空间锂冷核反应堆锂解冻方案探析

李 清，李来冬，刘金宏，葛思淼，胡 古

（中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京102413）

为了进一步提高空间核反应堆电源输出功率和能量转化率效率，需要大幅度提高反应堆出口温度，锂工质成为高温反应堆的重要选择之一。锂作为空间核反应的冷却工质有相当多的优点：载热密度大，沸点高，密度低，导热性能好等等。锂冷堆并不是一个特别新颖的课题，对于锂冷堆国内外亦有许多相关的工作或研究。与Na-K工质相比，使用锂作为冷却剂需面对一个问题：锂高达454K的熔点使其常温下成固态，为了保证反应堆正常启动到达额定功率，必须首先对锂进行解冻工作。锂的地面解冻不存在技术难度，用密闭容器电加热即可，然而在太空之中对锂冷堆的解冻则存在诸多问题[1-4]。

对于液体金属锂冷却剂在空间堆领域的解冻研究，国内基本处于空白状态，国际上也只有美国在空间核反应堆电源SP-100的研制过程中开展了部分相关工作。核反应堆的锂工质解冻涉及到金属凝固学、热学、力学、反应堆物理、系统布局和设计等方方面面的问题，具有较高的实现难度和较复杂的系统集成问题。本文主要针对美国在SP-100研制过程中所取得的相关研究成果进行简要介绍，而后提出可能的解冻方案设想，并对其优缺点进行了比较和分析。

1 SP-100的解冻方案

SP-100太空核反应堆电源最初的任务是为20世纪80年代美国的战略防御计划（SDI）提供轨道电源。其设计可覆盖的功率范围为10kWe到100kWe，在研制过程中将100kWe作为典型设计方案。该方案采用锂冷却核反应堆和静态热电转换技术，通过主要组件和子系统的模块化设计满足用户的重量限制和功率水平要求。在研发过程中设计和开发团队针对系统功能在制造和测试技术方面取得了很多重大的进展，这些工作对于满足任务的性能、寿命、安全性和可靠性要求来讲至关重要。

SP-100系统和设备的功能布局如图1和图2。12个滑动反射层确定了反应堆的中子状态，并由单独的驱动机构分别控制，3个安全棒为一组由单个驱动器驱动。反应堆通讯多路转换器（MUX）单元与远程系统控制器硬连线，既接收传感器信息，又向反射层和安全棒驱动器提供控制电源。流入主传热系统（PHTS）的冷却剂锂首先通过气体分离/收集器（GSA），该气体分离器清除了反应堆内产生的氦气气泡。然后，冷却剂锂通过两个并联的热电电磁泵（TEM）流经两个平行的功率转换器（PCA），在此处，大部分锂传输的热量被消耗，以热电方式产生系统电力，PCA是包含发电SiGe热电电池的组件。主冷却剂热量通过PCA传给次级热传输系统（SHTS），次级热量传输系统随后将废热传输到热管散热器，热管散热器将废热传递到太空。除PHTS、SHTS和散热器外，还存在辅助冷却和解冻（ACT）系统，可以解冻固态锂从而使反应堆启动，并防止在冷却剂意外损失（LOCA）期间损坏燃料元件。PHTS和SHTS系统使用锂作为冷却剂，可以降低系统质量，而ACT系统使用NaK作为冷却剂以便获得较低的熔点使其保持液体状态。

图1 SP-100功能布局

图2 SP-100功能布局

SP-100在环境温度（300 K）下发射，PHTS和SHTS系统中的锂为固态，固态锂提供了刚性管道和组件，消除了液体晃动，从而提供了更安全的发射条件。进入轨道后必须先解冻整个系统，然后才能实现反应堆的正常运行。当系统解冻并加热到工作温度1375K时，其体积膨胀超过25%，然后在反应堆停堆时因为凝固体积收缩超过20%。为了应对如此剧烈的变化，系统需要设计相应的功能设备来适应锂的膨胀和收缩。在PHTS和STHS热传输系统中，设计了用于重复冷冻和解冻循环的体积补偿器。如图3所示，SP-100设置这些体积补偿器包括：反应堆本体1个解冻/体积补偿器、用于PHTS的12个PCA解冻/体积补偿器、用于SHTS的12个PCA解冻/体积补偿器，以及另外用于STHS的12个固定散热器处的解冻/体积补偿器。正如Cho等人所公开的那样，通过使用占PHTS总体积的1/3和占SHTS总体积的1/8的体积补偿器，来实现PHTS系统和SHTS系统的工作压力在整个使用寿命中的稳定和调节。

