空間核反應堆電源技術需求和應用分析

閆鋒哲　趙強

【摘 要】相較于地面反應堆而言，空間核反應堆電源運行條件較嚴格，對核燃料也有較高的要求。因此，本文以空間核反應堆電源技術為研究對象，闡述了空間核反應堆電源基本概念及原理，分析了空間核反應堆電源技術應用需求。并對空間核反應堆電源技術應用發展前景進行了簡單的分析，以期為空間核反應堆電源技術的有效應用提供一定的借鑒。

【關鍵詞】空間核反應堆電源技術;能源轉換;反應堆

中圖分類號： V442 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）18-0052-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.026

Analysis of Technical Requirements and Applications of Space Nuclear Reactor Power Supply

YAN Feng-zhe ZHAO Qiang

（China nuclear power engineering corporation， Beijing 100840， China）

【Abstract】Compared with ground reactors， space nuclear reactor power supply has stricter operating conditions and higher requirements for nuclear fuel. Therefore， this paper takes the ground source technology of space nuclear reactor as the research object， expounds the basic concept and principle of space nuclear reactor power supply， analyses the application requirements of space nuclear reactor power supply technology， and makes a simple analysis of the application prospects of space nuclear reactor power supply technology， in order to provide some reference for the effective application of space nuclear reactor power supply technology.

【Key words】Space nuclear reactor power technology; Energy conversion; The reactor

0 前言

空間核反應堆電源技術最初應用于軍用航天任務，在后續科學技術發展過程中，空間技術逐步與核電技術進行了有機整合，取得了顯著的效果。在近期國家安全規劃中，空間核反應堆電源力量已成為新的戰略力量、經濟力量，有望為國家綜合實力增強奠定堅實的基礎。在2018年召開的“兩會”中，全國人大代表、中國航天科技集團六院院長劉志讓透露：航天六院正聯合國內核動力相關研究設計單位，開展空間核反應堆的方案論證和關鍵技術研究工作，后續將形成核熱、核電等多種方案，提高空間核反應堆電源技術在空間任務中的適應性。因此，對空間核反應堆電源技術進行進一步分析非常必要。

1 空間核反應堆電源技術概述

空間核反應堆電源的主要用途是在空間任務中，將核反應堆產生能量通過熱電轉換系統轉換為電力，并為航天器和星表空間基地等航天設施提供電力的裝置。空間核反應堆電源主要包括影子輻射屏蔽、核反應堆本體、自動控制系統、廢熱排放系統和熱電能源轉換系統5個模塊組成[1]。反應堆本體內進行的核裂變產生的熱能，一部分可直接傳輸至熱電轉換系統，轉換為電力為航天器和星表空間基地等航天設施供電;另外一部分則由廢熱排放系統，以輻射散熱的形式，排放至宇宙空間內。影子輻射屏蔽一般布置在反應堆本體與其他模塊之間以屏蔽反應堆運行時產生的輻射，保障航天設施和宇航員所受到的輻射在安全范圍內，如圖2所示。

2 空間核反應堆電源技術應用需求

2.1 深空探測的需求

空間核反應堆在木星以外的大功率深空探測器中也存在巨大需求。木星接收到的太陽光的強度僅為地球的1/25，在木星以內的太陽系空間，航天器可以使用太陽能電池進行供電。而在木星以外，太陽能電池則無法為探測器提供充足的電力;放射性同位素電池雖然在探測器上應用比較廣泛，但是由于其功率較低，無法滿足大功率探測器的需求。因此空間核反應是深空探測器的理想電源。

2.2 空間應用的需求

作為空間武器的電源需要滿足獨立性、機動性、環境適用性、大功率、抗打擊能力強等條件。在蘇著亭、楊繼才和柯國土等編著的《空間核動力》一書中對天基雷達系統和天基武器系統做了詳細的介紹[2]。天基雷達系統的電功率需求一般在數十千瓦到兆瓦的范圍內;而天基武器的系統又可以分為高功率微波武器、高能激光武器、粒子束武器和天基電子干擾衛星等，功率需求在數十千瓦到數十兆瓦之間。在大功率條件下，空間核反應堆的質量功率比要優于太陽能電池板，而空間核反應堆又具有較強的獨立性、機動性、環境適用性等優勢，是軍用空間任務最理想的電源。

2.3 星表空間基地的需求

以月表空間基地為例，月表空間基地的電力需求在100kW以上，而月球表面的大部分地區的黑夜一般長達14天，太陽能電池無法滿足月表空間基地的供電需求。但是空間核反應堆性能穩定，不依賴太陽光照，是月表空間基地的理想電源。同時由于火星距離太陽較遠而且沙塵暴比較頻繁，太陽能電池并不適用于火星表面的空間基地。而木星到太陽的距離是地球到太陽距離的5倍，在木星接受的太陽光無法保障太陽能電池為空間基地提供足夠的電力。因此，太陽能電池也不適用于木星表面的空間基地。綜上，空間核反應堆是星表空間基地最理想的空間電源。

