美國“千瓦電源”空間核裂變反應(yīng)堆技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

李佳寧 程磊 張璐 楊偉杰（北京空間飛行器總體設(shè)計部, 中國空間技術(shù)研究院）

隨著太空探索的深入和持續(xù)時間的延長，提供比以往任何時候都更耐用、更有彈性、更可靠的能源是至關(guān)重要的。小型空間核裂變反應(yīng)堆電源具有環(huán)境適應(yīng)性好、功率覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊，以及大功率條件下質(zhì)量功率比小等突出優(yōu)點(diǎn)，在深空探測等航天任務(wù)中將具有廣闊的應(yīng)用前景。美國國家航空航天局（NASA）將采用1～10kW“斯特林”（Stirling）能量轉(zhuǎn)換方式的核裂變發(fā)電技術(shù)列為其新版技術(shù)路線圖中重點(diǎn)發(fā)展的方向之一，其目前主攻開發(fā)的10kW級“千瓦電源”（Kilopower）反應(yīng)堆系統(tǒng)代表著當(dāng)前國際上“斯特林”發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域最先進(jìn)的發(fā)展水平。

“千瓦電源”空間反應(yīng)堆電源裝置在月面部署的概念圖

1 空間核反應(yīng)堆電源相關(guān)技術(shù)概況

空間核反應(yīng)堆電源工作原理

空間核反應(yīng)堆電源是在執(zhí)行航天任務(wù)中將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能,能為航天器供電的裝置。空間核反應(yīng)堆電源主要由反應(yīng)堆本體、陰影輻射屏蔽、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、廢熱排放系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等五個部分組成。在反應(yīng)堆本體內(nèi)發(fā)生核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能被傳輸至熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，一部分熱能在熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換為電能，沒有轉(zhuǎn)換成電能的廢熱則由廢熱排放系統(tǒng)通過輻射散熱形式，排散到宇宙空間中；陰影輻射屏蔽體位于反應(yīng)堆本體和電源其他系統(tǒng)以及航天器有效載荷之間，可以將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射劑量減弱至有效載荷以及航天員安全可接受的水平；自動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)電源系統(tǒng)的監(jiān)測和運(yùn)行控制。

“斯特林”核裂變發(fā)電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

針對空間“斯特林”核裂變發(fā)電技術(shù)，美國自20世紀(jì)70年代以來，一直在電源系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計、發(fā)電機(jī)技術(shù)等方面開展研發(fā)，并在系統(tǒng)控制技術(shù)方面投入了大量資金和人力，相繼提出多個系統(tǒng)技術(shù)方案，并進(jìn)行了大量的地面試驗技術(shù)驗證，當(dāng)前設(shè)計的最高電源系統(tǒng)功率可達(dá)40kW，但尚未進(jìn)行過任何在軌飛行驗證活動。

在電源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研發(fā)方面，NASA開展了概念研究、大功率“斯特林”試驗臺和技術(shù)示范樣機(jī)三項重要研究。此外，由于钚238庫存告急，危及深空探測計劃，因而NASA決定將千瓦級空間反應(yīng)堆電源技術(shù)作為其重要研究方向，并在材料、熱管、工藝等技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，啟動了“數(shù)千瓦自由活塞式斯特林能量轉(zhuǎn)換”技術(shù)的研發(fā)項目，計劃用于未來20年內(nèi)的載人登月任務(wù)。隨后，NASA又提出了創(chuàng)新性的“千瓦電源”反應(yīng)堆方案，旨在支撐未來載人前往月球、火星和其他目的地的長期任務(wù)。

“斯特林”核裂變反應(yīng)堆具有能量密度大、工作壽命長、受環(huán)境限制少等技術(shù)優(yōu)勢，為整個系統(tǒng)的安全性和可靠性的大冗余設(shè)計提供了必要條件，是空間核反應(yīng)堆電源研發(fā)的突破口，在未來火星探測等極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的航天任務(wù)中具有很強(qiáng)的競爭力。

2 “千瓦電源”項目發(fā)展現(xiàn)狀

“千瓦電源”項目由NASA空間技術(shù)任務(wù)部（STMD）/顛覆性技術(shù)開發(fā)計劃于2015年發(fā)起，旨在開發(fā)和測試用于行星表面的小型裂變堆系統(tǒng)。經(jīng)過多年研發(fā)，NASA已成功將“千瓦電源”系統(tǒng)整體技術(shù)的成熟度（TRL）從TRL2～3提升至TRL5，個別組件技術(shù)成熟度甚至已達(dá)到了TRL6及以上。

