核能推進航天器新方法

陳國云，魏志勇，方美華，張紫霞

（1.南京航空航天大學 航天學院，南京 210016；2.南昌大學 物理系，南昌 330031）

1 前言

航天事業的飛速發展使人類探索太空的目標逐漸轉向太陽系中的深空。隨著探測目標離太陽的距離越來越遠，傳統的依靠化學能（燃燒化學推進劑）和太陽能（通過收集太陽輻射的能量）來推進航天器飛行將逐漸顯現其弊端。核能用于航天有著巨大的優勢和潛力，將成為更適合航天推進的能源。單位質量的重核裂變釋放的能量是等量化學燃料的數百萬倍，因而利用核能推動火箭和航天器飛行可以大大增加航天器飛行的距離。

然而，當今核能在航天領域的應用并不普及，目前能夠實現可控并投入使用的只有核裂變能。但核裂變能在釋放巨大能量的同時也伴隨著較強的核輻射，這不但會損害載人飛船中航天員的健康，即使在非載人時也會損壞航天器中的器件。而核聚變能是一種清潔的能源，釋放的有害射線少，但是核聚變能的應用必須要解決其可控性問題。本文首先概述了核裂變和核聚變在航天領域的應用，然后提出了一種新的核聚變能的空間應用方法。此方法和核爆發電原理相似,用可控的核裂變點火來誘發核聚變，使之釋放能量推進航天器。具體是讓核聚變材料在裂變形成的高溫、高密度條件下發生核聚變反應，再用熱載體儲存聚變釋放的能量；然后通過選擇合適的調制介質來調制輻射場和壓力場，限定邊界條件，最終達到直接推進航天器的目的。此外本文對核聚變能空間應用中產生的中子和γ射線的防護技術進行了討論。

2 核能是一種新型航天推進能源

2.1 核能是一種巨大的能源

核能包括核裂變能和核聚變能。核裂變能是指某些重核（如235U）發生裂變反應后產生較輕核而釋放出的能量。由于原子核的質量總是低于它所有質子和中子的質量之和，因而重核的裂變必然有質量虧損。根據Einstein的質能方程E=mc2，虧損部分的質量將轉化成能量釋放出來。計算結果表明，1 kg的煤燃燒釋放的能量約為2.88×107J，而1 kg的235U裂變釋放的能量可達7.02×1013J，因此1 kg的235U裂變釋放的能量相當于2.437×106kg的煤所產生的能量！核聚變能是兩個輕核聚合在一起，由于生成核的質量比原始兩核子的質量小而釋放出的能量。核聚變過程蘊藏著巨大的、可供利用的能量，具有廣闊的開發前景。1952年11月1日，美國首次以液態氘作燃料在地面上進行氘-氘聚變的核爆炸，釋放出了4.19×1016J的能量，相當于107t的TNT當量炸藥的能量。如果用這些能量以 35%的效率轉化為電能，相當于1 GW標準電站運行半年。就具體的核反應來說，2個輕核和2個中子結合成氦核反應中釋放的能量是28.2 MeV，若讓4個氘核經過一系列聚變反應可轉化為2個氦核，將放出44.7 MeV的能量，平均每原子質量單位氘原料的能量產額大約是6 MeV。這個數據比燃燒每個原子質量單位235U放出的能量數值（190/235=0.808 5 MeV）高得多。

2.2 核能提供航天器電源

電源系統是航天器的核心。目前，航天器上大多采用太陽能電池和化學電池提供能源。從圖1可以看出，在不同條件下，這些空間電源適用范圍是不同的，因此對于長期深空探測任務，應用太陽能或者核能源系統勢在必行。從圖2還可以知道，太陽系中各外行星與太陽距離越遠，它們接受到的太陽輻射光強越低：離地球最近的火星上的太陽光強為地球的一半，木星處只有地球的約4%，而土星等行星處則近乎為零。因此未來的深空探測中，使用核能電源可能將成為唯一的出路。