图3 SP-100气体分离器/收集器和体积补偿器布局

SP-100设置了辅助冷却解冻回路（ACT），ACT系统具有6条独立的主回路和12条独立的次级回路，它们均使用NaK作为冷却剂。如图4所示，由一条主回路和两条次级回路组成一套解冻回路系统，分别与PHTS系统和SHTS系统相对应，其中两条次级管路通过TEM泵和热电转换器组件（PCA）连接到一条主管路。通过沿PHTS系统和SHTS系统管路布局的主、次级ACT系统，可以实现锂的解冻和辅助冷却。ACT系统回路的冗余设置使得其中任何一条回路发生故障均不会损害解冻功能，同时可保证LOCA（失水事故）之后排出反应堆残留热量。由于NaK的低熔点（260K），ACT回路不会冻结，并且在反应堆启动后立即起作用，仅3个小时后，SP-100即可利用ACT系统的PCA提供的电力自我维持，不再需要电池支持。ACT系统使除反应堆容器和辐射器之外的所有SP-100组件解冻。反应堆容器通过堆芯核加热融化，辐射器通过孔板（bleed-hole）融化[5-6]。

图4 辅助冷却和解冻（ACT）回路

堆芯容器的解冻，通过核加热将温度升高至900K。热量通过堆芯内部ACT主回路的52个U型管传递出来，堆芯结构布置见图5。这些高温工质沿PHTS管道加热。二级ACT回路通过ACT的TEM泵和ACT的PCA从主回路接收热量，并在SHTS管道和固定散热器处加热。一旦PHTS回路完全融化，就会开始流动，但是由于SHTS流动散热不充分，PHTS和SHTS之间的温差接近零，因此压头很低。随着SHTS系统解冻前沿成功地解冻散热器解冻孔板，回路冷热端打通完成循环。SHTS回路解冻并且通过固定散热器开始散热，系统流量增加，反应堆热功率即可随之增加。之所以在散热器处添加孔板结构，主要是因为SP-100的解冻控制是全自动的，依靠温差发电的电磁泵会根据系统的温度对流量进行自动控制。此时为了保证系统的解冻速率与流量相匹配，在散热器处采取了被称为“bleed-hole”的孔板结构，来对解冻过程中的系统流量和解冻速度进行调节。

图5 堆芯结构布置

NaK的低熔点使ACT回路在反应堆停堆后仍可保持足够时间的熔融状态，以便PHTS系统和SHTS系统的锂重新解冻，保障反应堆可重新启动。例如，SP-100在满负荷运行一年后，由于反应堆衰变热，ACT回路在停机后2至6个月仍可继续运行。另外，反应堆再次启动时ACT系统的PCA可为所有系统提供初期电源[5,7]。

