CERMET-SNRE堆芯物理计算分析

【关 键 字】 金属陶瓷燃料  小型核火箭发动机  物理设计
【摘    要】 核火箭发动机功率高、寿命长、比冲大,在执行深空探测和星际航行任务时具有不可替代的优势。小型化是核火箭发动机的一个重要趋势,基于此提出了一种使用钨基金属陶瓷燃料的小型核火箭发动机(CERMET-SNRE)堆芯方案,并采用蒙特卡罗程序(MCNP)进行了精确建模,计算了相关物理参数。计算分析结果表明:CERMET-SNRE堆芯能谱硬,燃耗浅,后备反应性足够,功率分布合理,控制鼓与安全棒价值足够,发射掉落事故下有效增殖因数小于0.98,堆芯方案合理,满足设计要求。

核火箭发动机是利用核能将工质加热到很高的温度,然后通过收缩扩张喷管将工质加速到超音速,从而产生推进动力的推进系统,其功率高、寿命长、比冲大,不受外界环境影响,在执行深空探测和星际航行任务时具有不可替代的优势[1]。在美国最新的载人火星参考文件5.0[2]中,核火箭发动机被认为是载人登陆火星的最佳推进动力选择,与化学火箭相比,可使近地初始轨道质量从1 250 t降低到800 t左右。
 
核火箭发动机的一个重要发展趋势是小型化、模块化[3]。设计开发小推力(不超过100 kN)的核火箭发动机,在执行任务时可将数个这样的小发动机捆绑在一起使用,既能降低技术开发风险,又能提高任务可靠性。美国在20世纪70年代核火箭发动机(NERVA)计划后期就提出了小型核火箭发动机(SNRE)的概念[4-5],推力为73 kN,比冲为875 s,采用燃料为复合燃料。目前美国重启了对SNRE的研究,并开始考虑采用高温性能更为优异的钨基金属陶瓷(CERMET)燃料[6],推力为100 kN左右,比冲可达900 s以上。本文提出一种使用CERMET燃料的小型核火箭发动机(CERMET-SNRE)堆芯方案,并采用蒙特卡罗程序(MCNP)进行精确建模,计算相关物理参数,为深空探测核火箭发动机动力的发展提供设计参考。
 
1 CERMET-SNRE堆芯描述
 
1.1 燃料元件
 
 
图1 CERMET燃料元件
Fig.1 CERMET fuel element
CERMET-SNRE的燃料元件参考美国GE-710工程和ANL核火箭工程研发的燃料元件[7-8](图1)。燃料元件呈六棱柱结构,燃料基体的组成为W-60%UO2-6%Gd2O3,即将体积份额为60%的UO2及6%的Gd2O3均匀弥散在W基体中,Gd2O3作为UO2的氧稳定剂,用来防止燃料的泄漏。燃料元件内切圆直径为2.28 cm,轴向长度为60.96 cm,燃料元件内包含91个氢气冷却剂通道,通道直径为0.091 44 cm,冷却剂通道包壳及燃料外包壳均为W-25Re,厚度分别为0.01 cm和0.028 cm。每根燃料元件的上端均与一段氧化铍块相连,氧化铍块的横截面尺寸以及氢气孔道数目和直径均与燃料元件相同,高度为10 cm,构成了上端轴向反射层,燃料元件下端氢气出口温度过高,不易布置反射层,所以无下端轴向反射层。CERMET燃料元件机械特性优异,不再需要额外的结构支撑。
 