圖 1 空間電源及其應用范圍Fig.1 Various kinds of space powers

圖 2 外行星的太陽光強度Fig.2 Solar irradiance in solar system

2.3 核能推進航天器

推進單元是航天器的另一重要組成部分。進入21世紀，人類利用和探索宇宙空間的范圍和深度大大拓展。一方面，傳統化學推進的方法因推進劑能量密度低，需消耗大量燃料且不能將航天器加速到足夠快的速度，其效費比低、系統可靠性低，目前單純依靠化學推進來提高噴氣速度從而加速航天器的方法已經接近極限，無法滿足未來空間探索的需要，必將被新的推進方法所取代。另一方面，新世紀的核動力載人飛船，因要攜帶航天員的生活用品和工作設備，必然要進一步提高火箭發動機的推力。發展先進的、大推力、高比沖且可用于單級入軌的大型運載系統，核火箭發動機將成為一個極為重要的途徑。

3 核裂變能推進航天器技術

核裂變能推進航天器技術主要包括太空核電源和太空核推進。

3.1 太空核電源

太空核電源是利用核反應堆或者放射性同位素產生的熱，通過熱電轉換系統變為電能，向火箭或航天器提供所需的電力。太空核電源分為放射性同位素電源和反應堆電源兩類，其中熱能轉換成電能又有靜態和動態兩種方式。靜態轉換方式又包括溫差（熱電偶）轉換和熱離子轉換。溫差發電是利用熱電偶不同金屬的溫度梯度效應來產生電流，其優點是結構簡單、體積緊湊、適應性強、工作壽命長，但其輸出功率小、轉換效率低（3%～7%），通常與放射性同位素熱源構成目前應用最廣的太空核電源——放射性同位素溫差發電器（圖 3）。熱離子發電是利用熱能將二極管的發射極加熱到1 500 ℃以上發射電子，由集電極收集，通過外接負載回到發射極形成電流。熱離子發電適合于大功率輸出，轉換效率高（10%～20%），通常與反應堆熱源聯合使用構成反應堆-熱離子發電器。動態轉換方式是用熱能加熱流體工質使工質在高溫高壓下膨脹，推動渦輪發電機發電。動態轉換雖適合大功率發電，但其結構復雜，又有活動部件，需要潤滑和維護，目前處于研究開發階段。太空核電源的顯著優點是功率大、壽命長、體積小、環境適應性強。

圖 3 通用型熱源放射性同位素溫差發電器Fig.3 General purpose heat source-radioisotope the rmoelectric generator(GPHS-RTG)

3.1.1 國外的太空核電源

目前，僅美國和俄羅斯（前蘇聯）開發并使用了太空核電源。從20世紀60年代到20世紀末，美國共有43臺放射性同位素溫差發電器用于導航、通信和氣象等衛星，前蘇聯亦從20世紀60年代起到1989年先后發射了35個反應堆用做宇宙軍事偵察衛星電源。目前美國和俄羅斯正在研制大功率、長壽命的反應堆熱離子發電器用作航天器及電推進系統的電源。此外，德國和日本也在發展本國的太空核電源。日本原子能研究所設計了世界首座可完全自動運行的固有安全空間快堆RAPID-L[1]，它能在月球、火星表面上的探測活動提供電力，盡管沒有控制棒，但包含新穎的反應堆控制系統[2]。

總體上說，當今太空核電源正朝著大功率（數百至數千kW）、長壽命（10～15年）方向發展，擬采用熱離子和動態轉換相結合的熱電發電機，盡最大可能提高太空核電源的轉換效率。

3.1.2 我國的太空核電源

目前我國絕大多數航天器使用的是太陽能電源。21世紀我國的航天活動已從近地空間向深空探測發展。以月球探測工程為例，一期是研制并發射探月衛星。由于衛星在繞月運行期間能周期地接受太陽光，因而可繼續利用太陽能電池供電。探月工程二期將發射月球車，它白天仍可利用太陽能供電，夜間不工作。由于月球上黑夜溫度極低（-180℃），時間又很長（＞300 h），所以月球車必須采取主動加熱保溫措施以防凍壞，其所需電能只能由核能轉化而來。太空核電源（特別是放射性同位素溫差發電器）原理簡單、結構緊湊、技術成熟、使用方便，其可行性遠勝過太陽能電站，是月球車夜用電源的理想選擇。未來我國還將開展對火星及更遠天體的深空探測，隨著探測器距離太陽越來越遠，太陽能電池的發電效能已大大降低甚至完全失去作用，使用核能電源將是唯一出路。

