Kilopower 空间堆燃料低浓化方案研究

安伟健, 郭 键, 胡 古, 葛攀和, 高 剑

(中国原子能科学研究院, 北京 102413)

1 引言

2018 年5 月,美国宣布Kilopower 空间堆的地面试验(KRUSTY)取得成功,各项试验数据与程序预测结果十分吻合[1-2]。KRUSTY 是美国继20 世纪六七十年代后,在近50 年时间里建成的第一座空间堆的地面试验堆。KRUSTY 的成功使得Kilopower 向实现工程应用迈进了一大步。

KRUSTY 采用了U-235 富集度为93%的高浓铀燃料(High Enriched Uranium,HEU)。相比于低浓铀(Low Enriched Uranium,LEU),HEU 的主要优势在于可以减小反应堆的质量和尺寸[3-6]。美俄早期发射或设计的空间堆均使用HEU,用以降低发射成本或增加任务载荷的质量。

但是,HEU 同时存在诸多问题[3,5-6]。近年来,国际上空间堆的研究热点已由HEU 转向LEU。在空间核热推进反应堆领域,美国、韩国提出了诸多LEU 反应堆方案,如美国的SCCTE[7]、INsTAR[8]、Cermet LEU-NTR[9],韩国的KANUTER-LEU[10]、SULEU[11]等;国内赵润喆等[12]提出了一型LEU-SCCTE 核热推进反应堆方案。在空间反应堆电源领域,美国研究了数个Kilopower 反应堆低浓化方案[5-6],国内目前尚未见相关研究。

美国所提的数个Kilopower 低浓化方案在尺寸、质量、可实现性等方面存在不足。本文提出一种采用板状HEU 与YH2交叠布置的新方案,并从物理、热工及特殊临界安全等方面对各方案进行比较。

2 Kilopower 低浓化方案设计

Kilopower 堆芯方案由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)提出,堆芯结构如图1 所示,采用块状UMo 合金燃料,U-235 富集度为93%,堆芯热量由8 根Na 热管导出。Kilopower 堆芯半径为15.8 cm,高度为40.0 cm,U-235 装量约为28.6 kg,堆芯质量仅约为108.6 kg,系统总重约为400 kg,其热功率为4.3 kW,电功率为1 kW,设计寿命达15 年[13-14]。

针对HEU 所带来的一系列问题,LANL 发布了两版关于Kilopower 用LEU 的白皮书,对Kilopower 采用HEU 和LEU 的方案进行了初步比较,如图2 所示[5]。图中4 个方案分别采用HEUUMo(Kilopower 原方案)、LEU-UMo、LEU-U 以及LEU-UZrH。其中,LEU-U 方案,由于纯U 存在材料相变、辐照肿胀严重的问题,并且其高温蠕变强度太低,可实现性较低;LEU-UZrH 方案的可实现性也较低, Kilopower 的燃料运行温度约800 ℃[15],UZrH 燃料在该温度下存在肿胀、氢迁移以及氢泄漏问题;LEU-UMo 方案的技术可实现性和Kilopower 原方案相当,唯一的缺点是尺寸和质量大幅增加。该堆芯半径为28.5 cm,高度为58.4 cm,U-235 装量达63.5 kg,堆芯质量约为576.4 kg,系统总重超过1100 kg[5-6]。

图2 采用HEU 和LEU 的Kilopower 方案比较[5]Fig.2 Comparison of Kilopower reactor core using HEU and LEU[5]

针对上述Kilopower 低浓化方案所存在的问题,本文提出一种新方案如图3 所示,采用U-235富集度为19.75%的板状UMo 燃料,其厚度为0.3 cm,采用YH2作为慢化剂,其厚度为1.2 cm,堆芯活性区由25 层燃料与慢化剂交叠布置而成,活性区外围设置有0.2 cm 的Mo 容器以防止氢泄漏[16],热管蒸发段布置于燃料内部,以降低燃料的运行温度,堆芯其余结构与Kilopower 类似。

图3 LEU-UMo-YH2 堆芯结构Fig.3 LEU-UMo-YH2 core structure

该方案相比于LEU 方案,具备如下优势:①相比于UZrH,YH2具有更好的耐高温性能(图4)[16],可以满足Kilopower 的运行温度需求(约800 ℃);②相比于LEU-UMo 方案,大幅减小了堆芯的尺寸和质量,其中,堆芯半径为23.1 cm,高度为46.6 cm,U-235 质量减小至10.9 kg,堆芯质量则减小至233.4 kg。

图4 氢化物的H 原子密度随温度的变化[16]Fig.4 H atomic densities of hydrides under different temperatures[16]

3 方案计算和比较

3.1 物理特性

Kilopower 具有独特的全自主运行特性,运行过程中的反应性损失(包括燃耗反应性损失和燃料肿胀反应性损失)由燃料温度下降所引入的正反应性来补偿,无需控制系统的干预。燃料的温降幅度为反应性损失与燃料温度系数的比值,该数值将影响系统电功率的变化。

3.1.1 燃料温度系数

UMo 膨胀系数与温度的关系式为[17]:αT=(7.91+ 1.21× 10-2T)× 10-6。采用MCNP 程序计算各反应堆有效增殖系数keff随温度的变化,如图5 所示。对各组结果进行多项式拟合并求导,即可得到燃料在运行温度下的反应性系数,结果见表1(LEU-UMo-YH2的计算同时考虑了YH2的温度变化)。

