火星熔盐堆堆芯概念设计

于世和孙强赵恒严睿邹杨兰兵

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海201800）

2（生态环境部核与辐射安全中心 北京100082）

根据美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）火星探测计划，火星探测分两个阶段［1］。第一阶段就地资源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU），ISRU化学处理单元［2］，通过一系列泵来吸取火星空气，使之与地球上搬来的氢反应，生产出供返回舱使用的火箭推进剂甲烷和水，产生的水裂解成氢气和氧气，氧气储存为火箭推进剂，氢气则继续进入反应链用于产生更多甲烷和水。第二阶段为船员阶段，船员长期驻留火星，并在火星表面开展科学实验和地质勘察等。

不论是ISRU，还是船员阶段的科学实验，以及维持生命需要的保障系统，都需要能源。根据火星探测任务，NASA研究表明，火星表面基地需要40 kW的电能，且需要长期运行8 a［3］。与其他能源相比，核反应堆电源具有功率大、寿命长、生存能力强、不依赖阳光、可全天候工作等特点［4-5］，是火星基地的理想电能。2012年，美国俄亥俄州立大学在NASA的资助下开展了熔盐空间堆的初步研究，研究表明，熔盐堆应用于空间能源系统具有低压、高功率密度、高燃耗、高温等特点［6］。

火星熔盐堆M2SR-1（Mars Molten Salt Reactor）为快堆，堆芯采用热管冷却，热电转换为斯特林发电机，采用热管式辐射器进行废热排放，堆芯反应性采用控制鼓控制，辐射屏蔽模式采用火星土壤屏蔽模式。堆芯为一体化设计，燃料盐填充堆芯容器，热管直接插入燃料盐中［7］。本文给出火星熔盐堆M2SR-1的堆芯设计方案，并从物理、安全、热工等方面对M2SR-1进行了计算分析。本研究分析可以为火星熔盐堆提供技术储备和理论设计参考。

表1 堆芯总体主要参数Table 1 Main core parameters

1 堆芯描述与计算方法

1.1 堆芯描述

火星熔盐堆M2SR-1的计算分析模型如图1所示。主要包括：燃料盐、热管、堆芯容器、反射层，控制鼓、反射层包壳等。堆芯总体主要参数见表1。

M2SR-1燃料盐区由堆芯容器和热管围成，热管和堆芯容器一体化设计，热管插入堆芯上半部分，插入深度为20 cm，燃料盐填充管壳侧及堆芯剩余下半部分，即有热管段燃料盐区圆柱高20 cm，没有热管段燃料盐区圆柱高5 cm，底部半球段燃料盐区球半径为15 cm。热管的外半径为1.5 cm，堆芯共有61根热管，间距一般取3.5 cm。堆芯容器内腔高40 cm，内径30 cm，壁厚0.25 cm。堆芯容器下半部分形状为半球形。径向反射层厚度为14 cm，轴向反射层厚度为5 cm。控制鼓外径为13.6 cm，中子吸收体厚1 cm，扇形包角为120°。反射层包壳外径58.9 cm，壁厚0.2 cm。

堆芯燃料盐的成分为LiF-UF4（摩尔比为：65%：35%），燃料为235U，富集度为97.0%，7Li丰度99.9%，密度为4.83 g·cm-3。二元盐LiF-UF4具有较高的重金属溶解度和较低的蒸气压［8］。

反射层布置在堆芯容器与反射层包壳之间，材料采用氧化铍，控制鼓均匀镶嵌在反射层中，控制鼓的材料也为氧化铍，中子吸收体的材料为碳化硼。堆芯金属结构材料为Mo-Re合金，同时在堆芯容器外侧涂覆一层厚0.01 cm的氧化钆，Re合金和氧化钆均是性能优异的谱移吸收体材料，对热中子具有较大的吸收截面，对快中子的吸收截面较小，因此反应堆在发射过程中因事故跌入水或湿沙子中时，该材料可有效吸收堆内因水或湿沙子慢化产生的热中子，从而有利于使反应堆处于次临界状态［9］。

图1 计算模型结构Fig.1 Schematic diagram of computational model

1.2 计算方法

考虑到火星熔盐堆M2SR-1几何结构的复杂性，及高温下不同材料的膨胀效应，本文采用MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）程序建模分析。MCNP程序是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，LANL）开发的一个运用蒙特卡罗方法进行输运计算的计算机程序［10］。MCNP程序的输入灵活，参数合理，能够完整描述任何模型在体积结构和材料密度等方面的细节。该程序的输出数据准确丰富，对于一个反应堆系统能够给出诸如有效增殖系数、能谱、单群或多群截面、中子产生和泄漏率等各种计算结果。MCNP临界计算时，粒子数为20 000，循环代数为450。