技術(shù)方案

“千瓦電源”反應(yīng)堆概念設(shè)計方案簡潔，主要以快中子堆（簡稱“快堆”）作為熱源，采用鈉熱管進(jìn)行堆芯冷卻，通過自由活塞式“斯特林”發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%）。因為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)非常緊湊，此時快堆的中子動力學(xué)和系統(tǒng)動力學(xué)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(jié)構(gòu)和幾何形狀（除去熱膨脹帶來的相對運(yùn)動），使其啟動和運(yùn)行階段的系統(tǒng)動力學(xué)非常容易預(yù)測和驗證。“千瓦電源”反應(yīng)堆設(shè)計采用較成熟的鈾鉬合金、鈉熱管、“斯特林”能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)，與以往堆型相比，具有熱電轉(zhuǎn)換效率高、壽期長（15年燃耗僅0.1%）、可靠性高、能自主運(yùn)行等優(yōu)勢；采用高濃鈾鉬合金作為燃料，將具有高鈾裝量、高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢，因此這是迄今為止千瓦級空間堆中的最佳設(shè)計方案，將使研制高效且輕量級反應(yīng)堆成為可能。

“千瓦電源”反應(yīng)堆預(yù)計可連續(xù)運(yùn)行12～15年，不間斷輸出功率達(dá)到1～10kW，極適用于深空探測任務(wù)，其堆芯產(chǎn)生的熱量通過一系列高溫鈉熱管轉(zhuǎn)移到“斯特林”轉(zhuǎn)換器的熱端，“斯特林”轉(zhuǎn)換器冷端余熱通過鈦-水熱管轉(zhuǎn)移到散熱器面板，最終排放到太空中。反應(yīng)堆需要在空間真空環(huán)境下，在標(biāo)稱堆芯設(shè)計溫度和功率是800℃和4kW（熱）的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

原型堆地面試驗情況

作為“千瓦電源”項目的核心工作，NASA與美國能源部、美國國家核安全管理局在2015年10月共同啟動了地面原型反應(yīng)堆研發(fā)，即“利用斯特林技術(shù)的‘千瓦電源’反應(yīng)堆”（KRUSTY）項目。KRUSTY地面原型反應(yīng)堆項目最初計劃研發(fā)5kW級的原型反應(yīng)堆并開展地面試驗。2015年啟動的幾項材料試驗，旨在了解燃料的蠕變特性、燃料的熱膨脹系數(shù)，以及燃料與鈉熱管之間的擴(kuò)散特性等。同時開展了子組件試驗，以驗證鈉熱管是否能將足夠的熱量從反應(yīng)堆堆芯轉(zhuǎn)移到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。2016年，該項目主要聚集于完成必要的非核系統(tǒng)級試驗，以充分驗證堆芯和熱能轉(zhuǎn)換過程之間的性能。2017年初至2018年3月，成功對原型堆進(jìn)行了組件臨界、冷臨界、熱臨界和全功率運(yùn)行四個不同階段的地面試驗，建立了1～10kW級核裂變動力系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)。原型堆試驗結(jié)果將驗證用于反應(yīng)堆設(shè)計的計算機(jī)模型、方法和數(shù)據(jù)。

此外，原型堆地面試驗在設(shè)計、制造、啟動、運(yùn)行、瞬態(tài)行為和停堆等方面也獲得了寶貴經(jīng)驗。2017年11月，該技術(shù)成熟度提升至TRL5，成功達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。2018年3月，在一次長達(dá)28h的試驗中，原型堆裝備28kg鈾235并以滿功率方式運(yùn)行，堆溫達(dá)到850℃，功率達(dá)到5.5kW。

3 技術(shù)應(yīng)用及后續(xù)發(fā)展

完成地面原型堆的全功率試驗后，項目團(tuán)隊目前正在制定該技術(shù)相關(guān)的任務(wù)概念方案，為飛行演示驗證任務(wù)做準(zhǔn)備，以期實(shí)現(xiàn)未來應(yīng)用于月球和火星表面基礎(chǔ)設(shè)施的目標(biāo)。

潛在應(yīng)用

“千瓦電源”的潛在應(yīng)用包括核電推進(jìn)，以及為載人或無人的航天任務(wù)提供穩(wěn)定電源。基于“千瓦電源”反應(yīng)堆，NASA多個研究中心分別提出深空探測任務(wù)方案和載人探索任務(wù)方案，包括“泰坦土星系統(tǒng)任務(wù)”（TSSM）、“凱龍星（Chiron）”軌道器、“柯伊伯帶天體”（KBO）軌道器等。在這些任務(wù)中應(yīng)用以“千瓦電源”反應(yīng)堆為基礎(chǔ)的核電推進(jìn)系統(tǒng)能夠增加科學(xué)有效的載荷質(zhì)量，提高通信速率，縮短飛行時間。