在SP-100的PHTS回路中，为324L的总容量提供了106L的解冻/体积补偿容量，为SHTS回路372L的总容量提供了48L的解冻/体积补偿容量。这些解冻/体积补偿器的作用是在10年的使用寿命中使得PHTS系统压力保持在9Psi至22Psi，SHTS系统压力保持在5Psi。由于在反应堆堆芯中的锂辐照会产生氦气，因此PHTS系统压力会从开始的9Psi逐渐升高，寿期末达到22Psi。但只要系统中有任何GSA连接到液态锂，就可以保持系统的无空泡状态。当反应堆热功率降低时，锂的温度也降低并且收缩，解冻/体积补偿器中较低的温度和较大的气体体积会降低系统压力。反应堆停堆后，温度降低，随着冷冻前沿的发展，液态锂数量将减少，而解冻/体积补偿器的数量也将减少。当最后一个解冻/体积补偿器冻结时，剩余的少量液态锂在没有解冻/体积补偿器的情况下开始冻结，并在功率转换器热交换器中形成小的空泡。这样形成的空泡可在融化期间容纳锂膨胀。PHTS系统以类似的方式从换热器开始逐步向反应堆堆芯进行凝固，冻结的最后位置是反应堆堆芯，体积收缩产生的空泡集中在堆芯处[2]。启动系统解冻后，反应堆堆芯中的小空泡会容纳锂膨胀，直到反应堆解冻/体积补偿器正常工作为止。一旦解冻/体积补偿器正常工作，它们就可以控制PHTS系统压力，并且液态锂中不会存在空泡。SHTS回路在功率转换器处开始加热，并且在冷冻过程中形成的小空泡容纳锂膨胀，直到SHTS系统管路的解冻/体积补偿器起作用为止。正确设计解冻/体积补偿器可确保其在凝固和融化过程中都能充分发挥功能。使用解冻/体积补偿器设计，可保证初始解冻和任何反应堆停堆后重启解冻。

2 锂的解冻和凝固特性

SP-100在环境温度约300K下发射，此时其PHTS系统和SHTS系统的冷却剂锂均为固态。进入轨道后必须先解冻整个系统，然后才能实现反应堆的正常运行。SP-100额定功率运行时PHTS与SHTS系统的温度分别约为1350～1375K和800～850K。考虑锂的熔点为454K，空间环境温度为250K的情况下，反应堆停堆后其热传输系统液态工质锂必将发生凝固现象。在锂工质凝固过程中体积收缩和工质中溶解的氦气原子的气泡成核会导致多孔或有空隙的结构。考虑凝固时形成的空隙分布方式可能不会和解冻顺序相一致，系统再启动解冻时，可能存在冷却剂管道、燃料棒以及堆芯容器壁的应力超过材料失效或损坏的应力限值隐患；以及熔化过程中形成热斑引起结构材料的热失效。所以要了解空隙的形成机理及其在重新融化期间对系统安全的影响是非常重要的。

美国在SP-100研发时期曾进行了一系列的锂解冻和凝固特性测试，下面对其所做的相关工作和取得的结果进行简要介绍。

测试设备如图6所示，以确认冻结时反应堆堆芯或功率转换器热交换器中锂的凝固/融化行为[8]。这个特定的测试系统对反应堆燃料束的一部分进行了建模。这些测试结果同样适用于功率转换器热交换器。

图6 锂融化/凝固特性测试装置

这次测试主要得出了以下结论：

（1）当固体锂收缩时，随着温度降低，不会形成可见的空泡。固态锂体积收缩看来会产生均匀分布的微观空泡。

（2）液态锂的体积变化，由于从液态到固态的相变而引起的体积变化形成可见的空泡。

（3）可见空泡的位置受冻结方向的强烈影响。不论几何形状和方向如何，始终在最后冻结的区域中发现空泡。

图7 所示为通过中子射线照相获得的锂在700K下充装而凝固的空泡分布型式图[8]。

图7 空隙在凝固锂中的分布型式

该实验结果显示，当锂从底部朝顶部冷冻时，大多数空泡出现在顶部。当从顶部朝底部冻结时，尽管有重力的作用，大部分空泡仍会出现在底部。还应注意的是分布在较宽区域的小空泡，这些小空泡的总体积不是很大，小于总空泡体积的10%。与燃料束几何形状相关的大表面积和小间隙不允许这些空泡向高温区域移动。当测试具有较小暴露表面积的简单矩形风管几何形状时，大多数小空泡消失了。

锂凝固过程中空泡形成的机理研究表明，其主要有两种来源：（1）温度降低后锂的体积减小带来的收缩；（2）液态锂中溶解气体原子的气泡成核[9]。

在SP-100系统中，反应堆裂变中子与锂（n-Li）相互作用产生氦（He）和氚原子。氚很容易通过结构材料PWC-11（Nb-1Zr）壁面扩散到外层空间，但由于He的扩散率很小，大多数He原子将保留在PHTS中。根据研究显示，在运行几天后PHTS系统中He气将饱和，并且GSA只会去除超过饱和浓度的He。因此，预计在锂冷冻过程中，He可能会形成空泡[9]。

