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1.无人机吊舱用液冷环控系统设计及试验研究
作者：谢明君;张朝;绳春晨;刘学森;万昌韦;占化斌;罗高乔
作者单位：中国电子科技集团公司
关键词：无人机;吊舱环控;液冷;散热
摘要：本文针对无人机平台电子吊舱的环控散热需求，提出了一种冲压风冷却和泵驱液冷回路散热相结合的 环控系统设计方法，并根据某型无人机吊舱任务热载荷要求，采用本设计方法开发了一款液冷型吊舱环控系统，总 散热量不小于 ３． ３ ｋＷ，对环控系统的散热量包线核算结果表明：无人机吊舱环控在高空巡航工作点具备最大散热 量。 最后，采用热平衡法对环控系统的性能进行测试，满足技术指标要求，验证了设计方法的准确性，为后续环控 系统的开发提供依据。
１ 引言
电子吊舱是悬挂在固定翼飞机、直升机、无人 机等机身下的流线型舱体，内部安装有电子设备 和功能载荷，用于拓展或增飞机的使用功能。 随 着机载吊舱技术的不断完善，现代战争对航空装 备要求的不断提升，电子吊舱的应用需求和使用 频次日益增加，尤其是在瞄准控制、电子对抗、导 航 跟 踪 及 侦 察 告 警 等 方 面 得 到 了 很 好 的 应用［１ － ２］ 。
作为电子吊舱挂载平台之一的无人机，近几 年随着空战武器和一体化防空系统发展要求而快 速发展，主要用于战场侦察和监视、海域巡逻、对 地（舰） 攻击、电子干扰、通信截听、目标精确定 位、中继通信、对敌防空压制等［３］ ，具备巡航时间 长、装备使用维护成本低的优势。 相较于有人战 机，无人机还具备航速低的特点，飞行高度通常在 ８ ０００ ～ １２ ０００ ｍ，飞行速度通常在 １８０ ～ ４００ ｋｍ ／ ｈ ［４］ 。 无人机平台上述特点也对无人外挂载荷提 出了新的要求，首先是外挂载荷的重量问题，无人 机挂载能力低于固定翼飞机，对外挂吊舱提出了 更为严苛的重量要求，大量使用复合材料以保证结构强度和实现减重；其次是外挂载荷的散热问 题，尤其是对于电子设备外挂吊舱而言，电子设备 功耗的提升使散热问题凸显，相关研究表明在 ７０ ～ ８０ ℃范围中，温度每升高 １０ ℃ ，电子设备的可 靠性就降低 ５０％ ［５］ ，与散热相关的集成电路故障 占所有集成电路故障的 ５０％ 以上［６］ ，同时，为了 减重要求而大规模使用的复材增大了舱体的热 阻，进一步加剧了无人机电子吊舱内电子设备的 散热问题。 为降低电子设备因高温引发的故障， 必须对电子吊舱密闭空间内的电子设备进行 散热。
无人机外挂吊舱作为飞机的外挂载荷，和传 统的固定翼飞机外挂吊舱类似，继承了有人机吊 舱的相关特点，即吊舱与载机仅存在机械连接和 电气连接，无法直接利用飞机的环控系统和常规 的机载散热解决方案，且仅能通过单独加装环控 系统解决自身散热问题。 常规的机载吊舱通常具 备三种环控方案［７］ ，即采用冲压风直接冷却［８］ ， 采用蒸发循环制冷方案和采用空气循环制冷方 案［９］ 。 由于无人机平台自身特点和作战需求所 限，通常不会搭载太高功率的发动机及发电机，无 人机的电力供应相较于有人飞机相对紧缺，除满 足自身供电载荷要求外，无法提供多余电力供基 于蒸发循环制冷方案的环控系统应用。 同时，由 于其自身航速较低的特点，在飞行过程冲压引气 的可用压头和引、排气压差较低，无法满足基于空 气制冷循环环控系统中冲压涡轮启动要求［１０ － １１］ 。 应用于电子侦察或电子对抗的无人机吊舱的功耗 通常在 １． ５ ｋＷ 以上，且对重量尺寸有严苛的要 求，采用冲压风制冷冷却的方案，因为冷却介质密 度低、占据空间大等问题，无法满足大功率电子吊 舱的散热需求。 而液冷散热技术相较于空气冷却 效率高出了１００ ～ ２ ０００ 倍［１２］ ，在解决液冷系统机 载环境适应性问题和小型化问题后，采用冲压空 气与泵驱单相液冷循环散热相结合的液冷散热方 案是无人机电子吊舱环控的最佳解决方案。 然 而，目前针对无人机吊舱用液冷环控系统的设计 尚没有成熟的设计方法，在系统指标论证过程中， 配套单位需要与总体单位开展多次论证迭代才能 把系统的真实需求和当前的实际技术水平相符 合，最终输出系统的确切技术指标和设计要求，设 计效率低下，无法满足项目快速研制的需求。
综上，本文针对机载电子吊舱环控散热的相 关需求，开展基于无人机平台电子吊舱环控散热 技术研究，提出了液冷环控系统的设计方法，可基 于电子吊舱任务剖面和散热条件要求开展该类产 品设计工作，并开发了某型无人机电子吊舱液冷 环控系统。
２ 电子吊舱环控散热系统工作原理 及设计方法
典型液冷型环控系统主要包括膨胀水箱、液 体泵、过滤器、旁通阀、排气装置、供液接头、回液 接头、温度传感器、压力传感器、液位计、换热器、 管路、阀门等部件，除换热器冷边为空气外，系统 中所有部组件与被冷却的电子设备组成一个闭式 循环系统。
如图 １ 所示，储液罐中的载冷剂经液体泵加 压后进入换热器与冷边冲压空气换热降温后经由 分路器分别进入装有电子设备的机箱和冷板，对 电子设备降温后再由分路器集中经过过滤器过滤 后送回至膨胀水箱，完成一个循环。
