隨著深空探測工作的不斷深入,對供電系統(tǒng)的要求也越來越高。目前空間核裂變反應(yīng)堆電源系統(tǒng)(簡稱空間堆)因其比功率大、壽命長及不受光照影響等優(yōu)勢正受到業(yè)界的高度重視。與此同時,考慮到空間堆伴隨產(chǎn)生的核輻射會對系統(tǒng)相關(guān)輻射敏感器件及人員健康造成威脅,進(jìn)而影響到整個探測任務(wù)能否順利完成,因此對空間堆進(jìn)行輻射屏蔽設(shè)計具有十分重要的意義。深空探測過程包括航天器的推進(jìn)升空以及航天器在星球表面著陸后進(jìn)行長期探測兩大階段,主要針對航天器在對外星球進(jìn)行長期探測的情況進(jìn)行研究。此外,考慮到在核裂變反應(yīng)堆常見輻射類型中,α和β射線的貫穿能力較弱,因此對空間堆系統(tǒng)進(jìn)行輻射屏蔽設(shè)計時主要考慮對中子和γ射線進(jìn)行屏蔽。深空探測系統(tǒng)在外星球著陸后,其整體屏蔽情況很大程度上依賴于空間堆堆芯的布局方式。以月球為例,比如可以將反應(yīng)堆埋入月壤、登陸后留在著陸器上或卸載到月球表面等;美國目前正在研制的用于月球基地探測的星球表面裂變電源系統(tǒng)(FSP系統(tǒng)-Fission Surface Power System)對此進(jìn)行了大量計算,最終擬采用地埋式布局,因其可以利用周圍月壤大大減少空間堆堆芯徑向上的中子泄漏,從而顯著減少所需要的屏蔽體重量、縮短工作人員與堆芯間的距離以及整體布局時要用到的電纜長度等,所以這種方案可以有效降低需要從地球投送到外星球的空間堆系統(tǒng)的整體質(zhì)量。參照美國FSP系統(tǒng)堆芯地埋式布局方式,利用MCNP程序?qū)δ秤糜谶M(jìn)行月球基地探測,用熱管進(jìn)行冷卻的熱管式空間堆的輻射屏蔽部分進(jìn)行了模擬計算,并將輻射屏蔽目標(biāo)設(shè)定為:在空間堆壽命周期內(nèi),儀器部件所受到的中子累積通量及γ累積劑量的限值分別是2.5×1014中子/cm2(等效為1Me V的Si位移損傷)和5Mrad(γ射線);在距堆芯一百米處工作人員所受到的輻射劑量限值是5rem/a。論文所取得的成果主要有:1)利用MCNP程序完成空間堆堆芯建模,計算出堆芯有效增殖因子keff在0.95~1.05之間,并得到堆芯上方中子和光子的泄漏能譜。2)利用MCNP程序計算出堆芯上方中子和光子的平均泄漏能量分別為0.86Me V和1.09Me V。在這兩種能量下分別計算了常用8種空間堆屏蔽材料的衰減系數(shù)值,經(jīng)對比選擇B4C作為空間堆中子屏蔽材料,用W作光子屏蔽材料。3)對熱管直穿式空間堆進(jìn)行了屏蔽模擬計算,發(fā)現(xiàn)截錐形屏蔽體底部中心位置計數(shù)最高,比目標(biāo)限值約高出3個量級,通過其他嘗試無法進(jìn)行有效改善。因此放棄這種設(shè)計方案。4)對熱管旁繞式空間堆進(jìn)行屏蔽計算時,得出截錐形屏蔽體底邊緣處計數(shù)最高。通過增加截錐底半徑,在截錐頂端加入慢化材料,加入W并進(jìn)行分層等嘗試后,確定的屏蔽體大致構(gòu)型為:空腔高90cm;截錐總厚度為50cm,由內(nèi)向外依次為2cm的W,9cm的B4C,1cm的W及38cm的B4C;截錐底半徑為66cm;在堆芯徑向及底部均有11cm厚的B4C屏蔽層。該方案對應(yīng)的錐底最高累積中子通量和累積γ劑量分別為2.26×1014cm-2(等效為1Me V的Si位移損傷)和2.60Mrad,滿足屏蔽要求。5)對工作人員所受到的輻射水平進(jìn)行了計算,得出工作人員每年受到的總劑量為11.92m Sv,約為目標(biāo)限值的1/5。6)對堆芯周圍B4C及月壤進(jìn)行簡單的熱分析,確保最終設(shè)計的屏蔽體結(jié)構(gòu)能避免月壤因沉積過多裂變能而發(fā)生過熱現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)諸多潛在危險�？臻g堆電源系統(tǒng)在深空探測工作中有著廣泛的應(yīng)用前景,但目前國內(nèi)關(guān)于空間堆屏蔽設(shè)計的整體研究還沒有公開文獻(xiàn)。以上所做研究成果,將會對日后我國進(jìn)行空間堆系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計和屏蔽部分的優(yōu)化改進(jìn)提供很好的參考及幫助。