He气空泡形成的机理主要有三种[10]：（1）均相成核（HN），指远离容器壁或悬浮颗粒的大量液体中的成核行为，气泡的HN所需的气体浓度可能比Li中的饱和浓度高几个数量级；（2）异相成核（HTN），指在壁面或悬浮的杂质上形成气核，在富含悬浮杂质的系统中，液态锂中HTN气泡所需的气体浓度可能低至饱和浓度；（3）溶解在锂中的氦气偏析，偏析是在冷冻过程中的溶质再分布现象。当溶质在固相中的溶解度极限小于液相中的溶质浓度时，随着液体的凝固，固液界面会发生溶质排斥，导致溶质在固液界面之前堆积。Yang等人研究了液态Li中溶解的He原子的七种不同类型的偏析[11]，包括：（1）正常偏析；（2）晶界偏析；（3）细胞偏析；（4）树突偏析；（5）逆偏析；（6）结晶和结晶间的偏析；（7）重力偏析。在微重力作用下，最后一种机理将不会发生，但其他六种能否发生，具体取决于固化过程。偏析机制（2）-（6）要求的固化速度要高于正常偏析（类型1）的预期速度。由于Li的高热容量和熔化潜热，冷却和冻结过程预计将非常缓慢，因此正常的偏析（1）将是SP-100系统中形成He气空泡更可能的机制。通过正常偏析形成的He气空泡将伴随着冷冻时Li的体积收缩，从而刺激收缩空泡的形成。这些空泡可能发生在固体/壁界面或液体/壁界面，这主要与液体锂与结构材料的浸润特性有关。根据研究表明[12]PHTS系统中HN均相成核和HTN异相成核均不会形成氦气泡，溶解在锂中的氦气经过偏析之后，有可能发生氦气泡的均匀成核，但实验结果表明和锂的收缩相比，氦气泡所占的体积份额很小，仅占体积收缩的2%左右。

针对反应堆再启动时，冷却剂锂熔化过程中是否会形成热斑引起结构材料热失效，如图8所示，李华琪，杨宁等人[13-14]进行了计算，结论如下：

图8 锂凝固形成收缩空隙示意图

（1）锂的凝固速率几乎不随时间变化，约为3.8×10-6m/s，空隙位置对锂凝固速率的影响可忽略，凝固过程中锂空隙内主要是以导热为主。

（2）在中心空隙下锂熔化速率是单调减小的，而在壁面空隙下由于空隙的存在使锂熔化速率先增大后减小。在壁面空隙下锂熔化过程中管壁壁面温度的最大值约为990K，锂熔化过程中的壁面温度远小于壁面材料的熔点；在中心空隙条件下，锂熔化过程不受空隙传热的影响，使壁面温度及液体温度一直单调增加，管壁壁面最大温度约为588K；锂熔化过程中开始阶段导热与辐射传热相当，随空隙的减小及温度的升高导热起主要作用。因此在空间堆系统冷却剂锂熔化过程中不会形成热斑。

3 SP-100解冻方案分析及空间锂冷核反应堆解冻方案设想

通过上文对SP-100锂冷堆解冻过程以及锂凝固和解冻特性的介绍，使得我们对于空间锂冷核反应堆冷却工质锂的解冻有了初步认识。锂冷空间堆的解冻应考虑两种工况：一是反应堆进入太空轨道的首次启动，二是在轨反应堆停堆后再次启动。

空间锂冷核反应堆在环境温度约300K下发射，此时其堆芯容器，PHTS系统和SHTS系统的冷却剂锂均为固态。进入太空轨道后首先进行锂解冻，而后逐步提升反应堆功率，直到工作温度达到1375K稳定工况。其解冻过程分为两个阶段，第一阶段是锂不断升温由固态变为液态，设定其温度由300K升至455K（锂的熔点为454K），第二阶段液态锂继续升温，温度由455K升至1375K。依据公式（1）和公式（2）[10]分别进行计算，第一阶段体积变化率约为4.4%，第二阶段体积变化率约为18.1%。

