核熱推進技術簡述

楊小磊 劉盧果 章 靜 李沛穎

（1.中國核動力研究設計院，四川 成都610041；2.核反應堆系統設計技術重點實驗室中國核動力研究設計院，四川 成都610041；3.西安交通大學，陜西 西安710049）

0 引言

隨著人類空間探索的規模不斷提高，對航天器的飛行時間、載荷和加速度等性能指標的要求越來越高，對推進技術的發展提出了新的要求[1]。傳統的化學能推進技術性能已經逐漸趨于技術極限，但是其比沖小，能量密度低的特點越來越難以適應未來空間活動的需要[2]，而太陽能-電力推進技術目前尚不能廣泛應用至各類復雜的太空環境中。因此，發展先進的空間推進技術已成為必然選擇。核反應堆可以長時間提供能量，不需要太陽能等外部能量，對外太空星球表面的輻射帶也不敏感。因此，核熱推進技術在執行長時間深空探測和星際航行任務時具有不可替代的優勢，有望成為新一代空天推進的核心技術。

1 放射性同位素衰變熱推進（RHTP）

放射性同位素熱核推進（RHTP）系統利用放射性同位素衰變所釋放的熱量通過熱傳導、熱輻射或者直接（放射性）輻射的方式對冷卻劑/推進劑進行加熱。主要分為固態堆芯與液態堆芯兩種概念設計。

1.1 RHTP固態堆芯設計[3]

RHTP系統的固態堆芯設計主要分為被動冷卻、主動冷卻與增大換熱面積三種方式進行堆芯衰變熱的導出。被動冷卻與主動冷卻的區別在于有無主動冷卻劑的使用。被動冷卻系統在沒有冷卻劑流經的“空閑”狀態下，必須依靠自身的結構進行輻射換熱；而主動冷卻劑系統在被動冷卻的基礎上添加了額外的冷卻劑流，一方面可以更加有效地導出堆芯的衰變熱；另一方面利用受熱噴出的冷卻劑可以實現推進性能的進一步提高。

除了使用冷卻劑外，還可以采用增大換熱面積的方式增強輻射換熱作用，如圖1所示，通過可擴展收縮的特殊外容器實現衰變熱的有效輻射導出。

圖1 推進（左）和空閑（右）兩種狀態下的固態堆芯RHTP示意圖

1.2 RHTP液態堆芯設計[4]

目前存在的RHTP液態堆芯的設計類似于上述的表面積擴展結構。在太空低重力環境下，裝載的熔融的放射性同位素通過容器旋轉所產生的離心力穩定。工作介質被送入多孔壁中，并與熔融材料接觸而產生氣泡，同時在膨脹的過程中收集熱量。然而由于放射性同位素的熔化并與推進劑的直接接觸，這一設計理念有可能對裝置造成輕微損耗并伴隨有高輻射量的推進劑外泄，如何通過多孔壁對熔融材料進行澆筑、裝置的力學設計等也存在諸多的潛在問題。

2 核裂變推進技術（NTFP）

2.1 NTFP固態堆芯設計

經過幾十年的研究與發展，人類社會的固相堆芯裂變反應堆技術已經日趨成熟并且得到了廣泛的工程應用[4]，美俄就固態堆芯的核熱推進進行了大量的方案設計和理論分析，研發出了諸如CERMET等耐高溫的燃料元件，建成了地面原型樣機，并進行了大量的啟動運行試驗，技術成熟度達到較高的水平。

現有的固態堆芯核熱推進技術主要以氫氣作為典型推進劑以獲得理論上的最大比沖，如圖2所示。熱工上一般可分為：氫泵增壓→流經噴管壁面和反應堆反射層加熱→部分氫氣驅動氫泵→核反應堆內換熱成為高溫、高壓氫氣→噴管噴出產生推力等多個階段。

圖2 非均勻固態核裂變堆芯NTFP的一般示意圖

盡管以固態裂變堆芯為代表的核熱推進技術在過去數十年中相對其他核熱推進技術已經具有相當高的技術成熟度，但仍然存在反應堆優化設計、燃料材料制備、核安全分析、反應堆啟動、輻射屏蔽防護、推進性能優化等多因素的非線性耦合問題，實際的應用投入還需較長的研究時間。

