用于空間堆的堿金屬熱電轉換技術研究

馬明陽 謝奇林 梁文峰 張傳飛

(1 中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川綿陽 621900) (2 中國工程物理研究院，四川綿陽 621900)

隨著航天技術的不斷發展，一批新型空間應用和深空探測任務逐步納入實施規劃[1]。在空間應用領域，以天基雷達探測[2]、高功率微波[3]及空間碎片激光清除[4]等為代表的任務提出了數十千瓦乃至兆瓦的供電需求，而大面積的太陽能電池陣存在安裝和展開難度高、易受空間碎片和隕石撞擊、撓性影響航天器姿態控制等問題[5]，難以滿足需求。在深空探測領域，載人深空飛行、小行星采樣返回、建設星表基地等任務[6-9]需要配套百千瓦乃至兆瓦級供電和推進能力，但由于距離太陽較遠或面對極端高低溫、塵暴等惡劣環境，太陽能發電技術無法滿足要求[10]。事實上，對利用太陽能困難或有大功率供能需求的航天任務，設計和開發基于核能裝置的核動力航天器勢在必行，以美國、俄羅斯為代表的空間技術強國競相研究[11-12]。

熱電轉換單元是空間核動力裝置的核心部件，理想的熱電轉換技術應具備長壽命、高可靠、高轉換效率等技術特點[5]。為追求高可靠性，迄今成功發射和應用的空間核能裝置均采用靜態熱電轉換技術[13]，包括溫差發電和熱離子發電，但轉換效率相對較低(不超過10%)，大功率應用須配套大量核原料以及輻射屏蔽材料，占據較大的質量和體積配額。為追求高轉換效率，前人對朗肯、布雷頓以及斯特林等動態轉換技術進行了大量研究[11-12]，轉換效率可達20%以上。然而由于存在運動部件，動態轉換技術要實現高可靠性和長壽命存在較大的難度，對在軌航天器的姿態控制存在潛在影響[5]，更適于星表任務[8]。事實上，作為一種兼具靜態和高轉換效率特征的轉換技術，堿金屬熱電轉換(AMTEC)在核動力航天器中有著巨大的應用潛力。NASA曾提出基于AMTEC的放射性同位素電源[14]和空間核反應堆電源[15]設計。

自20世紀60年代以來，AMTEC技術在國內外受到廣泛關注，至今仍在持續研究[16-18]。本文基于文獻調研，介紹了AMTEC的基本原理、國內外研究情況及最新進展，討論了制約其實現工程應用的性能衰減問題及解決思路。針對空間核反應堆電源應用場景，就AMTEC的性能指標現狀及預期水平進行了分析和總結，提出了我國AMTEC技術的后續發展建議。

1 工作原理

AMTEC的核心工作原理基于β"氧化鋁固體電解質(Beta" Alumina Solid Electrolyte，BASE)獨特的選擇透過性[19]，表現為BASE對堿金屬離子遠高于對堿金屬原子和電子的透過率[16,20]。AMTEC的工作原理在文獻[19]中有詳細介紹。如圖1所示，AMTEC是一個密閉容器，被毫米級厚度的BASE和電磁泵(或毛細吸液芯)分隔成壓力不同的兩部分[21]。BASE的高溫高壓側為陽極，充有適量的鈉等堿金屬作為工質，溫度保持在900～1200 K。低壓側為與冷凝器相鄰的陰極，冷凝器的溫度在400～800 K。BASE的兩端覆蓋著導電性能優良的多孔薄膜電極，外電路通過引線連接電極上的集流柵。系統電化學總反應式[19]為

Na(T2,p2,anode)+e(T2,cathode)

Na(T2,p1,cathode)+e(T2,anode)

(1)

式中：Na和e分別表示鈉原子和電子；T2為高壓側溫度；p2為高壓側工質壓力，p1為低壓側工質壓力；anode表示陽極，cathode表示陰極。外電路接通時，電子通過外電路流通，堿金屬離子通過BASE流通。正是通過堿金屬離子在BASE中從陽極側向陰極側的遷移過程實現熱能到電能的轉換。冷凝后的液態鈉通過電磁泵或毛細力驅動回到高溫端得以循環使用。

圖1 Na-AMTEC工作原理示意Fig.1 Operational principle of Na-AMTEC

理論上，鋰、鈉、鉀等堿金屬等均可以用作AMTEC的工質[22-23]。但鋰因為運行溫度高(固定溫度下飽和蒸汽壓較低)須配套難熔金屬、受輻照產生氦和氚、Li-BASE工藝不成熟等因素而不宜使用[24]。相比而言，鈉和鉀則更實用且各有優點[23]。鈉鉀合金兼具鈉和鉀的一些共同優點且具有低熔點(易啟動)，但NaK-BASE的制備工藝還很不成熟[19]。綜合考慮物理、工藝和技術成熟度因素，鈉是首選工質[24]，為大部分AMTEC器件所用。