环控系统的液侧属于闭式系统，运行工况相 对稳定，除膨胀水箱设计需考虑飞机倒飞、翻滚等 特殊姿态下的水泵正常运行外，其余部组件可根 据系统供液技术指标要求开展相对成熟的设计选 型工作，具体架构和组成可参考地面上成熟液冷 源技术方案。 然而，由于环控系统的风侧采用飞 行器飞行过程中产生的冲压空气作为散热热沉， 受环境温度、飞行高度、飞行速度等因素影响较 大，进而对系统的散热能力和供液温度产生影响， 需对环控系统的系统指标参数进行迭代设计。 以 飞行任务剖面、供液温度、散热量等基本参数作为 设计输入，通过设计计算确定环控系统的详细设 计指标，并对各系统部件开展针对性设计选型工 作，设计方法如图 ２ 所示。
３ 系统设计与仿真计算
采用图 ２ 所示设计方法对某型无人机吊舱环 控开展设计工作，已知吊舱内任务电子设备的发 热量是 ３ ｋＷ，除此之外，环控系统还需具备平衡 自身工作产生的热载荷的能力，主要包括液冷泵、 控制器、传感器（包括温度、压力、压差、液位） 等 部件工作发热。 为了保证系统能够稳定工作，考 虑到长期运行可能的性能衰减，环控系统的总设 计散热量需考虑一定的裕度：
式中：λ 是设计裕度，取值范围一般为 １ ～ １． ０５，故环控系统的设计容量是 Ｑ总 ＝ ３． ３ ｋＷ，全 部由无人机所处的环境空气热沉进行耗散，根据 任务要求，环控装置的供液温度应不大于 ５０ ℃ ， 无人机飞行剖面由总体用户提供。
无人机平台飞行工况一般处于对流层（０ ＜ Ｈ ＜ １１ ｋｍ）范围内，只考虑对流层空气参数计算方 法的空气参数的计算公式为：
式中：α 为年平均温度直降率，０． ００６ ５ ℃ ／ ｍ；Ｒ 为气体常数，２８７． ０５２ ８７ Ｊ／ （ｋｇ·Ｋ）；g 为重 力加速度，９． ８１ ｍ ／ ｓ ２ ；Ｔ０为地面环境温度，５５ ℃ ；
冲压空气总温、总压计算公式为：
式中，k 为比热容比，１． ４；Ｍａ 为飞行马赫数； 上标∗代表总参数。
对于环控装置，冲压空气由进气道入口进入 环控系统，流经进气道为绝热非等熵过程，在这个 过程中，总温不变，总压减小，总压减小多少用总 压恢复系数来衡量，冲压空气进入环控系统换热 器入口会因为气流突变产生，即进气道出口，压力 及温度计算公式为：
式中，σ 为总压恢复系数，在亚音速情况下， 一般取 σ ＝ ０． ９６ ～ ０． ９８，为确保系统的设计裕量， 本系统取总压恢复系数为 σ ＝ ０． ７。
３． １ 系统热动力性能指标核算
由系统设计指标可知，用于表征环控系统散 热性能的换热器设计工况点如下表所示。
根据同类产品的设计经验结合本项目实际需 求，换热器采用逆叉流铝合金板翅式换热器，热侧 双流程，冷测单流程，详细设计参数如下表所示。
３． ２ 结构设计
经详细计算散热器的散热功率均大于 ３． ３ ｋＷ，材料采用铝合金 ３Ａ２１，换热效率可以满足热 侧出口温度不大于 ５０ ℃ 。 根据系统安装接口尺 寸要求，结合整体加工和焊接工艺性考虑，换热器 外形结构见图 ３。
３． ３ 流阻校核
根据换热器设计模型结构对其流阻进行校 核，热侧为两流程，进出芯体及拐弯结构较复杂， 翅片结构仿真难度较大，故结合局部阻力仿真和 沿程阻力理论计算，对热侧阻力进行分析。 在给 定的冷边条件下，设置热边进口流量 ０． ４８ ｍ ３ ／ ｈ 和出口压力 ０． ５ ＭＰａ，对模型进行流动阻力仿真 分析。
由图 ４ 分析结果可知，换热器热边流体总压 力损失包括沿程压力损失 ２７． ３ ｋＰａ，转弯、突缩突 扩损失共计 １７． ６ ｋＰａ，总压力损失为 ４４． ９ ｋＰａ，可 以满足系统使用要求。
将换热器的换热能力与无人机平台的任务剖 面相结合，在给定的供液温度约束条件下可以得到如图 ５ 所示的环控系统散热量能力包线。
由图 ５ 可知，低空、低速工况是环控系统的恶 劣工况点，散热热沉温度高且冲压空气压头小，系 统散热量不小于 ３． ３ ｋＷ。 在无人机的高空巡航 工作点，由于飞行高度高且航速低，气动加热效应 可以忽略，同时系统引气温度低，环控系统的散热 量远大于低空设计工况，可以保障无人机用电子 吊舱设备在全任务剖面及长时间满功率的条件下 的正常工作。
４ 试验测试研究
无人机吊舱液冷环控系统是一种制冷散热设 备，采用低于温控目标温度的冲压空气作为热沉 对电子设备进行冷却，主要技术指标包括散热量、 供液温度、供液压力，根据以往同类产品的研制经 验，采用热平衡法对系统制冷量进行试验验证。
验证试验依托热动力性能综合测试平台开 展，该试验台可向环控系统提供温度、压力可控的 冲压空气，并对环控系统液侧的加热量和回液温 度进行调节及测量，技术指标和试验原理框图如 表 ３ 和图 ６ 所示。
选取飞行高度 ３ ０００ ｍ，环境温度 ３６ ℃ 作为 系统的测试工况点，气源空气经加热控温后送入 换热器冷测，环控系统液侧充注 ６５ 号冷却液，模 拟热负载给定 ３ ｋＷ，在稳定运行工况下，供液流 量不小于 ０． ４８ ｍ ３ ／ ｈ，供液温度 ＜ ５０ ℃ ，性能均满 足平台散热要求。
５ 结论
