Kilopower與KRUSTY的發展脈絡及研發現狀

繆力威

摘? ?要：空間核反應堆電源具有功率比高，運行時間長，功率輸出高，環境適應性好等一系列優點，在軍民航天技術應用中均具有廣闊的運用前景，是影響未來太空競賽格局的重要一環。通過對美國從20世紀80年代至今的空間核反應堆電源，尤其是“Kilopower”相關項目的文獻調研，梳理了美國空間裂變堆電源系統的發展脈絡，總結了美國最新的研究進展;同時對50年來唯一建成的空間核反應堆電源地面原型堆KRUSTY（“采用斯特林技術的千瓦級反應堆演示驗證”）的公開文獻進行了調研分析，并對其試驗成果進行了總結。

關鍵詞：Kilopower? KRUSTY? 空間核電源? 裂變反應堆

中圖分類號：G322. 24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0065-05

Abstract： Space nuclear power have a serious of advantages such as high power density， long working time ，high power output， good adaptation to environment. It has a bright prospect on dual-use space technology and will have an important influence on space race. Based on the literatures of space nuclear power after 1980s， especially of "kilopower"， the development and actuality of American nuclear space power have been certain. Meanwhile， the result of KRUSTY（The Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY）has been analyzed to summarize the achievement of this experiment。

Key Words：Kilopower;KRUSTY;Space nuclear power;Fission reactor

隨著人類對太空探索，尤其是對深空探索的進行，傳統的能源供應方式，如太陽能，化學能等逐漸失去作用。傳統的放射性同位素電源雖然具有壽命長、體積小、結構緊湊、比功率高、可靠性高、不受環境影響等優勢[1]，但美國目前應用于空間的放射性同位素電源全部以Pu-238為燃料[2]。目前美俄兩國的Pu-238產量完全無法滿足空間探索任務要求[3]，因此兩國都將研究重點轉移到了空間反應堆電源上來，俄羅斯從2009年開始了兆瓦級空間核動力飛船研發計劃，美國自2006年開啟了千瓦級電源計劃（Kilopower）。

就美國而言，繼SNAP-10A（0.5 kWe）研制成功之后，美國曾研究過大量空間核反應堆電源方案，除了數量諸多的概念方案之外，還有一些瞄準實際工程應用的方案，如SP-100（100 kWe）、普羅米修斯（200 kWe）、AFSPS（40 kWe）等，然而，這些方案均在經歷了較大投入規模的研究工作之后歸于沉寂，甚至沒能建立地面原型堆。這些反應堆電源沒能研制成功，一方面可歸因于大功率所帶來的高技術難度;另一方面，缺乏明確的任務牽引也是這些研究計劃被提前撤銷的重要原因。

從2010年左右開始，由于Pu-238庫存告急嚴重威脅到NASA的深空探測計劃，Kilopower型千瓦級空間反應堆電源成為了美國空間核反應堆電源領域的重要研究方向，其研制難度遠低于SP-100等大功率反應堆電源。其配套的KRUSTY地面原型堆項目亦于2015年啟動，用以全面驗證項目的可行性。據此預計美國將于2020年具備空間核反應堆電源的應用條件。

1? 美國近代空間核反應堆項目的歷史發展進程

1.1 SP-100空間核反應堆簡介

SP-100空間核反應堆設計可作為一種軌道電源、月球或火星表面電站，可為核電推進提供能量，其功率范圍為幾十千瓦到幾百千瓦。SP-100最初的任務是20世紀80年代為美國“星球大戰”（SDI）開發的軌道電源。盡管最初的發起者是美國國防部（DOD）、美國能源部（DOE）以及美國國家宇航局（NASA），然而隨著蘇聯解體后SDI工作式微，SP-100任務更多地朝NASA的需求發展。最終，由于NASA的各項宏大任務在90年代初遭到質疑，花費更少的任務變得更受歡迎，SP-100計劃停止了。計劃停止時，工業與國家實驗室的綜合基本設施已經建立起來，設計和開發大約投入了10億美元。SP-100并不打算作為一種低費用一次性使用設備，而是計劃作為一種具有高度靈活性的電源，以具有發展靈活性的標準設計為基礎，通過多種任務能力實現費用優勢。

SP-100設計了六條鋰回路及一套鈉鉀輔助回路，通過靜態熱電轉換發電。廢熱通過二回路的鋰回路及輻射器排出。該項目要求10年左右的壽期，要求具有自主控制能力且具有偶爾停堆及再啟動的能力。系統總質量約為4600千克，采用了氮化鈾燃料以節省質量，包殼采用了PWC-11（Nb-1%Zr 和0. 1%C）[4]。

