在能源需求日益增长，环境问题愈发严峻的当下，HN作为一种极具潜力的能源，正受到越来越多的关注。其中，一体化微型核动力反应堆更是HN领域的一颗新星，它有着独特的魅力，不过在发展过程中也面临着诸多挑战。

一、微型核动力反应堆：能源领域的新星

（一）HN的神奇奥秘：链式裂变反应

核动力的核心原理是链式裂变反应，就像一场奇妙的微观“多米诺骨牌” 游戏。当入射中子撞击U-235等易裂变核素时，这些原子核会发生裂变，释放出巨大的能量，同时还会产生2-3个新的中子。这些新生的中子又会继续撞击其他易裂变核，使得反应像接力赛一样持续进行下去，这就是构成链式裂变反应的过程。核动力反应堆则是维持这种可控自持链式裂变反应的关键装置，它和不可控的原子弹链式裂变反应有着本质区别。

链式裂变反应

（二）核动力的独特魅力：极高能量密度

HN与风能、太阳能、火电等能源相比，有着独特的优势。它在减缓碳排放方面表现出色，并且具有能量密度高、供应稳定的特点。想象一下，1 千克的核燃料释放的能量竟然相当于 2700 吨标煤，这是多么惊人的能量转换！

（三）微型动力堆：特殊需求的理想之选

随着科技的发展，一些特殊地区，如深空、深海、边远地区、海岛以及临时场所，对能源的需求日益增长，并且对能源的便携性、高效性提出了更高的要求。在这些地方，传统能源往往难以满足需求，而微型动力堆凭借其能量高、体积小、重量轻的特点，成为了满足这些特殊地区能源需求的理想选择。

根据提供的电功率水平以及应用场景，核动力反应堆大致可分为微型反应堆、小型模块化反应堆以及大型核动力反应堆。微型动力堆的应用场景十分广泛，例如空间推进、星表电源、医用同位素生产、军事基地供电、救灾、矿业供电等。

核反应堆电功率水平及应用场景

（四）一体化车载微型动力堆：创新设计亮点多

这里重点介绍NECP实验室设计的一种一体化车载微型动力堆。它的电功率水平为1MW，能够满功率运行5-7年，堆芯及系统可以放置在国际标准运输集装箱内，重量不超过75吨，具备良好的机动性。

一体化车载微型动力堆

它在设计上有许多创新之处。首先，使用不易被活化的氦氙混合气体进行冷却，这不仅增强了反应堆的安全性，还采用布雷顿-有机朗肯联合循环，实现了能量的梯级利用，大大提高了经济性。理论循环效率可达40%-50%，这意味着能更高效地将HN转化为可用的电能。

一体化车载微型动力堆系统循环（箭头颜色越红温度越高）

其次，该动力堆采用了多套停堆机制。在正常工况下，由控制转鼓控制核反应堆；而在控制转鼓卡轴等事故工况下，控制板会落下停堆，或者借助氢化钇失氢停堆，这些设计有效提高了反应堆的安全性，确保在各种情况下都能及时停止反应，避免危险发生。

反应堆转鼓控制反应性控制

事故工况下控制板落下停堆

再者，堆芯使用事故容错型（ATF）燃料，这种燃料就像一个坚固的 “盾牌”，能够有效包容放射性裂变产物，防止其外泄，同时还能防止核扩散，进一步提高了堆芯的安全性。

事故容错型燃料

二、轻量化的荆棘之路：屏蔽问题及挑战

（一）屏蔽：保障安全的关键防线

在核反应堆中，屏蔽是保障人员和环境安全的重要环节，同时也对反应堆的重量和体积有着重大影响。核反应堆主要由活性区和屏蔽区组成。活性区就像一个能量“发动机”，负责产生裂变能量，但同时会释放出能谱复杂的中子、光子等多种粒子射线。而屏蔽区的作用就是像一个坚固的 “盾牌”，阻止这些粒子射线泄漏，保护周围环境和人员的安全。

屏蔽层的作用

（二）现有屏蔽设计的困境：体积大、重量大

对于移动式微型动力堆来说，满足小型化、轻量化、灵活化的要求至关重要。然而，目前的屏蔽区设计却成为了实现这些目标的“绊脚石”。现有屏蔽区体积庞大、重量惊人，与满足移动式微型动力堆的要求相差甚远。通常情况下，屏蔽系统体积是堆芯活性区的10-50倍，重量是10-30倍，这使得整个反应堆的机动性和便携性大打折扣。