1.2 堆芯结构
 
图2为CERMET-SNRE堆芯纵截面和横截面示意图。堆芯中心有一个中心孔,用来放置B4C安全棒,保证掉落事故下的临界安全,B4C中10B的富集度为80%。堆芯内共有180根完整的燃料元件和12根不完整燃料元件,不完整燃料元件分布在中心孔周围,235U富集度为70%,不完整燃料元件外布置完整燃料元件,235U富集度为90%。还有36根W填充元件分布在堆芯外围,使整个堆芯活性区接近圆柱形。堆芯活性区直径为36 cm。活性区被堆芯容器包围,堆芯容器材料为W-25Re合金,厚度为0.2 cm。堆芯容器外面为径向反射层(侧反射层),材料为Be,厚度为9 cm,高度为66.2 cm。径向反射层内有16个均匀布置的直径为8.6 cm的Be/B4C控制鼓,B4C吸收体厚度为1 cm,包角120°,B4C中10B的富集度为80%。CERMET-SNRE额定功率为500 MW,满功率运行时间为2 h(参考载人登陆火星任务时间),推力为100 kN,比冲约为922 s。表1列出CERMET-SNRE与GE-710的主要设计参数。GE-710是美国航空航天处(NASA)设计的一个方案[7],其堆芯是六角形的。用MCNP对CERMET-SNRE建模时,将每个元件(燃料元件和填充元件)定义为栅元,精细描述其内部结构,然后应用MCNP的重复结构功能填充得到堆芯。
 
 
图2 CERMET-SNRE堆芯纵截面和横截面示意图
Fig.2 Longitudinal section and cross section of CERMET-SNRE reactor core
表1 CERMET-SNRE与GE-710的主要设计参数
Table 1 Main design parameters of CERMET-SNRE and GE-710
 
2 堆芯物理计算
 
2.1 后备反应性
 
反应堆在初始、冷态、干净堆芯时所具有的反应性称为后备反应性。计算得到初始、冷态、干净的CERMET-SNRE堆芯的有效增殖因数(keff)为1.028 06,统计误差为0.000 30,后备反应性为2.729%Δk/k。
 
2.2 中子能谱
 
中子能谱是中子注量率关于能量的分布。计算时将0~20 MeV的中子能量区间按等勒划分为200群,计算得到的堆芯活性区、上端反射层和径向反射层内的中子能谱如图3所示。其中,活性区的能谱为体能谱,反射层的能谱分别是上端反射层上表面和径向反射层外表面的面能谱。
 
 
图3 中子能谱
Fig.3 Neutron energy spectrum
从图3可看出,堆芯活性区中子能谱很硬,快中子(0.1 MeV以上的中子)注量率较中能中子(0.625 eV~0.1 MeV)高4个量级,热中子(0.625 eV以下)极少,这是一典型快堆。上端反射层和径向反射层内的能谱软了很多,快中子注量率只较中能中子和热中子高1个量级左右,这是由反射层内的Be对中子的慢化所导致的。此外,在堆芯活性区能谱的中能中子区可看到一些明显的低谷区和锯齿区,而反射层能谱上没有,这是由CERMET燃料中185Re、152Gd、182W等核素的微观截面在这些区域的共振吸收峰所导致的,部分共振吸收峰的微观截面列于表2(微观截面是常温下的数据)。
 
表2 CERMET燃料中一些核素的共振吸收峰
Table 2 Reasonance absorption peaks of some nuclides in CERMET fuel
 
2.3 燃耗
 
 
图4 keff随运行时间的变化
Fig.4 keff vs. operation time
CERMET-SNRE运行功率为500 MW,运行寿期为2 h。采用MCNPX进行燃耗计算,得到keff随运行时间的变化,如图4所示。可看出keff变化很小,维持在1.028左右,可认为keff基本不变,燃耗反应性变化很小。CERMET-SNRE反应堆运行寿期很短,燃耗很浅,燃料芯体平均燃耗深度仅为170.1 MW·d/tU,235U消耗量很小,仅为44 g,约为初始装量(218 kg)的万分之二,易裂变核素含量基本未发生变化。
 
2.4 温度功率反应性效应
 
在整个堆芯寿期内,反应性将随反应堆温度和功率的变化而变化,这种变化即为温度功率反应性效应[9]。了解温度功率效应对于反应堆的控制和安全运行有重要意义。温度功率效应按机理可分为多普勒效应、能谱效应和膨胀效应。多普勒效应是指堆芯的燃料等材料的温度发生变化时,由于共振截面的变化而引起的反应性变化;能谱效应是指由于反射层材料等的散射截面受到温度变化的影响,从而使堆芯能谱发生变化,进而使堆芯中各种反应率随之发生变化的效应;膨胀效应是指堆芯由冷态升温到热态时各结构的材料的密度及几何形状改变所带来的反应性效应。
 
