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    2019年 2月 25～28日，美國核學會（ANS）航空核科學與技術(shù)部網(wǎng)站發(fā)布了 2019 年空間核與新興技術(shù)（NETS）會議錄。會議錄中，來自美國大學空間研究協(xié)會（USRA）的 J. StephenHerringa等研究人員發(fā)表了一篇題為“空間應用的小型模塊化裂變反應堆（SMFR）”的文章。文章主要介紹了 SMFR 的研發(fā)背景、技術(shù)成熟度狀況、低濃鈾選擇、初步研究結(jié)果以及后續(xù)研究工作五個方面內(nèi)容。

    1 SMFR的研發(fā)背景

    美國國家航空航天局（NASA）、其他國際太空機構(gòu)、國有企業(yè)和私營企業(yè)家計劃在未來十年內(nèi)利用機器人探索外太空行星，并將人類重新送上月球，然后再訪問火星。通過公共或私人合作伙伴關(guān)系來開展這些活動非常有利，這給 NASA和工業(yè)界提供了共擔風險和共享回報的機會。

    未來人類和機器人任務活動計劃包括：①表征行星表面形態(tài)、地質(zhì)和地質(zhì)化學，包括礦床和原位資源的詳細繪圖；②探索地表和地下環(huán)境，包括隕石坑、熔巖管道以及可能存在的地下海洋；③收集、返回并分析月球、小行星和火星表面和內(nèi)部的樣本；④用于建筑、生命支持和推進劑生產(chǎn)的原位資源利用（ISRU）；⑤勘探和開采月球和小行星資源，以便在太空中使用或者運回地球；⑥建設(shè)前哨、定居點、棲息地和其他基礎(chǔ)設(shè)施。
   
    所有這些機器人和人類活動任務的共同點是需要充足可靠的電力支持。為了應對建造太空商業(yè)電力設(shè)施的挑戰(zhàn)和機遇，USRA最近開始了一項內(nèi)部研究和開發(fā)（IRAD）項目，針對能在月球上使用的 SMFR進行概念研究。IRAD項目的設(shè)計特點包括：①使用 NASA的 Kilopower設(shè)計作為起點；②在月表提供 40～150
kWe的電力；③無人值守運行至少 20年；④使用 U-235豐度小于 20％的低濃鈾（LEU）U-Mo燃料。SMFR通過各種可能的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以為人類和機器人活動任務提供所需的熱量和電力。該研究還將研究 SMFR設(shè)計的哪些方面適用于火星和其他深空任務。通過該項研究，或許能實現(xiàn)在 2028年之前開發(fā)用于月
球上的 SMFR，資源充足的話或許更快。

    與其他潛在電源相比，SMFR具有明顯的優(yōu)勢。盡管光伏系統(tǒng)將在未來的太空電力架構(gòu)中發(fā)揮重要作用，但它們無法在長時間的夜晚（最長可達 14個地球日）或在陰影區(qū)域發(fā)電，這將大大限制月球上設(shè)想的大多數(shù)應用。在火星上，光伏系統(tǒng)也受到太陽強度和大氣塵埃的限制。類似地，放射性同位素熱電發(fā)生器（RTG）對行星和深空的機器人或人類活動任務具有顯著的局限性。美國使用國外 Pu-238燃料運行的 RTG通常僅能提供幾百瓦的電力。為了滿足機器人任務對深空電源的需求，美國最近才重新啟動了 Pu-238的生產(chǎn)，但是生產(chǎn)非常昂貴且緩慢，不足以滿足需要多個 RTG的任務。

    2 SMFR的技術(shù)成熟度狀況

    大型高功率裂變反應堆的技術(shù)非常成熟，目前正在全世界范圍的電力領(lǐng)域和海軍推進應用中使用。然而，現(xiàn)有的反應堆因尺寸問題，并不適用于太空。能源部（DOE）正努力開發(fā)地面應用的 SMFR，輸出功率為 300 MWe或更低。開發(fā) SMFR通常是為了解決電力市場對更小、模塊化電站的需求，這樣就可以不必花費巨大成本將裝機容量從 1 000 MWe提升至 1 600 MWe。此外，較小的機組也更適合于工廠制造標準化的模塊，并使得工程和工具的成本可以分攤在多個核電站的生產(chǎn)中。

