同位素热源火灾事故环境模拟试验及仿真分析

胡宇鹏，王易君，王 泽，向延华，李 鑫，朱长春，胡文军，胡绍全，唐 显

(1.中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621999; 2.中国原子能科学研究院 同位素研究所，北京 102413)

放射性同位素自发衰变辐射出的含能粒子在材料中沉积能量的一部分将会转换为热能，利用赛贝克效应可将该部分热能转换成电能，将其作为热源或电源使用具有体积小、寿命长、不受环境影响、无需维护等特点。因此，放射性同位素热源(RHU)和放射性同位素温差电池(RTG)作为理想的空间能源广泛应用于包括月球在内的星球自动观察、内行星飞行和外行星探测，尤其是太阳能使用受限的深空探测任务[1-3]。美国自20世纪60年代以来已在29次空间任务中采用了RHU/RTG装置，并在输出功率、工作寿命等指标上不断提升[4]。俄罗斯20世纪90年代以“火星-16”任务为起点，也开启了空间RHU/RTG的研制进程[5]。

安全性一直是空间核动力装置使用的优先考虑因素，联合国特别颁布了《关于在外层空间使用核动力源的原则》[6]以对空间核能安全利用做出规定。美俄在空间RHU/RTG研制过程中都制定了严格的安全条件测试项目，对相应的环境试验技术进行了深入研究，开展了大量环境试验以考核空间RHU/RTG的安全性[7-10]。

我国正在实施深空探测工程，为支撑空间RHU/RTG安全评估工作，亟需开展空间RHU/RTG安全性试验技术研究[11-12]。目前，国内针对模拟验证空间RHU意外再入返回的高速撞击试验技术已有较系统的研究[13]。针对空间RTG/RHU运输、发射等任务剖面可能遭受的火灾事故场景，需开展火灾环境模拟试验以考核空间RHU/RTG火灾事故场景的安全性，但目前相关研究较缺乏。我国关于空间RHU/RTG的安全性环境试验技术的研究刚起步，由于技术封锁，很难借鉴美俄相关成功案列开展相关试验[14]。本文拟在详述RHU火灾事故地面模拟试验技术的基础上，对其中涉及的关键热物理问题进行深入讨论，围绕空间RHU火灾试验开展数值仿真分析及试验研究，为空间RHU异常环境安全性研究提供参考。

1 空间同位素热源

1.1 热源结构

RTG能同时输出电能和热能，典型的RTG由RHU、热电转换器和辐射散热器3部分组成，其中RHU是其核心部件，也是环境试验重点考核部件。RHU具体结构如图1所示，主要包括放射性同位素芯块、结构层、内密封层、隔热层及烧蚀层。其中，结构层为芯块的直接包覆层，在各类异常事故安全性试验考核中，其是否破损或是否会引起放射性物质泄漏为主要考核指标。

图1 RHU结构示意图Fig.1 RHU structure diagram

1.2 热源状态

空间用RHU必须兼顾安全性和比功率大、半衰期长等要求，238Pu因其半衰期长(T1/2≈87.7 a)、比功率高(约0.50 W/g)、熔点高(约2 240 ℃)等特点[15]，是目前最合适空间应用的同位素。放射性同位素芯块的运行温度常根据设计的发热功率、源盒材料等具体指标确定。由热力学分析可知，热源运行温度越高，热电转换效率越高，但热源运行温度太高又会带来放射性泄漏或源盒损害。当前，RHU的运行温度最高不超过1 500 ℃。

238Pu属高放射性物质，为保证试验的安全性，在试验中往往采用结构模拟件代替真实产品进行试验。RHU火灾事故环境安全性试验的目的是考核试验产品在经受火灾高温环境下是否会发生泄漏，即主要考核RHU结构层在火灾高温环境下的完整性。