固态锂的密度与温度的函数关系为：

式中，ρ为固态锂的密度，kg/m3；T为绝对温度，K。

饱和液态锂和过冷液态锂的密度为：

式中，ρ为液态锂的密度，kg/m3；T为绝对温度，K。

考虑系统设置了体积补偿器，第二阶段由液态锂体积膨胀所带来的系统压力变化可得到平衡，第一阶段则是固态锂升温到发生相变而成为液态过程，所发生的体积膨胀是可能导致容器、管路等结构材料失效或损坏的主要因素。因此对于系统解冻第一阶段是考虑的重点。一般来说，系统的凝固和解冻是一对可逆的过程，所以要想制定系统的解冻策略，就不得不考虑系统的凝固策略。对于锂冷堆的整体方案设计而言，一个较大的难点就在于由于系统复杂的几何机构会使得空泡的形成和运动行为难以准确预测，此外凝固和加热解冻时的热流方向不同，会破坏凝固-融化这个可逆过程，使其在凝固和融化过程中的行为表现出现偏差。因此，我们在设计考虑解冻方案之前不得不考虑反应堆的整体凝固策略。目前来看，最完美、最理想的解冻方案就是充分控制凝固过程中的每一个细节，然后再根据其凝固过程中的能量流动情况，结合相应的空泡产生和运动，确定一个完全为其凝固过程逆过程的解冻方案，这样我们就可以做到原地凝固、原地解冻，即在整个锂冷快堆启动运行的同时进行解冻操作，可以获得极高的解冻效率。管道的凝固和解冻顺序是相反的，反应堆堆芯的凝固顺序和解冻顺序是一致的。取出堆芯中央一点在融化和凝固时的温度变化，我们可以得到图9的凝固-加热过程中某点的温度变化图。如果二者是一个完全的逆过程，那么二者的曲线应该是基本重合的。实际上两者有较大的差别，在凝固阶段，我们无法通过启动反应堆的形式来加热控制凝固速度，堆芯也很难放入额外的加热措施来进行温度控制，在融化过程中，虽然反应堆的功率可以调节，但受到其功率分布的限制，很难对细节进行调整。因此，我们唯一的手段就是在凝固过程中用各种方法来达到对凝固过程的控制。目前来看，在缺少对锂的凝固机理和空泡产生、迁移行为的进一步研究的基础上，想要对其进行完美控制还缺乏足够的实验和数据进行支撑。同时其控制过程也将十分复杂，不利于工程实践。

图9 凝固和融化过程中同一位置温度-时间关系图

鉴于就地凝固，就地解冻的最高效解冻方法目前难以实现，同时其凝固行为难以精准控制并且精准的控制代价也十分高昂，我们可以考虑采用：以相对复杂和低效的加热解冻方案为代价换取一个相对粗放的凝固方案，从而摆脱对凝固行为无法精准预测的影响。根据前文提及的锂凝固行为实验研究成果可以得知，锂的空泡会迁移并且集中到锂的最后凝固区域，同时在地球上凝固时，重力会对空泡的分布和迁移产生影响。整个系统可以考虑采用风冷的方式辅助冷却。凝固时保证堆芯容器位于整个装置的上方，然后在下方采用风扇吹入冷空气的方式辅助冷却。这样可以保证在重力和金属凝固机理的双重作用下，绝大部分空泡会集中在堆芯区域，从而为堆芯解冻时提供足够的体积补偿。依据上文的介绍，解冻时因为锂具有良好的导热性，空泡集中在堆芯处并不会引发热点问题。同时，只要空泡的体积补偿掉堆芯加热引发的体积膨胀，就可以避免堆芯解冻带来的应力问题，从而安全地完成堆芯的解冻工作。