    作為 Kilopower項目的一部分，NASA目前正在進行空間應用 SMFR技術(shù)的研發(fā)。Kilopower項目主要是對使用高濃鈾（HEU）的裂變堆進行概念驗證，其優(yōu)點是初始輸出功率為 1 kWe，具有達到 10 kWe的潛能。

    USRA的 SMFR IRAD項目旨在研究：基于 Kilopower已經(jīng)成功的 1 kWe 概念驗證實驗，進一步研究建造具有成本效益的商業(yè)成熟 SMFR所需的各種條件，使得該項技術(shù)能夠為月球表面的廣泛探索、資源勘探和 ISRU活動提供所需的電力水平（輸出功率為 40～150 kWe）。

    3 SMFR的低濃鈾燃料選擇

    USRA的 SMFR IRAD項目與 NASA的 Kilopower項目之間的顯著差異在于前者采用了 LEU 燃料。雖然 HEU比 LEU 具有更多優(yōu)勢，包括采用 HEU 將需要更少的核燃料、可使用更多種類的材料以及不需要慢化劑等，但是從商業(yè)角度來看，HEU存在一些難以克服的問題。

    HEU中有足夠的 U-235可用于核武器，與 HEU的生產(chǎn)、運輸、貯存和使用相關(guān)的制造、安全和安保成本使其在商業(yè)上不切實際。HEU本質(zhì)上是美國政府的財產(chǎn)，故在燃料的整個生命周期中必須保持由政府控制，而這一點基本消除了在太空或地球上商業(yè)運行 HEU反應堆的可能性。

    相反地，LEU難以用于核武器，相應的限制也少得多。LEU的成本和可用性使其成為 SMFR的良好候選燃料。USRA在概念研究中將徹底解決使用 LEU燃料相關(guān)的反應堆設(shè)計難題。使用 LEU燃料需要更大質(zhì)量的燃料才能達到臨界狀態(tài)，為了克服這一劣勢，可以分析哪些同位素會導致中子吸收，然后評估去除這些同位素的可行性。另外，靈活使用慢化劑材料、中子反射器和輻射屏蔽可以減少 LEU的質(zhì)量損失。

    4 SMFR的初步研究結(jié)果

    USRA聲稱，在對比 HEU的總成本、管理復雜性和安全影響后，基于 LEU 的 SMFR 月球表面系統(tǒng)的質(zhì)量損失是可以接受的。為了驗證這一結(jié)論，USRA在 SMFR研究中的第一步是開發(fā)出質(zhì)量估算方法，估算等功率輸出的 LEU和 HEU系統(tǒng)的質(zhì)量。

    2017 年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的 Poston 和McClure對太空應用的兩種尺寸（1 kWe和 10 kWe）裂變堆的質(zhì)量進行了比較。USRA參考了 Poston和 McClure的研究報告，對反應堆的七個主要組成部分進行了分析，并將功率水平調(diào)到更高，即為月球表面的重要勘探、ISRU和居住活動提供動力所需的功率水平。USRA 比較了使用 HEU 鈾鉬（7wt%）燃料的 1 kWe和 10 kWe的兩個概念反應堆設(shè)計，以及使用 LEU（19.75%）合金燃料的兩種不同設(shè)計，得出的結(jié)果如下：

    （1）HEU的相對質(zhì)量優(yōu)勢在 40～150 kWe功率范圍內(nèi)顯著降低：40 kWe時，質(zhì)量差異約為 33％；150 kWe時，質(zhì)量差異降至 15％；

    （2）在 1～150 kWe 功率范圍內(nèi)，質(zhì)量差異保持在 900 千克左右，燃料本身的質(zhì)量幾乎恒定；

    （3）質(zhì)量差異中約一半來自燃料本身，剩余部分來自γ射線和中子屏蔽設(shè)施。

    這些基于 Poston和 McClure計算的估計表明，HEU在低功率方面優(yōu)勢最明顯。盡管如此，USRA認為還需進一步開展使用LEU的后續(xù)相關(guān)研究。

    5 SMFR的后續(xù)研究工作

    鑒于需要進一步優(yōu)化用于月球表面的 SMFR所需考慮的參數(shù)數(shù)量，以及最大限度減少空間反應堆實施的阻礙，在未來十年內(nèi)需要對各種可行策略的設(shè)計選擇進行更加詳細和深入的研究。這項研究原計劃于 2019年 6月完成，研究成果包括完成一種或多種配臵的概念設(shè)計、質(zhì)量和體積估算以及成本估算。