（１）基于某型无人机平台用吊舱环控的散热 需求，构建了该型吊舱环控的设计计算方法，包括 系统飞行剖面分析、设计工况点选取、部组件指标 分配及匹配、设计分析校核、系统热力性能预测等 相关环节，可用于实现无人机吊舱环控系统的设 计开发。
（２）将无人机吊舱环控设计方法与某型无人 机吊舱平台的实际使用工况和散热需求相结合， 开展某型环控系统的技术指标核算和系统设计工 作，并对环控系统的飞行剖面进行了计算分析，由 于无人机实用升限和航速有限，且气动加热效应 相对较弱，分析结果表明环控系统在高空高速飞 行工况下具备最大散热能力。
（３）采用热平衡法对无人机吊舱环控系统开 展了性能测试，利用温度可调的压缩空气模拟冲 压空气作为环控系统的散热热沉，对设计工况下 的换热量、供液温度、供液压力、供液流量等关键 指标进行了测试，可满足系统实用要求。 同时对 环控系统开展了高低温工作、功能振动、冲击等环 境适应性考核，符合机载应用的相关标准。
（４）本设计方法的提出和 ３ ｋＷ 环控系统的 研制为无人机平台用吊舱环控系统积累了经验， 对后续型号的研制和我国无人机平台吊舱环控系 统的研制具有重要的指导意义。
（５）后续对液侧负载的流体分配技术开展研 究，进一步优化液冷系统的末端散热能力。
2.小型多功能池式研究堆设计现状与展望
作者：陈晓亮;韩鹏;朱吉印;朱珈辰
作者单位：中国原子能科学研究院;反应堆工程技术研究所
关键词：多功能;池式研究堆;紧凑型堆芯;弥散型燃料;U-Mo合金
摘要：池式研究型反应堆是全球多用途研究堆中的重点类型，因其在安全特性、多用途性和运行维护等方面的突出表现而备受关注。在池式堆中，热功率为1~10 MW的小型研究堆方案设计最为成熟，应用场景最为广泛。为了探索未来池式研究堆堆芯设计及其应用场景的发展趋势，首先，根据全球开展RERTR（Reduced Enrichment Research and Test Reactor）低浓化项目并进行堆芯重新设计的小型池式研究堆不同的堆芯方案进行对比，研究分析未来小型池式研究堆堆芯可采用的燃料类型和组件结构，以及目前全球小型池式研究堆的应用情况。其次，总结了小型池式研究堆在燃料类型和堆芯结构两个方面的发展现状，汇总了研究堆各类中子应用场景的技术指标。最终，通过横向对比探究分析推判：未来小型池式研究堆将采用紧凑型堆芯设计，采用高密度的低浓缩铀燃料，以紧凑可移动式小堆芯为基础，以大水池内中子源应用设施为主要发展方向。
研究堆的用途非常广泛，涉及原子核物理、材料、工程以及医学和农业等方面的试验研究，研究堆还可用于生产同位素并利用其中子束流进行多种分析及试验。截至2024年7月，IAEA（International Atomic Energy Agency）显示，全世界已建成的研究堆共820座，在建和计划中的研究堆20座。我国从50年代开始建造研究堆，截至目前已建成各种试验研究堆30座，对我国核科学技术、军工科研生产和国民经济等领域的发展做出了重要贡献［1］。
由于池式反应堆固有安全性高、辐照应用功能强大、运行维护简单，国际上运行着多座池式研究堆。在全世界820座研究堆中，279座是池式堆，占总数量的34%。在建的7座研究堆中，4座是池式堆；计划建造的13座研究堆中，7座是池式堆［2］。
在池式研究堆中，由于1~10 MW的小型研究堆功率适中、运行成本较低、堆自身品质因子较高，小型池式研究堆运行状况优于其他类型的研究堆，目前全世界在运行及待建的池式研究堆共有112座，其中功率为1~10 MW的小型研究堆共有45座，占比近一半［2］。
目前世界研究堆的数量呈下降趋势，抑制了小型池式研究堆的应用和发展，因此，探索小型池式研究堆未来的发展方向对小型池式研究堆今后发展的至关重要。本文对全球在役、在建和计划中的小型池式研究堆的燃料形式、堆芯结构、应用、发展情况进行调研，对其今后的应用前景和发展方向进行了一定的探索，并最终总结出了未来小型池式研究堆的发展方向［3］。
1小型池式研究堆燃料设计现状
从20世纪50年代起，随着燃料技术的发展和试验研究的需求，全球研究堆进入了快速发展阶段，采用高浓缩铀燃料的研究堆不断建成，堆芯基本采用中子阱型设计，研究堆的功率开始提高到兆瓦量级，热中子通量密度达到1×1014n·cm−2·s−1，主要用于进行超钚生产、材料考验和各类实验研究，如美国的OWR（Omega West Reactor）堆、中国的重水堆等［1］。
在1978~1980年间，国际核燃料循环评估会议要求将燃料的富集度降至20%，并提出了“研究堆与试验堆低浓化（Reduced Enrichment Research and Test Reactor，RERTR）”方案，从RERTR方案开始以来，已有36个反应堆从使用高浓缩铀燃料转为使用低浓缩铀燃料。为实现将大量研究反应堆从使用高浓缩铀燃料转换为低浓缩铀燃料，且不会显著降低研究能力、性能，也不会增加运行成本或需要对部件进行重大修改，新的低浓缩铀燃料必须具有更高的密度［3］。随后UAlx（UAl2、UAl3、UAl4）-Al、U3O8-Al、UZrH、U3Six-Al和UMo-Al等高密度LEU（Low Enrichment Uranium）燃料陆续被研发，国际上众多研究堆开始了燃料低浓化改造，在改造过程中提升反应堆热功率并对堆芯结构与燃料进行了重新设计，所以本文主要对20世纪80年代RERTR项目推出后，进行堆芯重新设计的低浓化研究堆进行调研分析，如表1所示，用以探究分析未来小型池式研究堆发展方向。