我國是最早掌握核技術的國家之一，擁有高水平的核工業，為開發研制太空核電源奠定了一定的技術基礎和物質條件[3]。

3.2 太空核推進技術

3.2.1 傳統化學推進和新型推進方法

傳統推進技術是利用化學能將航天器送入預定空間軌道和實現航天器在軌機動的技術，主要是指液體和固體化學推進。隨著人類利用和探索宇宙空間的范圍和深度的大大拓展，傳統的化學推進已經無法滿足未來空間探索的需要，世界各國開始競相研究各種新型推進技術，如激光推進、微波推進、電推進、核能推進、光壓推進和反物質推進等。太空核推進是利用核裂變反應釋放出的能量，直接加熱工作介質，使其通過噴管膨脹后高速噴出，產生反作用推力；或者通過熱電轉換將核反應能轉換成電能，再用電能加速帶電粒子高速噴射，產生反作用推力。太空核推進系統一般包括核反應堆系統、熱電轉換系統和電-推力轉換系統。太空核推進的一個典型實例是核火箭發動機（圖4）。

圖 4 核火箭發動機示意圖Fig.4 Engine of nuclear rocket

核裂變型火箭發動機推動的優勢首先在于它不僅能長期工作（可達10多年），而且能產生很高的速度（8.7×104km/h），所以，它不僅能讓無人航天器到火星、木衛二、土衛六等星球上探個究竟，還可以讓無人航天器到太陽系的空間遨游，并在可以登臨的星球上進行著陸考察和資源開發。其次，核裂變型火箭大大縮短了太空飛行的時間，從而減少了整個飛行過程中接受來自空間的輻射劑量，顯著地增加成功探測的幾率[4]。再次，核動力裝置還具有體積小、比沖大（可達當代最佳化學推進系統的幾倍到幾十倍）、耐用，抗太空輻射和塵暴等優點。這些都將使得太空核能推進逐步取代傳統的化學推進而成為大推力推進首選技術[5]。

3.2.2 太空核推進的應用

太空核推進研究中最著名的為2003年1月美國提出的“普羅米修斯”計劃，目的是利用核動力推進航天器探索火星。該計劃開發的太空核推進系統和太空核電源系統，可以大大提高航天器的飛行速度，擴大探測太空的范圍，延長探測時間，提高探測效率，獲取更多的科學成果，因而它將推動探測器深入到太陽系的各個角落及遠征1.5×1010km外的太陽系邊界，開展快捷、長期、靈活和全面的科學探測活動。具體來說，可用于以下探測任務：(1) 對木星、土星、天王星和海王星等外行星及它們的衛星進行綜合、詳細的探測研究；(2) 對彗星進行全面探測，包括環繞探測和取樣返回，以提供進一步了解宇宙構成的知識；(3) 大大增強人類對環火星軌道、火星表面的觀測及取樣返回等探測活動能力；(4) 遠征太陽系邊界，探測冥王星和柯伊伯帶（離太陽約1.5×1010km處由彗星構成的小天體帶），提供更多的有關太陽系起源與演化的知識。

3.2.3 太空核推進中待解決的關鍵問題

研制太空核推進系統首先要解決核反應堆的設計、制造、控制、冷卻、輻射屏蔽和高效率熱電轉換等一系列物理和工程上的難題[6]。此外，太空核推進系統中的核輻射將對航天員的健康造成威脅。航天員在飛行時盡管采取了屏蔽措施，但其細胞仍會受到核輻射產生的粒子的轟擊，這對所有哺乳動物的細胞的影響都非常大。航天員在飛行時眼前偶爾出現的閃光就是HZN粒子打到視網膜上形成的。就算在非載人情況下，核輻射也會損壞航天器中的半導體器件，使得太陽能電池性能退化甚至失效，有機材料性能劣化，甚至出現災難性后果。因為這一系列的原因，太空核推進系統至今仍在研發之中。

