核热火箭发动机反应堆结构特性分析

核热火箭具有推力大、比冲高的特点,在长距离、高载荷的空间任务中相较常规推进方式具有巨大优势。与地面常规反应堆相比,核热火箭反应堆尺寸、质量要求严格,同时运行温度高,热应力大,还需承受发射时的恶劣力学环境,因而需要合理稳固的结构设计。基于此需求开展调研总结,主要整理了美国NERVA-I型、NERVA-II型和CERMET燃料核热火箭反应堆的结构设计,梳理核热火箭反应堆典型结构设计,总结国外设计经验,为核热火箭方案迭代与实现提供参考。

CERMET-SNRE堆芯物理计算分析

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。

采用钨基金属陶瓷燃料的核热推进反应堆掉落临界安全特性研究

采用蒙特卡罗(MCNP)程序建立模型,对采用钨基金属陶瓷(CERMET)燃料的核热推进反应堆掉落临界安全特性进行了研究。从有效增殖系数的基本定义出发,定义了三个特性参数:不泄漏几率、中子"逃脱"安全棒吸收几率和中子"逃脱"Re、W、Gd、U等的非裂变吸收几率,定量分析了堆芯进水、反射层和掉落环境对核热推进反应堆掉落临界安全的影响,为我国核热推进反应堆的设计提供了参考。

锂冷空间堆辐照产氦行为研究

锂(Li)是一种重要的空间核反应堆传热工质,采用Li冷却的大功率空间堆是未来空间核电推进任务的理想能源之一。Li在受中子辐照时会产生氦(He)。在Li冷空间堆中,Li产生的He会对一回路的热工水力造成不利影响,需要设置气体分离器对其进行收集。因此,对Li辐照产He的计算和研究是Li冷空间堆设计的重要环节。为详细研究Li冷空间堆的产He行为,构建了兆瓦级Li冷空间堆LISA,采用三维蒙特卡罗程序MCNP,对反应堆中Li产He行为进行了计算,比较了不同反应以及不同区域的产He量,研究了Li-7丰度以及中子能谱对产He的影响,并基于研究结果提出了Li冷空间堆的优化思路。本研究的方法和结论可为Li冷空间堆的设计研究提供有益参考。

高温氦氙气体微通道回热器的传热流动特性分析

以氦氙气体作为工质的闭式布雷顿循环系统是大功率空间热电转换目前最可行的技术方案。高温氦氙气体回热器是闭式布雷顿循环系统的关键部件,其性能明显影响系统发电效率、系统发射质量以及系统布置的紧凑性。本文采用计算流体力学和传统理论分析方法,针对高温氦氙气体微通道的结构及成型工艺选择、工作温度与回热器回热度的关系、流量与性能参数的关系等进行了研究。研究结果表明,采用精雕工艺作为微通道的成型工艺可在不降低回热器换热性能的前提下降低压降40%,减少质量17%。在设计参数条件下,微通道之间设置联通通道不会增加换热能力。回热器回热度随流量的增加而减小,且存在拐点,对于拟研制回热器的设计参数,设计流量应不高于0.24g/s。回热器结构合理性用单位压降和温降条件下换热面积与功率的比值来判断,降低雷诺数能有效提高回热器的结构合理性。

核热推进技术发展综述

核热推进具有比冲高、推力大,及工作时间长等特点,在载人深空探测、大型星际货物运输等方面有广阔的应用前景。介绍了美国和俄罗斯/前苏联的核热推进技术研发历程和技术发展状态,归纳总结了发展过程中呈现出的推力水平中等化、堆芯构成模块化、燃料元件高性能化、试验手段非核化和多功能模式化的发展趋势,并初步分析了核热推进研发过程中所涉及的反应堆设计技术、核安全防护设计技术、燃料芯块制备技术、燃料元件成型技术、排气处理技术,及发动机启动技术等关键技术。最后对我国核热推进技术发展提出了核与航天部门合作研发、借鉴美俄经验教训、及早并持续开展研究的发展建议。

一种采用蒙卡程序计算两群中子价值分布的方法

采用确定论程序计算中子价值较为容易,而采用蒙卡程序则相对较为困难,目前国际上仅有部分蒙卡程序实现了中子价值计算的功能。本文基于对中子价值物理意义的认识,提出了一种采用蒙卡程序计算两群中子价值分布的新方法,并将该方法成功应用于实际的反应堆物理特性分析工作中,取得了较好的效果。该方法可为相关研究提供参考。

基于自然对流换热的小型模块化堆商业化的可行性分析

本文提出了目前我国小型模块化堆商业化需要满足的必要条件,即运行内在机理安全、预期市场广泛持久稳定、造价低于传统反应堆电站、并以此为依据提出了适合目前我国国情的研发小型模块化堆的目标。通过分析证实以水作为冷却剂的基于自然对流换热的小型模块堆能够满足小型模块化堆商业化提出的要求,特别是针对其高安全性的内在机理(低功率密度、堆芯的离散与实体隔离)进行了阐述。同时,给出了研发基于自然对流换热的小型模块化堆适合借鉴的堆型(美国的NuScale堆),并针对其功率和结构提出研发我国小型模块化堆应着重考虑的问题和改进的基本方向。