本文燃耗计算采用ORIGEN（The Oak Ridge Isotope Generation and Depletion Code）程 序 ，ORIGEN程序是由美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）开发的进行核素的点燃耗、衰变以及放射性材料处理的程序系统［11］，输入文件规范，数据库中包含1 700多种核素，广泛应用于各类堆型反应堆（含熔盐堆）的燃耗计算。临界和燃料演化计算，采用MCNP与ORIGEN耦合程序MOBAT［12］。

火星熔盐堆M2SR-1的热工水力分析通过理论计算得到。燃料盐与热管之间的热量传递主要有热传导、对流换热和辐射换热等三种形式，从安全裕量考虑，本文计算中主要考虑热传导。依据MCNP输出的功率分布，通过热传导计算得到燃料盐最高温度以及热管壁温最大值；根据燃料盐区的温差及流动阻力给出堆芯流量。

2 堆芯设计

2.1 堆芯尺寸的选择

堆芯容器尺寸的选取与运行任务、安全限制、堆芯几何和材料等有关。M2SR-1的运行任务是在热功率为210 kW下运行8 a，即堆芯要有一定的后备反应性来满足运行要求。安全限制方面，一般要求发射掉落事故时，反应堆的有效增殖因数不超过0.98。因此，活性区半径需尽可能的小，来提高控制鼓控制反应性的能力，使发生发射掉落事故时，反应堆的有效增殖因数小于0.98。为保证热量输出，保持热管插入深度20 cm不变。反射层厚度暂取10 cm，控制鼓个数都为6个。堆芯容器尺寸对反应性的影响见表1，其中方案1与2堆芯容器底部为柱状，方案3堆芯容器底部是半球状。

表2 堆芯尺寸的选择Table 2 Selection of core size

从表2可以看出，堆芯容器直径为28 cm时，堆芯不临界，不能满足设计要求。本文在方案3的基础上，继续优化控制鼓的设计。

控制鼓可控反应性价值的大小与控制鼓个数、控制鼓大小、吸收体厚度等有关。表3给出了控制鼓可控反应性价值与控制鼓个数、控制鼓大小的关系，其中控制鼓大小随反射层的厚度变化而变化，保持控制鼓外径与反射层外径的间距为0.2 cm不变。

表3 控制鼓的选择Table 3 Selection of control drums

通过下文的临界安全分析，只有方案5，在发生发射掉落事故时，反应堆的有效增殖因数小于0.98，满足设计要求。因此，本文选取方案5的堆芯尺寸、反射层厚度、控制鼓个数，并在堆芯容器外侧涂覆一层厚0.01 cm的氧化钆。

2.2 临界安全分析

目前为止，国际社会尚未制定在空间核动力源应用领域的专门国际条约［13］。联合国和平利用外层空间委员会针对空间核动力源的应用专门草拟并于1992年通过了《关于在外层空间使用核动力源的原则》。2009年，联合国和平利用外层空间委员会又与国际原子能机构共同制定了《外层空间核动力源应用安全框架》。这两文件为空间核动力源的应用提供了所应遵循的一般原则和具体的技术性规范，对于备受关注的安全问题也提供了相应的安全标准。

其中《关于在外层空间使用核动力源的原则》对有关空间堆设计技术问题的进行规定。如：核反应堆在达到工作轨道或行星际飞行轨道前不得使其进入临界状态；核反应堆的设计和建造应确保在达到工作轨道前发生一切可能事件时均不能进入临界状态，此种事件包括火箭爆炸、再入、撞击地面或水面、沉入水下或水进入堆芯。

M2SR-1在发射阶段，堆芯熔盐是固态，且受反射层的控制鼓控制，堆芯处于次临界状态。在进行返回地面的临界安全分析时，假设M2SR-1掉落到地面上时存在反射层和控制鼓同时脱落的情况，但堆芯结构保持不变，有反射层时控制鼓的吸收体正对堆芯活性区［9］。