下面我们分析一下美国的SP-100所采取的解冻方案设计。该方案针对主传热系统PHTS和次级传热系统SHTS设计了一套采用NaK合金作为工质的辅助冷却和解冻系统ACT。这套管路完全按照PHTS和SHTS的回路布局进行“影子”设计，并在关键部位（换热器、体积补偿器等）设计辅助加热环，以保证整个系统可以通过ACT加热回路完成解冻工作。这个设计的主要优点在于：（1）针对解冻功能无需特别地设置控制措施。反应堆启动后，通过ACT回路加热使得SP-100系统的主、次级锂回路熔化。（2）NaK工质因为其低熔点（约260K）的特性，使其在大多数应用环境中保持液态，同时ACT回路在反应堆停堆后将保持熔融足够的时间，以允许反应堆重新启动时锂回路的重新融化。（3）ACT回路可执行多种功能。其一承担着锂回路的解冻；其二作为一套额外的循环管路是反应堆热排放系统的冗余设计，起到相当的安全作用；其三ACT的PCA提供正常运行期间的辅助发电以及反应堆初次启动和反应堆停堆后重启时从电池电源的过渡。（4）采用了6条辅助的ACT回路设计，即使某一条回路失效也可以完成解冻工作，提高了解冻的可靠性。但以现在的眼光看来，该套系统亦有许多缺点：（1）两套并行、不同工质的回路使得系统设计特别复杂，整个系统的结构和布局设计不得不为解冻方案进行大规模的调整和让步，增加了整体设计难度。如在有限的堆芯空间内要同时考虑布置两套热排出系统，极大地增加了结构设计的难度，同时对堆芯的中子学设计也会产生很大影响。（2）系统的质量会有明显的增加。（3）NaK回路的存在使其在发射阶段回路系统并非完全是固态发射，相对地降低了发射的安全性。（4）为了避免解冻带来系统结构的应力问题，ACT一、二回路的工况、功率必须与PHTS和SHTS状态相匹配，完成该项工作需要大量的计算和相关实验。

SP-100选择解冻方案时对于NaK辅助回路、直接电加热等多个方案进行过全面的评估，最终在众多方案设计中选择了辅助回路方案。直接电加热方案未被选择的一个主要因素是其质量无法满足发射要求。然而SP-100计划主要发生在20世纪八九十年代，方案的质量评估主要基于当时的技术水平。当时主要以铅酸电池为主，锂电池尚未发展成熟，因此电加热方案在当时不占优势，这其中的主要原因在于铅酸电池能量密度太低，难以在发射质量上满足设计要求。然而随着锂电池技术的不断成熟，电池能量密度将达到铅酸电池的5～10倍，目前已达到160 wh/kg左右，根据《中国制 造2025》，2020年 要 达 到300wh/kg，2025年 达 到400wh/kg，2030年将达到500wh/kg。由此可以预见，辅助回路和电加热相比在质量上已经失去了当时的显著竞争优势。另外，电加热在系统布置和加热控制方式上会更加灵活，电池的循环充放电可以保证反应堆停堆后重启的需求。

基于以上论述，作者认为在空间锂冷核反应堆锂解冻工艺设计时可充分考虑基于锂电池的电加热解冻。下面提出两种设计方案：方案1，纯电加热的解冻方案。即堆芯和回路全部使用电加热进行解冻。方案2，堆芯核加热、回路电加热的核电耦合解冻方案。堆芯利用反应堆核裂变热解冻，回路采用电加热进行解冻。

方案1的主要思路是依靠电加热对堆芯和管路采用电加热进行加热解冻。对堆芯进行外部加热的方式，使得堆芯液相区和体积补偿器保持联通，从而使其避免热应力带来的系统故障。具体的做法是通过在堆芯外部进行电加热，优先解冻堆芯所配置的堆芯体积补偿器，然后采用由外向内的方式对堆芯进行加热，这里主要考虑在反应堆堆芯的容器壁附近嵌入电加热丝进行加热处理。这样可以保证堆芯的融化区域始终与体积补偿器存在液相链接。可以避免堆芯燃料棒加热时整个反应堆由内向外解冻，使得锂在有限的空间内解冻融化，带来的巨大压力导致燃料棒管壁破裂或者堆芯结构件损坏。本方案最大的优点在于解冻方案更加保守稳定。缺点主要在于堆芯结构紧凑且封闭，电加热不易布局；电加热对堆芯这种大体积低表面积（这里指的是与外界反应堆容器接触的大表面而非与工质接触的整体表面积）的整体不易加热，这种由外向内加热大型块状金属的加热模式加热效率很低。最后，纯电加热使得电池负担严重，需要携带的电池质量很高，供电压力也很大。

