空间堆的辐射屏蔽设计

发布时间：2020-10-27 03:12

　　 随着深空探测工作的不断深入,对供电系统的要求也越来越高。目前空间核裂变反应堆电源系统(简称空间堆)因其比功率大、寿命长及不受光照影响等优势正受到业界的高度重视。与此同时,考虑到空间堆伴随产生的核辐射会对系统相关辐射敏感器件及人员健康造成威胁,进而影响到整个探测任务能否顺利完成,因此对空间堆进行辐射屏蔽设计具有十分重要的意义。深空探测过程包括航天器的推进升空以及航天器在星球表面着陆后进行长期探测两大阶段,主要针对航天器在对外星球进行长期探测的情况进行研究。此外,考虑到在核裂变反应堆常见辐射类型中,α和β射线的贯穿能力较弱,因此对空间堆系统进行辐射屏蔽设计时主要考虑对中子和γ射线进行屏蔽。深空探测系统在外星球着陆后,其整体屏蔽情况很大程度上依赖于空间堆堆芯的布局方式。以月球为例,比如可以将反应堆埋入月壤、登陆后留在着陆器上或卸载到月球表面等;美国目前正在研制的用于月球基地探测的星球表面裂变电源系统(FSP系统-Fission Surface Power System)对此进行了大量计算,最终拟采用地埋式布局,因其可以利用周围月壤大大减少空间堆堆芯径向上的中子泄漏,从而显著减少所需要的屏蔽体重量、缩短工作人员与堆芯间的距离以及整体布局时要用到的电缆长度等,所以这种方案可以有效降低需要从地球投送到外星球的空间堆系统的整体质量。参照美国FSP系统堆芯地埋式布局方式,利用MCNP程序对某用于进行月球基地探测,用热管进行冷却的热管式空间堆的辐射屏蔽部分进行了模拟计算,并将辐射屏蔽目标设定为:在空间堆寿命周期内,仪器部件所受到的中子累积通量及γ累积剂量的限值分别是2.5×1014中子/cm2(等效为1Me V的Si位移损伤)和5Mrad(γ射线);在距堆芯一百米处工作人员所受到的辐射剂量限值是5rem/a。论文所取得的成果主要有:1)利用MCNP程序完成空间堆堆芯建模,计算出堆芯有效增殖因子keff在0.95~1.05之间,并得到堆芯上方中子和光子的泄漏能谱。2)利用MCNP程序计算出堆芯上方中子和光子的平均泄漏能量分别为0.86Me V和1.09Me V。在这两种能量下分别计算了常用8种空间堆屏蔽材料的衰减系数值,经对比选择B4C作为空间堆中子屏蔽材料,用W作光子屏蔽材料。3)对热管直穿式空间堆进行了屏蔽模拟计算,发现截锥形屏蔽体底部中心位置计数最高,比目标限值约高出3个量级,通过其他尝试无法进行有效改善。因此放弃这种设计方案。4)对热管旁绕式空间堆进行屏蔽计算时,得出截锥形屏蔽体底边缘处计数最高。通过增加截锥底半径,在截锥顶端加入慢化材料,加入W并进行分层等尝试后,确定的屏蔽体大致构型为:空腔高90cm;截锥总厚度为50cm,由内向外依次为2cm的W,9cm的B4C,1cm的W及38cm的B4C;截锥底半径为66cm;在堆芯径向及底部均有11cm厚的B4C屏蔽层。该方案对应的锥底最高累积中子通量和累积γ剂量分别为2.26×1014cm-2(等效为1Me V的Si位移损伤)和2.60Mrad,满足屏蔽要求。5)对工作人员所受到的辐射水平进行了计算,得出工作人员每年受到的总剂量为11.92m Sv,约为目标限值的1/5。6)对堆芯周围B4C及月壤进行简单的热分析,确保最终设计的屏蔽体结构能避免月壤因沉积过多裂变能而发生过热现象,进而引发诸多潜在危险。空间堆电源系统在深空探测工作中有着广泛的应用前景,但目前国内关于空间堆屏蔽设计的整体研究还没有公开文献。以上所做研究成果,将会对日后我国进行空间堆系统相关设计和屏蔽部分的优化改进提供很好的参考及帮助。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL351.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外发展历史及现状
        1.2.1 空间堆发展历史
        1.2.2 空间堆研究现状
    1.3 主要研究内容
第2章 基于MCNP的空间堆堆芯建模
    2.1 MCNP程序简介
        2.1.1 栅元卡和曲面卡
        2.1.2 数据卡
    2.2 堆芯建模
        2.2.1 堆芯相关参数
        2.2.2 堆芯模型的构建
    2.3 堆芯相关参数的计算
第3章 屏蔽材料的选择
    3.1 堆芯的平均泄漏能量
    3.2 候选材料衰减系数的计算
        3.2.1 中子和 γ 射线的衰减原理
        3.2.2 屏蔽材料成分及密度
        3.2.3 MCNP程序计算步骤
    3.3 计算结果与结论
第4章 热管直穿式空间堆辐射屏蔽设计
    4.1 总体考虑
        4.1.1 屏蔽体基本构型的选择
        4.1.2 MCNP程序进行空间堆计算的基本思想
    4.2 热管直穿式空间堆仪器部件的屏蔽设计
        4.2.1 屏蔽体构型的初步设计
        4.2.2 热管直穿式屏蔽体相关分段计算
        4.2.3 用LiH代替B4C作截锥形屏蔽体材料
    4.3 热管直穿式空间堆屏蔽设计结论
第5章 热管旁绕式空间堆辐射屏蔽设计
    5.1 热管旁绕式空间堆仪器部件的屏蔽设计
        5.1.1 仅用碳化硼作屏蔽材料
        5.1.2 截锥顶部加入BeO和Be进行慢化
        5.1.3 截锥顶部加入W并进行分层
        5.1.4 径向屏蔽体厚度相关计算
        5.1.5 中子的等效Si辐照损伤计算
        5.1.6 热管旁绕式空间堆仪器部件屏蔽结论
    5.2 工作人员的辐射屏蔽设计
    5.3 堆芯附近月壤的受热分析
        5.3.1 堆芯附近沉积裂变能的计算
        5.3.2 堆芯附近的温度计算
结论
致谢
参考文献
攻读学位期间取得学术成果

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 黄才勇;空间电源的研究现状与展望[J];电子科学技术评论;2004年05期

2 杨启法;卢浩琳;;空间核反应堆电源研究和应用[J];航天器工程;1995年04期

3 罗明坤;;太空时代的需要——新型能源[J];未来与发展;1998年04期

本文编号：2857944