4 核聚變能在航天領域的應用

4.1 航天應用聚變能的意義

核聚變能比核裂變能有更多的優點，在航天領域有非常重要的意義。當今地球面臨著鈾資源危機。有資料介紹[7]，2020年到2030年前后將出現鈾資源不足。而核聚變能采用廉價而豐富的氘原料實現核聚變反應而獲得能量。氘是氫的一種同位素，以氫的形式存在于水中，盡管其同位素豐度只有 0.015%，但因地球上豐富的水資源，可利用的氘原料幾乎取之不盡；相比核裂變，核聚變反應釋放的有害射線較少，聚變能是一種清潔的能源。

在當今的熱核聚變反應中，無論是氘-氘（D-D）或氘-氚（D-T）聚變，均伴隨著產生大量的聚變中子及其誘導的 γ射線。根據酈文忠等人的計算結果[8]，HL-2A裝置中純D-D熱核聚變中子產額可達3.5×1014中子/s，若考慮D-T聚變，中子產額可達5.2×1015中子/s。因此我們必須對中子輻射采取相應的防護措施。楊進蔚等人建議當中子的產額達到1011中子/s時，可以在裝置的四周覆蓋碳氫化合物中子吸收屏蔽層（如30 cm厚的石蠟層）[9]。黃群英等人曾提到用硼水層（2.2%B+97.8%H2O）屏蔽HT-7U聚變裝置中產生的中子具有很好的效果[10]。Ralph等提出在聚變電廠防護中采用Li、Li2BeF4、Li17Pb83等3種液體進行防護[11]，這些都給我們防護聚變推進器中的輻射提供了一定的參考。

4.2 聚變能的研究及應用現狀

核聚變能具有諸多優點和廣闊的開發前景，但核聚變的不可控性在一定程度上仍制約著它在航天領域的應用。為了應用核聚變能，前人做過很多不懈的努力。T.Kammash等曾經提到一種利用聚變反應堆加熱磁約束裝置中的等離子體的核推進系統[12]。陳志等人探索了D-3He聚變燃料推進器的可行性，發現其核心問題是受控核聚變原料3He的來源[13]。北京應用物理與計算數學研究所的白云等人總結了目前對于聚變能利用的3種主要方式[14]：磁約束MCF（Magnetic Confinement Fusion）、慣性約束ICF（Inertial Confinement Fusion）和和平利用核爆反應堆系統（Peaceful nuclear explosive reactor，PACER）。由于MCF和ICF聚變都面臨一些復雜的問題，相關的技術問題很難在短時間內得以解決，因而從技術上講，PACER很有可能成為解決世界能源需求的一個現實途徑。劉成安等人提出以核爆壓縮的方式，使數百克氘達到很高的密度和溫度,發生大規模、高速度自持的聚變反應[15]。將此瞬時產生的大量能量儲存于熱載體（如液態鈉或鈉鉀混合物）中,而后以可以接受的、較為緩慢的速度將熱載體中儲存的能量傳輸出來,用于發電。聚變核爆炸裝置由初級和次級組成：初級就是一枚小型的原子彈，以裂變放能為主，且需用少量的濃縮鈾或239Pu或233U等易裂變燃料；次級就是干凈的小氫彈，主要以氘作燃料加少量氚。利用初級小原子彈爆炸產生的沖擊波和高溫使次級彈芯達到高溫、高密度，從而實現高溫、高密度下的氘-氘自持聚變反應。后來彭先覺等人構思了一個核爆聚變電站[16]：讓核裝置在一個巨大的洞室（也稱爆洞）中爆炸，爆炸之前往洞中噴液態金屬鈉，并使鈉在爆炸時刻在爆炸核裝置周圍形成一定的分布；鈉一方面大量吸收爆炸的能量，同時還可有效降低爆炸沖擊波對爆洞壁的作用強度；爆炸后，把加熱的鈉從洞中抽出，與電站第二回路進行熱交換。彭先覺等人最終還預言：核爆炸在一定條件下是可控的，核爆聚變電站物理上是可行的。更重要的是我們可以利用核爆炸產生的大量中子來生產核燃料和進行核廢料處理,能夠更好地發揮熱中子堆的作用。美國和前蘇聯在20世紀70年代已開展了這方面的研究。