2 空间同位素热源火灾事故模拟试验设计

对于模拟样品，其本身不会像真实产品因238Pu热源而处于较高温度状态。在空间RHU火灾环境模拟试验前，需根据研制要求视情况考虑对结构模拟件进行适当预热，以使模拟样品的结构层具有与真实热源结构层相同的温度，当结构模拟件被加热至目标温度后，再进行火灾环境模拟试验。试验热加载装置如图2所示，采用电阻炉对RHU结构模拟件进行预热，预热目标温度根据不同型号空间RHU的发热功率确定。试件达到预热目标温度并平衡后，需转至油池火烧试验装置进行火灾热加载。为真实地模拟火灾事故环境，采用池火方式对预热后的试件进行火焰加热。火烧系统由油池、油源、点火装置等组成，且处于开阔地带，周围无遮拦物和可燃物。油池火焰属于扩散火焰，需设计合适的油池大小以及试件与油面的相对高度，以确保试件外表面的被覆火焰厚度在1～3 m之间。

图2 试验热加载装置示意图Fig.2 Test heat loading installation diagram

温度测试系统包括火焰温度测试和试件表面温度测试。对于火焰温度测试，采用K型热电偶(丝径不大于1 mm)对火焰场中的不同几何分布位置特征点进行温度测量。同时，采用红外热像仪对整个火焰场进行观测。对于试件表面温度测试，采用丝径更小的K型热电偶(0.4～0.8 mm)进行测量。热电偶产生的电信号由数据采集系统采集。

3 数值仿真分析

空间RHU火灾事故环境模拟试验属首次开展的火烧安全性试验，需在试验前对试验关键环节进行仿真预测，掌握关键阶段模拟样品的热响应特性，对试验关键环节进行把控，从而指导试验的开展。RHU火灾事故场景模拟试验主要涉及两个环节：1) 预热环节，将模拟样品预热至目标温度；2) 火烧环节，对模拟样品进行火焰加载。其中，预热环节根据研制阶段需求决定是否需要进行。对试验中模拟样品的热物理过程进行分析辨识，可知影响模拟样品火灾模拟试验热响应的关键环节有：1) 经预热后高温模拟样品向外辐射、空气对流换热冷却以及内部多层结构的导热；2) 火烧阶段高温火焰的热辐射、烟气的对流换热以及内部多层结构的导热。

其中，池火焰对模拟样品的热加载主要体现在高温火焰的辐射和对流，在考虑火焰对模拟样品的传热时作如下假设：1) 火焰具有等温性，即火焰环境中的温度分布相同；2) 火焰燃烧产生的烟气视为灰体；3) 忽略火焰的散射作用。

传入模拟样品的热量可表示为：

q=qrad+qconv

(1)

式中：q为传入的总热量，W；qrad为辐射传热量，W；qconv为对流传热量，W。

根据传热学，qrad和qconv可进一步表示为：

(2)

qconv=hfA(Tf-Ts)

(3)

式中：σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.67×10-8W·m-2·K-4；A为传热面积，m2；F为视角系数，取值为1；εf为火焰辐射率；εs为试件外壁辐射率；Tf为火焰温度，K；Ts为容器壁面温度，K；hf为对流换热系数，W/(m2·K)。

由此，传入模拟样品外壁的总热量可表示为：

(4)

基于上述分析，建立空间RHU有限元模型，并开展空间RHU火灾环境热响应数值仿真。

3.1 预热阶段

空间RHU结构模拟件在热加载后处于高温，在转入火烧场过程中因向环境辐射及空气对流极易被冷却至目标温度以下，从而造成欠考核，需对预热完成后的模拟样品在转运中的温度变化情况进行讨论。

预热温度为1 100 ℃、环境温度为25 ℃、空气对流换热系数为5 W/(m2·K)、辐射率为0.75时典型工况下模拟样品放置于空气中后不同时刻的温度场分布示于图3。模拟样品置于空气10 s时，烧蚀层温度已有较大下降，特别是上下边壁处。随后，各层温度进一步下降且趋于均匀。

