核熱火箭反應堆燃料技術的國內(nèi)外研究進展

李司宇 霍紅磊

摘 ? 要：核熱火箭是人類執(zhí)行火星計劃以及其后任務可行且有效的推進方法。在美國和前蘇聯(lián)開展了一系列核熱火箭研發(fā)計劃，并且進行了相關的核熱火箭燃料的測試。其中的一些計劃還達到了發(fā)動機地面試驗的程度，技術成熟度達到6級，這些計劃進行了多種燃料形式的開發(fā)，包括石墨基體燃料及復合燃料，CERMET燃料，顆粒狀燃料，混合碳化物燃料等。核熱火箭的性能是直接與材料性能和核燃料有關的。未來，工程師們可以參照以前的設計，創(chuàng)造出效率更高，性能更好的推進系統(tǒng)。本文報告歸納總結了迄今為止，美國和前蘇聯(lián)的核熱火箭燃料種類、燃料元件形式及優(yōu)缺點，以期對今后國內(nèi)選用堆內(nèi)燃料形式提供參考。

關鍵詞：核熱火箭 ?六棱柱狀 ?顆粒狀 ?扭條狀 ?珠狀 ?球狀 ?線狀

中圖分類號：TL351 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0122-05

Abstract： Nuclear Thermal reactor is a viable and effective way to implement the Mars program and its subsequent missions. The United State and the former Soviet Union carried a series of development plans and conducted tests on related nuclear heat propellant fuels. These plans have been developed in a variety of fuel forms including： graphite matrix fuels and composite fuels， CERMET fuels， particle fuels， mixed carbide fuels， and so on. The performance of a nuclear thermal rocket is directly dependent on the material properties and create more efficient and higher performing systems for the future. This report summarizes the development efforts to date on NTP fuels and fuel forms both by the U.S. and former Soviet Union，and helps engineers to more specifically select the form of fuel elements in the reactor.

Key Words： Nuclear Thermal reactor; Hexagonal prismatic; Particles; Twisted-ribbon;Beads; Spheres; Wires

1 ?引言

核熱火箭是利用核能將工質加熱到很高的溫度，然后通過收縮擴張噴管將工質加速到超音速，從而產(chǎn)生推進動力的先進推進系統(tǒng)。核熱火箭推力大、比沖高、工作時間長，能夠降低近地軌道的初始質量（IMLEO）和增大載荷質量份額，在載人深空探測、大型星際貨物運輸?shù)确矫嬗袕V闊的應用前景。在美國航空航天局（NASA）最新發(fā)布的火星參考任務文件5.0中，核熱火箭再次被選為載人探索火星的推進動力[1]。經(jīng)分析，把化學推進改為核熱火箭后可將IMLEO由1250t降低至800 t左右[1]，從而大大降低了發(fā)射成本。

2 ?核熱火箭燃料的要求及分類

燃料元件是核熱火箭反應堆的最核心部件[2]，核熱火箭反應堆是開放式的氫氣冷卻的高溫反應堆，對燃料的要求與一般的反應堆有很大的不同。核熱火箭的燃料需要滿足的特性要求如下[3]：

（1）高溫穩(wěn)定性（超過2700K下可以堅持1000s以上）;

（2）與高溫氫氣的化學相容性;

（3）足夠的機械/結構強度;

（4）抗熱沖擊能力強，熱循環(huán)能力較好;

（5）合適的失效裕度;

（6）能夠在可接受的質量保證和控制下制造;

（7）運行條件下的裂變產(chǎn)物包容;

（8）可以適應雙模式應用;

（9）魯棒特性，可擴展應用于其他類型反應堆。

核熱火箭燃料化合物形式有氮化物、氧化物或者碳化物，由于其在高溫下蒸發(fā)率較高、易與氫氣反應等原因，單獨的燃料化合物形式不能直接應用于核熱火箭反應堆中，通常需要包含在基體材料中，或者與高熔點金屬化合物混合。

核熱火箭反應堆中的燃料元件可以被設計成多種形狀，有六棱柱狀、扭條狀、球狀、顆粒狀、珠狀、線狀等。圖1中展示了歷史上美國和前蘇聯(lián)在核熱火箭燃料方面發(fā)展的時間線。