2 國內外現狀

2.1 主要研究機構及進展

基于BASE獨特的選擇透過性，美國福特公司的Kummer于1962年提出了高溫鈉濃度差電池設想[16]。之后Kummer和Weber通過實驗，證明了該項技術的可行性，并于1969年申請了專利[25]，將之稱為“鈉熱機”(Sodium Heat Engine)，此即為AMTEC的雛形。

在20世紀90年代之前，主要研究以鈉為工質的液態陽極單管AMTEC，液態鈉既作工質，又充當電極。此類AMTEC具有電極接觸電阻小，制造工藝簡單等特點[26]。然而采用液態陽極時，單管器件輸出電壓較低、功率較小，而多管串聯絕緣難度大。在90年代，以美國先進模塊電源公司(Advanced Modular Power Systems)為代表，提出氣態陽極多管AMTEC設計[27]，雖然制造工藝較復雜，但BASE管間的絕緣比較容易實現，可獲得較高電壓。為進一步提高電壓等指標，2000年左右以美國新墨西哥大學為代表，提出了氣饋-液態陽極AMTEC設計[24,28]。2010年之后，國際上關于AMTEC的研究熱度有所降低，但至今仍有機構持續關注并開展研究，如德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)，美國得克薩斯理工大學(Texas Technical University)以及韓國忠北國立大學(Chungbuk National University)等。

我國對AMTEC的研究起步較晚，參與的研究機構相對較少。中國科學院電工研究所與上海硅酸鹽研究所合作，于1994年率先在國內開展Na-AMTEC技術應用研究，搭建了薄膜電極、器件封接用的工藝裝備，開展了多管器件的設計和工藝研究，取得了顯著進展。此后，哈爾濱工程大學、重慶大學、華北電力大學、西北核技術研究所等機構相繼開展了一些基礎和應用研究。國內外主要研究機構及主要研究進展和成果見表1。

表1 各AMTEC主要研究機構及進展

續 表

2.2 航天器中的應用

作為一種外熱式發電技術，AMTEC可與多種形式的熱源配合使用，在各類航天器中都具備應用潛力。美國羅克韋爾(Rockwell)公司完成了電功率1200 W、基于太陽能加熱AMTEC[72]的全球定位衛星初步設計，發現AMTEC與光伏電池板質量相當，但展開面積大為減少，在中低軌道任務中可作電池板的備選技術。事實上，對AMTEC在航天器中的應用研究主要針對深空探測的放射性同位素電源(RTG)[14]，其中最具代表性的是NASA的“冥王星快車”(Pluto Express)項目[73]?；诜派湫酝ㄓ脽嵩?GPHS)，該項目完成了電功率10 W～1 kW、效率14%～25%、質量10～60 kg的AMTEC-RTG方案設計、組件研制及地面試驗[74-75]。結果表明：AMTEC-RTG相比傳統溫差電池RTG效率更高、質量更小，對昂貴的钚-238同位素消耗量大為降低[75]。作為一種高效率、模塊化的發電技術，AMTEC同樣適用于配合裂變反應堆構造大功率空間堆電源系統。美國新墨西哥大學提出的SAIRS[53]空間堆電源系統設計，將鈉熱管冷卻堆芯和AMTEC模塊相結合，具備全系統非能動、防單點失效的優良特性，輸出電功率為111 kW，熱電轉換效率高達22.7%～27.3%。

2.3 性能衰減問題

經過多年的發展，AMTEC技術已從早期以原理演示驗證為目標的單BASE管液態陽極技術發展為更接近實用的多BASE管氣態陽極技術。相關理論、BASE材料的性能、多孔電極的制作工藝、集流柵的制作、吸液芯的設計和制造、BASE管與金屬法蘭的封接等方面取得了巨大進展，器件研制日趨成熟。然而近年來，國際上AMTEC研究熱度卻逐步降低，其主要技術原因在于各類型器件普遍存在的性能衰減問題始終沒有得到好的解決。例如PX-3A器件[47]在運行18 000 h后，最大電功率從2.45 W降至1.27 W，跌幅近50%。如此顯著的缺陷，使得AMTEC難以滿足長壽命應用需求，尤其是不易做壽命期內維護的空間任務。