图3 RHU模拟样品置于空气中温度场Fig.3 Temperature distribution of RHU simulated sample in air

与图3对应的模拟样品各层平均温度随时间的变化示于图4。由图4可知，模拟样品的烧蚀层和隔热层温度随时间的推移变化最明显，且变化趋势基本相同，样品刚置于空气中时，温度下降速率较大，随着时间的推移，温度下降速率逐渐减缓，300 s时温度降至478.7 ℃。相比之下，结构层和内密封层温度基本一致，且在120 s内几乎没有温降，300 s时温度也仅降至1 077.5 ℃，与目标预热温度相比下降2%，满足工程允差要求。如转移时间进一步延长，各层温度继续下降，但趋势有所减缓，直至1 100 s以后温度基本趋于平缓，结构层温度在910.5 ℃左右，烧蚀层已降至295.2 ℃左右。整个时间段内，放射性同位素芯块内部几乎没有温降，但边界温度已降至826.3 ℃，平均温度仍在1 021.1 ℃左右。综上，转移时间宜在5 min以内。

图4 RHU模拟样品转移阶段各层温度随时间的变化Fig.4 Variation of each layer temperature of RHU simulated sample in air during transfer stage

空间RHU火灾模拟试验预热阶段需考虑RHU型号、试验环境等的影响。型号因素可分解为预热目标温度、表面辐射率等(不同型号RHU工作温度以及本质设计不同)；试验环境因素可分解为环境温度、空气对流换热系数。在前述典型工况(预热温度1 100 ℃、环境温度25 ℃、空气对流换热系数5 W/(m2·K)、辐射率0.75)基础上，改变任一因素，对各因素的影响规律系统研究，结果示于图5。由图5可知，预热目标温度越高，模拟样品各层温度在转移过程中温降越大；模拟样品表面辐射率和空气对流换热系数主要影响烧蚀层温度，对结构层温度有一定影响；环境温度对各层温度影响较小。比较各因素下预热目标温度与结构层温差情况可知，为防止转移过程中的温降，可使实际预热温度高于RHU运行温度约20～30 ℃。

图5 RHU模拟样品转移阶段温度的变化规律Fig.5 Variation of temperature of RHU simulated sample in air during transfer stage

3.2 火烧阶段

影响火烧试验热加载温度的主要因素是燃料类型，地面运输火灾事故主要为烃类燃料燃烧，温度一般在800～1 200 ℃，发射场火灾事故主要为固体/液体推进剂燃烧，温度可达2 000 ℃。综合考虑空间RHU运输任务剖面下的运输工具燃料箱、运输保障条件及发射场事故场景，确定火烧试验时间为1 h。分别对处于火烧阶段环境温度模拟样品和经过预热的模拟样品进行数值仿真分析，结果示于图6。对于初始温度为环境温度的RHU烃类燃料燃烧，在火烧刚开始阶段，烧蚀层温度迅速上升，60 s时最高温度已升至450.3 ℃，325 s时升至876.3 ℃，随着时间的推移，烧蚀层温度基本稳定，略低于火焰温度，结构层温度则随时间推移而增加。对于初始温度1 100 ℃的RHU推进剂火烧，烧蚀层温度上升速率更快，在10 s时最高温度已达1 587.2 ℃。同样地，各层温度随时间的推移较烃类燃料火烧情况上升更快。

a、b、c——初始温度25 ℃，火焰温度900 ℃；d、e、f——初始温度1 100 ℃，火焰温度2 000 ℃图6 RHU模拟样品火烧环境下的温度场Fig.6 Temperature distribution of RHU simulated sample in fire

RHU模拟样品相应各层平均温度变化规律示于图7。由图7可知，两类火烧试验RHU烧蚀层温度增长速率在火烧试验初期较大，结构层温度上升速率相对较小，但发射场事故场景模拟环境试验下的相应温升速率较运输事故场景模拟环境试验的结果大。运输事故场景下，放射性同位素芯块经历1 h火烧后温度几乎没有变化，而发射场事故场景下放射性同位素芯块虽然内部中心位置温度变化不大，但靠近结构层部分温度已有较大提升，即平均温度有一定提升，但仍处于安全范围，说明RHU的热防护设计在两类火灾事故场景下效果都较好。

