深空探测做为我国航天范畴将来的紧急职责之一,需求功用更高的推动系统供给动力。核热推动系统具备高比冲、大推力、长运行寿命、可反复启动等好处,可为将来深空探测职责供给靠得住的动力支持。通过60多年的进展,核热推动固态堆芯燃料元件被研发出了多种表率,如六棱柱石墨基燃料元件、歪曲条带燃料元件、六棱柱金属陶瓷燃料元件、球形包覆颗粒燃料元件、MITEE型燃料元件、SLHC型燃料元件、GroovedRing型燃料元件等。归纳演绎了核热推动固态堆芯燃料元件的进展情况,提议了进展核热推动固态堆芯燃料元件的关键手艺,可为我国核热推动系统燃料元件的研发供给自创。
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引言深空探测做为人类此刻最前沿的科技谋求行动之一,代表着一个国度的科技水准和经济气力,不单能够拓展人类对天地空间的认知,还能驱策空间科学手艺及相干学科的进展,对空间资本的开采和利工具备紧急的影响。此刻,我国在深空探测范畴较西欧等航天强国再有着必然的差异,紧要呈此刻深空探测职责的经费投入有限和推动手艺的后进。为了减少与西欧之间的差异,我国提议并蓄意了月球探测、小行星与火星采样返回、木星系及行星际穿梭、太阳系边沿探测等职责,多种型号运载火箭也在有序研发、测试、临盆过程中。跟着我国对空间探测的深度和范围不停扩充,探测器的品质和尺寸也在不停增进,对具备高比冲、大推力、长运行寿命、可反复启动等高功用特色的空间推动系统需求也越来越大,推动系统做为空间探测的根本保险显得尤其紧急。
保守化学推动系统受化学能和材料耐温功用束缚,致使最有潜力的氢氧鼓动机比冲仍低于s,推动剂的操纵效率较低,没法餍足将来深空探测职责的需求。电推动系统尽管比冲可高达上千秒,推动剂的操纵效率较高,然而其推力水准仅为几毫牛到几牛量级,做为主鼓动机供给动力会延漫空间探测职责的功夫。相较而言,具备高能量密度的核热推动系统比冲可到达s以上,可依照详细空间探测职责策画不同堆芯功率并供给几十到几百千牛的推力。别的,采取供电-推动双形式的核热推动系统可源源不停地供给能量,能够胜任更万古间的空间探测职责。美国NASA在载人火星探测汇报DRA5.0中明了提议了将核热推动火箭做为天外摆渡车的首选蓄意,比拟于化学火箭往来火星职责的3年周期,核热推动火箭仅需求9~12个月。20世纪50岁月以来的大批协商讲明,核热推动手艺是将来最有渴望完结载人深空探测职责的手艺之一。
核热推动反映堆燃料元件做为形成能量的紧急构成部份,其功用特色关乎着核热推动系统的功用目标。本文缠绕核热推动反映堆系统中燃料元件进展史册及近况停止归纳,演绎了燃料元件关键手艺,可为核热推动燃料元件手艺的进展供给自创。
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核热推动手艺简介核热推动是操纵核反映堆形成的裂变能将推动剂(冷却剂)加热到高温状况,高温高压工质在喷管内膨胀加快喷出形成推力的新式推动方法,这类推动方法具备大推力、高比冲、龟龄命、可反复启动等特色。依照堆芯状况的不同,核热推动系统堆芯可分为固态堆芯、液态堆芯、气态堆芯,个中,固态堆芯核热推动被协商得至多,手艺老练度和可完结性最高。依照堆芯中子能谱的不同,核热推动系统堆芯可分为热衷子堆芯和快中子堆芯。以固态堆芯核热推动系统为例,其紧要由核反映堆、辐射障蔽组织、涡轮泵系统、喷管系统、推动剂储箱及相干配套系统等构成,如图1所示。核反映堆包含压力室、燃料元件、径向与轴向反射层、操纵鼓、支持元件等(热堆存在慢化剂),如图2所示。
由式(1）可知,比冲与工质分子量呈负相干,是以,时时筛选小分子量的气体工质(如氢气)做为推动剂(冷却剂),通过升高推动室推动剂温度来得到更高的比冲。核热推动系统热力轮回蓄意紧要有3种:热抽气轮回(HotBleedCycle)、冷抽气轮回(ColdBleedCycle)以及闭式膨胀轮回(ExpanderCycle),如图3所示。个中热抽气轮回蓄意在美国NERVA、Tomberwind蓄意中被采取,并在NERVA蓄意核热推动鼓动机全系统大地测试中获得胜利。
核热推动系统劳动过程以下:当鼓动机启开劳动时,液氢泵将液氢从推动剂贮箱中抽出,增压后次第投入喷管的更生冷却环腔、堆芯径向反射层等停止预热,尔后投入涡连做功启动氢泵运行。从涡轮排出的氢气快速通过反映堆堆芯汲取裂变反映热量,高温高压氢气经喷管膨胀加快后排出,形成反冲推力。
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燃料元件进展核热推动系统比冲时时高出s,反映堆堆芯最高温度为K以上,为了餍足平安功用需求,燃料元件需万古间(~s)耐受K以上的高温,由于燃料元件内温度高且温度梯度大,保证燃料元件组织强度和完全性相当紧急。别的,燃料元件品质尺寸、耐辐照功用、与推动剂在高温处境下的相容性等也必需思虑。是以,燃料元件时时筛选耐高温、耐辐照的非常核材料,若干组织大多策画为比表面积较大的形态以保证换热充足,进而消沉推动剂与燃料元件温差,最大水准地提拔比冲、推力等功用。
自20世纪50岁月起,美、苏/俄在其核热推动协商蓄意中接踵研发、进展、测试了数种核热推动系统堆芯燃料元件蓄意,包含六棱柱石墨基燃料元件、歪曲条带(Twisted-ribbon)燃料元件、六棱柱金属陶瓷(Ceramicmetallic,CER-MET)燃料元件、球形包覆颗粒燃料(TRISO)元件、MITEE(MiniatureReactorEngine)型燃料元件、SLHC(SquareLatticeHoney