2000年前后，學者們就AMTEC的性能衰減問題做了不少定性和定量研究，Wu[67]對相關工作做了非常詳盡的梳理。已有結果表明：AMTEC的性能衰減問題主要源于BASE和電極材料的性能衰退。主要作用因素可歸納為兩類：一是堿金屬與結構材料反應生成的雜質與BASE和電極材料發生物理化學反應；二是BASE和電極材料自身在熱環境下發生物理和化學變化。兩類因素又同時受運行參數尤其是溫度影響，運行參數越高則性能衰減越厲害。鑒于上述原因，建議從以下幾方面來改善性能衰減問題[67]：①選擇鈮、鉬、鉭等難熔合金而非鋼、鎳基合金作結構材料，以盡量減少鎳、鉻、鎂等雜質元素；②選擇離子電導率適中的BASE，并在其中添加Li2O等穩定劑；③選用晶粒增長較為緩慢的難熔合金電極；④降低溫度等運行參數。

回溯發展歷程，傳統AMTEC技術面臨的問題從根本上源自其工作原理兩個重要特征：①堿金屬在BASE中輸運的驅動力是兩側足夠大的壓差，這就要求器件運行溫度足夠高；②無論何種構型，BASE的陰極側(低壓側)總是氣態鈉，故必須使用多孔電極以增大接觸面積。除前述傳統解決思路，可回歸原理本源去尋求解決方案，以期降低運行溫度，避免使用多孔電極。事實上，近幾年基于液態電極的新型Na-BASE儲能電池[76]的研究，為解決AMTEC的性能衰減問題提供了很好的思路。此類電池中BASE兩側均為液態工質，工質本身即為電極，不存在晶粒長大問題。此外，其背后的電化學反應基于兩種金屬(A+B?AB)而非一種金屬的電化學反應，其驅動力是BASE兩側工質的活度之差而非壓差。如此一來，便有望在較低的運行溫度下實現高的性能指標。應當注意上述液態電極電池的功能是儲能(充電)和放能(放電)，而AMTEC的功能在于將熱能轉換為電能。那么問題的關鍵就在于如何用加熱而非充電的方式將AB化合物分解還原為A和B。事實上，德國德累斯頓理工大學近期就提出了這樣一種新型AMTEC器件的設計思路(見圖2[62])，并于2017年啟動一項為期3年的研制項目[62]。該新型AMTEC基于Na和某種金屬元素Me(具體種類未知)，BASE兩側均為液態金屬而無其他電極，NaMe→Na+Me的還原過程通過外部供熱實現。此類AMTEC器件極具吸引力，有待研究的關鍵問題包括：優選Na的最佳搭配元素Me；驗證器件是否有可能在較低的運行溫度下兼具高性能和長壽命。應當注意，由于使用液態電極，有可能面臨與早期液態陽極AMTEC同樣的問題，即因為絕緣問題而無法在單個器件中實現多BASE管串聯以提高電壓等運行參數。但如果未來研究證明此類新型AMTEC的單器件性能足夠高，通過模塊化器件間的電路組合同樣有可能滿足高運行指標的發電需求。

圖2 基于雙液態電極的新型AMTEC器件概念設計Fig.2 Novel AMTEC device based on double liquid electrodes

3 空間核反應堆電源概念設計

3.1 技術路線優選

基于國內外航天任務及空間核動力的發展態勢調研，亟待開展大功率空間核反應堆電源研究。以100 kW電功率為設計指標，兼顧長壽命、高可靠性及高轉換效率，提出如圖3所示的全系統非能動、可防單點失效的空間核反應堆電源概念設計。采用緊湊的高溫UO2快中子反應堆將裂變能轉換為熱能，并通過多根鋰熱管傳輸至熱輻射換熱器，按夾心結構布置的AMTEC模塊吸熱發電，最終通過鉀熱管輻射散熱板將余熱排散至宇宙空間中。屏蔽體采用LiH/B4C(用于屏蔽中子)和W(用于屏蔽伽馬)影錐型復合結構設計，可將后方陰影區域的輻射劑量降至典型允值。相較SAIRS[53]空間堆設計，本系統采用比鈉熱管更為高效的鋰熱管實現堆芯裂變熱傳輸，有助于減小反應堆和屏蔽體體積及質量；對比SAIRS所用的導熱接口，AMTEC熱端采用C-C輻射換熱接口可大為降低裝配難度，易于作夾心結構布局從而使系統更為緊湊。

圖3 大功率AMTEC熱管冷卻型空間堆電源概念示意Fig.3 A conceptual sketch of a large-power heat-pipe-cooled space reactor power system based on AMTEC

擬優選使用基于圖4所示“弧頂BASE扁管”[24]的多管串聯氣饋-液態陽極Na-AMTEC技術。此類AMTEC器件的設計方法已非常成熟，一旦明確具體的技術需求即可開展詳細設計。在空間核反應堆電源系統概念設計階段，考慮到應用需求和工作場景的相似性，可依據表2設計結果預估AMTEC指標參數。

