美國完成千瓦級空間堆測試

張 焰 伍浩松 王 樹

今年5月，美國國家航空航天局宣布已完成Kilopower千瓦級空間堆測試。此次測試于2017年11月—2018年3月在內華達國家安全試驗場區進行。

Kilopower千瓦級空間核反應堆的特性

Kilopower是一種千瓦級空間核反應堆，具有結構簡單，造價低，并使用成熟技術等特點，可作為深空探索的動力系統和外星前哨站的能源供應系統。

與傳統核反應堆一樣，Kilopower使用鈾-235裂變產生的能量。與以水為冷卻劑并使用二氧化鈾燃料的傳統反應堆不同的是，Kilopower使用鈉熱管以非能動方式將熱量從堆芯傳導至斯特林發電機，并以鈾鉬合金為燃料。

Kilopower使用鈾鉬合金堆芯，堆芯外圍是氧化鈹反射層，功率為1～10千瓦，可連續運行10年不用換料。通過從反應堆一端插拔碳化硼單棒來控制其啟動和停堆。氧化鈹反射層可將中子彈回堆芯，提高自調節裂變反應的效率。緊密圍繞堆芯的熱管將堆芯熱量傳遞至斯特林發電機，將熱能轉換為電能。設置了一個傘狀冷卻陣列，排出過剩的熱量。

Kilopower采用模塊化設計，將自持式反應堆裝置與斯特林發電機組合在一起，為深空探測器或火星等外星前哨站提供能源。4座Kilopower反應堆即可滿足火星前哨站的電力需求。

Kilopower千瓦級空間核反應堆的研發測試

Kilopower研發項目由美國航空航天局和能源部于2015財年啟動，目標是驗證空間堆各子系統的技術準備水平。

該項目包括三項研究內容：第一是Kilopower原型堆測試，包括研制和測試800瓦原型堆。第二是火星Kilopower系統的概念設計，包括根據800瓦原型堆設計能夠滿足火星前哨站能源需求的3～10千瓦動力系統。第三是Kilopower鈦-水熱管散熱器原型的設計和開發，為未來在國際空間站進行飛行實驗做準備。

項目的核心是第一項研究。一座800瓦的Kilopower原型堆使用4對斯特林發電機，每對電輸出功率為200瓦。實際上，一對全規模斯特林發電機即可實現全部技術目標。原型堆主要設備包括Kilopower堆芯、熱管、發電機和散熱器。

在第一項研究中，能源部洛斯·阿拉莫斯國家實驗室負責原型堆設計，Y-12國家安全綜合體負責堆芯制造。航空航天局格倫研究中心負責設計和制造Kilopower傳熱、發電和散熱系統，并對這些系統進行電熱測試，馬歇爾航天中心負責研制用于非核測試的電熱反應堆模擬器以及供核測試使用的屏蔽層。原型堆的總裝和測試工作在內華達國家安全試驗場區進行。

Kilopower原型堆測試工作于2017年11月—2018年3月在內華達國家安全試驗場區開展，目的是驗證這種反應堆的技術可行性以及在異常工況下的安全性。

此次測試共分四個階段：前兩個階段在堆芯不臨界的情況下進行，目的是確認各系統均如預期的一樣運行；在第三階段，逐級提升原型堆運行功率，即從啟動逐級達到滿功率；第四階段持續了28小時，對原型堆正常運行期間的各種運行工況進行了模擬，包括啟動、逐級提升至滿功率、穩態運行和停堆。

2018年5月2日，航空航天局宣布，Kilopower原型堆成功通過了一系列初步測試。在測試過程中，研究團隊模擬了功率降低、發電機故障和熱管故障等各種工況。結果表明，該原型堆能夠持續運行并成功應對多種故障工況。此次測試證明原型堆的工作方式與設計人員預期的一致：無論在什么工況下，原型堆都表現良好。該反應堆的設計、制造和測試費用總計不超過2000萬美元。

Kilopower千瓦級空間核反應堆的發展應用

Kilopower的容量未來有望擴至10～100千瓦，甚至兆瓦。未來，宇航員只需在月球或火星表面安裝幾臺這樣的裝置，就可保障前哨站在10年甚至更長時間的能源供應。

對于到火星乃至更遠的深空探索，空間裂變堆是一種理想甚至可能是目前唯一可行的千瓦級動力來源。在遠離太陽的深空中，太陽能電池板將不能正常工作；如果使用化學能系統，則需要攜帶大量燃料，不具可行性；利用钚-238衰變熱發電的放射性同位素系統雖已在美國空間探索任務中得到應用，但這一系統的功率均低于300瓦，而火星前哨站需要40～50千瓦的電力供應。

未來的深空探索，需要使用千瓦級空間堆，為推進器提供動力或者為外星前哨站提供充足能源。

1965年4月3日，美國成功把500瓦的SNAP-10A空間堆送入太空。這是美國首座也是唯一一座被送往太空作業的空間堆，但該堆僅運行43天，就因設備故障而廢棄。

在1970—2010年期間，美國曾多次開展空間堆研究，但均未取得實質性成果。

2012年，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室在內華達“Flattop”裝置上進行空間堆技術方案驗證測試。在此次測試中，使用了高濃鈾堆芯、1根熱管（位于堆芯中心孔）和2臺斯特林發電機的設備配置，最終產生24瓦功率，證明了這一技術方案的可行性。此次測試為期不到6個月，投資不到100萬美元。

2015年啟動Kilopower項目，在三年內完成原型堆的設計、建造和測試，總投資不到2000萬美元。

成功測試Kilopower只是朝著利用空間裂變動力邁出的第一步，從目前看，該技術在很大程度上仍是概念性的，將其實際應用于航天系統還有相當長的路要走。

美國航空航天局希望以Kilopower為基礎研制出飛得更快、更遠的空間推進系統，并對利用Kilopower為月球等外星軌道和表面設施供電尤為感興趣。

航空航天局下一步準備將Kilopower付諸實踐，現正在研制一種被稱為空間發射系統的巨型火箭，希望在月球附近建一座空間站，計劃把人類送往月球表面執行探月任務，甚至計劃在21世紀30年代讓宇航員登陸火星。