核动力航天器辐射屏蔽及辐射安全特性分析
摘要
航天事业的发展使其对能源长续航及环境适应性的要求逐渐提高，目前已趋于成
熟的供能手段不能同时满足大功率、长续航、环境依赖性低的空间任务能源需求，裂
变反应堆具有高能量密度、长寿期和不依赖外界环境等优点是当前能为航天器长时间
提供大功率水平能源的最可行途径。核能的空间应用必定带来辐射安全问题，堆芯产
生的中子和光子难以完全屏蔽且会对电子仪器造成短暂或永久的损伤，高能中子也会
损伤结构材料，而屏蔽体在反应堆系统中的质量占比通常较大，不利于核动力系统的
轻量化。因此为了探究航天器的辐射特性并获得相对轻质的屏蔽体方案，本文开展空
间堆屏蔽体结构优化设计研究，并从全场辐射特性以及辐射热效应等方面开展辐射屏
蔽体的辐射特性分析。
本文根据已有历史经验结合对空间核动力系统的分析获得1.18MW功率下的核
动力航天器尺寸、布局和系统参数，为屏蔽体优化分析提供了边界条件，为全场辐射
特性和安全分析提供源项信息与防护目标。针对核动力航天器的主要结构材料与屏蔽
材料开展材料辐射特性研究，掌握了单一材料和组合材料在空间堆布局下对中子与光
子的屏蔽特点，为屏蔽体优化提供理论基础，在此基础上提出了一种复合材料的设计
思路，验证了理论分析结果的准确性，确定了屏蔽体设计的基本思路。
基于核动力航天器辐射防护目标和系统布局，进行屏蔽体优化算法研究。以进化
算法耦合蒙特卡洛计算方法为基本思路，开展进化算法的评价与优化、辐射场求解模
型优化以及误差分析等工作，实现了对阴影式屏蔽体的智能优化与求解计算并最终得
到满足核动力航天器辐射防护指标的高效轻质屏蔽体方案。针对蒙特卡洛求解速度慢
的问题开展优化算法的计算加速研究，通过训练神经网络建立辐射计算的简化数学模
型，通过材料排序无关性的计算实现快速求解。
建立核动力航天器全辐射场计算模型，开展屏蔽体阴影区覆盖范围的影响机理分
析，获得了阴影区夹角、宽度与辐射场分布的主要影响因素，根据阴影区屏蔽特性分
析结果提出了屏蔽体倒角的优化指标与决策变量，使屏蔽体方案质量由1483kg降为
1214kg。最后，本文对屏蔽体的辐射热效应与辐射安全进行分析。掌握了屏蔽体能量
沉积的主要原因以及沉积能带来的热功率分布规律，得到了不同工况下屏蔽体及局部
屏蔽体由于辐射沉积能而导致的温度变化。
关键词：核动力航天器；阴影式屏蔽体；屏蔽体优化算法；辐射特性
核动力航天器辐射屏蔽及辐射安全特性分析
Abstract
Withthedevelopmentofthespaceindustry,itsrequirementsforlongenduranceenergy
andenvironmentaladaptabilityareincreased.Atpresent,thematureenergysupplymeans
can’tmeettheenergyneedsofspacemissionswithhighpower,longenduranceandlow
environmentaldependence.Therefore,fissionenergyisthemostfeasiblewaytoprovide
highpowerlevelenergyforspacecraftatpresentandintheshorttermoffuture.Thespace
applicationofnuclearenergywillinevitablybringradiationsafetyproblems.However,the
largemassoftheshieldingoftenaccountsfor50%ofthetotalmassofthereactorsystem,
whichisnotconducivetothelightweightofthenuclearpowersystem.Therefore,this