摘要
空间核反应堆电源因其不依赖太阳、寿命长、能量密度高、功率上限高等优点，是深空探测与开发的理想能源动力。熔盐堆作为第四代先进反应堆中唯一使用液态燃料的反应堆，具有高温输出、低压运行及强温度负反馈等特点。热管冷却技术是采用非能动传热方式，依靠热管毛细作用进行冷却的技术。将液态燃料熔盐堆与热管冷却技术相结合的新型热管熔盐空间堆具有不依靠重力、无泵驱动、比功率高和固有安全性强等优势，在空间核反应堆电源中具有较大的发展前景。与传统空间核反应堆相比，热管熔盐空间堆在堆芯结构、堆芯材料与反应性控制方式等诸多方面有着显著差异。本文以载人火星探测任务对火星表面的反应堆所提出的功率需求为基础，进行了1 MWth热管熔盐空间堆的堆芯方案设计，围绕堆芯材料、尺寸、反应性控制以及发射掉落临界安全分析等方面开展了物理特性研究，研究内容主要包括: (1)1 MWth热管熔盐空间堆的关键参数设计与中子学特性分析。本文基于小型化和轻量化的设计原则，对热管熔盐空间堆堆芯的关键设计参数展开研究，重点分析了堆芯燃料盐、热管材料的选取、堆芯尺寸设计、堆芯反射层设计以及基于转鼓的反应性控制方法研究。结果表明，当采用LiF-UF4 (72-28mol％)的燃料盐，热管材料为镍基合金，堆芯高度和直径分别为90.94 cm和88.94 cm，反射层厚度为16 cm的堆芯物理参数具有较高的中子经济性与安全性;此时，控制鼓采用厚度1.8 cm、包角120°的B4C（10B含量为90％）中子吸收体能够满足反应堆寿期内的临界安全要求;堆芯可以实现满功率运行5年，且热管传热满足安全限值。 (2)1 MWth热管熔盐空间堆的掉落临界安全特性研究。针对热管熔盐空间堆的发射掉落临界安全问题，模拟反应堆掉入水、干沙以及湿沙等事故情况下的物理特性，并给出确保热管熔盐空间堆掉落临界安全的措施。结果表明，当热管熔盐空间堆掉落后，堆芯热管内填充水且堆芯被湿沙子覆盖会导致较严重的反应性安全事故;将Sm2O3、Gd2O3以及Eu2O3等谱移吸收材料均匀涂抹在堆芯容器外壁以及将钼铼合金(Mo-14％Re)兼作结构材料的方案虽然能够在一定程度上引入负反应性，但仍然无法满足临界安全限值(keff＜0.985);在堆芯活性区下方设置半径为40 cm、高度为7 cm的溢流罐，使其能够排除堆芯2/3燃料盐，并在堆芯活性区外壁均匀涂抹0.01 cm Gd2O3的方案可将最严重事故下的keff降低至0.98029，满足掉落临界安全限值。
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