圖4 用于大功率AMTEC的“弧頂BASE扁管”Fig.4 A narrow dome-shaped BASE for high-power AMTEC

溫度范圍/K轉換效率/%單位功率質量/(kg/kW)單位功率面積/(m2/kW)備注熱端:1000～1200冷端:600～7002510.00.080設計參考值熱端:1092～1169冷端:70025.2～30.29.60.049～0.053文獻[53]熱端:1006～1127冷端:596～62622.6～29.79.60.074～0.120文獻[24]

3.2 系統性能預估

基于熱管型空間堆電源系統的熱控分析方法[77]，構建核心能量傳輸和轉換過程的基本關系，結合反應堆(含熱管)、屏蔽體、AMTEC及輻射散熱板的物理分析和質量估算模型開展系統指標的設計。堆芯出口溫度取一較高值(1500 K)以提升系統整體性能，充分發掘鋰熱管的傳熱能力(溫度越高則傳熱極限越高)。依據物理分析，鋰熱管的溫降、反應堆與熱管熱端溫差以及熱管冷端與輻射傳熱接口溫差之和預估為100 K，輻射散熱板工作溫度取1400 K。為追求高轉換效率，AMTEC的熱端溫度應盡量高，冷端溫度應盡量低。但由于受鈉工質蒸氣壓和結構材料長期使用溫度限制，熱端溫度不能太高，取1100 K為宜。冷端溫度不宜低于700 K，否則輻射散熱板中的鉀熱管將因為傳熱能力太弱而無法滿足要求。考慮AMTEC與輻射散熱板的界面熱阻，輻射散熱板溫度取650 K。依據表2，AMTEC的轉換效率典型值可取25%。為產生100 kW電功率，AMTEC熱端輸入功率為400 kW。此外參考SAIRS設計[53]，將反應堆到AMTEC的傳熱損失定為10%，故反應堆的總熱功率為440 kW，系統的轉換效率預估為22.7%。系統的額定運行參數見圖5。

圖5 AMTEC熱管堆電源系統額定工況示意Fig.5 Standard operating conditions of the heat-pipe-cooled space reactor power system based on AMTEC

基于反應堆物理(MCNP軟件)和熱工(ANSYS軟件)設計，440 kW熱功率反應堆(含鋰熱管)的質量約700 kg，包絡尺寸約Φ500 mm×500 mm。屏蔽計算(MCNP軟件)結果表明：錐臺形屏蔽體的質量預估為1000 kg，屏蔽體最小直徑約500 mm，最大直徑約1000 mm，厚度約1500 mm，半錐角為10°。依據表2，100 kW電功率所需AMTEC組件的質量和面積分別為1000 kg和8 m2。考慮夾芯板布局設計，AMTEC、輻射換熱接口近似為尺寸Φ1500 mm×1000 mm的柱面。輻射換熱接口采用薄C-C板設計，其質量相對其他分系統可忽略。散熱板的排熱功率為300 kW，工作溫度和發射率分別取650 K和0.9，預估散熱板面積(單面輻射)為33 m2，近似為尺寸Φ2000 mm×5000 mm的柱面，總質量約600 kg。此外，將運行控制系統和支撐連接等其他物項的總質量預估為500 kg。綜上，系統的總質量預估為3800 kg，即不超過4 t(單位質量比功率不低于25 W/kg)。基于上述反應堆、屏蔽體、AMTEC及散熱板預估尺寸，考慮一定裝配裕量以及AMTEC冷端與散熱板的部分重疊，全系統的包絡尺寸預估為Φ3000 mm× 8000 mm。

4 結束語

作為一種兼具高轉換效率和靜態特征的熱電轉換技術，AMTEC在核動力航天器中擁有廣闊的應用前景。經過多年發展，國外AMTEC技術取得了一系列重要成果，已從早期原理演示驗證轉為針對不同使用場景和目標的實用化研究。而國內已開展工作側重原理研究，有待加大研究力度開展工程化攻關，建議如下：

(1)多管氣饋-液態陽極Na-AMTEC技術是傳統AMTEC構型中最先進的設計，性能指標優異，我國應力爭對BASE/多孔電極/集流柵制作、BASE管與金屬法蘭封接、多管器件集成試驗等關鍵技術進行突破。

(2)性能衰減問題是制約AMTEC工程化應用的主要因素，發展基于液態金屬電極的新型AMTEC器件有望從根本上解決該問題，可充分借鑒國內外近年在先進儲能電池、陶瓷和熱電器件方面積累的最新研究成果。

(3)面對長達數年乃至數十年的潛在壽命要求，在有限研制周期內開展與設計壽命時長相同的考核試驗既不經濟也不現實，故有待建立AMTEC器件的加速試驗理論和平臺，而這也正是國際上AMTEC研究領域尚待填補的空白。