核热推进堆芯方案的发展_解家春

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1、第４６卷增刊原子能科学技术Ｖｏｌ．４６，Ｓｕｐｐｌ．２０１２年１２月ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｃ．２０１２核热推进堆芯方案的发展解家春，赵守智（中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所，北京１０２４１３）摘要：核热推进利用核裂变能加热工质，比冲可达化学火箭的２倍多，在空间活动中有广阔的应用前景。在美国和俄罗斯的研究过程中，对多个核热推进堆芯方案进行了较深入的研究。本工作介绍了这些堆芯方案的情况，详细说明了其设计特点，并总结了堆芯方案的发展趋势。关键词：核热推进；火箭飞行器核发动机；金属陶瓷燃料堆；粒子床反应堆；超小型反应堆发

2、动机；蜂巢栅格堆；独联体堆中图分类号：ＴＬ３５１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－６９３１（２０１２）Ｓ１－０８８９－０７ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＲｅａｃｔｏｒＣｏｒｅｆｏｒＮｕｃｌｅａｒＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＸＩＥＪｉａ－ｃｈｕｎ，ＺＨＡＯＳｈｏｕ－ｚｈｉ（ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙ，Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ２７５－３３，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２４１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｃｌｅａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｈｅａｔｓｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｗｉｔｈｆｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙ．Ｉｔ’ｓｓｐｅｃｉｆｉｃｉｍｐｕｌｓｅｉ

3、ｓｄｏｕｂｌｅｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｒｏｃｋｅｔｓ．Ｉｔｃｏｕｌｄｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｓｐａｃｅｍｉｓｓｉｏｎ．ＤｕｒｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｃｅｓｓａｂｏｕｔｎｕｃｌｅａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｉｎＵＳＡａｎｄＲｕｓｓｉａ，ｍａｎｙｒｅａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｗｅｌｌｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｓｃｏｒｅｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅｉｎｄｉｃａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙ

4、ｗｏｒｄｓ：ｎｕｃｌｅａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ；ＮＥＲＶＡ；ＣＥＲＭＥＴｒｅａｃｔｏｒ；ＰＢＲ；ＭＩＴＥＥ；ＳＬＨＣｒｅａｃｔｏｒ；ＣＩＳｒｅａｃｔｏｒ随着空间技术的发展，人类渴望更快、更氢气作为工质的核热推进，比冲可达１０００ｓ，远、更频繁地探索宇宙。然而，火箭推进技术却速度增量大于２２ｋｍ／ｓ，超过了第三宇宙速度，成为人类进行空间活动的一个重要制约，当前可广泛用于将来的空间任务，包括太阳系内和广泛使用的化学火箭已经不能满足各种空间活星际间的空间任务。本文将介绍核热推进的原动，尤其是星际间探索的需求。理以及研究过程中产生的有代表性的堆芯方当前比冲最高

5、的化学火箭是液氧液氢火案，并总结堆芯方案的发展趋势。箭，其最高比冲约为４５０ｓ。在目前的技术条件下，三级火箭的最高质量数约１０，且基本已达１核热推进的原理极限，因此，根据齐奥尔科夫斯基火箭公式，化核热推进是利用核裂变的热能将工质加热学火箭的最大速度增量约为１０ｋｍ／ｓ。而采用到很高的温度，然后通过收缩扩张喷管加速到收稿日期：２０１２－０９－３０；修回日期：２０１２－１１－０１作者简介：解家春（１９７９—），男，吉林磐石人，工程师，博士，反应堆工程专业８９０原子能科学技术第４６卷超音速流而产生推力的火箭发动机。其工作原约０．２ｍｍ。这些燃料颗粒均匀地弥散在石墨理与液体

6、火箭类似，不同的是核热推进用能量基体中，通过挤压和热处理制成燃料元件。石密度很高的核反应堆取代了化学燃烧。图１为墨虽具有较高的熔点，但易与高温氢气发生化核热推进的原理示意图。学反应，导致燃料元件被腐蚀和燃料的流失。为保护石墨基体，通常采用化学方法在燃料元件的外表面和工质孔道内壁沉积一层碳化锆保护层。早期设计的ＮＥＲＶＡ堆芯只装有燃料元件。但由于石墨的慢化能力较差，堆芯的体积和质量均较大。为提高推重比（推力与反应堆重量之比），在后期设计的ＮＥＲＶＡ堆芯中加入了支柱元件，其外形尺寸与燃料元件图１核热推进示意图完全相同。支柱元件不但起支撑连接燃料元Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｍ

7、ａｐｏｆｎｕｃｌｅａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ件的作用，其内部的氢化锆套管还提供了额工质在核热推进内的流程如下：泵将工质外的中子慢化能力，有助于减小堆芯体积和从贮箱中抽出，并通过管道送入喷管环腔。工质量。氢气在进入燃料元件前，首先流过支质依次流过喷管环腔、反射层等，然后进入涡轮柱元件被预热，一方面使支柱元件保持在较机做功，从而驱动泵。从涡轮机排出后，工质向低的温度，另一方面为涡轮泵提供驱动力。下通过反应堆堆芯，被加热到很高的温度（约图２为燃料元件和支柱元件示意图。３０００Ｋ），最后经喷管排出，产生推进动力。在流动过程中，工质依次冷却喷管、反射层等结构，