火星任务大功率核动力推进概念

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来源：核科技动态

2021年度“空间核与新兴技术会议”于2021年4月26～30日以虚拟方式召开，会议论文集中收录了一篇题为“火星大功率电力推进任务的核动力概念”的文章，由美国国家航空航天局（NASA）和美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员共同发表。根据火星运输评估研究，NASA和DOE正在分析和构思火星往返核电推进（NEP）载人任务。本文介绍了核电推进系统（包括裂变反应堆、辐射屏蔽、功率转换、排热和功率管理与分配系统）的行业研究和概念开发结果。初步结果表明，改进型地面微堆与超临界CO₂布雷顿循环相结合，可用于执行机组人员和货物任务，且性能令人满意、风险适中。

1 火星核电推进任务概念

NASA格伦研究中心（GRC）的COMPASS研究组进行了火星大功率电力推进任务研究，其中确定需要1.9 MWe的电力系统，并使用混合核电推进（NEP）-化学推进的架构来执行为期两年的火星往返载人任务，如图1所示。

图1 混合核电推进-化学运载工具的概念

COMPASS研究组对2035～2042年期间的多次载人任务机会进行了评估，包括利用近地轨道（LEO）聚合轨道、搭载NEP运载工具与深空宇航员栖息地的无载人近地轨道至近直线晕轨道（NRHO）螺旋，760天（包括在火星上停留30天）的火星冲日太空往返任务。对任务进一步分析后表明：在同样的NEP阶段，使用相同的1.9 MWe核动力系统和电力推进器（不使用化学推进），可以利用近地轨道螺旋和535天的单程火星任务，完成向火星运送约200吨有效载荷的载人前货运任务。
2 电力系统概念反应堆的冷却方法和功率转换方案选择对NEP的设计和可靠性至关重要。空间反应堆采用的三种主要传热方法包括热管、泵送液态金属和泵送气体。热管在被动两相蒸发/冷凝循环中工作，无需外部动力，而液态金属或气体冷却需要驱动泵或压缩机来循环流体。主动冷却优于被动热管，其优点是设计灵活、热通量更高。泵送冷却回路中使用的典型液态金属包括锂、钠、钾或钠和钾的混合物（NaK）。气冷系统可直接耦合到布雷顿转换装置中，简化反应堆传热，但这种方式使得反应堆和功率转换共享一个气体回路，从而影响系统容错性。功率转换方案包括斯特林、布雷顿和兰金热力循环，以及热电和热离子装置。每种方案的转化效率和输出功率具有不同特点，因而系统质量也不一样。在效率范围的下限，放射性同位素电源系统（RPS）使用热电转化由来已久。但对于高功率裂变系统而言，具有大尺寸的反应堆、辐射屏蔽和余热散热器，所以低效率是一个挑战。斯特林循环效率高，但无法很好地根据高功率进行缩放。功率越高，HeXe布雷顿系统性能越好，但排热温度越低，导致散热器体积会越大。超临界CO2（或其他超临界工作流体）布雷顿系统可能优于HeXe布雷顿系统，但该技术主要用于陆地应用。兰金循环效率高、排热温度高，但两相系统设计是一项挑战，技术成熟度较低。

排出功率转换时产生的余热是一项重大设计挑战。真空空间需要采用辐射排热方式，该方式依赖庞大的散热器进行排热。事实上，单个运载火箭中可容纳的散热器体积是反应堆电力系统设计的限制因素。初步散热器装载概念设计表明，8.4 m长的空间发射系统（SLS）整流罩的最大散热器面积约为2 500 m²，该值被证明是确定最大核电推进功率输出的主要设计约束。图2所示为三种不同的反应堆-布雷顿组合在相关功率水平范围内的散热器面积和系统总质量分析。其中，电力系统质量包括反应堆、屏蔽层、功率转换、排热和功率管理与分配（PMAD）等系统的质量。在最大散热器面积2 500 m²的条件下：1200 K HeXe方案（A）的最大功率输出为1.6 MWe、总质量约23 MT；1 200 K SCO₂方案（B）的最大功率输出为1.9 MWe、总质量略低于25 MT；1 500 K HeXe方案（C）的最大功率输出为2.9 MWe、总质量约为30 MT。综合考虑，选择B方案作为研究参考。从性能角度来看，尽管C方案可能更具吸引力，但开发风险相当大。一方面，反应堆在1 500 K时需要新的燃料形式、耐火合金包壳材料和结构材料，这超出了SP-100计划的示范技术范围；另一方面，布雷顿转换装置和散热器也需要使用新的高温材料，这超出了当前技术的经验基础。

