火星表面环境对核反应堆屏蔽性能的影响分析

姚成志，赵守智，胡 古，解家春

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

火星作为太阳系的八大行星之一，是地球轨道外侧距离地球最近的行星，其表面环境特点也最接近于地球，因此一直以来火星都是人类进行深空探测和开发的首选目标。作为我国深空探测的重要内容，火星等星球表面的探测项目也正在开展与论证中[1]。火星表面探测时所需的电源功率一般在10～100 kWe，寿期在5年以上[2]，同时需要电源系统具有高比功率、高安全性、高可靠性及良好的环境适应性，能在火星表面的极端环境条件下长期可靠供电。核反应堆电源以其功率大、寿命长、生存能力强、不依赖阳光、可全天候工作等特点[3-4]，被认为是火星表面及其他深空探测任务中理想的电源提供方案。

核反应堆电源在火星表面供电时会对周边工作人员和系统设备产生辐照，为确保人员及设备在核反应堆运行期间由中子和γ射线引起的辐照剂量在许可范围内，避免辐照引起人员伤害和设备失效或性能明显下降，有必要对核反应堆进行屏蔽[5-6]。本文针对火星表面的特殊环境，提出火星基地上工作人员和设备的剂量限值要求，对影响核反应堆屏蔽性能的环境因素进行初步分析，并给出火星表面用核反应堆的屏蔽建议。

1 屏蔽要求

屏蔽的目的是确保火星表面上人员和设备在整个寿期内所受的辐射剂量在许可范围内。2006年美国开展25 kWe月球表面核反应堆系统[7-9]方案研究时要求距离堆芯100 m处月球表面的年剂量小于50 mSv，寿期内堆芯上方的斯特林发动机所受的γ剂量小于20 Mrad，能量大于0.1 MeV的中子注量小于4×1014cm-2。2010年美国进行AFSPS反应堆[10]设计时要求距离堆芯100 m处星球表面的年剂量小于50 mSv，寿期内斯特林发动机所受的γ剂量小于5 Mrad，能量大于0.1 MeV的中子注量小于2.5×1014cm-2。参考AFSPS反应堆相对保守的剂量限值，本文要求距离反应堆堆芯100 m处火星表面的年剂量小于50 mSv，寿期内斯特林发动机所受的γ剂量小于5 Mrad，能量大于0.1 MeV的中子注量小于2.5×1014cm-2。

2 计算条件

火星表面用核反应堆为正六边形结构，总高约60 cm，直径约51 cm，如图1所示[11]。堆芯共有156根燃料元件和61根热管，燃料元件与热管的外径相同，采用相对紧凑的正三角栅格布置。为保证在单点失效时堆芯冷却性能不降低，每根燃料元件均至少由2根Li热管冷却。燃料芯体材料采用技术相对成熟、235U富集度较高的UO2。堆芯活性区的外围为轴向和径向BeO反射层，反射层包壳为MA-ODS 956合金，6个BeO/B4C控制鼓均匀布置在径向反射层内。

图1 堆芯结构模型Fig.1 Structural model of reactor core

火星表面核反应堆一般可采用全集成屏蔽模式、天然地形屏蔽模式以及火星土壤屏蔽模式。全集成屏蔽模式的屏蔽体在地球上完成安装，具有无需现场安装的优点，但屏蔽体质量大，不利于发射。天然地形屏蔽模式利用火星表面的天然地形(如环形坑等)进行屏蔽，只需部分人造屏蔽，屏蔽体质量较小，但受地形限制明显，使火星基地的选址受限。火星土壤屏蔽模式具有最小质量，缺点是需要专用的火星土壤移动或挖掘设备，需要一定布置时间，有一定风险。本文采用火星土壤屏蔽模式进行分析计算，计算采用的火星土壤和大气成分[12]列于表1、2。

表1 火星土壤主要成分Table 1 Composition of Martian regolith

表2 火星大气成分Table 2 Composition of Martian atmosphere

屏蔽计算采用MCNP-5程序，数据库为MCNP-5程序自带的截面数据库ENDF/B-Ⅵ.2。计算时，针对人员的探测器布置在火星表面，且距离反应堆堆芯100 m的位置。针对斯特林发动机的探测器布置在斯特林发动机的下表面，当反应堆未完全埋入火星土壤时，探测器距离反应堆堆芯上表面1.6 m；当反应堆完全埋入火星土壤时，探测器距离火星表面1.6 m。