活性区与屏蔽区体积、重量对比

（三）屏蔽优化的重重挑战

1.中光子场计算难题：屏蔽问题是一个典型的三维、跨尺度问题，需要求解复杂的三维中子-光子耦合输运方程。这个方程就像一个复杂的迷宫，自变量众多，能群之间、中子与光子相互耦合，计算过程极其复杂。而且微型动力堆能谱变硬后，传统针对大堆计算方程相关参数的方法不再适用，计算过程中近似较多，导致误差较大，计算效率也很低。例如，对一些屏蔽深穿透区域的计算误差高达24%-100%，这给屏蔽设计带来了很大的不确定性。

2.多目标优化模型困境：屏蔽层优化涉及到中子剂量、光子剂量、材料组成、尺寸、结构等众多因素，是一个典型的非线性组合NP 优化问题。但目前现有的优化方法通常采用简化的线性优化模型，代理模型也大多将三维简化成一维的输运计算模型或者简单回归模型，这就导致屏蔽设计过于保守，很难实现更轻更小的设计目标。

3.屏蔽层材料设计与加工制造困境：微型动力堆运行环境恶劣，对屏蔽材料提出了极高的要求。材料不仅要重量轻、耐热耐辐照、力学性能好、经济实惠、易加工可替换，还要具备良好的屏蔽性能且无毒无味。然而，目前的材料很难满足这些苛刻的要求。传统屏蔽光子的材料，如混凝土、铅、铁等，质量重、有生理毒性且难以加工；常用的屏蔽中子的高分子聚合物复合材料，如聚乙烯，熔点低、强度弱，还需要额外设置热屏蔽层。而且，传统加工工艺难以实现一体化制造，不同材料的连接固定困难，在高温高辐照环境下还容易出现缝隙，导致射线“漏束”，威胁屏蔽安全。此外，移动式小型反应堆的应用场景对屏蔽层的结构和屏蔽要求特殊，需要异形结构和非均匀性的屏蔽层，这进一步增加了材料设计与加工制造的难度。

传统屏蔽材料（铅）

屏蔽材料简单堆叠造成“漏束”

三、突破困境的努力：创新屏蔽设计方案

（一）多学科交叉的研究思路

面对上述挑战，研究团队提出了多学科交叉的研究思路，从多个角度入手解决屏蔽问题。主要包括屏蔽层的中子-光子场高精度计算方法研究、构建屏蔽层优化设计模型及应用研究、屏蔽层材料设计与增材制造（3D 打印）工艺研究。

研究思路

（二）优化代理模型：深度学习助力精准计算

基于大规模深穿透屏蔽区中子-光子场三维高精度计算方法和软件，研究团队采用深度神经网络，通过海量训练，构建出代理模型。这个模型就像一个 “智慧大脑”，能够在毫秒级的时间内快速获得指定关注区域的辐照剂量，满足了海量方案评价的需求，大大提高了设计效率和精准度。

代理模型示意图

（三）屏蔽优化算法：寻找最优屏蔽方案

采用非支配多目标遗传优化算法，结合深度神经网络计算代理模型。在这个过程中，通过初始种群的设定、非支配排序、适应度计算等一系列步骤，不断优化方案。精英保留策略确保了选择的优化解在目标空间分布更均匀，提升了种群的多样性和全面性，从而找到更优的屏蔽设计方案。

非支配多目标遗传优化算法流程图

（四）屏蔽性能分析：探寻最佳材料组合

研究团队对不同材料的屏蔽性能进行了深入分析。以PEEK 基材为例，添加碳化硼 B₄C、钨 W、氧化铋 Bi₂O₃、氮化硼BN 等不同材料，研究其对中子和光子剂量率的影响。结果发现，PEEK 基材添加 B₄C 时，在满足工艺要求的前提下，添加份额越高越好；添加钨时，份额在20%-30%左右比较合适；添加Bi₂O₃和BN主要用于屏蔽光子，添加份额建议在20%-30%。这些研究结果为屏蔽材料的选择和优化提供了重要依据。

屏蔽层最后网格中子剂量率（不同份额B4C）

屏蔽层最后网格光子剂量率（不同份额B4C）

（五）材料设计及制造工艺：3D打印带来新机遇

传统屏蔽材料存在诸多不足，而新型复合材料和3D打印技术能够解决这些问题。3D打印技术能够实现多材料、多功能一体化制造，能够突破传统加工手段的限制，实现屏蔽材料的精准设计。通过3D打印，可以根据屏蔽需求，精确控制材料的分布和结构，制造出更符合要求的屏蔽层。

3D打印示意图

多层级屏蔽复材构件

四、未来展望：微型核动力的无限可能

随着技术的不断进步，核动力装置有望进一步微型化，甚至应用在汽车、飞机、装甲车等交通工具上。到那时，一体化微型核动力反应堆将成为真正的万用核电源，为更多领域提供稳定、高效的能源支持，彻底改变我们的能源利用方式，开启能源领域的新篇章。

未来应用场景

本研究受到国家自然科学基金（NO.U2067209）资助。