1 超小型模塊化反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)
目前，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)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(gè)備選方案。USMR的設(shè)計(jì)具有開(kāi)創(chuàng)性，它不使用蘭金(或布雷頓)循環(huán)來(lái)冷卻堆芯和產(chǎn)生電力，而是通過(guò)將一個(gè)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(lái)，從而進(jìn)行發(fā)電。USMR的堆芯在高溫下運(yùn)行，其外部邊界的溫度會(huì)超過(guò)1 300℃。通過(guò)采用具有背面反射層的現(xiàn)代熱光伏技術(shù)來(lái)回收亞能帶隙的光子，反應(yīng)堆的發(fā)電效率可能會(huì)超過(guò)50%。USMR不使用工作流體和熱管，這使得它可以實(shí)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(gè)同心六角環(huán)組成：一個(gè)內(nèi)部石墨慢化劑、一個(gè)富集度為19.75%的鈾氮化燃料塊、一個(gè)外部石墨慢化劑、一個(gè)鈹反射層和一個(gè)鎢發(fā)射體，如圖1所示。該系統(tǒng)主要通過(guò)硼控制鼓進(jìn)行控制，反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉時(shí)向外轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jì)簡(jiǎn)單，采用了高溫材料，這使得它對(duì)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(jì)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(duì)提出的USMR設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)，而效率的提升意味著在相同的包線(xiàn)內(nèi)USMR的電力輸出是Krusty反應(yīng)堆電力輸出的35倍。