1.2 普羅米修斯項目簡介

普羅米修斯計劃是2003年1月由美國布什政府批準的，發展方向分為太空核推進系統和同位素電源兩部分[5]。太空核推進的工作內容集中于200kWe核反應堆的設計，預期壽命15～20年，核電推進任務設計質量不超過25000kg。項目提出了五條可選擇的技術路線：

（1）氣冷堆+布林頓發電機。

（2）熱管堆+布林頓發電機。

（3）鋰冷堆+布林頓發電機。

（4）鋰冷堆+靜態熱電轉換。

（5）低溫鋰—鈉堆+斯特林發電機。

在經過發電能力，可靠性，花費，安全性等全局考慮后，美國最終采取了氣冷堆+布林頓的方案。

該航天器為氣冷斯特林結構，總長近58m，未展開直徑約為5m，發射質量約為36375kg。反應堆燃料考慮了二氧化鈾和氮化鈾，氮化鈾主要繼承和發展了SP-100的工作，其主要優點是可以獲得更低的堆芯質量，但考慮整體性能要求，系統最后選擇了二氧化鈾的方案。包殼材料上，SP-100采用的PWC—11因為蠕變性能太差被放棄，同時項目試驗了大量的新材料，比如FS-85、Ta-10W 和ASTAR-811C等合金材料。鎳合金因為其測試中表現出出色的兼容性和延展性被重點考慮[6]。

1.3 Kilopower與KRUSTY簡介

從SP-100至今，美國在空間核反應堆電源的探索基本上全部失敗了。雖然積累了大量的技術儲備，但美國也逐漸意識到作為項目的開始，設計過于復雜，研發成本過高，過于依賴新材料和工藝，對項目周期過于樂觀以至目標過于宏大是項目難以完成的重要原因。因此，美國決定制定一個相對簡單的、有工程化可能的計劃來作為空間核反應堆電源發展的第一步.

千瓦級空間反應堆電源的設計電功率可覆蓋0.5kWe到10kWe。典型的1kWe方案設計見下圖。該電源系統總重量僅為406kg，總長度約3m，最大直徑約1.1m，設計壽命達到了15年。

該反應堆電源結構非常簡單，堆芯由塊狀鈾鉬合金燃料、碳化硼控制棒、氧化鈹反射層和屏蔽塊組成，U-235富集度93%，U-235裝量28.4kg。采用位于堆芯邊緣的8根鈉熱管將反應堆熱量傳輸到8個125W斯特林發電機熱端。廢熱通過連接斯特林發電機冷端的鈦水熱管傳導至輻射器排除。該反應堆電源的控制很簡單。在發射入軌后，抽出位于堆芯內的安全棒使反應堆達到臨界，其后的運行壽期內，完全依靠反應堆的負溫度反應性系數來完成負荷跟蹤和反應性條件，不需要在進行控制，完全處于自主運行狀態[7]。

為此，美國先進行了DUFF（The Demonstration Using Flattop Fissions）試驗，用已有裂變試驗裝置，中心開了一個熱管孔的高濃鈾燃料塊，一根基本的水熱管，兩臺已有的斯特林裝置（美國有從35W的SunpowerEE‐35到7.5kW的QnergyQB‐7500全范圍斯特林產品支持），在短短6個月內，以不足100萬美元的花費完成了預計試驗。該試驗首次用熱管從反應堆中取熱，首次斯特林匹配核反應堆發電，并且驗證了主要部件相關反應性和動力學的計算準確性。2012年9月13日，試驗成功發電24W，驗證了進一步建立地面堆的可行性。

隨后，美國開啟了KRUSTY（The Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY）項目。KRUSTY是一個5kw的地面原型堆，計劃在3年內完成，且花費控制在2000萬美元以內。

2? Kilopower技術細節調研

2.1 反應堆設計

Kilopower的反應堆是有史以來提出的最簡單（或者說簡潔）的反應堆概念之一。因為反應堆結構非常緊湊，此時快堆的中子動力學和系統動力學基本完全由材料的密度/幾何變化這一個因素決定。而堆芯基本完全固定的結構和幾何形狀（除去熱膨脹帶來的相對運動），使其啟動和運行階段的系統動力學非常容易預測和驗證。