图2 反应堆-布雷顿组合的功率、散热器面积和系统总质量分析

（1）反应堆和屏蔽子系统

假设上述分析中的反应堆概念是快堆，且使用的是棒型高浓铀（HEU）耐火包壳燃料。ORNL加入研究组后对不同反应堆设计方案和燃料丰度进行了评估。

反应堆方案包括：①SP-100快堆衍生设计,使用棒型氮化铀（UN）燃料，并利用泵输送Li至一回路传热系统；②转型挑战反应堆（TCR）衍生设计，使用UN颗粒燃料，与分散的氢化钇慢化剂混合在一起包裹在固体SiC基质中。就整体系统可靠性而言，Li方案是本研究的首选配置，而TCR衍生设计的优势是既可使用直接布雷顿气体冷却，也可使用一回路Li冷却。

燃料方案包括：①HEU，U-235丰度为93%；②高丰度低浓铀（HALEU），U-235丰度为19.75%。假设反应堆热功率为10 MWt，冷却剂出口温度为1 200 K，满功率运行寿命为两年。对SP-100衍生设计和TCR衍生设计的评估结果表明：①SP-100（HEU）方案的反应堆质量最轻，总重量约为2 400 kg；②SP-100（HALEU）方案的反应堆质量过重；③TCR（HEU）方案与SP-100（HEU）方案的反应堆质量差不多，但是TCR反应堆直径更大，导致屏蔽质量（已包含在总质量中）增加了70%；④TCR（HALEU）方案的质量约为TCR（HEU）方案的两倍，大约4 800 kg，相对于SP-100（HEU）方案增加了3 500 kg（包括屏蔽层），这并没有对任务设计产生显著影响。

综上分析，TCR（HALEU）方案被选为任务研究参考方案，SP-100（HEU）方案被选为候选方案。当最大功率输出为1.9 MWe时，10 MWt额定热功率所提供的热功率余量约为40%。图3是用于核电推进系统的TCR衍生反应堆概念。

图3 用于核电推进系统的TCR衍生反应堆概念

反应堆的关键挑战是屏蔽混合中子和伽马辐射场。屏蔽需求驱动因素包括电子和材料耐受性以及载人任务的人体剂量限制。氢、铍、锂和硼等低原子序数材料可以有效屏蔽中子通量，钨或贫铀等高原子序数材料则可有效屏蔽伽马通量。考虑到三个关键位置（布雷顿转换装置、PMAD系统和宇航员栖息地）的有效辐射衰减，ORNL评估了四种屏蔽设计，如图4所示：（a）屏蔽层厚度恒定，但不足以满足宇航员栖息地需求；（b）和（c）屏蔽层中心部分加厚或增加一个“塞子”，从而增强对运载工具与宇航员栖息地的保护；（d）基于（c）中心加厚设计，周边切口设计成十字形与散热器机翼的位置相对应。

图4 ORNL评估的四种屏蔽层配置

屏蔽层质量的设计要求是将宇航员栖息地的辐射剂量限制在50 rem/yr以内。ORNL综合考虑了直列式布雷顿转换装置、反应堆吊杆、PMAD系统、Xe推进剂和油箱在衰减宇航员受照剂量方面的优势，对上述四种屏蔽层质量进行比较得出：（a）最重，13 800 kg；（b）4 800 kg；（c）3 500 kg；（d）最轻，2 800 kg。因此选择（d）作为设计参考。采用该屏蔽层运行两年后，布雷顿转换装置和PMAD系统的总伽马吸收剂量分别为100 Mrad和25 krad。宇航员栖息地前方外表面的人体有效剂量为3 mrem/hr，相当于两年内100 rem，满足设计要求。综上所述，参考HALEU反应堆（4 800 kg）和宇航员额定辐射屏蔽层（2 800 kg）的总质量约为7 600 kg，等效HEU版的总质量大约为4 100 kg。

（2）功率转换子系统

与HeXe和超临界CO2布雷顿方案相比，SCO2布雷顿方案在相同散热器总面积下增加了约20%的功率输出。参考1.9 MWe电力系统概念，假设有四台SCO2布雷顿转换装置，通过四台液-气热交换器（HX）耦合到Li冷却反应堆，每台产生总功率的25%。独立的一回路系统以及HX配置，确保了在一台或多台布雷顿转换装置发生故障时，系统仍可产生部分功率。

