月球反应堆屏蔽研究

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1、第２２卷第４期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．４２０１６年８月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＡｕｇ．２０１６月球反应堆屏蔽研究高剑，郭键，赵守智（中国原子能科学研究院，北京１０２４１３）摘要：针对月球特殊使用环境下的反应堆辐射屏蔽问题，采用蒙特卡罗方法的ＭＣＮＰ程序对月球反应堆建立了月壤屏蔽和全集成屏蔽两种计算模型。利用ＭＣＮＰ程序对航天员所受剂量和斯特林电机所受通量进行了详细计算，给出月壤屏蔽和全集成屏蔽优化设计的建议。计算结果表明：两种屏蔽方案均能满足剂量限值要求，屏蔽优化设计合理可行。关键词：

2、月球反应堆；ＭＣＮＰ；月壤屏蔽；全集成屏蔽；剂量限值中图分类号：ＴＬ３２８文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１６）０４⁃０４２９⁃０５ＳｔｕｄｙｏｎＬｕｎａｒＲｅａｃｔｏｒＳｈｉｅｌｄｉｎｇＧＡＯＪｉａｎ，ＧＵＯＪｉａｎ，ＺＨＡＯＳｈｏｕｚｈｉ（ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２４１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｓｈｉｅｌｄｉｎｇｕｎｄｅｒｌｕｎａｒｓｐｅｃｉａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｗｏｃ

3、ａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄ⁃ｅｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅｇｏｌｉｔｈｓｈｉｅｌｄｉｎｇａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｈｉｅｌｄｉｎｇ，ｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｓｉｎｇＭＣＮＰｃｏｄｅ．ＴｈｅｄｏｓｅｏｆａｓｔｒｏｎａｕｔｓａｎｄｓｔｉｒｌｉｎｇｇｅｎｅｒａｔｏｒｗａｓｄｅｔａｉｌｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈＭＣＮＰｃｏｄｅ．Ａｎｄｒｅｃｏｍｍｅｎｄａ⁃ｔｉｏｎｓｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｄｅｓｉｇｎｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｂｏｔ

4、ｈｔｗｏｓｈｉｅｌｄｉｎｇｄｅ⁃ｓｉｇｎｓｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｄｏｓｅｌｉｍｉｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｉｎｇｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｐｒａｃｔｉ⁃ｃａｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｕｎａｒｒｅａｃｔｏｒ；ＭＣＮＰ；ｒｅｇｏｌｉｔｈｓｈｉｅｌｄｉｎｇ；ｍａｔｅｒｉａｌｓｈｉｅｌｄｉｎｇ；ｄｏｓｅｌｉｍｉｔｓ５０ｍＳｖ（人员所受的剂量）；２）寿期内堆芯上方的１引言斯特林电机所受的γ剂量小于２０Ｍｒａｄ；３）寿期２００４年，我国正式开展月球探测工程

5、———内堆芯上方斯特林电机的快中子注量小于４×１４２“嫦娥工程”。随着我国空间探索技术的不断发１０ｎ／ｃｍ（能量大于０?１ＭｅＶ的中子）。屏蔽计展，未来可能在月球上建立基地，而建立月球科研算用到的工具为ＭＣＮＰ程序，对于人体剂量的计基地首先要解决能源供给问题。对月球表面进行算通过光子和中子通量直接转换得到。探测或在月球表面建设基地，需要用到几十千瓦由于月球表面存在风化层土壤，月球堆的屏量级的能源系统，而超轻的、安全可靠的、可无人蔽设计还可以考虑采用月壤作为屏蔽替代材料。操作的月球表面用反应堆可以作

6、为备选。本文根据月球特殊的使用环境，首先设计了月壤在有人驻守的月球基地中使用核反应堆来供屏蔽和全集成屏蔽两种方案，然后对两种屏蔽方能，需要解决反应堆的辐射防护问题，对于月球基案进行了详细的剂量计算和设计优化，分析两种［１⁃２］地反应堆的屏蔽设计有如下技术指标限值：方案的屏蔽特性，比较两种屏蔽方案的优缺点，最１）距离堆芯１００ｍ处月球表面的年剂量值小于后给出后续的屏蔽设计优化策略。收稿日期：２０１５⁃１０⁃１０；修回日期：２０１６⁃０４⁃２５基金项目：载人航天预先研究项目（０６０２０３）作者简介：高

7、剑（１９８９－），男，硕士，助理工程师，研究方向为反应堆物理。Ｅ⁃ｍａｉｌ：７７２７５１４２３＠ｑｑ．ｃｏｍ４３０载人航天第２２卷２月球堆计算模型描述月球堆计算模型中最核心部分为月球反应堆系统，反应堆采用锂回路冷却，反射层材料为ＢｅＯ，反应堆通过转鼓的转动来控制反应性。堆芯活性区为正六边形结构，堆芯由８８根燃料元件、３根氧化钆棒（安全棒）以及锂冷却剂组成。月球堆堆芯和反射层的总质量为２２７?６ｋｇ，其中，月球堆堆芯的ＵＯ燃料装量为７１?９ｋｇ，堆芯示意２如图１。图２月球堆模型示意图（模型描述见表１

8、）Ｆｉｇ．２Ｌｕｎａｒｒｅａｃｔｏｒｍｏｄｅｌｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ（Ｓｅｅｔａｂｌｅ１ｆｏｒｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ）月球堆计算模型建立之后，首先对月球堆进行临界计算，再以临界计算为基础，对航天员所受的年剂量值、反应堆上方斯特林电机在全寿期内所受的光子剂量及中子注量进行计算，最后分析中子以及光子在屏蔽过程中的特点，指导月球堆屏蔽优化设计。下面主要对月球堆的两种不同屏图１月球反应堆堆芯示意图蔽方案进行辐射剂量计算，分析出两种方案各自Ｆｉｇ．１Ｃｏｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