【學(xué)位單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL351.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
        1.2.1 空間堆發(fā)展歷史
        1.2.2 空間堆研究現(xiàn)狀
    1.3 主要研究內(nèi)容
第2章 基于MCNP的空間堆堆芯建模
    2.1 MCNP程序簡介
        2.1.1 柵元卡和曲面卡
        2.1.2 數(shù)據(jù)卡
    2.2 堆芯建模
        2.2.1 堆芯相關(guān)參數(shù)
        2.2.2 堆芯模型的構(gòu)建
    2.3 堆芯相關(guān)參數(shù)的計算
第3章 屏蔽材料的選擇
    3.1 堆芯的平均泄漏能量
    3.2 候選材料衰減系數(shù)的計算
        3.2.1 中子和 γ 射線的衰減原理
        3.2.2 屏蔽材料成分及密度
        3.2.3 MCNP程序計算步驟
    3.3 計算結(jié)果與結(jié)論
第4章 熱管直穿式空間堆輻射屏蔽設(shè)計
    4.1 總體考慮
        4.1.1 屏蔽體基本構(gòu)型的選擇
        4.1.2 MCNP程序進(jìn)行空間堆計算的基本思想
    4.2 熱管直穿式空間堆儀器部件的屏蔽設(shè)計
        4.2.1 屏蔽體構(gòu)型的初步設(shè)計
        4.2.2 熱管直穿式屏蔽體相關(guān)分段計算
        4.2.3 用LiH代替B4C作截錐形屏蔽體材料
    4.3 熱管直穿式空間堆屏蔽設(shè)計結(jié)論
第5章 熱管旁繞式空間堆輻射屏蔽設(shè)計
    5.1 熱管旁繞式空間堆儀器部件的屏蔽設(shè)計
        5.1.1 僅用碳化硼作屏蔽材料
        5.1.2 截錐頂部加入BeO和Be進(jìn)行慢化
        5.1.3 截錐頂部加入W并進(jìn)行分層
        5.1.4 徑向屏蔽體厚度相關(guān)計算
        5.1.5 中子的等效Si輻照損傷計算
        5.1.6 熱管旁繞式空間堆儀器部件屏蔽結(jié)論
    5.2 工作人員的輻射屏蔽設(shè)計
    5.3 堆芯附近月壤的受熱分析
        5.3.1 堆芯附近沉積裂變能的計算
        5.3.2 堆芯附近的溫度計算
結(jié)論
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間取得學(xué)術(shù)成果

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 黃才勇;空間電源的研究現(xiàn)狀與展望[J];電子科學(xué)技術(shù)評論;2004年05期

2 楊啟法;盧浩琳;;空間核反應(yīng)堆電源研究和應(yīng)用[J];航天器工程;1995年04期

3 羅明坤;;太空時代的需要——新型能源[J];未來與發(fā)展;1998年04期

本文編號：2857944