3 屏蔽性能主要影响因素

3.1 火星坑深度

图2 年剂量随火星坑深度的变化Fig.2 Annual dose as a function of hole depth

图2为火星坑深0～2.2 m时距离堆芯100 m处的年剂量，当反应堆置于火星表面时，距离堆芯100 m处的年剂量为1.16×107mSv，该值远大于剂量限值要求。当反应堆部分埋入火星土壤时，随着埋入深度的增加，距离堆芯100 m处火星表面的年剂量呈下降趋势。反应堆刚好完全埋入火星土壤时，距离堆芯100 m处的年剂量降低到5.86×105mSv。在火星坑深为1.5 m时，距离堆芯100 m处的年剂量为20.1 mSv，该值已满足剂量限值要求，可见火星土壤起到了很好的屏蔽作用。

图3为火星坑深0～2.2 m时斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量。当反应堆未完全埋入火星土壤时，斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量基本不随火星坑深度变化，γ剂量最大值为580.47 Mrad，快中子注量最大可达1.09×1018cm-2，远大于剂量限值要求。当反应堆完全埋入火星土壤后，斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量随火星坑深度的增加呈下降趋势，在火星坑深度为1.5 m时，斯特林发动机下表面的γ剂量为2.21 Mrad，快中子注量为1.41×1013cm-2，已满足剂量限值要求。

图3 斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量随火星坑深度的变化Fig.3 Stirling alternator dose as a function of hole depth (gamma dose and fast neutron flux)

3.2 火星大气

将反应堆置于火星表面以及深1.5 m的火星坑中时，火星表面大气对剂量的影响列于表3。可看出，将反应堆置于火星表面时，与无大气情况相比，大气的散射作用可使距离堆芯100 m处的年剂量有少量增加，但对于距离堆芯较近的斯特林发动机处的γ剂量和快中子注量基本无影响。将反应堆置于1.5 m深的火星坑中时，大气的散射作用对外围剂量的影响较大，有大气时距离堆芯100 m处的年剂量是无大气时的3倍多，有大气时斯特林发动机下表面的快中子注量与无大气时相比也增加约29.4%，这与Wright等[13]的研究结果(快中子注量增加30%)基本一致，但火星大气对斯特林发动机处的γ剂量基本无影响。

表3 大气散射对屏蔽的影响Table 3 Effect of atmospheric scattering on shielding

3.3 火星土壤密度

将反应堆放入火星坑中，采用不同密度回填土壤进行回填时距离堆芯100 m处的年剂量示于图4。可看出，随着回填土壤密度的增大，年剂量呈下降趋势。图5为采用不同密度回填土壤时斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量。可看出，随着回填土壤密度的增大，斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量总体呈减小趋势。可见，采用火星土壤进行屏蔽时，应尽量增大回填土壤密度，以利于屏蔽，但实际回填土壤的密度一般会小于原始密度。

图4 不同回填土壤密度时的年剂量Fig.4 Annual dose as a function of regolith repacking density

参考美国的做法[7]，本方案选择回填土壤的相对密度为0.9，此时距离堆芯100 m处的年剂量为29 mSv，斯特林发动机下表面的γ剂量为4.69 Mrad，快中子注量为3.72×1013cm-12，均满足剂量限值要求。

图5 不同回填土壤密度时斯特林发动机下表面的γ剂量和快中子注量Fig.5 Stirling alternator dose as a function of regolith repacking density (gamma dose and fast neutron flux)

4 结论

本文针对核反应堆电源可能对火星基地工作人员和设备产生辐照的问题，提出了人员和设备的剂量限值要求及计算条件，结合火星表面环境情况，分析了火星土壤、大气等对屏蔽性能的影响，得到如下主要结论。

1) 火星土壤对核反应堆可起到很好的屏蔽效果，随着火星坑深度的增加，反应堆外围的剂量呈下降趋势。火星大气对中子和γ射线具有一定的散射作用，影响核反应堆的屏蔽效果。

2) 核反应堆置于火星表面时，大气的散射作用对距离核反应堆较远处的影响大于较近处。核反应堆置于火星坑中时，火星表面大气的散射作用对外围剂量的影响较大。火星坑回填土壤密度的增加可减小核反应堆外围剂量。

3) 核反应堆置于1.5 m深的火星坑中，采用相对密度为0.9的土壤进行回填时，距离核反应堆100 m处的年剂量以及斯特林发动机下表面的剂量均可满足剂量限值要求。

可看出，似乎只要通过增加火星坑深度以及回填土壤的相对密度即可实现对核反应堆的屏蔽。但由于火星表面环境的不确定性，实际上核反应堆的屏蔽是采用全集成屏蔽模式、天然地形屏蔽模式还是火星土壤屏蔽模式，需要综合考虑。