一种月面微型热管堆电源概念设想

赵泽龙，杨 睿，王 傲，徐 驰，郭 键，安伟健，胡 古

(中国原子能科学研究院核工程设计研究所，北京 102413)

月球科研站建设、月面探测及短期有人活动等未来月面任务均需解决长期的能源、电力供给问题[1-2]。通讯、实验、驻留、月面信息探测等任务需要稳定可靠的能源系统支持。受光照条件不理想、月夜时间长、剧烈温差环境、带电月尘环境等复杂月面环境影响，月球基地运营维护、月面科学实验等均面临极大的能源供给挑战[3]。目前国外针对月球基地或科研站建设及资源利用等中长期规划提出了Artemis 计划、LSIIY 面创新计划、CLPS 商业月球有效载荷服务等计划，其中美国Artemis 计划的目标定位为实现月球南极着陆和建立可持续月球基地，Artemis 1 号无人绕月飞行测试任务已于2022 年12 月完成，因此月面探测及科研站建设国际竞争十分激烈[4]。中国已通过探月工程一期、二期、三期的科学实践为月球探测、科考与载人登月奠定了基础，建立月球科研站是中国探月工程下一阶段的重要目标[5]。

核电源具备不依赖太阳、环境耐受能力强等优势，是月面任务长期供电的理想选择[6-7]，主要包括同位素电源和核反应堆电源。同位素电源是数百瓦及以下空间、星表任务的优选技术方案，且应用成熟[8-9]。不过，综合当前放射性同位素电源原料产能、功率区间及成本限制等因素，并结合未来月面中长期任务可能在千瓦级、十千瓦级方面的能源需求及技术积累考虑，核反应堆电源虽然体积质量较大，但综合成本更低，可覆盖同位素电源的功率盲区，与同位素电源二者优势互补。热管堆作为一种新型的空间核反应堆电源，系统结构简单紧凑、易于实现自主控制和长寿命设计[10]，可满足数百瓦至十千瓦级月表任务能源需求，是未来月面核反应堆电源的优选技术路线。故本文针对目前我国面临的月面任务供电需求问题，基于铀钼合金快堆、钠热管传热、斯特林动态转换及辐射器散热的技术路线，提出了采用500 W 微型热管堆电源为月面任务供电的初步设想，细微调整后可涵盖数百瓦级至千瓦级功率需求，轻质且微型，可用较小的质量代价和成本覆盖同位素电源功率盲区，并验证核堆电源为月面长期稳定供电的关键核心技术，且技术体系与十千瓦级热管堆具有高度继承性，可为未来十千瓦至数十千瓦功率量级月面任务提供技术积累及支撑。本文主要对该微型热管堆电源的屏蔽设计及辐射防护问题进行了研究，经初步屏蔽设计研究，该电源可采用移动式、固定式及月面浅坑等多种灵活布置方式，采用多重屏蔽措施后整体质量可约束在500 kg 左右，结合实际功率需求、屏蔽方位及区域、剂量限值裕量、有效受照时间等因素后，屏蔽及系统质量有进一步优化的空间。该研究可为科研站月面核反应堆电源屏蔽设计提供思路借鉴。

1 月面微型热管堆电源方案

1.1 技术路线选择

通常为实现较小的堆芯尺寸质量，应当选择铀密度尽可能高的燃料类型。铀钼合金燃料具有铀密度高、热导率高的优点，设计燃耗水平小于0.5%即可避免辐照肿胀问题，综合考虑中子学性能、材料热稳定性、技术成熟度、辐照稳定性等因素，可选择铀钼合金作为堆芯燃料。热管传热具有高可靠性及非能动优势，可作为固态堆芯导热的核心部件，综合考虑燃料温度、运行温度区间、工质传热能力及热稳定性、制作工艺成熟度等因素，钠热管是铀钼合金燃料堆芯导热的最佳匹配选项。对于堆芯反射层材料，为了满足热管反应堆临界安全要求，并同时降低燃料质量和维持堆芯紧凑结构，可选择反应性价值较高且高温特性较好的氧化铍材料。在热电转换技术方面，自由活塞式斯特林发电机是百瓦至千瓦功率量级较优的技术选择，国内外已研制出百瓦级斯特林样机且进行了超长时的地面测试。在反应堆余热排出方面，小功率的热管堆可采用简单的热管固定式辐射器，辐射器构型可灵活设计。综上，可基于铀钼合金快堆、钠热管传热、斯特林转换、固定式热管辐射器散热的技术路线开展月面微型热管堆电源设计。此外，美国热管堆地面原型试验装置已验证了该技术方案的可行性和工程可实现性。