方案2的思路是基于回路电加热和堆芯核加热的核电耦合解冻方案。本方案依靠核加热完成堆芯部分的解冻，而对于一回路，则采用电加热的方式辅助其进行解冻。本方案主要有以下优点：（1）热利用率高，解冻效率高。通过电加热+核加热的方式，可以保证解冻的同步进行，而不是像SP-100一样采用堆芯-一回路-二回路这样固定的解冻顺序进行。可充分利用反应堆核裂变产生的热能解冻堆芯容器。通过对一回路直接缠绕电阻丝的方式使得传统的热辐射加热变为了热传导为主的热传导+热辐射加热，从而极大地提高回路系统的解冻效率。（2）控制轻松，能量分配精准。为了保证解冻工作能够按照设想顺利进行，而不会发生部分管路温度过高带来的系统应力问题，SP-100采用NaK回路必须进行大量的设计和实验，来保证解冻的进度与回路的温度相匹配，同时不得不采用类似于bleedhole之类的额外装置来控制解冻进程。这些部件装配在管路中，不仅繁琐，还影响了系统性能和流体运动，为了微调相关孔板的空洞大小和位置，为了调整合理的辅助加热回路温度分布，也不得不进行大量的计算和实验，时间成本和实验成本都很高。NaK回路在循环过程中温度必然是下降的，这意味着解冻顺序受到了严格的限制。而通过电加热丝进行电加热，可以通过对电流精确控制来控制热量的流动，从而可以实现优先解冻重点区域和多点同时解冻，从解冻效果和解冻效率上来看都会有明显的优势。（3）系统质量低。与SP-100采用六套NaK辅助加热回路相比，只要付出电池和加热丝之类加热组件的质量，采用电加热的方式可以明显降低系统质量。（4）对结构设计影响小。电加热丝这种外部加热的手段对整个系统是非侵入式的，基本上不需要系统设计为解冻功能做出额外的让步和妥协就可实现系统的解冻功能。本方案的主要缺点在于：对于解冻的过程和顺序来说，电加热可以实现精准控制，但对于整个系统的凝固过程来说，其通常是由散热器-热交换器-一回路-反应堆堆芯这样的固定顺序进行的，而非按照我们设计好的加热顺序。这意味着我们失去了凝固-加热-凝固这个过程的可逆性，也就是说对于反应堆在轨停堆后重新启动，就必须对系统的加热和凝固行为进行系统的设计和处理。

使用电加热方案应重点关注和考虑以下方面：（1）加热器件和保温的合理布置，已达到能量精准分配提高解冻效率，减小系统质量。（2）电池配电方案设计。与第一条相结合，合理设计电池充放电方案，以及电池使用数量，一块或多块。（3）紧密结合反应堆启动过程分段、分时逐步解冻，充分发挥堆芯核裂变热能。分段是指堆芯、管路、设备（重点是体积补偿器）。分时是指解冻的先后顺序，解冻时长。（4）对于停堆后再解冻的设计。应充分利用电池循环充放电特性、布置的灵活性、控制的精准性。

4 结束语

目前来看，锂冷堆的技术并不是非常成熟，而其在太空领域的应用也是一个全新的课题。其中锂冷却剂的空间解冻问题是锂冷堆空间应用必须解决的关键技术之一，对其展开研究是十分必要的。本文在极其有限的参考资料情况下，对一个全新的领域开展了初步探索。文章重点介绍了美国空间核反应堆电源SP-100锂解冻的设计方案，以及针对锂解冻所开展的部分实验工作，而后对SP-100锂解冻方案优缺点进行了分析，并提出可能的解冻方案和研究思路。作者希望通过本文能为解决空间锂冷核反应堆的锂解冻提供有益的借鉴。