KRUSTY-HEU热管空间堆体积优化及热力耦合特性研究

作     者：张开辉 庄坤 张欣欣 王森山 邓丽娜 王永战 王莹桢 ZHANG Kaihui;ZHUANG Kun;ZHANG Xinxin;WANG Senshan;DENG Lina;WANG Yongzhan;WANG Yingzhen

作者机构：南京航空航天大学江苏南京210000 

出 版 物：《原子能科学技术》 (Atomic Energy Science and Technology)

年 卷 期：2024年第58卷第6期

页      面：1250-1260页

核心收录：

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

基　　金：国家自然科学基金青年基金(12205150) 江苏省自然科学基金青年基金(BK20210304) 中国博士后基金站前特别资助项目(2019TQ0148) 

主　　题：空间堆 KRUSTY HEU 中子物理学 热力耦合分析 

摘      要：空间热管堆具有小型化、长寿期、环境适应性强等优点,在航天领域中有广阔的应用前景。本文针对由洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的高富集度热管空间堆高浓缩铀方案KRUSTY-HEU,在保持反应性不变的前提下,通过添加慢化剂材料的方法进行体积优化,减小控制棒的体积并降低反射层厚度,用以降低航天器的发射成本和发射载荷。在慢化剂布置方面,本文提出了芯块内层添加慢化剂、芯块内部中间层添加慢化剂和慢化剂与燃料弥散3种方案,并对反应性和安全性进行对比。结果表明,芯块内层添加慢化剂方案优于其他两种方案,最低的反射层厚度为8.69 cm,较之前降低了3.11 cm,体积降低了约30%。针对优化后的方案进行了中子学和热力学分析,结果表明温度对反应性影响较小且移动反射层能够很好地控制反应性,同时燃耗引起的反应性损失较小。在正常运行时,堆芯温度和热位移与之前相差不大,热应力最大处为慢化剂和芯块的交界面,超过了堆芯材料屈服极限。通过在慢化剂和芯块间添加间隙,在材料屈服极限内有效地降低了热应力。单管失效分析表明堆芯温度、位移和热应力发生变化,但未影响其安全性。综上所述,本文提出的芯块内层添加慢化剂方案可有效降低KRUSTY-HEU的体积,热力耦合特性表明优化后的堆芯仍具有较高的安全性和稳定性。