3 空間核反應堆電源技術應用發展前景

3.1 空間核反應堆電源技術在軍用航天任務中應用發展前景

在空間核反應堆電源最初研發應用時，主要用于軍事任務，特別是地球軌道上軍事任務。上世紀八十年代，美國發布了星球大戰計劃，主要內容是：建立了空間武器系統。對戰略核武器的空間防御能力進行了研究并有效地降低了蘇聯對其的核威脅。星球大戰計劃的主要內容是在助推段、后助推段、中段、終段對來襲的洲際彈道導彈實施攔截，防御重點是助推段。計劃涉及了預警及識別系統、、通信系統等幾個模塊。星球大戰計劃根據不同的防御狀態對能源需求劃分為了基態、爆發態、警戒態三個等級。任務周期在一年左右。

根據以上內容，空間核反應堆在后續研究過程中在以往單一技術路線選擇的基礎上，綜合考慮功率適用范圍、可行性、性能參數等因素，保證空間核反應堆電源技術發展與應用的有效結合。同時在技術研發階段，具有較強的實際應用能力將成為空間核反應堆電源技術研究的前提。即根據空間核反應堆的使用環境和應用需求來制定空間核反應堆的研發路線。如美國為了登陸月球和火星并建立空間基地就開始研發可以適應月球和火星環境的空間核反應堆Kilopower[3]。Kilopower空間核反應堆采用了二氧化鈾燃料、鈉鉀液態金屬冷卻反應堆、自由活塞式斯特林發電機、等成熟計劃，設計電功率為40kWe，壽命在8年以內。Kilopower空間核反應堆在2018年5月成功進行了地面測試。

3.2 空間核反應堆電源技術在民用航天任務中應用發展前景

在空間核反應堆電源技術應用初期，研究人員就對空間核反應堆電源技術在民用航天任務中的應用進行了研究。如木星探測、地球軌道應用等。而為了了解空間核反應堆電源技術在民用航天任務中具體應用效果，國際機構及部分國家也針對空間核反應堆電源技術的和平利用進行了系統研究。在1995-2055間民用航天任務開展過程中，50.0kWe功率量級及以上空間核反應堆電源，可以廣泛應用，且可以增強民用航天能力。

21世紀初期，IAEA對空間通訊及電視轉播、空間探測導航、以及環境保護等大功率民用航天任務能源需求進行了綜合概述。上述任務中功率需求大多在10.0kWe-100.0kWe量級之間。除了100kWe量級以下空間任務外，其余的空間任務均可使用空間核反應堆電源技術進行供電[4]。隨后美國宇航局又發布了《空間技術路線圖既有線任務》，將空間核反應堆電源技術劃分為了1-10kWe、10-100.0kWe、1-5.0MWe三個功率量級。上述三個功率量級中1-10kWe量級主要針對科學探測;10-100.0kWe主要用于行星探測;1-5.0MWe主要用于執行載人登月等空間任務。

綜上所述，從空間軍用武器系統的電力需求來看，空間核反應堆電源技術具有壽命長、生存能力強等突出優勢。且從穩定性、環境適應性和抗打擊能力進行分析，空間核反應堆電源在軍事航天任務中也具有較為優良的發展前景。在后續發展過程中，空間核反應堆電源將實現系列化功能全覆蓋。

4 總結

空間核反應堆電源技術具有壽命長、結構緊湊、環境適應能力強、適用功率范圍廣等優勢。雖然目前技術并未成熟，但是在空間任務中仍然具有非常廣闊的應用前景和發展潛力。在后續研究過程中，科研人員可以從空間核反應堆電源技術原理出發，結合現階段和未來空間任務需求，從軍用、民用兩個方面，進行深入研究，進一步優化空間核反應堆電源技術體系，為空間核反應堆電源技術的有效應用提供依據。相信在不久的將來，我國的航天事業會在核動力的助力下走向更遙遠更廣闊的星空。

【參考文獻】

[1]胡古，趙守智.空間核反應堆電源技術概覽[J].深空探測學報，2017（5）：430-443.

[2]蘇著亭，楊繼才，柯國土.空間核動力[M].2016.

[3]王曉博.千瓦級空間核反應堆電源發展現狀[J].冶金叢刊，2017（10）：1-3.

[4]伍浩松.哈薩克斯坦與IAEA簽署燃料銀行協議[J].國外核新聞，2015（6）：25-25.