1.2 总体方案

图1 为月面微型热管堆电源整体结构示意，主要包括堆芯活性区、屏蔽体、斯特林热电转换系统、热管式辐射器以及核堆电源平台。当电源系统运行时，由8 根钠热管带出反应堆堆芯热量，热管穿过自带屏蔽体后，将热量传递至斯特林发电机热端，斯特林发电机完成热电转换后，冷端废热传递至辐射器热管，热管冷凝段贴附轻质辐射器翅片，将余热排放至月面空间。核堆电源热功率为2.5 kW，净输出电功率500 W，系统转换效率约20%，堆本体质量约为130 kg，热管、斯特林及余热排放等其它部件约200 kg。堆本体燃料采用U-235 富集度为90%的块状铀钼合金，反应堆启停堆控制采用B4C 中心安全棒设计，反射层为氧化铍，堆本体在8～10 年寿期运行过程中，无需额外的反应性调节设计，依靠堆本体自身温度负反馈效应自主补偿燃耗以及燃料肿胀导致的反应性损失。在屏蔽方案设计中，斯特林发电机的快中子注量(≥0.1 MeV)限值为2.0×1014～2.5×1014n/cm2，光子剂量限值为5.0×106～10.0×106rad；防护目标平台的快中子注量(≥0.1 MeV)限值为1×1011～2×1011n/cm2，光子剂量限值为50～100 krad。

图1 月面微型热管堆电源三维构型

2 核堆电源屏蔽设计

基于初步的月面微型热管堆电源方案，本部分开展了电源屏蔽设计及布置方式研究，提出了相关的屏蔽减重措施及核堆电源布置建议。

2.1 计算程序及方法

蒙卡程序可以进行复杂的三维几何建模及精确的剂量场评估，故本文在屏蔽设计研究时采用MCNP 反应堆蒙特卡罗程序计算防护目标剂量及月面微型热管堆电源周围的剂量场分布。MCNP 是美国阿贡实验室开发的大型多粒子蒙特卡罗输运程序，可用于模拟中子、光子在复杂三维几何内的粒子输运过程，拥有良好的可视化建模及并行计算能力，可用于剂量场评估。对于MCNP 程序，粒子输运计算得到的目标物理量为单个源粒子的统计贡献，需乘以系数因子才能得到真实功率水平下的参数。系数因子计算如式(1)：

式中：P为核堆电源热功率；υ为裂变核单次裂变平均中子数；Efission为重核单次裂变释放能量；T为核堆电源设计寿期。对于目标物理量快中子注量及光子剂量，采用F4统计卡及相关辅助卡即可得到统计结果。

2.2 屏蔽减重措施

通常，月面核反应堆电源的辐射防护设计相比于空间应用更为复杂，除考虑仪器、人员的剂量限值要求外，还需综合地形、地质等环境条件影响，基于初步的屏蔽减重优化研究，提出以下屏蔽减重措施：

(1)防护目标平台与核堆电源平台应拉开一定距离，通过距离衰减辐射强度，降低防护目标剂量。

(2)核堆电源的辐射防护屏蔽设计应重点防护某一区域，例如斯特林发电机区域、防护目标平台充电点位区域等；其它方位或区域的防护适当减弱以减轻屏蔽质量。

(3)防护目标平台的有效充电时间(有效受照时间)：理论上，防护目标平台不可能随时随地都与核堆电源连接充电，正常情况下，防护目标平台在核堆电源周围的充电点位区域充满电后，即可离开核堆电源进行远距离月面信息的探测，故在核堆电源8～10 年的运行周期内，防护目标平台的有效充电时间(有效受照时间)应小于8～10 年。若核堆电源为防护目标平台供电时，约十分之一时间核堆电源为防护目标平台充电，十分之九时间防护目标平台离开核堆电源进行周围月面信息探测，从时间上可为辐射防护的注量、剂量要求降低一个量级，降低辐射防护要求。此外，可考虑为核堆平台提供蓄能储电模块，利用空余时间为蓄电模块充电，当防护目标平台需要充电时，核堆电源与蓄电模块联合为其充电，进一步缩短防护目标平台靠近核堆电源的有效受照时间。

(4)防护目标平台正对核堆电源方向布置屏蔽材料并充分利用其结构件以防护目标平台。

2.3 屏蔽及布置方案

通常，月面堆可采用自带屏蔽及利用月面浅坑、深坑地形等多种手段方式进行屏蔽设计。采用深坑布置时需同时屏蔽核堆电源轴向及径向顶部方向，经初步评估总体质量约吨级起步，严重超出系统质量约束条件，不予考虑。其次，考虑采用以自带屏蔽为主，辅助以布置距离、重点防护区、有效受照时间、防护目标平台局部屏蔽等方式，经初步评估，核堆电源移动式布置、月面固定点位式布置、浅坑式固定布置均可满足辐射防护要求，具体屏蔽设计及布置方案如图2 到图4。

