Kilopower空间堆燃料低浓化方案研究

针对Kilopower高浓铀快堆方案(HEU-UMo)存在的核扩散和恐怖主义风险、政治风险、安保成本高昂、无法商业研发等问题,以及Kilopower低浓铀快堆方案(LEU-UMo)的质量和尺寸过大的问题,提出了一种采用低浓铀燃料板与氢化钇(YH 2)慢化剂板交叠布置的新方案(LEU-UMo-YH 2),并从物理、热工及特殊临界安全等方面对各方案进行了比较。结果表明:该方案相比LEU-UMo方案,堆芯尺寸得到了较大幅度的减小,其堆芯质量和U-235装量分别仅为LEU-UMo方案的40%和17%。若HEU-UMo被禁用,对于近期的任务,LEU-UMo具备最高的可实现性,对于远期的任务,LEU-UMo-YH 2具有很好的研究前景。

Kilopower空间堆掉落事故临界安全问题研究

美国Kilopower空间堆在掉落事故下的k eff不满足我国现行空间堆掉落临界安全要求。该反应堆在掉落过程中,若反射层外围的B 4C脱落,则存在瞬发超临界的严重安全隐患。针对此问题,本文对反应堆方案进行调整,提出3种解决方案,各方案均可满足掉落临界安全要求。此外,为研究各方案的优劣,从尺寸、质量、物理和热工运行特性等方面对各方案进行综合比较,提出了最优建议方案。

Kilopower与KRUSTY的发展脉络及研发现状

空间核反应堆电源具有功率比高,运行时间长,功率输出高,环境适应性好等一系列优点,在军民航天技术应用中均具有广阔的运用前景,是影响未来太空竞赛格局的重要一环。通过对美国从20世纪80年代至今的空间核反应堆电源,尤其是“Kilopower”相关项目的文献调研,梳理了美国空间裂变堆电源系统的发展脉络,总结了美国最新的研究进展;同时对50年来唯一建成的空间核反应堆电源地面原型堆KRUSTY(“采用斯特林技术的千瓦级反应堆演示验证”)的公开文献进行了调研分析,并对其试验成果进行了总结。

千瓦级空间核反应堆电源发展现状

千瓦级空间核反应堆电源具有能量密度大、工作寿期长、环境限制少等优点,是低功率深空探测器用电源的理想之选。美国和苏联都曾对千瓦级空间堆电源进行过大量研究,先后提出ROMASHKA、BUK、TOPAZ-1、TOPAZ-2、SNAP-10A和Kilopower等6种典型设计方案。各方案因设计差别而具有不同特点,其中,Kilopower具有质量轻、能量转换效率高、可靠性高、工作寿期长、自主运行等诸多优点,是目前最优秀的设计方案。通过对各方案的对比,可以得出结论,热管冷却式快堆将成为千瓦级空间堆未来的主要发展方向。

热管空间核反应堆电源的研究进展

随着人类对宇宙太空的深入探索,对于提供能量的电源要求也在逐步提高,空间核反应堆电源在执行深空探测任务中脱颖而出。热管核反应堆由于具备非能动性、寿期长、可靠性高等优势,成为目前空间核反应堆领域的研究热点。本文通过重点介绍典型热管堆的概念设计系统以及在Kilopower中的应用,对热管电源系统(Heatpipe Power System,HPS)、由热管控制的火星探索反应堆(The Heatpipe-operated Mars Exploration Reactor,HOMER)、安全可负担裂变引擎方案(Safe Affordable Fission Engine,SAFE)以及Kilopower进行了重点调研,归纳总结了各个反应堆的结构设计、燃料选择、热管排布、功率设计等,以期对未来热管空间核反应堆电源的设计研究提供思路和参考。

一种自适应差分进化算法及其在空间堆智能设计中的初步应用

空间堆具有广阔的应用前景,对其结构的优化设计有着极高的经济和技术应用价值。但空间堆结构优化设计中变量耦合度高、设计复杂,人工求解过程低效耗时,且往往得不到最优解。以经典差分进化(Differential Evolution,DE)算法为基础,提出了一种自适应的DE算法。通过对控制参数采取动态调整的策略,平衡全局和局部搜索能力,达到加强算法寻优能力的目的。最后对热功率为4.3 kW的Kilopower空间堆模型进行优化,以结构参数为变量,以堆芯质量为目标函数,同时结合中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC进行中子输运计算。在满足设计要求的前提下,优化后Kilopower空间堆堆芯质量可降低38.2%,证明了自适应DE算法的正确性和有效性。