Abstract There is a strong motivation to develop high-power output nuclear fission reactors (around 1 MWe) for space applications, such as high-payload missions and long-duration missions beyond Mars, where the reduced solar flux makes using alternative energy sources challenging. Many published gas-cooled reactor designs for space applications deliver outputs in the 100 kWe regime, with typical power densities of around 4 MW/m3. Here we present a gas-cooled reactor design – referred to as JANUS – employing He–Xe coolant and operating on a direct Brayton cycle, that can achieve a high-power output (around 0.8 MWe) and higher power density (24 MW/m3) than previously published designs. The core employs a coated particle fuel form with uranium nitride kernels in a graphite matrix and with a high packing fraction (45%). Starting from the CEA's published OPUS space reactor design, a variety of approaches were considered for achieving high-power densities in a gas-cooled reactor, including changing the core aspect ratio. Our JANUS design uses a decreased coolant channel diameter and fuel element pitch, whilst increasing the number of fuel elements and employing radial enrichment zoning. The design achieves a significant increase in power density whilst obeying core-life limits of 2000 Effective Full Power Days and a peak fuel operating temperature of 1900 K. The core has been modelled neutronically with the ERANOS and SERPENT codes, with a simple yet robust thermal dimensioning tool developed by us to study peak fuel temperatures, to ensure the fuel operates within its design limitations and to aid optimisation.

中文翻译：

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用于空间推进的气冷反应堆技术的挑战和 JANUS 空间反应堆概念的发展

摘要 开发用于空间应用的高功率输出核裂变反应堆（约 1 MWe）有着强烈的动机，例如高有效载荷任务和火星以外的长期任务，其中减少的太阳通量使得使用替代能源具有挑战性。许多已发表的空间应用气冷反应堆设计提供 100 kWe 范围的输出，典型功率密度约为 4 MW/m3。在这里，我们展示了一种气冷反应堆设计——称为 JANUS——采用 He-Xe 冷却剂并在直接布雷顿循环上运行，可以实现高功率输出（约 0.8 MWe）和更高的功率密度（24 MW/m3 ) 比以前发布的设计。核心采用涂层颗粒燃料形式，在石墨基体中具有氮化铀内核，并具有高填充率（45%）。从CEA开始' 在已发表的 OPUS 空间反应堆设计中，考虑了多种方法来在气冷反应堆中实现高功率密度，包括改变堆芯纵横比。我们的 JANUS 设计使用减小的冷却剂通道直径和燃料元件节距，同时增加燃料元件的数量并采用径向富集分区。该设计实现了功率密度的显着增加，同时遵守了 2000 有效全功率日的堆芯寿命限制和 1900 K 的峰值燃料工作温度。 堆芯已使用 ERANOS 和 SERPENT 代码进行中子建模，具有简单而强大的热我们开发的尺寸标注工具用于研究燃料峰值温度，以确保燃料在其设计限制范围内运行并帮助优化。为了在气冷反应堆中实现高功率密度，考虑了多种方法，包括改变堆芯纵横比。我们的 JANUS 设计使用减小的冷却剂通道直径和燃料元件节距，同时增加燃料元件的数量并采用径向富集分区。该设计实现了功率密度的显着增加，同时遵守了 2000 有效全功率日的堆芯寿命限制和 1900 K 的峰值燃料工作温度。 堆芯已使用 ERANOS 和 SERPENT 代码进行中子建模，具有简单而强大的热我们开发的尺寸标注工具用于研究燃料峰值温度，以确保燃料在其设计限制范围内运行并帮助优化。为了在气冷反应堆中实现高功率密度，考虑了多种方法，包括改变堆芯纵横比。我们的 JANUS 设计使用减小的冷却剂通道直径和燃料元件节距，同时增加燃料元件的数量并采用径向富集分区。该设计实现了功率密度的显着增加，同时遵守了 2000 有效全功率日的堆芯寿命限制和 1900 K 的峰值燃料工作温度。 堆芯已使用 ERANOS 和 SERPENT 代码进行中子建模，具有简单而强大的热我们开发的尺寸标注工具用于研究燃料峰值温度，以确保燃料在其设计限制范围内运行并帮助优化。我们的 JANUS 设计使用减小的冷却剂通道直径和燃料元件节距，同时增加燃料元件的数量并采用径向富集分区。该设计实现了功率密度的显着增加，同时遵守了 2000 有效全功率日的堆芯寿命限制和 1900 K 的峰值燃料工作温度。 堆芯已使用 ERANOS 和 SERPENT 代码进行中子建模，具有简单而强大的热我们开发的尺寸标注工具用于研究燃料峰值温度，以确保燃料在其设计限制范围内运行并帮助优化。我们的 JANUS 设计使用减小的冷却剂通道直径和燃料元件节距，同时增加燃料元件的数量并采用径向富集分区。该设计实现了功率密度的显着增加，同时遵守了 2000 有效全功率日的堆芯寿命限制和 1900 K 的峰值燃料工作温度。 堆芯已使用 ERANOS 和 SERPENT 代码进行中子建模，具有简单而强大的热我们开发的尺寸标注工具用于研究燃料峰值温度，以确保燃料在其设计限制范围内运行并帮助优化。