反應堆是在低功率下運行的，因此其燃料、熱管、控制、反射層、屏蔽等是非常容易實現一體化的。低功率使其結構輻照損傷很小，熱量導出的要求也很低。唯一的運動部件只有安全棒，安全棒在啟動階段就彈出堆芯，此后全固態的、完全沒有運動件的反應堆具有很強的可靠性。而且因為低功率帶來的燃耗反應性損失很小，以至于反應堆可以自主運行10年以上而不需要控制。此外，低功耗使其在面對最惡劣的瞬態（例如斯特林失效導致余熱無法排出）也不需要進行任何實時控制動作（負反應性溫度系數自動調節），因此控制系統可以獨立控制斯特林的運行從而控制整個系統，而不用考慮同時控制反應性帶來的系統復雜性和系統沖突。

經過評估，反應堆在發射過程中的魯棒性能夠滿足要求，沒有放射性，所有假想的事故中唯一的核風險事故是安全棒彈出，除此以外沒有發射或運輸事故能導致臨界。

燃料富集度上，項目考慮了兩種選擇：93%的高濃鈾和19.75%的低濃鈾。使用低濃鈾最主要的原因就是反核擴散相關政策。美國的法律法規提供給NASA特殊的渠道（如Y—12國家安全中心等）后，Kilopower和KRUSTY都采用了高濃鈾。

燃料上反應堆選擇了鈾鉬合金，這主要是因為這是可用燃料中美國唯一研究的相對透徹，不再需要大量投入進行前期研究的成熟燃料。而且鈾鉬合金還有兩個理想的優點：高鈾裝量和高熱導率。但是鈾鉬合金同時也存在兩個顯著的缺點：相對較低的熔點和高溫下與多數材料不兼容的化學不穩定性。鈾鉬合金的熔化可以通過控制最高溫度來避免（比如KRUSTY最高溫度控制在880℃以下），但高溫帶來的軟化問題難以避免，必須小心的考慮裝載的應力甚至重力對燃料帶來的影響。但這兩個缺陷都是可以通過工程經驗和實驗測試來解決和避免的。鈾鉬合金限制更高功率的主要原因還是燃料腫脹。在800℃時，燃料的體積膨脹大約在4%左右。從燃料腫脹的角度來說，采用低濃鈾對提高功率更加有益。但低濃鈾帶來的燃料質量提升，堆芯體積增大，能量密度降低，需求熱管增多，系統復雜性增加等因素是無法接受的，所有高濃鈾還是唯一的可行方案。

2.2 熱管和斯特林電機

熱管帶來的固有冗余度也是保證系統可靠性的重要一環。每根熱管都是獨立的，并且有很高的可靠性。系統滿功率下依然能保證即使斯特林或者數根熱管失效（除非三根靠在一起的熱管同時失效），能量也能正常導出。系統的熱電轉換系統采取每根熱管直連一臺斯特林發電機，這保證了整個裝置具有最簡單的匹配結構、最簡單的系統動力學和最高的效率。缺點是一旦發生最壞的工況（斯特林電機失效），會使與它直連的熱管失去正常功能（因為缺乏中間級的傳熱機構將其傳遞給其他斯特林電機）。但這并不會影響整個系統，也最大程度的保證了系統整體的可靠性。

因為經費不足以開發新的發電機，項目所使用的斯特林由已有的高級同位素電源斯特林發電項目（ASRG）的70W電機修改而來。斯特林電機兩兩對置，通過控制保證動作同步以維持力學平衡。

2.3 KRUSTY的技術細節

KRUSTY試驗在2017年11月開始進行，先用不銹鋼模擬反應堆堆芯，然后用貧鈾鈾塊，最后采用高濃鈾進行地面核試驗[8]。鋼制的堆芯在熱學性能上和鈾是接近的，可以用來驗證熱負荷下熱管的連接和堆芯的分割方法，并且可以通過真空環境下的電加熱模擬試驗模擬太空環境。不銹鋼材料試驗得出的穩態工況、瞬態溫度、功率分布等可以作為貧鈾（DU）試驗的參考基準。貧鈾材料可以完成組裝而不需要考慮高濃鈾材料帶來的臨界問題和安全問題，同時可以作為參考確保組裝全過程中不會因為幾何和慢化劑相互影響帶來臨界安全隱患。同時貧鈾材料也具有輻射性，任何輻射性材料都不得不考慮安全問題，這可以使項目完善安全流程并使工作人員都做好準備，從而為高濃鈾裝料做好鋪墊。

實驗分為四個階段進行[9]：

（1）基本組件臨界。

堆芯，反射層，控制棒，單獨測試臨界。

（2）冷臨界。

加入熱管和能量轉換器，反應性逐漸上升到臨界但沒有熱量產出，核查中子模型參數。相關試驗參數將用來再評價帶功率運行的結果。試驗的另一個目的是得到相對“干凈”的材料和組件參數，這些參數將被用來進行后期的大功率反應堆設計。

