美国超小型模块化空间堆的研发进展

2021-02-03 15:45  来源:核科技动态  浏览:  
2020年4月,美国亚特兰大佐治亚理工学院的奈基•卡费栽等人在《太空核技术和新兴技术》上发表了一篇题为《用于太空任务的超小型模块化反应堆》的文章,重点介绍了超小型模块化反应堆(USMR)的基本情况、设计分析和系统比较等。

1 超小型模块化反应堆的设计

目前,美国佐治亚理工学院的一个多学科团队正在开发一种超小型模块化反应堆(USMR),以作为Krusty空间反应堆系统的一个备选方案。USMR的设计具有开创性,它不使用兰金(或布雷顿)循环来冷却堆芯和产生电力,而是通过将一个包裹在钨光子发射器中的小型堆芯与热光伏(TPV)电池耦合起来,从而进行发电。USMR的堆芯在高温下运行,其外部边界的温度会超过1 300℃。通过采用具有背面反射层的现代热光伏技术来回收亚能带隙的光子,反应堆的发电效率可能会超过50%。USMR不使用工作流体和热管,这使得它可以实现从热能到电能的直接转换,从而大大降低了反应堆系统的重量。

USMR由5个同心六角环组成:一个内部石墨慢化剂、一个富集度为19.75%的铀氮化燃料块、一个外部石墨慢化剂、一个铍反射层和一个钨发射体,如图1所示。该系统主要通过硼控制鼓进行控制,反应堆启动时向内转动,关闭时向外转动。另外,反应堆系统还设置了一组辅助控制棒,以提供额外的紧急停堆控制。USMR设计简单,采用了高温材料,这使得它对瞬变具有很高的容忍度,而且还能保证撤离(walk-away)安全。

2 超小型模块化反应堆设计的分析

为了与其他核电推进系统进行比较,研究人员对提出的USMR设计进行了优化,使其具有最大质量功率密度。表1列出了优化USMR的基本参数。

研究人员还对优化系统的质量功率密度和系统寿命进行了分析,结果如图2、3所示。

3 超小型模块化反应堆与Krusty反应堆的比较

研究人员对USMR和Krusty反应堆进行了比较,结果如表2所示。

比较结果表明,USMR的热质量功率密度比Krusty反应堆大一个数量级,而效率的提升意味着在相同的包线内USMR的电力输出是Krusty反应堆电力输出的35倍。

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