按照基體材料的種類和有無，核熱火箭的燃料主要分為石墨基體燃料[4]、CERMET燃料[5]和混合碳化物燃料[4]三類。石墨基體燃料，是將燃料均勻彌散在石墨基體或者碳化物石墨復合基體（C—ZrC）中做成的燃料（后一種情況一般簡稱為復合燃料）;CERMET燃料是將UO2或UN燃料彌散在難熔金屬（Mo或W）基體中做成的燃料;混合碳化物燃料是含有鈾的二元或多元碳化物燃料，即是多種碳化物（ZrC、NbC、TaC等）與UCx的混合相。三種燃料如圖2～4所示，從圖中可以看出，其均有不同形狀的元件方案。圖5給出了各種燃料的運行壽期與運行溫度的初步預計關系，從中可以看出，三種燃料運行溫度均已超過2200K，混合碳化物燃料運行溫度最高，CERMET燃料次之，石墨基體燃料運行溫度最低。

美國和前蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時期均針對核熱火箭燃料開展了大量的研究工作，美國研究最多的是在Rover/NERVA工程中開發(fā)的六棱柱形石墨基體燃料（圖2左下），其次是Rover/NERVA工程備用燃料——六棱柱形的CERMET燃料（圖3右上）以及SNTP工程研發(fā)的混合碳化物顆粒燃料（圖4右上），前蘇聯(lián)則主要集中研究扭條狀的混合碳化物燃料（圖4右下）。從2011年開始，美國根據(jù)本國情況將復合燃料和CERMET燃料作為下一步核熱火箭計劃的備選燃料，對這兩種燃料進行了技術改進和進一步研究。俄羅斯尚未公開透露進行最新的核熱火箭燃料的相關研究計劃。

3 ?各種燃料元件的發(fā)展情況

3.1 Rover/NEVRA石墨基體燃料元件的發(fā)展

Rover/NEVRA期間開發(fā)了四種燃料元件形式（見圖6），第一種燃料（圖6 左上）是由其中填充了UO2或UC2燃料顆粒的石墨燃料做基體，由NbC做元件外層涂層。裂變產(chǎn)物不會存留在沒有涂層的燃料顆粒中。裂變產(chǎn)物會引起石墨燃料基體的錯位，會使早期燃料元件運行期間產(chǎn)生大量裂縫[6]。開發(fā)外包有熱解碳涂層的UC2（圖6右上）球顆粒，有助于保留裂變產(chǎn)物并減少燃料裂縫。

在Rover/NEVRA計劃實施期間，開發(fā)的最優(yōu)的燃料元件是復合燃料（圖6左下）。復合燃料形式熱膨脹系數(shù)與燃料元件涂層更為接近。這可以緩解因熱應力和燃料元件基體的腐蝕而造成的燃料損傷。復合燃料元件形式被認為是有比石墨燃料元件更好的能力去抵抗氫氣流造成的損傷[6]。

3.2 CERMET燃料元件計劃

CERMET燃料元件與Rover/NEVRA計劃中的石墨基體燃料的開發(fā)同時進行，這兩種燃料元件雖然保持相似的幾何形狀，但是燃料元件基體材料不同。CERMET燃料的元件基體材料是由鎢/鉬材料構成的。由于鎢的高熔點和與燃料較高的相容性，鎢基燃料元件是最快發(fā)展的CERMET燃料。

CERMET燃料因為其較好的高溫強度和耐久性而有很大的發(fā)展?jié)摿?。非核試驗表明，基于鎢的CERMET燃料可以在3000K條件下運行長達50h。鎢不會與氫氣發(fā)生反應，這使得CERMET燃料比Rover/NEVRA計劃中的石墨燃料有更好的包容裂變產(chǎn)物的能力。

3.3 顆粒狀燃料元件的發(fā)展情況

在20世紀80年代末，空間核熱火箭計劃（SNTP）要求開發(fā)用于太空的核熱火箭顆粒燃料元件。這種元件具有多種涂層的小型（400～450μm直徑）UCx顆粒球，并且逐漸追求先進的混合碳化物燃料顆粒元件。這些小顆粒元件可以提供更多的換熱表面積，并且會提高燃料運行溫度和氫氣出口溫度，從而將比沖增加到900～950s的程度[6]。