每台布雷顿转换装置包括了涡轮发电机-压缩机、同流换热器和气体冷却器。以10 kWe布雷顿旋转装置、2 kWe微型布雷顿旋转装置、空间站自由太阳能动力舱的36 kWe转换装置和“普罗米修斯”计划木星冰质卫星轨道器任务的100 kWe转换装置为代表的传统HeXe布雷顿技术，采用了高温合金热面材料，涡轮入口温度高达1 150 K，并经过了NASA的大量性能与运行时间测试。相反，SCO2布雷顿技术开发侧重于MWe级功率水平，但主要局限于非空间系统的地面应用。若火星核电推进采用HeXe布雷顿技术，则重点是进行功率水平扩展；若采用SCO2布雷顿技术，则重点是开发高功率地面适应性技术以及进行相关环境中的性能示范。参考概念中使用的四台500 kWe的SCO2布雷顿转换装置，总质量约为2 100 kg。

（3）排热子系统

排热子系统（HRS）假设每台布雷顿转换装置都配置专用的泵-NaK冷却回路和四分之一段散热器组件。这种核电推进散热器的工作温度为375～550 K，功率约为4 MWt。研究人员已在“普罗米修斯”和“裂变表面电源”项目期间对该温度状况下的相关技术进行了广泛研究，完成了高温Ti/H2O热管（寿命试验和微重力研究）、聚合物基复合材料散热器面板（缩小版或全尺寸版热真空测试）和泵送NaK流体回路（温度高达875 K）的技术开发。基于这些技术开发经验，核电推进散热器采用了嵌入Ti/H2O热管的聚合物基复合材料面板，散热器表面总面积为2 500 m²。散热器由四个散热器段组成，每个散热器段有17个独立的散热器面板（约4*5 m²）。核电推进排热子系统概念包括68个散热器面板，每个重约100 kg，排热子系统总质量约为9 500 kg。

（4）功率管理与分配子系统

四台布雷顿转换装置在960 Vac电压时产生约2.5 kHz的高频三相功率，并通过电缆传输到50 m外的功率管理与分配（PMAD）电子设备。电力系统产生足够的电力输出，为电力推进器、航天器总线和系统附加载荷供电。每台布雷顿装置都有一个专用的PMAD通道，带有高压交流总线，使用适当的电压变换级向650 Vdc霍尔推进器直接驱动机组（DDU）和120 Vdc航天器总线供电。布雷顿转子速度通过脉宽调制DC寄生载荷散热器（PLR）控制，PLR在交流发电机上保持恒定负载。PLR的尺寸足以排出在550 ℃时整个500 kWe布雷顿输出的热量，即便没有外部负荷，布雷顿转换装置也能全功率运行。四个PLR（每个约30 m²）位于构成反应堆吊杆的桁架部分的周边。航天器接收布雷顿转换装置提供的电力，但启动和控制所需的电力也通过电池和太阳能阵列提供。启动电力输送至启动逆变器，可使布雷顿转换装置发生电动。航天器还向PMAD的控制器和处理器供电，并将直流电分配给辅助载荷（泵、驱动电机等）。四个PMAD通道均设有冷板和专用散热器（每个约20 m²），在100 ℃的温度条件下可排出15 kWt（约3%）的热量。四个通道的PMAD总质量（包括电缆、电子设备和热管理设备）约为5 800 kg。

3 结论

通过行业研究和分析，制定了适合1.9 MWe载人火星核电推进任务的核电系统概念设计。参考概念采用了使用HALEU燃料的地面Li冷却微堆（4 800 kg）、LiH/W宇航员额定辐射屏蔽系统（2 800 kg）、SCO2布雷顿功率转换系统（2 100 kg）、配置复合热管散热器的泵-NaK排热系统（9 500 kg）和960 Vac电压下的功率管理与分配系统（5 800 kg）。关键的设计驱动因素包括空间发射系统可以容纳的最大散热器尺寸、高压EP电气接口和乘员辐射剂量。参考概念的总系统质量约为25 000 kg（约13 kg/kWe）。反应堆使用HEU可使系统质量减少3 500 kg，约为总质量的14%。

原文来源：nets2021.ornl.gov

宋敏娜 编译

核科技动态 2021年第11期

原标题：火星任务大功率核动力推进概念

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