空間核反應堆電源研究進展

何宇豪，孟 濤，盧瑞博，趙富龍，譚思超

（哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

隨著航空航天事業的不斷發展，大功率空間作業與軌道快速轉移等多種空間任務對能源的需求提出了更高的要求。在空間電源方面，目前主要有化學電池、太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源和核電源3 種。其中，化學電池具有結構簡單、性能可靠的優點，但工作壽命短，低溫性能差，且功率較小。太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源的技術成熟、性能可靠，同時兼具壽命長、供電能力強的特點，但太過依賴太陽光照，必須對日定向，因此，對發射窗口、軌道參數、飛行姿態等有嚴格的限制。同時太陽能電池陣的面積很大，對機動飛行和低軌道飛行帶來較大阻力，需要攜帶大量燃料用于軌道維持，結構復雜，容易遭受空間碎片、隕石和來自外部的打擊，導致系統性能下降或失效。核能具有不依靠氧氣環境、不依賴太陽光照、能量密度高、可實現高溫和超高溫、使用壽期長等優點，這些優勢使得核能在空間探測領域、空間運載領域都有很好的應用前景。在空間應用上，核電源無論是放射性同位素電源、空間核反應堆電源，還是星表反應堆電站，都具有各自的優勢，在大功率、長續航需求的空間任務中，核能憑借特有的優勢能夠替代傳統的化學能和太陽能。

空間核電源的研究自20 世紀50 年代開始一直發展到今天，期間產生的研究成果包括大量的實驗結果和數十個已經用于空間探測的成熟核能系統，其中，有的核動力探測器已經連續工作超過30 a，為核動力在空間的廣泛應用打下了基礎。眾多研究結果證明了核能在空間領域的可行性和優越性，但是要讓核能更好地應用于航空領域，目前仍存在一些亟待解決的問題，主要有研制周期長、經費投入多以及來自輻射防護等方面的問題[1]。空間核反應堆電源是利用熱電轉換系統將核反應堆產生的裂變能轉換為電能的裝置，根據熱電轉換的方式分為靜態熱電轉換和動態熱電轉換。下面針對靜態能量轉換、動態能量轉換及核電推進等不同型式的空間核反應堆電源分別進行論述。

1 靜態能量轉換

靜態能量轉換系統運動部件較少，可靠性較高[2]。核能靜態能量轉換技術經過長時間的研發和應用，已經較為成熟。美國和俄羅斯均有發射成功且至今仍在軌運行的、使用核動力靜態能量轉換系統供能的衛星。

美國對核電源的研究可追溯到20 世紀50 年代，1958 年美國空軍提出需要一款輸出電功率為數百瓦，可將熱量直接從外表面排出而不需要循環流體的核電源。針對上述需求，美在1960 年確認開發使用強制對流冷卻、溫差發電直接轉換的空間核電源“SNAP-10”，并于1965 年發射升空，運行12 h 后達到滿功率0.5 kWe，e 效率為1.6%。運行43 d 后由于運載火箭故障而被永久關停[1]，“SNAP-10A”反應堆堆芯的結構如圖1 所示。

圖1 SNAP-10A 反應堆堆芯結構圖［3］Fig.1 Structure of SNAP-A space reactor core［3］

在SNAP-10 研發的同一時期，為填補數千瓦到數兆瓦之間的功率空擋[4]，美國開始開展堆內熱離子反應堆的研究工作，電功率范圍覆蓋5～120 kW[5]。1986 年，美國啟動熱離子燃料元件研究工作，旨在研發功率為0.5～1.0 kWe、壽命為7～10 a的熱離子燃料元件[1]，主要針對燃料、包殼腫脹、長時間輻照下絕緣體完整性、多節熱離子燃料元件(TFE)，以及其部件的性能與壽命問題進行了研究。

1979 年，為了研究空基防御系統未來的能源供應設備，美國又開展了先進空間反應堆項目（SPAR/SP-100）[5]。該項目一直持續到20 世紀90年代，設計了100 kWe 功率的通用電源，以熱管式固態堆芯反應堆幾何溫差轉換為研究方案，設計壽命為7～10 a。后來由于項目變動，該項目轉向NASA的任務需求，功率調整為20 kWe 量級，其設計采用了反應堆外部熱電轉換布置，可以靈活使用如斯特林、熱離子等不同的熱電轉換系統，最終實現功率可變范圍從幾十千瓦到幾百千瓦。該反應堆設計堆芯熱量可自主導出，無需機械部件，無單點失效風險。