由表1可知，目前全球1~10 MW小型池式研究堆按慢化剂种类不同主要分为以水为慢化剂的池式研究堆和以氢化锆为慢化剂的TRIGA（Training，Research，Isotopes，General Atomic）类型反应堆。由于弥散型燃料元件具有热导高、刚度好、安全可靠、高燃耗、长寿期等优异性能。同时板状燃料元件热导好而运行温度不高，堆芯比功率和功率密度高，燃耗深度较深，运行成本低［32］。因此以水为慢化剂的池式研究堆多采用板状弥散体燃料。
1.1弥散体燃料类型
弥散型燃料是由含有易裂变材料的燃料颗粒均匀弥散分布在金属、陶瓷或石墨基体中构成，这些基体材料具有良好的导热性能、力学性能和较小的热中子吸收截面。弥散型燃料通过连续基体把燃料颗粒相互隔离开，基体的大部分不被裂变产物所损伤，可保证燃料元件在使用寿期内具备良好的力学性能，同时燃料颗粒受到基体的包围和约束，可保持燃料颗粒与包壳之间良好的热传导性能，相较大块燃料燃耗更高［32］。
国际RERTR计划已进行了46年，为保证在不降低研究堆综合性能的前提下，实现研究堆的低浓化，U3Si2、U3O8、UAlx和U3Si等高密度弥散型LEU燃料陆续被研发并不断被应用，其中UAlx燃料密度达到2.2gU·cm−3、U3O8燃料密度达到3.1gU·cm−3、U3Si2燃料最高密度达到4.8gU·cm−3，伴随各国研究堆的低浓化进行，全球研究堆中使用最为广泛的便是富集度为19.75%、密度为4.8gU·cm−3的U3Si2-Al燃料，其次为U3O8-Al，目前各国正在进行对高密度U-Mo合金燃料的研发。
1.1.1U3O8弥散体燃料
NUR（Nuclear Uranium Reactor）是热功率为1 MW的池式研究堆，1989年第一次达到临界，堆芯结构如图1所示，采用富集度为19.7%，密度为2.96gU·cm-3的U3O8-Al为燃料，板状燃料元件类型，堆芯共17个燃料组件（12个标准燃料组件和5个控制燃料组件），标准燃料组件和控制燃料组件截面图如图2所示。NUR堆轻水冷却和慢化，石墨做反射层，反应堆设有多个垂直和水平辐照通道。反应堆反应性控制系统由5根外包316 L不锈钢包壳的Ag-In-Cd吸收棒组成（其中4根为控制棒1根为调节棒）［33−34］。
NUR反应堆具备4个垂直孔道（堆芯内部2个，反射层内2个）、4个径向水平孔道、1个切向水平孔道、2个快速气动输送系统、1个热室和1个转移室，堆内部水平孔道及热柱布置如图3所示。NUR反应堆内部最大热中子通量密度5.0×1013n·cm-2·s-1，最大快中子通量密度4.0×1012n·cm-2·s-1。NUR反应堆主要用于人员培训、中子活化分析、核数据分析、中子射线照相、小角中子散射、生产放射性同位素和放射性药物，未来NUR反应堆功率将提高到3.5 MW［34，36］。
1.1.2铀铝合金弥散体燃料
IRR-1（Israeli Research Reactor-1）是热功率为5 MW的开放池式轻水反应堆，于1960年首次达到临界。采用富集度为93%密度为0.68gU·cm-3的UAlx-Al弥散平板燃料，轻水冷却和慢化，堆芯活性区外围设置两排石墨反射层以减少来自堆芯的中子损失。堆芯结构如图4所示，堆芯活性区装载23个标准燃料组件5个控制燃料组件，其中一个标准燃料组件包含23个平行的外包壳为两个6061铝板的燃料板，控制燃料组件由17块燃料板和组件两端的两个用于控制棒运动的矩形通道构成，控制棒材料为Ag-In-Cd堆芯内最大热中子通量密度为1.0×1014n·cm-2·s-1，反射层内最大热中子通量密度为5.0×1013n·cm-2·s-1［37−38］。
以色列Soreq反应堆研究中心后续对IRR-1反应堆低浓化进行了深入研究，在确保堆芯活性区布置不变情况下，选取了一系列富集度为20%不同密度的低浓缩铀燃料进行堆芯设计分析，由于IRR-1堆燃料芯块厚度为0.51 mm，对高密度UAlx-Al的生产提出较大挑战，最终选用富集度为20%、密度为2.3gU·cm-3的UAlx-Al弥散平板燃料，低浓化后堆芯内部最大快中子通量密度不变，最大热中子通量密度缩小3%。堆芯内最大热中子通量密度为9.7×1013n·cm-2·s-1，IRR-1反应堆具备8个水平孔道，主要应用领域包括核工程、中子射线照相和中子衍射、活化分析以及半宝石和宝石的变色等方面的研究和培训［39］。
1.1.3铀硅弥散体燃料