图5 keff 随温度的变化Fig.5 keff under different temperatures

表1 物理参数列表Table 1 List of physical parameters

3.1.2 燃耗反应性损失

反应堆热功率仅为4.3 kW,寿期内燃耗反应性损失非常小。采用耦合了燃耗计算功能的MCNP 程序,所得的keff统计误差与反应性损失数值相当,因此难以得到准确的结果。为此,在计算过程中,将燃耗步长大幅延长,使每个步长的反应性损失远大于统计误差,如图6 所示。可见,keff随运行时间基本呈线性下降,通过多项式拟合并求导即可得到各反应堆的反应性下降速率,进而得到15 年寿期末的燃耗反应性损失,结果见表1。需要说明的是,由于功率非常小,LEU-UMo-YH2方案的Xe、Sm 中毒问题可以忽略不计(Xe、Sm 反应性约1.7E-5[18])。

图6 燃耗计算结果Fig.6 Results of depletion calculation

3.1.3 燃料肿胀反应性损失

UMo 辐照肿胀与燃耗深度的关系式为[19]:ΔV/V=0.356×B,其中,B为单位体积燃料内的裂变数(单位为1E+20 /cm3)。由此可算得各方案的燃料肿胀量,结果见表1。

由于肿胀量很小,使得肿胀反应性损失的数值非常小,无法通过计算肿胀前后的keff差值来获得准确的数值。为解决该问题,计算流程如下:

1)首先采用MCNP 求得各反应堆的燃料膨胀反应性系数。各反应堆keff随膨胀量的变化见图7,通过多项式拟合并求导,即可算得运行状态下燃料的膨胀反应性系数。

图7 keff 随膨胀量的变化Fig.7 keff under various ΔV/V

2)将膨胀反应性系数和燃料肿胀量相乘,即为全寿期的肿胀反应性损失,结果见表1。

3.1.4 燃料温降

燃料温降可根据式(1)算得,结果见表1。从表中可以看出,LEU-UMo 的燃料温降非常小,仅为8.0 K,这主要是由于该方案燃料装量最大,使得其反应性损失的数值非常小;LEU-UMo-YH2方案的燃料温降相比于Kilopower 也有较大优势。

3.2 热工特性

热工计算采用ANSYS-CFX 程序。堆芯功率密度分布由MCNP 算得,以热管孔道表面温度775 ℃[20]为边界条件,分别给出了各方案在正常运行以及单根热管失效情况下的温度分布,结果见图8 ～10。可以看出,LEU-UMo 的燃料最高运行温度低于Kilopower;LEU-UMo-YH2的燃料最高运行温度则高于Kilopower,在单根热管失效的情况下,其最高温度为938 ℃,仍低于1000 ℃的UMo 燃料运行温度限值[21]。

图8 Kilopower 在正常及单根热管失效情况下的燃料温度分布Fig.8 Fuel temperature of Kilopower under normal and one heat pipe failure conditions

图9 LEU-UMo 方案在正常及单点失效情况下的燃料温度分布Fig.9 Fuel temperature of LEU-UMo under normal and one heat pipe failure conditions

3.3 特殊临界安全特性

图10 LEU-UMo-YH2 方案在正常及单点失效情况下的燃料温度分布Fig.10 Fuel temperature of LEU-UMo-YH2 under normal and one heat pipe failure conditions

各方案在掉落事故下的keff列于表2。可以看出,在掉落工况下,3 个方案均可维持次临界状态。目前国际上对于掉落事故的keff限值没有统一规定,若按照中国现行空间热离子反应堆发射掉落事故的要求(keff≤0.98[22]),则只有LEUUMo-YH2方案可以达到要求。

表2 各方案在掉落事故下的keffTable 2 keff under launch failure accidents

3.4 综合比较

各方案的关键性能参数列于表3。

表3 各方案参数综合比较Table 3 Comprehensive comparison of different schemes

在尺寸和质量方面,LEU-UMo 远远超出了其他2 个方案,其质量约为Kilopower 的5 倍;LEUUMo-YH2的质量仅为LEU-UMo 的40%,这是由于慢化剂的存在使得燃料大幅度减少;但相较于Kilopower,LEU-UMo-YH2仍有大幅增加,这主要是由于YH2慢化剂占据了远超燃料的体积,使得反应堆的整体尺寸大大超过了Kilopower。在U-235 装量方面,YH2慢化剂使得LEU-UMo-YH2的U-235 装量得到了大幅度减少,其U-235 装量为10.9 kg,为Kilopower 的38%,LEU-UMo 的17%。

在全寿期燃料温降方面,LEU-UMo 温降最少,LEU-UMo-YH2的燃料温降相比Kilopower 也有大幅减小。

运行温度方面,LEU-UMo-YH2的运行温度相对最高,但仍在温度限值之内。

技术成熟度方面,Kilopower 与LEU-UMo 均采用成熟材料,集成工艺也已通过了KRUSTY 的验证;而对于LEU-UMo-YH2方案,YH2的相关技术尚不成熟,该堆芯结构的集成工艺也仍待验证。

4 结论

1) LEU-UMo-YH2方案相比LEU-UMo 方案,堆芯尺寸得到了较大幅度的减小,其堆芯质量和U-235 装量分别仅为LEU-UMo 方案的40%和17%。同时,物理、热工及特殊临界安全方面也可以满足要求,该方案的主要问题是YH2的相关技术不成熟,且该堆芯结构的集成工艺仍待验证。

2) 若Kilopower 最终被禁止使用HEU,那么对于近期的任务,LEU-UMo 方案是一个具有较高可实现性的方案。

3) 对于较远期的任务,LEU-UMo-YH2方案具备很高研究价值,如果其相关技术得到攻克,该方案将比LEU-UMo 方案更具优势。