蘇聯/俄羅斯自20 世紀60 年代起開展了很多空間核動力方面的研究工作。1961 年，蘇聯政府決定開展ROMASHKA 溫差直接轉換空間反應堆的研究，并于1964 年完成設計，進行地面功率實驗，最終完成了約15 000 h 地面實驗，該設計的基本參數得到了驗證[1]。

1966 年，蘇聯物理與動力研究院（IPPE）等機構聯合開展了BUK 空間核反應堆的研發工作[1]。該反應堆采用將外側反射層通過鋼帶連接的設計，當反應堆重返大氣層時，外側鋼帶會因氣動加熱而熔斷，反射層與反應堆因此而分離，進而使反應堆無法達到臨界狀態，提高了反應堆系統的安全性。截至1988 年，蘇聯時期的BUK 反應堆共完成了33 次航天發射，成為歷史上發射次數最多的空間核反應堆。

熱離子技術一直是蘇聯研究的重點，1972 年，蘇聯在已有的熱離子技術的研究基礎上，開始研制熱離子空間反應堆，并命名為TOPAZ-I[1]。1987年，該反應堆完成了首次發射，且成功以自動模式在軌運行6 個月。同年7 月，蘇聯發射了第二代TOPAZ 反應堆，成功運行約1 a。

20 世紀末蘇聯解體后，其空間反應堆方面的研究規模逐漸減小，期間蘇聯著手研制TOPAZ-II 空間反應堆，但因技術及資金原因，第二代TOPAZ 熱離子核反應堆電源系統并未發射升空，僅開展了地面試驗研究，地面單機實驗成功運行超過14 000 h。最終該技術出售給美國等其他國家。蘇聯時期共完成了4 個型號的空間反應堆研制工作，其主要參數匯總見表1。

冷戰結束后，美國也開展了TOPAZ 國際計劃，對購自俄羅斯的TOPAZ-II 反應堆進行測試，并以此為基礎開展新一代熱離子反應堆的研發工作。最終美國于1992 年成功研發出功率為40 kW、壽命為10 a 的SPACE-R 熱離子空間反應堆。

聯邦德國在20 世紀也開展了空間反應堆研究計劃（ITR），該反應堆方案采用鈉金屬冷卻，堆芯采用熱離子燃料元件，設計輸出電功率為20～200 kW。

除了熱離子與溫差能量轉換技術，堿金屬能量轉換技術與磁流體發電技術也屬于靜態能量轉換。堿金屬熱電轉換相對于熱離子與溫差技術有較高的轉換效率，目前已通過實驗實現的最高轉換效率高到19%[6]。21 世紀初，美國墨西哥大學以美國太空探索計劃為背景設計了一款堿金屬熱電轉換的空間反應堆電源系統（SAIRS）[7]，該系統使用UN 作為燃料，鈉熱管導熱，設計電功率為111 kW。

磁流體發電技術具有大的功率密度，且啟動快、廢熱溫度高，目前與地面蒸汽發電配合能在很大程度上提高轉換效率。磁流體發電與空間核反應堆結合的研究較少，且磁流體發電機由于使用了高溫高速的含銫蒸汽，導致管道、燃料元件的壽命大大降低[8]，適合用于短時大功率供電或者脈沖式電推進使用。

2 動態能量轉換

空間核反應堆電源中目前主要采用的動態能量轉換方式，包括斯特林循環和布雷頓循環。SP-100 反應堆的設計使得它能與不同的能量轉換系統結合，于是在SP-100 計劃同時期進行斯特林發動機的研發工作，希望將其與SP-100 結合達到較低的質量功率比，理論上當發動機運行溫度為1 050 K 時，600 kWe 電源的質量功率比可低于23 kg/kW。該計劃于1985 年開始，最終研發了SPDE 和EM-2 兩款發動機，功率分別為25 kWe 和2 kWe，其中EM-2的壽期持久測試超過5 385 h。