U3Si2-Al弥散燃料目前在全世界不同的研究堆中使用，它们的热功率范围从0.7~135 MW不等，证明了这种燃料可以承受反应堆中的各种严酷条件。世界上现在运行的总共260多个研究堆中，绝大多数的低功率密度堆都相继应用这种铀硅燃料实现了低浓化，如巴西的IEA-R1（IPEN-Reactor1）、阿根廷的RA-6（Reactor Argentino-6）、智 利 的RECH-1（Reactor Energy CCHEN-1）、约旦的JRTR（Jordan Research and Training Reactor）、荷兰的HOR（Hoger Onderwijs Reactor）、巴基斯坦的PARR-1（Pakistan Atomic research Reactor-1）、秘鲁的RP-10（Reactor Peru-10）、美 国 的RINSC（Rhode Island Nuclear Science Center）、美 国 的UMLRR（University of Massachusetts Lowell Research）。
IEA-R1是一个热功率为5 MW的开放池式研究堆，堆芯结构如图5所示，1957年临界，最初使用富集度为93%的U-Al燃料，为开展RERTR项目，在20世纪80年代初期开始进行堆的低浓化工作，1997年实现热功率5 MW的全堆芯LEU运行，低浓化IEA-R1反应堆采用密度为3.0gU∙cm−3富集度为19.9%的U3Si2-Al燃料，每个标准燃料组件包含18块燃料板，标准燃料组件结构框架如图6所示［40］，轻水做慢化剂和冷却剂，堆芯由30个MTR型燃料组件和石墨反射层组成，堆芯燃料组件、反射层（石墨）和辐照组件组装在一个8×10的栅格板中［41−42］。
IEA-R1反应堆包含144个辐照位置、2个短期气动辐照位置、1个大样本辐照位置和直达放射性药物中心的气动传输系统。堆芯引出10个水平束流孔道提供中子束（8个径向孔道、2个切向孔道），
用于核物理实验。中央孔道最大热中子通量密度为1.15×1014n·cm-2·s-1最大快中子通量密度为1.3×1014n·cm-2·s-1。外围反射层孔道最大热中子通量密度为5.5×1012n·cm-2·s-1，最大快中子通量密度为4.0×1011n·cm-2·s-1，水平孔道最大中子通量密度为7.0×108n·cm-2·s-1［44］。
IEA-R1反应堆主要用于热中子和超热中子活化分析NAA（Neutron Activation Analysis）、高分辨中子衍射、中子照相、地球年代学、核数据测量、仪器开发和硼中子俘获治疗（Boron Neutron Capture Therapy，BNCT）研究。在同位素生产方面可用于生产用于医疗用途的131I、153Sm和192Ir、生产用于工业用途的40Ar、79Kr、82Br和203Hg、用于半导体制造的中子嬗变掺杂和校准标准源与参考材料的生产。未来IEA-R1反应堆将会进行数字控制台和铍中子孔道辐照装置的安装、研究和开发利用中子俘获生产99mTc和用于生产气态放射性同位素的辐照系统［45］。
1.1.4铀钼燃料
U3Si2-Al和U3Si-Al在理论上密度最高可达5.0gU·cm-3和6.5gU·cm-3左右，目前密度最高为4.3~4.8gU·cm-3。由于小型研究堆一般维持在热功率1~10 MW温度约110 °C条件下，铀硅弥散型燃料能够表现出良好的辐照性能，是一种良好的燃料。但以铝为基体的铀硅燃料无法满足高性能高功率研究堆对燃料抗辐照性能的要求，同时硅的导热能力远落后于其他金属材料且铀硅燃料中硅的后处理也比较困难［46］。
20世纪90年代末期，各国开始进行U-Mo燃料的研究，目前U-Mo燃料的研制主要分为弥散型和合金单片型两种，其中弥散型U-Mo燃料可借鉴目前技术成熟的U3Si2燃料制造工艺，但弥散燃料容易出现肿胀及燃料与基体化学反应等问题，同时其无法解决所有高性能研究堆的低浓化。单片型U-Mo燃料可满足今后相当长时期内任何高性能研究堆的性能要求，但是成型燃料板产出率较低，并且成本高，是限制U-Mo燃料尚未得到大量应用的重要原因。随着目前U-Mo燃料技术的日趋成熟，近几年美国、韩国、俄罗斯和欧洲等国已完成对应用于中等通量研究堆U-Mo燃料的辐照考验，且韩国和美国正分别进行弥散型和合金单片型U-Mo燃料的研究堆建设（MURR和KJRR）。
铀钼合金燃料铀密度和热导率远高于传统研究堆使用的二氧化铀和硅化铀燃料，使用低浓度铀钼燃料即可在研究堆上实现高通量，铀钼合金具有良好的辐照性能，理论最高密度可达16.0gU·cm-3，同时在乏燃料后处理方面，铀钼合金燃料应用熔化并添加铝稀释的后处理方法更加成熟且简单易行。目前铀钼合金燃料主要分为UMo-Al弥散型与U-Mo合金单片型两种形式，UMo-Al弥散型燃料一般制成板状或棒状，其密度有望达到8.0~9.0gU·cm-3，具有ZrN涂层的U7Mo-Al弥散型燃料最有望应用于实践。目前韩国的弥散燃料采用铝硅基体，最大铀密度为8gU·cm-3，俄罗斯的弥散燃料采用铝基体，最大铀密度为5.4gU·cm-3，法国U-Mo合金燃料最高密度可达9.0gU·cm-3［46−47］。
