2020年4月，美國亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院的奈基•卡費栽等人在《太空核技術(shù)和新興技術(shù)》上發(fā)表了一篇題為《用于太空任務(wù)的超小型模塊化反應(yīng)堆》的文章，重點介紹了超小型模塊化反應(yīng)堆(USMR)的基本情況、設(shè)計分析和系統(tǒng)比較等。

1 超小型模塊化反應(yīng)堆的設(shè)計

目前，美國佐治亞理工學(xué)院的一個多學(xué)科團(tuán)隊正在開發(fā)一種超小型模塊化反應(yīng)堆(USMR)，以作為Krusty空間反應(yīng)堆系統(tǒng)的一個備選方案。USMR的設(shè)計具有開創(chuàng)性，它不使用蘭金(或布雷頓)循環(huán)來冷卻堆芯和產(chǎn)生電力，而是通過將一個包裹在鎢光子發(fā)射器中的小型堆芯與熱光伏(TPV)電池耦合起來，從而進(jìn)行發(fā)電。USMR的堆芯在高溫下運行，其外部邊界的溫度會超過1 300℃。通過采用具有背面反射層的現(xiàn)代熱光伏技術(shù)來回收亞能帶隙的光子，反應(yīng)堆的發(fā)電效率可能會超過50%。USMR不使用工作流體和熱管，這使得它可以實現(xiàn)從熱能到電能的直接轉(zhuǎn)換，從而大大降低了反應(yīng)堆系統(tǒng)的重量。

USMR由5個同心六角環(huán)組成：一個內(nèi)部石墨慢化劑、一個富集度為19.75%的鈾氮化燃料塊、一個外部石墨慢化劑、一個鈹反射層和一個鎢發(fā)射體，如圖1所示。該系統(tǒng)主要通過硼控制鼓進(jìn)行控制，反應(yīng)堆啟動時向內(nèi)轉(zhuǎn)動，關(guān)閉時向外轉(zhuǎn)動。另外，反應(yīng)堆系統(tǒng)還設(shè)置了一組輔助控制棒，以提供額外的緊急停堆控制。USMR設(shè)計簡單，采用了高溫材料，這使得它對瞬變具有很高的容忍度，而且還能保證撤離(walk-away)安全。

2 超小型模塊化反應(yīng)堆設(shè)計的分析

為了與其他核電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，研究人員對提出的USMR設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，使其具有最大質(zhì)量功率密度。表1列出了優(yōu)化USMR的基本參數(shù)。

研究人員還對優(yōu)化系統(tǒng)的質(zhì)量功率密度和系統(tǒng)壽命進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2、3所示。

3 超小型模塊化反應(yīng)堆與Krusty反應(yīng)堆的比較

研究人員對USMR和Krusty反應(yīng)堆進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2所示。

比較結(jié)果表明，USMR的熱質(zhì)量功率密度比Krusty反應(yīng)堆大一個數(shù)量級，而效率的提升意味著在相同的包線內(nèi)USMR的電力輸出是Krusty反應(yīng)堆電力輸出的35倍。

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