    USRA SMFR研究團隊的具體設(shè)計選擇涵蓋了 SMFR設(shè)計的三個重要方面，即燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料的選擇、熱控制方式以及反應堆結(jié)構(gòu)選項。

    （1）燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料的選擇

    通過選擇燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料也可以實現(xiàn)更高的中子經(jīng)濟性，特別是去除掉某些同位素。例如，在 LEU 核熱推進反應堆的設(shè)計中，Patel等人在其 2016年發(fā)表的文章中指出，在 W-UO2燃料中去除 W-186是必要的。在高密度、高溫 UN燃料中使用 N-15（0.4％的天然氮）既可以避免 N-14（n，p）反應，又大大減少了放射性 C-14 的產(chǎn)生。同樣，從高溫反應堆結(jié)構(gòu)組件中去除Mo-95可減少中子吸收。該部分研究將重點關(guān)注最符合 SMFR設(shè)計目標的材料選擇。
   
    （2）熱控制方式

    在反應堆電力系統(tǒng)的整個系統(tǒng)工程中，其中一項挑戰(zhàn)是需要開發(fā)有效的散熱器。雖然地面發(fā)電站可以使用方便的湖泊或河流進行散熱，但軌道反應堆必須依靠黑體輻射散熱到具有4K本底溫度的太空。作為一項粗略的比較，溫度為 300 K 的黑體表面以 460 W/m2的輻射度向太空散熱，溫度為 300 K 的靜水中
以 14 kW/m2輻射度散熱，兩者散熱效率大約相差 30倍。黑體輻射器將要在溫度 700 K 時以 14 kW/m2的輻射度散熱。因此，為任何軌道發(fā)電系統(tǒng)精心設(shè)計散熱器至關(guān)重要。

    使用 HEU 的 Kilopower 反應堆使用夾在固體金屬堆芯外部的液態(tài)鈉熱管冷卻。較大的反應堆需要在堆芯內(nèi)部使用熱管以降低溫度峰值。

    木星冰月軌道器（JIMO）計劃為其 20年的任務提出建造一個 200 kWe的氣冷式布雷頓循環(huán)反應堆。DOE的海軍反應堆團隊從 2003年到 2005年進行了相關(guān)設(shè)計研究。JIMO反應堆設(shè)計將作為行業(yè)研究中一個具有寶貴價值的參考。

    月球（或火星）表面上的反應堆可能使用高緯度隕石坑中的地下冰沉積物作為散熱器。隕石坑的墻壁遮擋了隕石坑內(nèi)部，使其免受太陽光直射，散熱器表面上的可移動陰影可能會使散熱效果更佳。

    （3）反應堆結(jié)構(gòu)選項

    Kilopower設(shè)計緊湊，堆芯大約是一卷紙巾的大小，熱量通過包含鈉液體-蒸汽的熱管和一個中央芯體轉(zhuǎn)移到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該部分研究將考慮設(shè)計一個 LEU 堆芯結(jié)構(gòu)，堆芯周圍是鈹反射器。鈹反射器將中子反射回堆芯，使得中子損失最小。

    由于 LEU堆芯的 U-238豐度大于 80％，因此需要盡量地減少 U-238在 6.7 eV能量附近的共振吸收。一種技術(shù)是使用厚的金屬燃料部件以適度慢化中子，使得 6.7eV 附近的中子流在燃料表面處耗盡，并且因為鈾的弱慢化性使得燃料球內(nèi)部的束流不會進一步被 6.7eV 共振耗盡。因此，可以保留 Kilopower 堆芯的環(huán)形結(jié)構(gòu)，盡管 LEU堆芯明顯比 HEU堆芯的質(zhì)量更高。

    更高功率的設(shè)計將需要更多的熱管，主要分布在外圍，而在堆芯內(nèi)部僅有少量熱管。該部分研究中，元件尺寸和慢化材料將是主要的結(jié)構(gòu)配臵選擇。盡管鈹是反射器可能選擇的材料，但也會考慮使用石墨。

    來源：anstd.ans.org（宋敏娜 倪民子編譯）