（3）熱臨界。

反應性繼續提高直到在中等溫度（約400℃）下達到滿功率（4kw熱量）。這階段要確保剩余反應性不超過$0.8，這可以保證由緩發中子控制并限制系統溫度。

（4）全功率運行。

模擬反應堆從啟動，上升至額定功率，穩態運行在約800℃，進行瞬態操作，到停堆的全過程。為了達到指定溫度需要$1.7的剩余反應性。為了保證達到要求，通過調節氧化鈹反射層投入了$2.2的剩余反應性來彌補模型或材料可能帶來的誤差。整個測試大概持續28h，中間會進行斯特林移除，熱管失效，斯特林最大功率等瞬態來進行反應堆自補償和功率跟隨性試驗。試驗最后驗證了全熱管失效后系統的補償和調節能力。

衰變功率在30min后達到5%，24h后達到6%，所以實際熱功率應該比藍線高5%～6%。

可以看出反應堆對多種瞬態都有良好的自調節能力[13]，基本能將溫度穩定在800℃。

KRUSTY的運行操作和系統動力學和Kilopower是完全相似的，即使Kilopower發生了技術和材料的改變，其熱—核耦合行為在本質上也是完全一致的。

在插入燃料和熱管前，固定環就已經被加熱到了800℃，以保證熱管和燃料始終保持良好的接觸性和避免高溫帶來的材料膨脹使其無法抱緊堆芯[10]。

反應堆功率范圍是1.5～5kWt最后試驗測得，單個斯特林電機的效率約在35%，反應堆整體效率約在25%[11]。

3? 結語

KRUSTY原型堆相關試驗順利完成，為kilopower和相關空間堆項目的進行積累了大量的數據和經驗，表明美國空間裂變堆研究已經基本能夠投入實踐應用（技術成熟度基本達到5級），這也從某種程度上代表了未來空間堆的研究方向：簡潔、可靠的反應堆結構，無需干涉的自調節控制能力，高效、穩定的能量轉換設備。相信其項目經驗對我國空間反應堆的研究和發展有很多足以借鑒和參考的地方。

參考文獻

[1] 伍浩松.美國空間放射性同位素電力系統發展概述[J].國外核新聞，2012（10）：28-32.

[2] Robert L. Cataldo ， Gary L. Bennett， Space Radioisotope Power Systems and Applications： Past， Present and Future[M]. NASA Glenn Research Center， 2011，474-477.

[3] Ralph L. McNutt，Jr. Radioisotope Power Systems： Pu-238 and ASRG status and the way forward[C]. 10th Meeting of the NASA Small Bodies Assessment Group， 2014.

[4] Scott F. Demuth. Sp100 space reactor design[J]. Progress in Nuclear Energy， 2003，42（3）：323-359.

[5] 朱毅麟.美國太空核動力計劃重開張——“普羅米修斯”計劃一瞥[J].國際太空，2004（9）：26-30.

[6] John Ashcroft， Curtis Eshelman. Summary of NR Program Prometheus Efforts[J]. AIP Conference Proceedings;2007.1， Vol. 880 Issue 1， P497.

[7] David I. Poston， Marc Gibson， Patrick McClure. Kilopower reactors for potential space exploration missions[C]. NETS-2019， ANS （2019）.

[8] Don Pala，，Marc Gibson， Lee Mason， and Michael Houts .Nuclear Systems Kilopower Overview[C]. Nuclear and Emerging Technologies for Space 2016， February 22， 2016 - February 25：17.

[9] Marc A. Gibson; Steven R. Oleson; David I. Poston; Patrick McClure. NASAs Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions[R].NASA Technological Report， NASA/TM—2017-219467 （2017）， National Aeronautics and Space Administration Glenn Research Center， Los AlamosNationalLaboratory，Nov.2017.

[10]David I. Poston， Marc Gibson， Patrick McClure.et al.Results of the KRUSTY nuclear system test，Nuclear and Emerging Technologies for Space[C]. NETS-2019， ANS （2019）.

[11]Marc Gibson， David Poston， Patrick McClure， et al; The Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY （KRUSTY）[C]. Nuclear Ground Test Results and Lessons Learned 2018 International Energy Conversion Engineering Conference， Cincinnati， Ohio，2018-7-9.

[12]David I. Poston， Rene Sanchez， Patrick McClure， results of the KRUSTY warm critical experiments[C]. NETS-2019， ANS （2019）.