在SNAP 計劃初期，美國空軍認為未來任務對電源功率需求會更大，于是著手啟動更大功率系統的開發。北美航空公司下屬的國際原子公司（AI）成功研發出陶瓷包殼，在此基礎上很快設計并建造出了第一個空間反應堆SNAP-2[5]。該反應堆以NaK 作為冷卻劑，U-ZrH 為核燃料，采用水銀朗肯循環方式，電功率為3 kWe。SNAP-2 空間反應堆的研究解決了U-ZrH 反應堆臨界和U-ZrH 富集燃料制造等一系列技術問題。在此基礎上，美國很快開展了SNAP-8[9]反應堆研究計劃，SNAP-8 反應堆立足于滿足更大功率的空間能源需求，其設計功率為35 kWe，且能擴大到60 kWe，設計壽命超過10 000 h。該項目建造了S8ER 和S8DR 兩個地面實驗堆，并于1963—1969 年期間進行了多項地面實驗[9]，實驗證明反應堆及能量轉換設備均能達到設計壽命要求，SER 的堆芯組裝圖如圖2 所示。SNAP 項目最終證實了空間核反應堆電源的可行性，并解決了諸多技術難題，為空間核反應堆技術的后續發展打下了堅實的基礎。

表1 蘇聯時期空間反應堆主要參數匯總［1］Tab.1 Summary of parameters for former Soviet Union space reactor designs［1］

圖2 SER 反應堆組裝視圖Fig.2 SER reactor assembly view

除此之外，美國也一直致力于鉀金屬朗肯循環反應堆技術的研究，SNAP-50/SPUR 項目及其后續的先進液態金屬冷卻反應堆項目、中等功率反應堆試驗計劃（MPRE）等都涉及相關研究[5]。SNAP-50/SPUR 項目旨在開發300～1 200 kWe 的大功率空間反應堆電源[10]，該反應堆堆芯使用鋰金屬冷卻，鉀金屬朗肯循環作能量轉換系統發電，設計壽命超過10 000 h，該項目驗證了高溫朗肯循環技術的可行性。中等功率反應堆試驗計劃（MPRE）由美國橡樹嶺國家實驗室負責研究，設計為使用單回路鉀金屬朗肯循環。該項目早期遇到鉀金屬沸騰傳熱及材料相容性等問題，相關問題在1964 年都得到了較好的解決，并計劃開展地面試驗，該項目后因資金原因于1966 年終止[1]。

2000 年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）開展了熱管式火星探索反應堆（HOMER）的研究[11]。該反應堆使用鈉熱管導出堆芯熱量，燃料使用的是技術成熟的二氧化鈾，其功率可根據需求在1～250 kWe 之間進行調整。在此項目基礎上又開展了安全經濟的裂變發動機項目（SAFE）[12]。該項目使用與HOMER 反應堆相同的燃料棒-熱管比[1]，但將熱電轉換裝置更換為布雷頓循環設備，其功率可在千瓦至數百千瓦之間變化。

2002 年，美國又開展了木星冰衛星探測計劃（JIMO），之后該計劃更名為“普羅米修斯”[13-15]。該計劃旨在對木星的冰衛星進行科學探測，為此需研發200 kWe 功率的空間核動力飛行器，設計壽命需超過10 a。該計劃在提出的多個方案中，最終根據循環效率和可擴展性等因素選擇了氣冷快堆方案[16]，其設計方案如圖3 所示。該方案冷卻劑選定為He-Xe 混合氣體，堆芯出口溫度定為1 150 K，能量轉換形式采用布雷頓循環，設計冗余度100%，系統總質量約10 t。該項目初期預算為10 a 投入30 億美元，然而卻因空間任務優先級的變化僅開展3 a 便被終止。該項目留有大量公開文獻資料，可為相關研究提供很好的參考。

圖3 木星冰衛星探測計劃（JIMO）設計方案［14］Fig.3 Illustration of JIMO project design［14］

俄羅斯在20 世紀90 年代以后，著重開展與布雷頓循環動態熱電轉換的空間反應堆電源設計，該項目歷時10 a，設計目標在于同步軌道上供能及火星探索供能，包括核電推進與星表核電站。項目期間提出了超過10 種概念設計方案，最高電功率達到了15 000 kW。2009 年，俄羅斯著手開展新型兆瓦級空間反應堆計劃，該計劃將開發用于行星間載人或無人任務的空間核動力飛行器[1，17]，其反應堆結構如圖4 所示，并計劃于2014 年開始開展地面實驗。該計劃成為蘇聯解體后，俄羅斯投資最大的、項目周期最長的空間反應堆計劃，能為俄羅斯培養新一代空間核動力技術專家，對相關技術的傳承起到積極的作用。

