度和氢气出口温度，从而将比冲增加到900～950s的程度[6]。

基体燃料颗粒有三层包覆结构。其最外层的涂层是ZrC。最内层的燃料是由直接附着在燃料核心上的多孔碳层和围绕着多孔层的致密碳层组成。除此之外，还考虑了三种其他不同的先进燃料：渗透核颗粒燃料（IK），混合碳颗粒燃料，间隙分散体颗粒燃料（ID）。IK和混合碳燃料颗粒是1993年计划结束时最广泛推崇的燃料元件。

3.4 扭条状燃料元件形式

前苏联在核热元件开发上的进度与美国的进度相比具有竞争力，前苏联测试了许多不同的燃料几何形状和成分。在20世纪80年代末90年代初的项目重点关注了三种形式的燃料元件：二碳化物（二元碳化物），三碳化物（三元碳化物），和碳氮化物[6]。三元碳化物燃料被证明是最有前景的燃料形式之一，据报道这种燃料形式可以在3100K下运行长达1h。

3.5 线状燃料元件

20世纪60年代，General Atomic 执行了一项有关结构紧凑、高性能的核热发动机的研究，这种发动机的燃料元件采用钨的线状燃料元件。通过用100μm的UN颗粒填充编织好的钨丝管形成燃料丝，并且将填充的管子锻造成900μm的长度。堆芯是由缠线交替在间隔线层上的线层构成的，这些间隔线形成了坚固的环形网格。线状快中子反应堆在设计上很紧凑，是因为它具有很高的表面积体积比。

4  结语

核热火箭推力大、比冲高、所需工质少、工作时间长，是未来深空探测的理想推进系统。燃料元件是核热火箭反应堆最关键部件，核火箭性能与其直接相关。分析了核热火箭推进的特性要求，并对三类不同基体燃料特性进行了比较分析，混合碳化物燃料运行温度最高，CERMET燃料次之，石墨基体燃料运行温度最低。对Rover/NEVRA石墨基体燃料元件、CERMET燃料元件、颗粒状燃料元件、扭条状燃料元件、线状燃料元件等五种燃料元件的开发情况和遇到的问题进行了调研分析，得出结论如下。

（1）复合燃料性能大大优于初期石墨基体燃料;

（2）钨基CERMET燃料熔点高，与氢气相容性好，裂变产物包容能力优于石墨基体燃料;

（3）PBR颗粒小，可以提供更多的换热表面积，并且会提高燃料运行温度和氢气出口温度，从而将比冲增加到900～950s的程度;

（4）混合碳化物及碳氮化物燃料性能极佳，3100K下可以运行长达1h;

（5）燃料元件延展性好，与间隔线形成环形网络，具有很高的表面积体积比，组成的快堆在设计上很紧凑。

参考文献

[1] Drake B G， Hoffman S J， Beaty D W. Human exploration of Mars， design reference architecture 5.0[C]//Aerospace Conference 2010，Piscataway： IEEE， 2010：1-43.

[2] 蘇著亭， 杨继材， 柯国土. 空间核动力[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2016.

[3] Gerrish Jr H P， Doughty G E， Bhattacharyya S K. Affordable Development and Qualification Strategy for Nuclear Thermal Propulsion[C]// 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Virginia： AIAA， 2013.

[4] Benensky K. Summary of historical solid core nuclear thermal propulsion fuels [D]. Pennsylvania： Pennsylvania State University， 2013.

[5] Clark J S， Mcdaniel P， Howe S， et al. Nuclear thermal propulsion technology： Results of an interagency panel in FY 1991[R]. Washington： NASA， 1991.

[6] Kelsa Benensky . Summary of Historical Solid Core Nuclear Thermal Propulsion Fuels[D].Pennsylvania： Pennsylvania State University， Auguet 16， 2013.