MURR（Missouri University Research Reactor）为紧凑型堆芯设计轻水罐式反应堆，于1966年临界，1974年热功率由5 MW提升到10 MW。MURR反应堆燃料组件如图7所示，每个燃料组件内部含有24个弯曲板，弧度为45°，燃料为富集度93%密度1.43gU·cm-3的铀铝化物（大多数为UAl3）。轻水做慢化剂和冷却剂，反应堆由4个硼控制棒和一个不锈钢调节板进行反应性控制，并配有铍和石墨作为反射层。MURR堆芯由8个相同物理尺寸的固定几何形状的燃料组件组成。燃料组件围绕两个圆柱形铝制反应堆压力容器之间的环形空间垂直放置。MURR堆芯的横截面图如图8所示。MURR堆芯包含19个垂直孔道，其中堆芯内部包含3个，反射层内包含16个，孔道中最大未扰热中子通量密度为6.0×1014n·cm-2·s-1，最 大 快 中 子 通 量 密 度 为1.0×1014 n·cm-2·s-1，包含6个水平孔道，其中最大中子通量密度为1.2×1014n·cm-2·s-1［48−49］。
MURR反应堆于2006年开始进行堆芯低浓化,并于2009年完成低浓缩铀转化可行性验证。低浓化MURR采用密度为15.3gU·cm-3的U-10Mo燃料，功率从10 MW提升到12 MW，MURR低浓缩铀燃料组件形状保持不变，但燃料板数量降为23块，每个燃料板长64.77 cm，燃料长度为60.96 cm。燃料采用锆为中间层，Al-6061为包壳，每个燃料组件平均燃耗为180 MWd，目前已完成了初步燃料元件设计、实验性能计算和稳态和瞬态/事故条件下的安全分析［48，50］。
低浓缩铀燃料元件仍使用硼作为控制体材料。低浓化后，堆芯内部辐照孔道、跑兔装置、单晶硅辐照孔道和水平束流出口处的中子通量水平，在堆芯中心平面以上，平均降低34%，在堆芯中心平面以下，中子通量水平得到提高，总体堆芯中子通量水平相较原高浓缩铀堆芯小幅增大［48，50］。
MURR反应堆截面如图9所示，有中心辐照孔道、气动管系统、石墨反射层区域辐照孔道、大容量水池、6个水平束流端口和热柱。前4个设施提供了用于在反应堆堆芯组件的不同区域中放置样品载体的位置，以用于硅的嬗变掺杂、放射性药物开发、其他生命科学研究和同位素生产以及中子活化分析。6个射束端口将中子束流从反应堆堆芯引入实验设备，主要用于中子散射实验和硼中子捕获治疗，MURR同时可开展考古学、人类学和地质学方面的科研项目［51−52］。
1.2UZrH燃料类型
TRIGA反应堆是一种可以不安装严密安全保护层的小型池式反应堆，一般用于教学训练、科学研究和同位素生产。TRIGA反应堆使用UZrH核燃料，这种燃料的核反应速率随温度上升而下降，因此TRIGA反应堆非常安全，基本不存在发生核事故的可能。最初的TRIGA反应堆使用高浓度的铀燃料，随着RERTR项目的推进，TRIGA反应堆逐渐转向使用低浓度的铀燃料。
低浓UZrH燃料元件由铀、锆、氢和铒的混合物组成，235U的标称富集度为20%。氢化锆提供中子慢化效果，并且还使燃料具有大的负温度系数。铒是一种可燃毒物，用于抵消由于初始燃料装载时燃料中含有大量铀而产生的大量过量反应性。由于大的超热共振，铒还增加了瞬时负温度系数，使得反应堆安全性系数更高。图10为燃料元件的设计图。TRIGA燃料组件有两个石墨轴向中子反射层，一个锆棒在燃料混合物的中间，一个钼盘为燃料混合物提供支撑，304不锈钢作为燃料包层［53］
MA−R1（Morocco Nuclear Research Reactor）为热功率2 MW的TRIGA MARKΙΙ型反应堆，水和ZrH作为慢化剂，轻水冷却，石墨和水作为反射层，使用密度为5.90gU·cm-3富集度为19.75%的固体均质燃料UZrH1.6，B4C控制棒控制堆芯反应性，堆芯结构如图11所示。MA-R1反应堆堆芯内活性区垂直孔道有4个，反射层垂直孔道有1个，主要用于医用同位素的生产，其中，最大热中子通量密度为4.4×1013n·cm-2·s-1，最 大 快 中 子 通 量 密 度 为1.8×1013n·cm-2·s-1。具有5个水平孔道（3个径向、2个切向），最大中子通量密度为1.2×1013n·cm-2·s-1，水平孔道主要用于中子散射和中子照相，同时在反应堆堆芯外设置有一个热柱［54−55］
MA-R1反应堆配备了各种可提供较高中子通量水平的辐照设施，用以实施基础核研究、培训和生产放射性同位素。MA-R1反应堆配备有用于短寿命放射性核素中子活化分析的气动传输设施、堆芯高通量区域内的三个辐照孔道用于放射性同位素生产；位于石墨反射层内部的活性区边缘旋转样品架，用于更长时间的样品辐照（数小时），在堆芯活性区外设置石墨构成的热柱，用于进行热中子活化分析，四个从堆芯穿过储罐的水平束流孔道用于131I的生产［56］。
1.3燃料类型总结
根据国内外小型池式研究堆所用燃料类型的特点进行总结，各种燃料的优缺点和用途如表2所示，20世纪60年代开始研发的U3O8-Al和UAlx-Al弥散体板状燃料由于铀密度相对较低，针对未来低功率密度的小型研究堆相较U3Si2-Al燃料无明显优势，且U3O8-Al和UAlx-Al弥散体板状燃料燃耗较低，不适用于高性能研究堆。基于铀硅燃料发展和使用相对成熟的现实，所以未来在低功率密度小型研究堆（1~10 MW）上U3Si2-Al仍将扮演一段时期的重要角色。针对功率密度大的高性能研究堆，为保证高燃耗，长循环周期和优良导热性能，U-Mo燃料将会是未来发展的重点，如美国将利用U-Mo合金单片燃料实现MURR的12 MW低浓化改造，韩国正建造15 MW的KJRR反应堆并采用弥散型U-Mo燃料，俄罗斯和欧洲正进行针对中高等通量研究堆的U-Mo燃料辐照考验。