低浓铀核热火箭堆芯研究设计进展

核热火箭在未来长距离、高载荷的太空航行任务中具有不可替代的地位.近年来出于防核扩散及经济性能方面的考虑,低浓铀核热火箭方案逐渐成为新兴研究热点.文中对现有的方案主要参数进行整理,并详细介绍了SCCTE、SULEU和KANUTER-LEU三种具有代表性的堆芯结构,总结了核热火箭堆芯低浓化特点及问题,为今后开展低浓铀核热火箭设计工作提供参考.

核热推进钨基CERMET燃料模拟件制备工艺研究

核热推进的工作原理是利用核燃料的裂变能将工质加热膨胀然后通过收缩扩张喷管将其加速到超音速,从而产生强大的推动力,来推动火箭或其他飞行器在太空飞行。核热推进反应堆的燃料要求具有高温稳定性、高介质化学相容性、足够的机械强度和良好的瞬时特性等特点。以金属钨为基体,UO_(2)作为弥散燃料的金属陶瓷复合燃料是核热推进反应堆的备选燃料形式之一。本文在对国外钨基CERMET燃料的发展历史、制备工艺、存在问题等方面进行调研分析基础上,结合应用需求和技术现状制定出了符合我国国情的钨基CERMET燃料制备技术路线,并通过模拟实验对该技术路线的可行性进线了验证。

核热火箭仿真与系统设计概况

核热火箭具有比冲高、推力大与工作时间长等特点,是未来空间探测的主推进方式之一。首先就目前核热火箭的系统结构、热力循环及反应堆大致构成做了初步的介绍,并对美国核热火箭仿真划分的五个层级及整体研发现状进行了描述,最后重点介绍美国开发的NESS核热火箭设计与仿真系统程序架构及主要求解模型,因此,在未来的深空探测任务中,核热火箭具有其他推进技术无法比拟的优势,成为未来空间任务的理想选择。

110kN核热火箭发动机系统方案选取与参数优化研究

核热火箭发动机是深空探测的理想动力,可用系统循环方式包括闭式膨胀循环、抽气循环和开式膨胀循环。对基于金属陶瓷(CERMET)快堆堆芯的110 kN核热火箭发动机开展了3种不同系统循环方式的对比研究,通过不同方案的参数对比和组合件参数优化分析,最终认为基于CERMET堆芯110 kN核热火箭发动机的最佳系统方案为抽气循环。并对提高核热火箭发动机比冲性能的途径进行了探讨。

低浓铀核热火箭发动机SCCTE堆芯物理特性初步研究

使用低浓铀燃料是近年来空间核动力发展的重要趋势。本文采用蒙特卡罗程序MCNP对低浓铀核热火箭发动机代表方案SCCTE堆芯进行了物理特性研究计算。计算结果表明:该方案是一典型的热中子堆,初始剩余反应性和停堆深度满足正常运行需求;燃料分区富集优化后,径向功率变化较为平缓,轴向功率峰进一步上移,有利于提高氢气出口温度,从而提高比冲;燃料、慢化剂和反射层温度功率效应均为负值,满足设计要求;氢进入效应为正值,可以补偿部分温度功率效应。目前该方案缺乏掉落临界安全事故应对措施,在入水后有效增殖因数达到1.194,仍需要进一步改进。

核热推进地面试验技术研究

核热推进具有比冲高、推力大等特点,在载人深空探测和星际货运任务上具有广阔应用前景。核热推进技术的研发需要进行大量地面试验。首先回顾了美国与俄罗斯的核热推进地面试验技术的发展,对地面试验技术进行分类总结。然后基于一种小型核火箭方案,研究了燃料元件非核试验、燃料元件辐照考验试验和带核整机地面试验等关键地面试验技术,并提出了初步试验方案。最后对我国核热推进地面试验的发展提出了一些建议。

核热火箭反应堆燃料技术的国内外研究进展

核热火箭是人类执行火星计划以及其后任务可行且有效的推进方法。在美国和前苏联开展了一系列核热火箭研发计划,并且进行了相关的核热火箭燃料的测试。其中的一些计划还达到了发动机地面试验的程度,技术成熟度达到6级,这些计划进行了多种燃料形式的开发,包括石墨基体燃料及复合燃料,CERMET燃料,颗粒状燃料,混合碳化物燃料等。核热火箭的性能是直接与材料性能和核燃料有关的。未来,工程师们可以参照以前的设计,创造出效率更高,性能更好的推进系统。本文报告归纳总结了迄今为止,美国和前苏联的核热火箭燃料种类、燃料元件形式及优缺点,以期对今后国内选用堆内燃料形式提供参考。