2019年8月，白宮發(fā)布“關(guān)于發(fā)射載有空間核系統(tǒng)的航天器的總統(tǒng)備忘錄”（NSPM-20），簡化了部分涉核航天任務(wù)的發(fā)射審批程序，首次將商業(yè)任務(wù)的審批也包含其中，目的是為了支持更多任務(wù)在太空使用核動力裝置。

2020年10月底，美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室（LANL）宣布，已與美國空間核能公司（SpaceNuks）簽署授權(quán)協(xié)議，計劃在未來幾年內(nèi)推動“千瓦電源”空間核裂變反應(yīng)堆技術(shù)商業(yè)化，并應(yīng)用于深空探測等載人航天項目中。

后續(xù)發(fā)展

2020年底，NASA和美國能源部聯(lián)合向工業(yè)界征集建議書，旨在開展“千瓦電源”項目的后續(xù)研究，以支持NASA遠(yuǎn)期月球和火星探索計劃的緊湊型核動力系統(tǒng)，即10kW的核裂變系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)計于2027年在月面部署，可為月表長期活動提供電力。

該項目將分為兩個階段進(jìn)行：第一個階段是新型反應(yīng)堆設(shè)計；第二個階段是建造在月面進(jìn)行技術(shù)驗證的反應(yīng)堆，并開發(fā)將反應(yīng)堆送往月球的飛行系統(tǒng)和月面著陸器。向工業(yè)界發(fā)出的目標(biāo)信息征集中提出了該反應(yīng)堆及相關(guān)技術(shù)要求。

一是飛行系統(tǒng)功率輸出目標(biāo)。飛行系統(tǒng)包括最長為1km的輸電電纜，要求發(fā)電系統(tǒng)能在電纜終端不間斷地輸出不低于10kW的功率與120V的直流電壓。為此建議：將系統(tǒng)設(shè)計為可擴(kuò)展，目的是能在不進(jìn)行重大設(shè)計變更的情況下實(shí)現(xiàn)最大功率，并能作為系統(tǒng)并聯(lián)模塊運(yùn)行。

二是飛行系統(tǒng)質(zhì)量目標(biāo)。以質(zhì)量最小為目標(biāo)開發(fā)系統(tǒng)，延伸目標(biāo)為2000kg，最大不超過3500kg。應(yīng)包括按ANSI/AIAA S-120A-2015《空間系統(tǒng)質(zhì)量特性控制》分配的質(zhì)量增加預(yù)留量。較低質(zhì)量目標(biāo)允許飛行裝置由“空間系統(tǒng)質(zhì)量特性控制”著陸器攜帶，或作為載人著陸系統(tǒng)著陸器下降級有效載荷的一部分。系統(tǒng)設(shè)計方案需包括輻射防護(hù)罩和附加的附件質(zhì)量。鼓勵提供設(shè)備質(zhì)量清單。鼓勵設(shè)計裂變表面供電系統(tǒng)使其能夠作為完整的飛行裝置經(jīng)受運(yùn)載火箭發(fā)射和月球著陸過程。

三是環(huán)境適宜性目標(biāo)。旨在保障月球南極地區(qū)的探索，火星表面有待探測的具體區(qū)域尚未確定。飛行系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)與這兩個目的地相關(guān)的環(huán)境和地表條件。

四是運(yùn)行目標(biāo)。開發(fā)具有自主運(yùn)行能力的系統(tǒng)，具有自主或指令開堆/關(guān)堆的能力。在發(fā)生單一可靠性故障事件的情況下，不降低50%以上的電力能力。這一設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)月球或火星上部件故障后的基本電力需求而設(shè)計的。鼓勵開發(fā)在全電力輸出情況下最低運(yùn)行壽命不少于10年的系統(tǒng)。

五是可擴(kuò)展性目標(biāo)。開發(fā)可直接擴(kuò)展到火星表面運(yùn)行的系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)提供框架和功能，可在火星表面以類似的功率輸出運(yùn)行，而無需進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)。

4 結(jié)語

2020年12月，時任美國總統(tǒng)特朗普簽發(fā)《航天政策第6號令》（SPD-6）——《空間核電源與核推進(jìn)國家戰(zhàn)略》，明確將在21世紀(jì)20年代中后期實(shí)現(xiàn)月面裂變反應(yīng)堆電源系統(tǒng)演示驗證作為一項國家級戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著美國持續(xù)推進(jìn)重返月球的“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃，“千瓦電源”作為天體表面的可靠電源，在該計劃中的地位舉足輕重。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，美國相關(guān)技術(shù)已相當(dāng)成熟，而“千瓦電源”也多采用成熟技術(shù)和部件，原型堆地面試驗開展也比較順利，預(yù)計短期內(nèi)可開展飛行實(shí)踐驗證，有望快速實(shí)現(xiàn)一定程度的商業(yè)化應(yīng)用，在未來深空探測任務(wù)中具有很強(qiáng)的競爭力。