图2 月面微型热管堆电源屏蔽及防护目标平台动态布置方案A

图2 为月面微型热管堆电源屏蔽及防护目标平台动态布置方案A，其中Z轴正方向为主屏蔽方向，同时防护斯特林区域及目标平台区，Z轴负方向及Y轴方向为薄弱屏蔽设计区域。表1 和表2 分别为目标平台与斯特林区域的剂量数据，可以看到A 方案满足1.2 节辐射防护要求，为降低底部中子泄漏对目标平台影响，其电源底部需增加约上文50～60 kg氢化锂轻屏蔽。图3 和图4分别为月面直接静态固定方案B 及浅坑固定方案C，对比发现，两种方案均可满足屏蔽限值要求，直接静态固定布置方案B 相比方案A 可省去底部屏蔽质量，会减重电源系统；其次，从剂量数据来看，采用浅坑布置对比方案B没有明显优势。

表1 防护目标平台快中子注量及光子剂量

表2 斯特林区域快中子注量及光子剂量

图3 月面微型热管堆电源屏蔽及防护目标平台固定布置方案B

图4 月面微型热管堆电源屏蔽及防护目标平台固定浅坑布置方案C

2.4 核堆电源周围剂量场数据

图5 为月面核堆电源周围各方向上的快中子注量和光子剂量分布变化情况。可以看出，重点防护区域Z轴正方向相比于Z轴负方向和Y轴方向薄弱防护区域，快中子注量会降低约2～3 个量级，光子剂量降低约1 个量级，屏蔽效果显著。若考虑防护目标平台的有效受照时间为～1/10 核堆寿期进行布置，则重点防护区域的防护目标平台安全布置区约在距离核堆电源10～15 m 以外的区域；Z轴负方向、Y轴方向非重点防护区约在100 m 以外的区域；若考虑防护目标平台的有效受照时间为核堆全寿期进行布置，重点防护区域的防护目标平台安全布置区约在距离核堆电源50 m 以外的区域；Z轴负方向、Y轴方向非重点防护区约在300 m 以外的区域。此外，快中子注量是限制核堆电源与防护目标平台之间布置距离的核心因素，光子剂量对布置距离的限制很小。

图5 月面核堆电源各方向快中子注量分布和光子剂量分布

2.5 屏蔽设计及布置方式总结

2.5.1 屏蔽设计总结

综合上述屏蔽设计方案及剂量场分布数据，可得出以下结论：采用多重屏蔽措施后，月面微型热管冷却核堆电源整体质量可约束在500 kg 左右，可覆盖数百瓦级至千瓦级功率需求；当电源平台采用月面动态布置时，电源平台底部需额外付出约50～60 kg 的屏蔽质量；当采用月面浅坑布置或月面静态定点直接布置方式时，可省去平台底部屏蔽，系统可减重；月面浅坑布置相比于月面静态定点直接布置没有明显优势；考虑防护目标平台的有效受照时间后，防护目标平台与核堆电源之间的布置距离可缩减数倍左右，减小电缆长度及质量；结合实际功率需求、屏蔽方位及区域、剂量限值裕量、布置距离、有效受照时间等因素后，屏蔽及系统质量有进一步优化空间。

2.5.2 月面动点布置

若核堆电源平台与探测器载荷平台采用动点布置，当变更探测区域后，核堆电源平台移动至探测区的核心位置，选取合适点位布置，为防护目标平台进行供电，探测完该区域后，核堆电源再移动布置到其它目标探测区，可扩大月面探测区，获取更丰富的探月数据。但核堆电源平台的可移动性布置需求会增加电源平台整体的设计难度，包括可靠性、机械结构、强度、运行稳定性等要求；其次平台底部泄漏中子会大幅增加，需额外付出一定屏蔽质量。

2.5.3 月面静态定点布置

在着陆目标区选取相对平坦的月面区域，并在固定点位布置微型热管堆电源，或者将其固定点位布置于月球科研站核心区外，由月面电网系统将核堆电力传输至目标用电区。该布置方式可提高核堆电源整体的运行稳定性并有效缓解核堆电源平台底部的中子泄漏问题，降低系统质量。

3 结论

探索和开发利用月球是目前国际竞争的焦点，中长期内我国的目标是建立月球科研站并开展月面信息探测及月面资源利用等工作。其中月面能源需求的长期稳定供给是核心的关键技术难题之一，而核反应堆电源是优选的长期稳定能源供给手段。本文基于铀钼合金快堆、钠热管传热、斯特林动态转换及热管式辐射器散热的总体技术路线提出了采用500 W 电功率月面微型热管堆电源进行目标平台供电的设想。论文重点对其屏蔽设计进行了研究，提出了多重辐射防护及屏蔽设计举措以满足防护目标平台剂量要求，核堆电源可采用移动式或固定点位等布置方式，其系统质量均可约束在500 kg 左右，轻质且微型。该系统可用较小的质量代价初步验证核堆电源为月面长期稳定供电的关键核心技术，并为月面核堆电源的屏蔽设计辐射防护问题提供解决思路。