热态满功率下堆芯各部分平均温度和线性膨胀比列于表3。其中堆芯活性区内轴向温度梯度过大,不宜直接采用平均温度,因此堆芯活性区沿轴向从氢气出口端到入口端平均分成了10区,表3中所有温度精确到百位。
 
表3 热态满功率下堆芯各部分平均温度和线性膨胀比
Table 3 Average temperatures and liner expansion ratios of various regions for reactor core at hot full power
 
计算温度效应还需有不同温度下的核截面库,MCNP自带的截面库不能满足要求。以ENDF-7.1核数据库为基础,以100 K为步长,采用NJOY软件制作了H、O、Gd、W、Re、U、Be、B、C等9种元素的所有同位素在300~3 200 K下的ACE格式的点截面库,并进行基准题验证,供MCNP调用。最终计算得到的温度功率反应性效应列于表4。
 
表4 温度功率反应性效应
Table 4 Temperature-power reactivity effect
 
从表4可看出,该反应堆的多普勒效应、膨胀效应和总的温度功率效应均为负值。在总的温度功率效应中,超过85%是膨胀效应的贡献,而膨胀效应中各分量均为负,其中燃料膨胀效应的贡献超过了3/4。燃料的多普勒效应为负,与燃料负的膨胀效应一起,保证了反应堆具有瞬时的负温度反馈特性。
 
CERMET-SNRE反应堆正常运行时“吃”掉的反应性主要包括温度功率反应性、燃耗反应性、氢进入反应性(冷却剂孔道通入氢气造成的反应性变化)。总的温度功率反应性为1.967%Δk/k,燃耗反应性很小,几乎为0,氢进入反应性约为0.162%Δk/k(计算过程略),这些项相加得到“吃”掉的反应性为2.129%Δk/k,再加上0.5%Δk/k的最小剩余反应性,总和为2.629%Δk/k,略小于2.729%Δk/k的后备反应性,说明后备反应性足够,该方案能满足寿期内反应性平衡的要求,且留有一些设计调整的裕度。
 
2.5 功率分布
 
功率分布是反应堆重要的性能参数,是堆芯物理计算的主要内容之一,也是热工计算的主要输入参数[10]。计算得到的各区域的功率分布列于表5。从表5可看出,功率分布主要集中在燃料元件(包括燃料芯体、燃料元件外包壳和冷却剂包壳)上,此外填充元件、控制鼓吸收体和控制鼓铍柱所占的功率份额也较大。
 
表5 堆芯各区域功率分布
Table 5 Power distributions of various regions at reactor core
 
 
图5 1/4堆芯相对功率分布
Fig.5 Relative power distribution of 1/4 reactor core
计算得到的1/4堆芯的相对功率分布如图5所示。热通道位于第1圈高富集度燃料,其功率为3.27 MW,平均1根燃料元件(简称平均通道)的功率为2.67 MW。计算得到的热通道和平均通道的轴向功率分布如图6所示,可看出,热通道和平均通道的功率密度分布的形状基本相同,活性区部分(60.96 cm以下)接近余弦分布,上端反射层内(60.96 cm以上)功率极低。由于上端反射层的存在,使部分中子返回堆芯,导致活性区上部的功率明显大于下部,功率峰向运行温度较低的上部偏移。在活性区和上端反射层的交界区域有一个功率密度的凸起,这是因为从上端反射层中返回的中子能量较低,在活性区边缘中子价值更大,引起了更多的裂变。
 
 
图6 热通道和平均通道的功率密度
Fig.6 Axial power density distributions of hot and average channels
2.6 控制鼓和安全棒价值
 
在CERMET-SNRE中,主要设计了两种控制手段:16个控制鼓和1根中心安全棒。每相邻4个控制鼓共用1套驱动机构,成为1组控制鼓,16个控制鼓分为4组,4组控制鼓完全对称。计算得到不同组数的控制鼓以及安全棒投入时堆芯的keff,并计算出其价值列于表6。
 