基體燃料顆粒有三層包覆結構。其最外層的涂層是ZrC。最內(nèi)層的燃料是由直接附著在燃料核心上的多孔碳層和圍繞著多孔層的致密碳層組成。除此之外，還考慮了三種其他不同的先進燃料：滲透核顆粒燃料（IK），混合碳顆粒燃料，間隙分散體顆粒燃料（ID）。IK和混合碳燃料顆粒是1993年計劃結束時最廣泛推崇的燃料元件。

3.4 扭條狀燃料元件形式

前蘇聯(lián)在核熱元件開發(fā)上的進度與美國的進度相比具有競爭力，前蘇聯(lián)測試了許多不同的燃料幾何形狀和成分。在20世紀80年代末90年代初的項目重點關注了三種形式的燃料元件：二碳化物（二元碳化物），三碳化物（三元碳化物），和碳氮化物[6]。三元碳化物燃料被證明是最有前景的燃料形式之一，據(jù)報道這種燃料形式可以在3100K下運行長達1h。

3.5 線狀燃料元件

20世紀60年代，General Atomic 執(zhí)行了一項有關結構緊湊、高性能的核熱發(fā)動機的研究，這種發(fā)動機的燃料元件采用鎢的線狀燃料元件。通過用100μm的UN顆粒填充編織好的鎢絲管形成燃料絲，并且將填充的管子鍛造成900μm的長度。堆芯是由纏線交替在間隔線層上的線層構成的，這些間隔線形成了堅固的環(huán)形網(wǎng)格。線狀快中子反應堆在設計上很緊湊，是因為它具有很高的表面積體積比。

4 ?結語

核熱火箭推力大、比沖高、所需工質少、工作時間長，是未來深空探測的理想推進系統(tǒng)。燃料元件是核熱火箭反應堆最關鍵部件，核火箭性能與其直接相關。分析了核熱火箭推進的特性要求，并對三類不同基體燃料特性進行了比較分析，混合碳化物燃料運行溫度最高，CERMET燃料次之，石墨基體燃料運行溫度最低。對Rover/NEVRA石墨基體燃料元件、CERMET燃料元件、顆粒狀燃料元件、扭條狀燃料元件、線狀燃料元件等五種燃料元件的開發(fā)情況和遇到的問題進行了調(diào)研分析，得出結論如下。

（1）復合燃料性能大大優(yōu)于初期石墨基體燃料;

（2）鎢基CERMET燃料熔點高，與氫氣相容性好，裂變產(chǎn)物包容能力優(yōu)于石墨基體燃料;

（3）PBR顆粒小，可以提供更多的換熱表面積，并且會提高燃料運行溫度和氫氣出口溫度，從而將比沖增加到900～950s的程度;

（4）混合碳化物及碳氮化物燃料性能極佳，3100K下可以運行長達1h;

（5）燃料元件延展性好，與間隔線形成環(huán)形網(wǎng)絡，具有很高的表面積體積比，組成的快堆在設計上很緊湊。

參考文獻

[1] Drake B G， Hoffman S J， Beaty D W. Human exploration of Mars， design reference architecture 5.0[C]//Aerospace Conference 2010，Piscataway： IEEE， 2010：1-43.

[2] 蘇著亭， 楊繼材， 柯國土. 空間核動力[M]. 上海： 上海交通大學出版社， 2016.

[3] Gerrish Jr H P， Doughty G E， Bhattacharyya S K. Affordable Development and Qualification Strategy for Nuclear Thermal Propulsion[C]// 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Virginia： AIAA， 2013.

[4] Benensky K. Summary of historical solid core nuclear thermal propulsion fuels [D]. Pennsylvania： Pennsylvania State University， 2013.

[5] Clark J S， Mcdaniel P， Howe S， et al. Nuclear thermal propulsion technology： Results of an interagency panel in FY 1991[R]. Washington： NASA， 1991.

[6] Kelsa Benensky . Summary of Historical Solid Core Nuclear Thermal Propulsion Fuels[D].Pennsylvania： Pennsylvania State University， Auguet 16， 2013.