2小型池式研究堆结构设计现状
2.1堆芯结构设计
随着中子散射实验技术在能源、材料、信息、生命等学科中发挥越来越重要的作用，为扩大研究堆活性区外部中子束流应用场景，全球各类研究堆开始逐步使用高密度的低浓缩铀做燃料，同时为避免造成对研究堆性能的降低，堆芯往往采用紧凑设计，紧凑堆芯反中子阱型池式研究堆得到了世界上很多国家的青睐。紧凑型堆芯是指在给定的反应堆功率下，通过减少燃料组件数目或减小栅距，从而尽可能缩小堆芯体积，提高裂变密度，以获得高的快中子通量密度［57］。
目前国际上小型池式研究堆一般采用紧凑型堆芯设计用以提高最大中子通量密度同时实现堆芯中子通量分区，使用高密度低富集度燃料，轻水做慢化剂和冷却剂。一般采用石墨、铍或氧化铍等固体反射层实现堆芯的自由移动，并于堆水池区域布置水平孔道、垂直孔道等辐照装置，充分体现小型池式反应堆作为一个多用途强中子源的特性。
紧凑型堆芯设计研究堆的品质因子较高（品质因子：研究堆最大热中子通量密度与堆热功率之比［58］，如表3所示，同样富集度同种燃料下小型紧凑型泳池式研究堆品质因子更高，且其中子通量也可满足大量中子源应用场景），可形成较大体积的高中子通量区域，在堆芯内部获得极高的快中子谱纯度，在堆芯反射层区域获得极高的热中子谱纯度，同时可根据堆生产需求，在堆芯满足安全条件下，将堆芯内部快中子辐照孔道改造成热中子辐照孔道，用以进行同位素生产等，实现研究堆的多用途性。紧凑型堆芯在外部反射层区域提供高通量密度的热中子，可进行中子散射实验、中子活化分析、同位素生产和BNCT等热中子超热中子应用活动。
紧凑型堆芯设计仍有一定缺陷：1）紧凑型堆芯设计对堆的体积提出较高要求，紧凑型研究堆堆芯一般体积较小，堆芯内部燃料质量较少，栅距较小，堆芯剩余反应性较低，研究堆循环周期较小，后续需进行燃料分区换料等提高燃料卸载燃耗，降低堆运行成本；2）紧凑型堆芯栅距较小，堆芯热流密度高，对燃料和冷却剂的传热性能提出挑战，较难实现堆的大功率运行，同时由于栅距较小，内部控制棒的形式和排布也受到限制，跟随体组件控制棒形式微分价值较大，组件内控制棒形式则会造成堆功率峰因子较大，上述均对堆的安全运行产生一定影响；3）紧凑型堆芯设计需要设置高性能反射层用以减少堆芯中子泄漏，反射层反射回来的热中子会在活性区边界形成高通量峰，即在活性区外围反射层内部形成高的热中子通量，同时低浓缩铀在反射层区域γ发热量大，且II类池式研究堆一般采用石墨或铍做反射层，则对固体反射层的高温抗辐照性能提出较高要求。
2.2燃料元件结构设计
紧凑型堆芯由于燃料裂变密度高，燃料元件的最大热负荷和抗辐照性能成为堆芯设计的主要限制因素，通过燃料元件的结构设计增加元件与冷却剂换热面积，可平衡堆芯功率分布，避免紧凑型堆芯功率峰因子过高，有效提高堆芯换热能力。
自RERTR项目实施以来，为不显著降低研究堆性能，紧凑反中子阱型堆芯设计方案开始被逐步采用，同时为提高反应堆单位体积燃料的密度和质量，并保证高的燃料元件表面积体积比，一系列平板状、曲板状、渐开线板状和环状形式的燃料元件随之出现，如图12~15所示。1）在同种燃料富集度和同种结构材料情况下，渐开线板状和曲板状燃料组件相较平板状燃料组件单位质量235U所需的结构材料质量和体积均更小，则以渐开线板状和曲板状燃料组件为基础设计的反应堆堆芯更加紧凑，可以保证在堆芯内部获得更高的快中子通量密度、在活性区外获得更高的热中子通量密度。2）在燃料元件换热面积方面，渐开线型组件可实现组件内外双向换热，换热面积更大，同时渐开线板状组件燃料板间形成等宽流道，流动稳定性较好，临界流速很高，单位体积换热效率更高，可有效增大反应堆运行热功率，实现堆大功率水平运行，从而提高研究堆性能水平。3）但是在堆芯辐照孔道布置方面，一个渐开线燃料组件便形成一个堆芯，堆芯内部不能布置垂直辐照孔道。曲板状燃料组件内部孔道布置主要集中于曲板组件所形成的堆芯内部圆柱状区域，堆内垂直孔道布置尺寸和数目受限于曲板燃料组件的尺寸无法同时进行大尺寸和多数目的孔道布置。平板燃料组件，结构比较灵活，可在堆芯布置大量实验孔道，同时平板型燃料组件支持堆芯内部设置中子束流阱，可满足大量的辐照应用场景。4）在燃料卸载燃耗方面，渐开线燃料组件实施整体换料，出堆平均燃料较浅，曲板状燃料组件可实施分批次换料，小幅提高燃料出堆燃耗，平板状燃料组件相较前两者尺寸小，可实现分区分批次换料，燃料出堆燃耗高，改善燃料利用的经济性，降低堆运行成本，同时平板状燃料组件在生产制造方面也具有一定优势［61］。环形燃料元件具有两个冷却表面，传热面积−体积比较大，芯块导热路径减小，能大幅降低燃料峰值温度，可在保持充分安全裕度的条件下，有效提升反应堆功率密度，提升研究堆经济性，但环形燃料元件研发也面对如内外通道的流量和热量的匹配、内管的焊接和检测以及两个通道引起的特殊安全问题等。目前II类池式研究堆还未有堆型采用环形燃料元件［62］。