表6 控制鼓和安全棒的价值
Table 6 Worth of control drum and safety rod
 
从表6可看出,相邻2组控制鼓价值小于1组控制鼓价值的2倍,说明相邻2组控制鼓之间的干涉效应为负;相对2组控制鼓价值大于1组控制鼓价值的2倍,说明相对2组控制鼓之间的干涉效应为正;3组控制鼓和4组控制鼓的价值分别大于1组控制鼓价值的3倍和4倍,说明整体上而言,各组控制鼓之间的干涉效应为正;4组控制鼓和安全棒都投入时的总价值大于4组控制鼓价值和安全棒价值之和,说明控制鼓和安全棒之间为正的干涉效应。1组控制鼓卡住、3组控制鼓投入时,keff为0.988 18,仅靠3组控制鼓即能实现安全停堆,满足卡棒准则。
 
2.7 发射掉落事故分析
 
发射掉落事故是空间反应堆的设计基准事故。一般要求发射掉落事故时,反应堆的keff不得超过0.98。事故分析假设:1) 在返回地面时,堆芯活性区结构无改变,安全棒卡锁在控制价值最大的位置,径向反射层可能掉落,反射层不掉落时控制鼓转鼓卡在价值最大处;2) 反应堆未启动,处于冷初始状态。反应堆可能掉入空气、水、干沙和湿沙等环境中,空气密度很低,可按真空处理,堆芯可能进水,反射层可能掉落,所以共有16种工况组合(表7)。其中有反射层、堆外真空、堆芯不进水的工况与正常运行工况相同。从表7可看出,最危险掉落工况是无反射层,掉入干沙,堆芯不进水,此时keff为0.958 64,小于0.98,可保证堆芯次临界安全。
 
表7 发射掉落事故计算结果
Table 7 Calculation result of launch dropping accident
 
3 结论
 
通过计算分析,总结CERMET-SNRE堆芯特征如下:中子能谱很硬,是一个典型快堆;运行寿期短,燃耗浅,裂变产物中毒效应小,燃耗反应性很小;温度功率反应性效应较大,为1.967%Δk/k,其中主要是膨胀效应的影响,后备反应性足够,满足反应性平衡要求;功率分布合理,轴向功率峰偏向温度较低的活性区上部;控制鼓价值足够,满足卡棒准则,安全棒与控制鼓之间干涉效应为正;发射掉落事故情况下keff小于0.98,可保证堆芯次临界安全。CERMET-SNRE堆芯方案合理,可为深空探测核火箭发动机动力的发展提供设计参考。
 
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Core Physics Calculation and Analysis for CERMET-SNRE
 
HUO Hong-lei, AN Wei-jian, XIE Jia-chun, HU Gu,SUN Zheng, ZHAO Shou-zhi
 
(China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275-33, Beijing 102413, China)
 
Abstract:The nuclear rocket engine has large power, long life and high specific impulse, so it has an irreplaceable advantage in the implementation of deep space exploration and interplanetary missions. The miniaturization is an important development trend of nuclear rocket engine. Based on this, a small nuclear rocket engine reactor core scheme with tungsten-based CERMET fuel (CERMET-SNRE) was proposed. The Monte Carlo code (MCNP) was used to accurately model and calculate the relevant physical parameters. The results of calculation and analysis show that the reactor core of CERMET-SNRE has hard neutron energy spectrum, low burnup, enough excess reactivity, reasonable power distribution, and sufficient worth of control drum and safety rod. Under launch dropping accident, the effective neutron multiplication factor is less than 0.98. The reactor core scheme is reasonable and satisfies design requirements.
 
Key words:CERMET fuel; small nuclear rocket engine; physical design
 
收稿日期:2016-03-15;
 
修回日期:2016-03-25
 
作者简介:霍红磊(1991—),男,河北衡水人,硕士研究生,核能科学与工程专业
 
中图分类号:TL329
 
文献标志码:A
 
文章编号:1000-6931(2016)12-2150-07
 
doi:10.7538/yzk.2016.50.12.2150


【作者机构】 中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部
【来    源】 《原子能科学技术》 2016年第12期P2150-2156页

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