月表核电站堆芯物理特性设计研究

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1、月表核电站堆芯物理特性设计研究　　【摘要】论文提出并初步论证了未来可用于月球表面核反应堆电站的方案HPCMR（heat-pipecooledmodulefastreactorpowersystem），整个电站由三个相同的模块组成，每个模块均包含有锂热管导热的堆芯单元、热电偶转换单元、钾热管辐射器单元、转动控制鼓单元，以及堆芯顶部屏蔽单元。并对其中子物理特性开展深入研究，结果表明，方案具有发射质量少，固有安全特性好的优点。【关键词】月球表面电站HPCMR堆芯物理特性1引言随着空间技术应用需求的日益加大以及空间技术的不断成熟，月球已经成为各国21世纪深空探测的首要目标。月球的探测和应用之所以成为

2、有航天能力国家的重点目标，主要是因为月球具有许多优点：一是作为距离地球最近的自然天体，月球上具有超高真空、无大气活动、无磁场、地质构造稳定、弱重力、无污染等天然条件，是开展科学研究的天然实验室；二是天文观测及对地球观察的理想基地；三是人类探测太空并开发利用太空资源的前哨站与中转站；四是月球上有将来可供人类利用的能源储备等。6建立月球科研基地首先需解决能源供给问题。由于月球上的长夜达14天之久，采用太阳能帆板加蓄电池阵很难满足大功率需求。本论文研究是为解决月球基地的电能或热能稳定供应等问题而开展的基础技术研究。通过分析、论证和设计，给出一套经济安全的月球反应堆系统方案，为进一步开展各项技术研究

3、提供技术基础。2月表核电站方案HPCMRHPCMR采用锂热管冷却快堆，转鼓控制，热电偶转换，钾热管辐射器及月壤屏蔽。基于反应堆安全和运载能力方面的考虑，反应堆电源采用集成模块化设计，每块单独发射，在月球表面进行组装。每个模块均包括一个堆芯单元（不足以达到临界）、屏蔽体单元、控制转鼓单元、热电转换装置单元以及辐射器单元。反应堆堆芯采用热管冷却，无冷却剂回路；热电转换方式采用静态热电偶转换，无运动部件；废热排放方式采用热管式辐射器；以上几点特性保证了反应堆电源很高的可靠性和安全性。6堆芯分为三个模块，其中每个堆芯模块装载102根燃料元件和42根锂热管，6套大控制转鼓和6套小控制转鼓。整个堆芯共装

4、载燃料元件306根，高温锂热管126根，控制转鼓12套。反应堆堆芯总高950mm，活性区高度600mm，堆芯横截面为正六边形，对边距为576mm，活性区横截面也是正六边形，对边距为342mm。堆芯反射层包容整个堆芯，材料为BeO，其中侧反射层厚117mm，上反射层厚120mm，下反射层厚130mm。堆芯周围均布6套大控制鼓和6套小控制鼓，其中大控制鼓直径156mm，小控制鼓直径100mm。控制鼓主体结构材料为BeO，吸收体材料为B4C，B4C厚5mm，高600mm，镶嵌在控制鼓主体上，包容角度120°，用于控制反应堆的反应性。3堆芯物理特性分析物理计算主要采用MCNP程序。计算中忽略堆芯反射

5、层外其他结构和部件，计算模型数据库选用国际通用的ENDF/B-VI。3.1堆芯反应性分析堆芯临界分析计算结果见表1，计算结果表明，堆芯的总体反应性系数为负值。表中数据表明，堆芯初步方案能够满足月球表用反应堆的要求。月球表面反应堆总共设置6套大转鼓和6套小转鼓，两种转鼓均能够满足独立停堆的要求，事故情况下，即便最大价值的一套大转鼓卡在外侧，其余转鼓也能实现安全停堆。从表2可以看出，HPCMR堆芯在受热膨胀时，轴向膨胀引入负反应性，径向膨胀引入正反应性，从总体效果呈负反应性效应。燃料多普勒效应为负，在1100K至1700K的范围内，燃料的温度系数为-2.2×10-6△k/k/℃。3.2堆芯释热分

6、析6月球表面反应堆设计为快中子反应堆，侧面带有铍反射层，每根燃料元件的平均功率为5.06kW。快中子泄露出堆芯到侧反射层中受到铍反射层的慢化和反射作用，导致堆芯边缘燃料元件裂变率与堆芯内部燃料元件相比更高，因此堆芯功率峰所在的位置在堆芯边缘，其最大功率峰因子达到1.39，考虑到堆芯独特的热管冷却方式，边缘燃料元件冷却压力并不太大，除了最外一圈燃料元件，其余燃料元件的最大功率峰因子仅为1.158。3.3堆芯燃耗分析HPCMR反应堆为热管冷却快堆，堆芯中子能谱较硬，超过了一般钠冷却快堆，从中子能谱分析，绝大多数中子处于能量100keV～10MeV区间内，超出了U、Re的共振吸收区间。锕系核素对反

7、应堆的影响远大于裂变产物对反应堆的影响。随着反应堆燃耗的加深，锕系核素积累较为明显，寿期末，236U积累达到1.4kg，239Pu的累积量也达到160g。235U消耗量大约7kg，相对燃耗4.8%，燃料芯体绝对燃耗17230MWD/tU，燃耗相对较浅。HPCMR满功率运行3600天后，反应堆有效增殖系数大于1，并有0.6%Δk/k的裕量。证明反应堆的后备反应性足够运行十年的要求。3.4发射过程中的临界安全问题