圖4 空間反應堆SGFR 全貌Fig.4 Overall view of the space SGFR

除了美、俄兩國，其他國家也相繼展開了空間核電源的研究，法國在1983 年發起了空間核動力電源研究計劃（ERATO）[17]，該計劃主要研究了液態金屬冷卻快中子堆、高溫氣冷堆和超高溫液態金屬冷卻堆3 種堆型，設計功率均為20～400 kWe[18]，能量轉換方式均采用布雷頓循環，設計壽命為7 a。意大利自1992 年起開始進行先進緊湊空間反應堆（MAUS）概念設計，21 世紀初又將其升級為SPOCK 反應堆，設計功率為30 kWe，堆芯使用鈉金屬冷卻，設計壽命為7 a。日本在20 世紀90 年代研究了月球表面反應堆電源（RAPID）[19]，該反應堆為一體化設計，堆芯使用鋰金屬冷卻，包含2 700 根燃料元件，出口溫度達1 373 K，采用朗肯循環能量轉換方式，設計功率為800 kWe，循環效率可達16%，換料周期為10 a。

空間核反應堆電源除了用于航天器，近年隨著對月球及火星探索的不斷深入[20-21]，在星表核電站方面的研究也越來越多。2006 年，隨著普羅米修斯計劃的終止，美國航空航天管理局（NASA）和能源部（DOE）共同發起了星表裂變反應堆電源計劃（FSP）[22-25]，其研究旨在為決策者展示更加可信的成果，從而推動該項目進入飛行實驗階段。該項目重點之一便是降低研發成本，最終該方案選擇NaK 冷卻反應堆方案及斯特林循環熱電轉換方案，系統功率可在10～100 kWe 之間進行變化，其系統設計方案如圖5 所示。該項目運行期間開展了大量地面非核實驗，成功研制了多個關鍵部件設備。

圖5 星表裂變反應堆電源計劃（FSP）設計方案［22］Fig.5 Illustration of FSP project design［22］

阿拉巴馬大學根據火星大氣二氧化碳含量豐富的特點，提出了超臨界二氧化碳空間堆方案[12]。該方案使用低富集度陶瓷燃料及布雷頓循環方式，設計功率為333 kWe，設計壽命為15 a。該反應堆堆芯采用特殊靶式結構，即燃料與增殖區交替排布。通過布置3 套該反應堆系統即可達到1 MWe 功率輸出能力，從而滿足火星表面基地長期能源供給需求。

近年來，美國為填補放射性同位素電源與星表裂變反應堆電源之間的能源空檔，還研發了千瓦級核電源（Kilopower）[1，26]。該計劃旨在為航天器或星表登陸器提供1～10 kWe 功率，并計劃于2017 年建立全尺寸的原型地面反應堆樣機，其方案設計如圖6 所示。該反應堆使用熱管導出堆芯熱量，并將熱量通過斯特林發動機轉換為電能。目前，Kilopower反應堆已完成地面臨界實驗，是近半個世紀以來美國在空間裂變反應堆領域中，第二個成熟度最高的設計方案。

圖6 千瓦級核電源（Kilopower）設計方案［26］Fig.6 Illustration of Kilopower design［26］

美國新墨西哥大學[27-34]、阿拉巴馬大學[35]等還進行過多個空間反應堆概念設計，包括可擴展堿金屬循環一體化反應堆（Scalable AMTEC Integrated Reactor Space power，SAIRS）、熱管分區溫差轉換模塊化反應堆（Heat Pipe-Segmented Thermoelectric Module Converters space reactor HP-STMCs）、淹沒安全反應堆（Submersion-Subcritical，Safe Space Reactor，S^4）和鈉鉀合金冷卻分區緊湊反應堆（NaK-78 cooled Sectored Compact Reactor，ScoRe）等。

3 核電推進

核電推進是空間核電源與電火箭技術的結合，一般與核反應堆電源匹配的推進系統有靜電離子電推進、靜電霍爾電推進、電磁類型電推進3 種類型[37]。美國的SNAP-10A 在飛行期間曾為一個小型離子火箭推進器供電，是世界上最早的空間核電推進試驗堆。SP-100 與離子電火箭結合可以提供2 000 kg 的有效載荷用于火星軌道飛行器及火星衛星、小行星帶探索和小行星樣品返回。2002 年美國開始“太空核能新計劃”，計劃包括以發展放射性同位素電源為目標的核電源計劃和以裂變反應堆為基礎的核電推進計劃，核電推進計劃之后逐漸發展到“普羅米修斯”計劃階段，“普羅米修斯”巡航階段使用8 臺30 kW 的離子電火箭推進器，軌道轉移使用12 臺靜態等離子體推進器，姿態控制使用6 臺靜態等離子體推進器。表2 為美國大功率電推進器的主要技術參數。