综上对于需要进行高通量中子束流应用的研究堆，采用渐开线型组件较优。而从堆本身运行成本、经济性和多用途应用方面考虑，则平板型燃料组件的优势更加明显，曲板状燃料组件形式则居中。
2.3结构类型总结
根据国内外进行低浓化项目后建设的研究堆堆芯结构和燃料结构进行总结，堆芯总体结构和燃料元件结构的优缺点如表4所示。建设足够的辐照装置并充分利用研究堆内有限的中子从而拓展研究堆的应用场景将是未来研究堆的主要发展方向，采用反中子阱型设计的堆芯结构，堆内外中子通量密度高，且能够实现堆内中子能量分区，相较传统的中子阱型堆芯结构，能够极大程度提高研究堆的运行价值，采用上述新型高密度燃料如U3Si2-Al和U-Mo，也可保证堆芯具备足量剩余反应性，提高燃料卸载燃耗，降低研究堆自身运行成本。在燃料元件结构上，针对未来建设的低功率密度小型研究堆，采用板状燃料元件可以充分提高堆进行各类辐照实验的灵活度和辐照效率，有利于发挥小型研究堆开展低温辐照和低成本运行的优势，实现国内研究堆功率的高、中、低搭配。针对大功率高性能研究堆，具备传热性能好的燃料元件结构将是高功率密度研究堆的首选，环形燃料元件相较其他元件结构，其传热性能最佳，尽管目前环形燃料元件的研发仍面临各种安全问题，但未来搭配U-Mo燃料将是实现高性能研究堆建设的重要选项。
3小型池式研究堆展
望随着全球研究堆在建数量放缓和众多高龄研究堆的退役，目前已有研究堆无法满足用于对高效能中子源的需求。建设大功率高通量研究堆耗资大、运行成本高、建设时间长，无法快速满足各类中子源应用场景，而小型开放池式研究堆建设周期短、目前采用铀硅燃料进行5 MW紧凑型堆芯设计，可以实现堆芯最大快中子通量和最大热中子通量水平均大于1.0×1014n·cm-2·s-1，足以满足包括同位素生产、中子活化分析、中子散射等众多中子源应用目的，相较于大功率研究堆，小型紧凑池式研究堆堆芯功率小、运行成本低、结构简单灵活、运行维护方便，整个堆芯放在水池底部，堆芯可始终保持淹没，安全性较好。未来小型池式研究堆及其应用系统的发展方向应是在具备足够的中子通量水平基础上提高综合多用性。
1）研究堆性能：燃料类型、堆芯结构（燃料元件结构）对未来小型池式研究堆的性能起决定性作用，在燃料类型上，采用高密度铀钼合金可保证堆内足够的剩余反应性，大幅提高堆内中子通量密度、延长堆循环周期，足以满足今后至少半个世纪内任何高性能堆的设计要求，同时高密度铀钼合金在燃料后处理方面优势明显；在堆芯结构上，采用紧凑型堆芯可提高最大中子通量密度，同时实现堆芯中子通量分区并形成较大体积的高中子通量区域；在燃料元件结构上，环形、渐开线和板状结构均具有较大的表面积/体积比，可有效增强堆芯换热能力，提高堆自身安全性，同时可根据研究堆应用目标选取合适元件结构，以提高研究堆综合应用能力。
2）研究堆应用能力：对近十年来研究堆的应用场景和堆指标要求进行了汇总，如表5所示。未来小型池式研究堆堆芯内垂直孔道用于放射性同位素生产和材料考验，堆水池内垂直孔道主要用于单晶硅 掺 杂NTD（Neutron Transmutation Doping of Silicon），水平孔道用于进行中子活化分析、中子照相和中子散射等。小型池式堆堆芯紧凑，尺寸小，内部孔道数目有限，为提高研究堆整体应用场景，设置大型堆水池及其内部中子应用装置，堆芯采用固体反射层，堆芯整体可移动，根据堆当前主要辐照目标改变堆芯位置，可灵活同时进行各项中子应用活动，提高堆经济性和应用能力。
4结语
未来新型研究堆将朝着提高堆的性能，扩大堆的使用范围与功能，提高堆经济性的方向发展，新型研究堆的方案设计必须满足综合多用性和足够的中子通量水平，同时兼顾安全性。通过堆芯结构设计、燃料元件结构设计和研发新型高密度低浓缩铀燃料是未来提高新型研究堆性能的必由之路。结合数十年来国际上池式研究堆发展历史，未来我国小型池式研究堆设计应着重于结构设计和新型燃料研发两个方面。
1）在结构上：通过紧凑型堆芯设计实现池式研究堆的堆芯小型化，通过固体反射层实现池式研究堆的堆芯自由移动，通过池式研究堆的大水池设置众多辐照设施，上述三者结合，可以极大程度拓展未来小型池式研究堆的应用场景，提高反应堆内中子的整体利用效率，实现未来小型池式研究堆，以小堆芯为基础，以大水池内重要应用设施为主体的发展方向。
2）在燃料上：开发高密度铀钼合金燃料，可以满足未来中子通量1.0×1015n·cm-2·s-1量级的高性能研究堆的燃料要求，应用平板状、环状、十字螺旋等燃料元件结构可有效增强堆芯换热能力，实现大功率高通量研究堆的设计目标。应用板状和环状等结构的铀钼合金燃料元件不仅可应用于堆低浓化项目，也是近年来世界上以U3Si2-Al为燃料的原有的与新建的研究堆提高性能到原设计或更高要求的需要，更是一切研究堆改用统一类型和易于后处理燃料的需要。
未来小型池式研究堆的发展仍将以提高堆的性能为基础，以拓展堆的使用范围和功能、减少堆运行成本、加强堆安全运行程度为主要目的，充分提高我国核领域研究堆设计和中子源应用的整体实力。
