核热推进反应堆多目标优化设计方法研究

摘要: 在深空探测任务对高性能推进系统的迫切需求下，本研究针对现有核热推进反应堆设计方法的系统性和完整性不足，提出了一种核热推进反应堆（NTPR）多目标优化设计方法，以实现具有大推力、高比冲、长寿命和轻量化特点的NTPR堆芯设计。首先，依据组件间传热特点构建组件间传热模型，并将其与核火箭的飞行性能及堆芯临界特性相结合。其次，基于组件间传热模型-飞行性能模型-组件二维临界模型提出了一种多目标参数筛选方法，采用该方法对核热推进反应堆设计方案进行耦合迭代计算，以优化堆芯布局，确保满足热工、飞行和中子物理的综合设计标准，同时实现堆芯质量的最小化。最后，利用开源蒙特卡洛软件OpenMC对优化后的堆芯布局进行详尽的三维中子学计算，针对反应堆临界特性、安全特性以及燃耗表现等开展全面评估。研究结果表明，基于该方法设计的低浓缩铀（LEU）NTPR概念设计方案初步满足大推力、高比冲、长寿命和轻量化的设计要求，可为未来载人深空探测任务提供参考。