表2 美國的大功率電推進器的主要技術參數［1］Tab.2 Summary of parameters for American high power electric propeller［1］

俄羅斯核電推進技術的開發與應用繼承了蘇聯在空間核反應堆電源上的成果和經驗，其核電推進技術處于國際領先水平。蘇聯首創靜態等離子體發動機（霍爾發動機），并取得了很大的成功，近30 年的在軌飛行試驗中，有累計4 種型號310 個霍爾推進器被用于近60 顆衛星上，充分驗證了核電推進的可行性。同時為了滿足如今對核電推進的任務需求，俄羅斯已經著手研究具有更高比沖和更大推力的電推進器，目前在研的推進器有望達到相同功率下3～4 倍于霍爾推進器的壽命和更高的比沖、更大的推力。

此外，雙模式（電源/推進）空間核動力系統兼具推進與供電兩種功能，是兩者的高度有機結合。雙模式空間核動力系統在未來是主要發展的方向之一，針對雙模式空間核反應堆系統已經有不少的概念設計，大致分為以核熱推進/電源和核電推進/電源為基礎的兩類雙模式空間核動力系統。空間核反應堆電源與核熱推進相結合的設計適用于需要快速進入軌道飛行尤其是載人的設備。對于無人運載任務，則使用核電推進/電源的雙模式空間核動力系統更具優勢。

4 結論

從空間核反應堆技術總體上看，美國、俄羅斯始終作為空間核動力技術的研究主力，投入的人力物力巨大，持續時間長，技術水平較為成熟，而其他各國則主要自20 世紀80 年代起開始研究空間核動力技術，并且規模較小，多處于概念研究階段。靜態能量轉換方面，在空間核動力開始研究的初期，對靜態能量轉換技術與空間核反應堆結合的研究較多，技術成熟，除了靜態能量轉換自身的優勢外，其能提供的電功率與20 世紀美、蘇的空間任務需求相匹配，重點研發靜態能量轉換空間核反應堆電源可以在保證可靠性、長壽命的情況下減小質量體積。動態能量轉換方面，其具有較高的轉換效率，隨著無人/載人空間探測領域發展的不斷深入，對大功率能源的需求日益迫切，而搭載動態能量轉換技術的核反應堆系統可以提供上百千瓦甚至兆瓦級的電功率，能夠滿足現階段空間任務的能源需求，美國的“普羅米修斯”就將動態能量轉換技術與核電推進系統作為研發重點，俄羅斯也計劃研發兆瓦級的載人核動力飛船[36]。通過對空間核反應堆電源發展現狀的分析可以總結出如下結論：

1）空間反應堆技術的研究整體上呈現出“多功率等級、多技術途徑”并存發展的特征，不同的反應堆類型具有不同的適用場景。此外，需求在空間反應堆項目研究中扮演了極其重要的角色，需求不強烈的項目往往很快終止，如美國普羅米修斯計劃。對于不同國家，由于國情不同，空間核動力的需求往往也存在差異。現階段，美國空間核反應堆技術發展更多是從經濟角度出發，比如裂變發動機項目（SAFE）使用成熟的二氧化鈾燃料技術就是看重其安全性和經濟性。俄羅斯的發展則更多從能源需求及人才培養角度出發，研究重點是兆瓦級氣冷布雷頓發電反應堆，俄羅斯在2009 年提出的兆瓦級空間堆計劃能夠促進相關技術的傳承和培養新一代空間核動力技術專家。

2）不同國家在空間核動力領域的發展路線雖有所不同，但不可否認的是，空間核反應堆技術是未來的重要發展方向之一。進入21 世紀以來，火星探測及月球開發等成為各航天大國在航天領域的發展重點，其中涉及的無論是空間載人、載貨任務還是星表核電站的建設都離不開大功率的空間核反應堆，美國一直將空間核動力技術看作是能“改變游戲規則”的關鍵技術，美、俄均開展過規模龐大的大功率空間核動力技術研究，且均在多份報告中對大功率空間核動力的發展需求進行了闡述。除了美、俄兩國，歐盟、日本、印度等也相繼展開研究，各航天大國都致力于空間核動力尤其是空間核反應堆電源技術的研發，不斷的有創新概念被提出。空間核反應堆電源技術對于任何一個航天大國都將是未來發展的重心之一。