图7 RHU模拟样品火烧环境的温度变化规律Fig.7 Variation of temperature of RHU simulated sample in fire

4 火灾模拟试验

以上述仿真分析为理论参考，对某型空间RHU进行火灾环境模拟试验，燃料选用航空煤油，模拟样品共2 枚。火焰温度场示于图8，火焰呈现火羽流形态，火舌从燃油表面垂直上升并在上方出现颈缩现象，该现象是由火焰卷吸诱导引入的空气引起的。

图8 火焰温度场Fig.8 Temperature distribution of the fire

试验测试的火焰场温度信息示于图9。图9a为火焰场不同位置温度的测试信息，以及平均温度(Tave)随时间的变化规律，T1测点位于距离油面0.8 m处，T2测点位于距离油面1.2 m处。点火后，火焰温度在40 s内迅速升至914 ℃，随后火焰稳定燃烧，测点温度时均值基本在850 ℃以上。各测点温度基本一致，表明火焰场温度在时间与空间维度均呈现一定的规律性分布。T1测点温度(T1)高于T2测点温度(T2)，说明在火焰高度适当范围内，随着火焰高度的增加，火焰温度呈下降趋势。图9b为火焰温度频域特征，油池火焰产生的火羽流具有不同的湍流频率，主频仅为0.001 19 Hz，这是由于沿浮力羽流外侧卷起的大涡将空气卷吸到羽流中，从而呈现周围空气被火焰整体吞没的大尺度-低频率扰动特征。

图9 火焰场温度信息Fig.9 Information of thermal field of fire

试验件表面温度测试结果示于图10。由图10可知，结构模拟件表面温度变化与火焰温度基本一致。在火焰燃烧初始阶段，当火焰达到较高温度且趋于平衡时(890 s)，试件表面温度约为700 ℃；随后温度继续上升，基本稳定在800～900 ℃，与数值仿真结果符合程度较好；当燃烧结束时(5 400 s)，试件表面温度约为440 ℃，直至火焰熄灭30 min后(7 200 s)，试件表面温度降至180 ℃。另外，两枚试件不同测点温度变化趋势及各测点的差异大致相同，再次说明火焰场温度均匀，对试件包覆性较好。

图10 结构模拟件表面温度变化Fig.10 Temperature variation of RHU simulated sample surface in fire test

试验后，对两枚试件进行了检测，整体结构良好。综上可知，试验达到了空间RHU火灾事故场景安全性考核的目的，同时也验证了数值仿真结果。

5 结论

针对空间同位素热源火灾事故环境模拟试验技术开展了系统研究，提出了适用于空间RHU火灾环境模拟试验方法，对试验关键环节空间RHU热响应特征进行了仿真分析，并将其用于某型空间RHU火灾环境模拟试验，得到如下结论。

1) 空间RHU火灾事故环境模拟试验方法如下：(1) 采用加热炉对空间RHU结构模拟件进行预热，预热温度应较RHU运行温度高约20～30 ℃；(2) 采用池火方式对试件进行火焰加载，需确保试件被火焰完全包覆；(3) 试验中需对火焰场及试验件表面进行温度测试。

2) 采用所建立的空间RHU结构模拟件导热、对流、辐射耦合传热物理数学模型对试件预热后转移、火烧等关键阶段试件传热特性的仿真结果表明，预热目标温度对试件热响应特性影响较大，试件表面辐射率和空气对流换热系数主要影响烧蚀层温度，转移过程应在5 min以内；火烧环境下，烧蚀层温度上升速率较快，推进剂燃烧情况下各层温升速率较烃类燃料火烧情况快，但放射性同位素芯块处于安全温度范围。

3) 某型号空间同位素热源火灾环境模拟试验结果显示，火焰呈现火羽流形态，具有大尺度-低频率扰动特征。试件热响应特性基本与火焰温度一致。燃烧结束时，试件表面温度约为440 ℃，火焰熄灭30 min后，试件表面温度降至180 ℃。试验后的试件整体结构良好。试验结果与数值仿真较为符合。