反应堆返回地面的临界安全问题与掉落环境密切相关，进行反应堆掉落临界安全分析时，主要针对两种情况进行分析：1）反应堆掉入水中，并被水包围；2）反应堆掉入干沙子中，并被干沙子覆盖。从参考文献［8］的分析可以发现，反应堆掉入湿沙中的情况，对反应堆安全的影响介于水和干沙之间，因此，本文不做分析。对于上述两种情况，分别存在反射层和控制鼓是否脱落及堆芯内部空腔是否进水的问题。在计算堆芯内部空腔进水时，将堆芯内热管中的锂以及其他工质和空隙均以水代替。计算结果见表4。

表4 M2SR-1在不同情况下的临界计算Table 4 Critical calculation of M2SR-1 at different falling cases

表4中不同序号代表反射层的状态和不同的掉落环境，A代表反射层存在，B代表反射层脱落；1代表反应堆掉入干沙中，堆芯未进水；2代表反应堆掉入干沙中，堆芯进水；3代表反应堆掉入水中，堆芯未进水；4代表反应堆掉入水中，堆芯进水。

从表4中可以看出，不论反射层存不存在，熔盐堆掉入干沙中，且堆芯进水时，这种情况最危险。此时干沙子紧贴堆芯，对中子起到了很好反射作用，且堆芯进水，对中子起到慢化作用。

2.3 堆芯物理分析

对方案5进行堆芯物理分析，当反应堆处于冷态时（假设反应堆温度为300 K，固态燃料盐密度根据液态的密度公式外推得到），计算得到有效增殖因数为1.063 48±0.000 28，当反应堆处于热态时（假设反应堆温度为1 200 K），计算得到有效增殖因数为1.006 77±0.000 25，折 合 成 等 温 温 度 系 数 为-5.89×10-5K-1，由此，可以看出熔盐堆具有较大的负温度系数，固有安全性高。这主要是由于燃料盐的热膨胀，导致燃料盐体积变化，即活性区大小变化，导致的较大负温度系数。

利用MCNP和ORIGEN程序耦合计算了方案5全堆芯平均燃耗。图2给出了M2SR-1的有效增殖因子随燃耗的演化。由图2可见，在寿期末时反应堆的有效增殖因数大于1，表明反应堆的剩余反应性可满足满功率运行8 a的寿期要求。

图2 keff随时间变化Fig.2 Varition of keffwith burn-up time

图3、图4给出了寿期初堆芯功率密度归一化分布。图3为径向功率密度归一化分布，图4为轴向功率密度归一化分布。计算功率分布时，径向分9个环形区域，轴向分11个区域。

在图3中，由于堆芯中心热管存在，此处附近燃料盐功率密度较小，同时，由于反射层反射回中子，在靠近反射层区域的功率密度呈上升趋势。图4中，同样由于热管的存在，在热管段燃料盐区，轴向功率密度下降较快。

图3 径向功率密度归一化分布Fig.3 Normalized distribution of radial power density

图4 轴向功率密度归一化分布Fig.4 Normalized distribution of axial power density

2.4 堆芯热工分析

堆芯热工分析的基本任务是确定燃料盐的流动特性和传热特性，保证在任何工况下都能及时输出堆芯热量。M2SR-1热管和堆芯容器一体化设计，燃料盐填充堆芯容器，热管插入燃料盐中。在堆芯容器中，燃料盐中燃料发生裂变反应产生热量，加热热管热端，通过热管将堆芯产生的热量导入到能量转换器的热管换热器中，能量转换器将其转换为电能，未被利用的热能经废热排放系统，排放到火星大气中。热管插入堆芯上半部分，有利于加强燃料盐的自然对流，提高热管换热能力。燃料盐为半透明介质且温度很高，存在辐射传热过程［14］。

经分析计算得到燃料盐的最高温度为1 484 K，小于燃料盐的沸点温度；热管包壳最高温度为1 395 K，小于Mo-Re合金使用温度，可满足安全要求。即使堆芯内传热功率最高的热管失效，由于燃料盐是液态可流动的，边上的热管也能很好地带走多余的热量。

3 结语

本文给出火星熔盐堆M2SR-1的堆芯设计方案，并从物理、安全、热工等方面对M2SR-1进行了计算分析。堆芯方案采用热管和堆芯容器一体化设计，热管插入堆芯上半部分，插入深度为20 cm，堆芯底部为半球状，该设计方案有利于减少燃料盐的装载量，同时加强燃料盐的自燃对流。分析结果表明：M2SR-1在满功率运行下可满足8 a的寿期要求；在不同假设掉落环境下，有效增加因子均小于0.98，满足临界安全要求。