2.2 NTFP液態堆芯設計

液態堆芯的核燃料為熔融狀態，不存在熔化問題，但相應的燃料材料不能氣化。堆芯溫度和推進系統比沖相較于固態堆芯可以得到有效提高。研究表明，就環境和安全問題而言，液體燃料不易受到燃料破壞性事件的影響。在經濟性方面，簡化了燃料生產，利用裂變燃料作為導熱介質，從而提高了發電的效率。但是對于液態堆芯而言，熔融狀態燃料的形成、熔融狀態燃料的包容和控制，工質與熔融燃料之間的高效傳熱等問題目前很難解決。對于液態堆芯的核熱推進，目前也僅開展了概念研究，技術成熟度較低。

2.3 NTFP氣態堆芯設計

在固體堆芯核裂變推進技術中，由于堆芯的耐熱性和耐化學腐蝕性有限，推進劑出口速度的最大值被限制在10 km/s以內。在液體堆芯核裂變推進技術中，該限制則被提高至約17 km/s。限制因素主要包括固液邊界處的熱負荷以及裂變燃料的蒸發造成的損失。而利用氣態裂變材料甚至是能夠承受更高溫度的裂變等離子體材料，是該類裂變反應堆堆芯獲得更高推進劑出口速度的最終途徑，目前仍處于可行性研究階段。

2.4 瞬發超臨界核裂變推進技術

基于瞬發超臨界狀態的推進系統也已經被構想出來。最為著名的相關項目是“獵戶座計劃”。它設想利用核爆的能量來汽化并加速覆蓋在炸彈表面的塑料推進劑，由于爆炸能量過大，有必要用減震板吸收動量，將加速度降低到可控水平。

2.5 磁約束等離子體微塵核裂變推進技術

將核燃料制成直徑數納米量級的微塵形式，讓足量燃料微塵的表面帶電后約束于強磁場中并引發核裂變反應。裂變產物以等離子體形式存在，其中的大部分繼續被磁場約束，而部分動能足夠高的產物離子可以掙脫磁場的約束并在中和后直接噴出而形成推力，或者用于發電。此方案能夠獲得的比沖接近核裂變反應的理論極限值（106 s），且可獲得近90%的核能—電能轉換效率。這是目前為止設想的最為先進的核熱推進方案，近些年來也在處于可行性論證階段。

3 核聚變推進技術

核聚變實現的難點在于即使存在可以降低能量需求的“隧道效應”，聚變產生所需的觸發溫度仍然很高。目前的聚變推進概念主要以磁約束的形式開展。能量由過熱的磁約束等離子體提供。推進劑可能被包含在聚變產物中，能為系統提供一種由等離子體加熱并最終作為推進劑被噴射出來的額外冷卻劑。磁場形狀也分為球體、球形環面（STR）或反轉場結構（FRC）等，也有依賴于串級磁鏡或普通的托卡馬克類型而進行的設計。

4 核熱推進的未來發展趨勢

早期的核熱推進設計多采用石墨作為慢化劑，堆芯布置采用傳統結構，使反應堆功率密度較低，冷卻劑的堆芯壓降很大。同時，由于堆芯材料的熱應力、高溫腐蝕等性能的限制，反應堆啟動較慢，影響了核熱推進的推進效果。

為了彌補早期核熱推進的不足，最大限度地發揮其優勢，核熱推進的設計向小型化、輕量化發展，同時堆芯采用高濃縮鈾燃料和耐高溫材料，提高堆芯出口的冷卻劑溫度和堆芯功率密度，提高推進系統推重比。從美國以及俄羅斯的研發以及技術演變歷程可以看出核熱推進技術呈現以下幾種發展趨勢：（1）單個核熱推進發動機的小型化、輕質化、模塊化；（2）燃料元件通用化、堆芯設計模塊化；（3）持續開發耐高溫、耐蝕的燃料；（4）提倡采用非核試驗方式；（5）發展多模式空間核動力系統；（6）核熱推進系統多環境應用。

5 結論

核能是人類目前能夠掌握的最為強大的能源，而核熱推進是對核能利用最為完全的核推進方式?；诠虘B堆芯的核裂變能推進方式是目前發展最久、技術成熟度最高也是現階段最有可能實現的核熱推進技術。

但是，核熱推進在實際應用中還存在一些關鍵技術問題有待進一步解決。理論上來說，采用氣相和液相堆芯反應堆的核熱推進系統比固相反應堆核熱推進具有更高的比沖和推重比，是未來的發展趨勢，但相應的理論問題還有待解決，應盡早開展相關的理論與實驗研究。

致謝：

感謝核反應堆系統設計技術重點實驗室對本項目的資助。