4.3 利用核裂變和聚變能推進航天器

鑒于核聚變的不可控性和核爆發電的原理，我們繞過目前存在的技術障礙，實現核聚變能用于空間推進，設想借助可控的核裂變來誘發聚變反應，將其用于推進航天器。初步設想大致分為幾個階段。

(1) 利用裂變點火，誘發核聚變反應。如圖 5所示，分別在A、B兩容器中裝入少量的濃縮鈾或239Pu或233U等易裂變燃料和氘。人工控制A容器中的燃料使其發生核裂變反應，核裂變產生的沖擊波是大振幅擾動的非線性波。這種波在 B容器中以超聲速傳播，波內氣體將受到顯著的壓縮，從而產生高溫、高壓環境。環境的壓力必將壓縮 B容器中的聚變燃料氘，使其達到很高的密度和溫度，于是發生大規模、高速度、自持的核聚變反應。

(2) 在B容器中噴入熱載體，使其在容器B中形成一定的分布。當核聚變反應被誘發后，其釋放的能量就被儲存在熱載體中。這里，熱載體一方面用來儲存能量，另一方面還用于調制爆炸沖擊波對容器壁的作用強度。

圖 5 核裂變、聚變能推進航天器模型Fig.5 Propulsive model of spacecraft using nuclear fission and fusion energy

(3) 核聚變在B容器中發生后將向四周釋放能量，同時產生強烈的沖擊波。根據文獻[17]，沖擊波在傳播的過程中伴隨著激波。激波前后的量（如壓強、密度、速度）應分別滿足質量、動量和能量守恒定律，即

其中：p、ρ、v分別表示激波的壓強、密度和速度；下角標0、1分別代表未擾動區和擾動區；ε表示激波的能量。由以上 3式可得激波關系，也稱藍金-雨貢尼奧關系：

可將激波關系寫為（令 Δp=p1-p0）

可見沖擊波的破壞與壓強、絕熱系數有著密切的關系。在設計 B容器的器壁時，應主要考慮此因素。

(4) 在 B容器外圍加上一層特殊的調制介質C。該介質將限定核聚變的邊界條件，根據不同介質對中子的作用不同對能量釋放的方式進行調制。如使核聚變釋放的能量在±x方向降為很低，而在±y方向只降低至容器壁可以承受的量級。作為代價，±y方向的能量輻射強度同時也將降低。這樣，經過調制后的能量將主要沿±y方向釋放。

(5) 利用外殼D約束經過調制后釋放的物質，使其高速地從推進器尾部噴出。將航天器置于＋y方向，由于動量守恒，從推進器尾部釋放物質和能量的同時就會推動航天器。

核聚變空間推進方法是一種新的直接推進方法，還有很多有待解決的具體問題。但這種結合核裂變能和核聚變能用于推進的方法必將給未來的深空探測任務提供又一新的思路。

5 結束語

核能在航天領域的應用逐步受到人們關注，主要體現在太空核電源和太空核推進。太空核電源提供的功率大，使用壽命長，可以極為有效地提高航天器的生存能力，但要求必須對航天器上的儀器設備采取屏蔽措施，防止各種射線的損害。太空核推進的優勢在于它不僅能長期工作，還能產生更高的速度，因而利用核能推進將成為大推力推進技術的理想選擇。但是核能推進技術的開發中也存在核動力的安全隱患問題——核輻射不但會嚴重危害航天員的健康，而且即使在非載人情況下也會損壞航天器中的器件，因而必須對輻射產生的各種粒子及射線（如n、γ等）進行防護。盡管如此，要發展地面先進、大推力、高比沖且可用于單級入軌的大型運載系統，仍應優先考慮發展核能推進技術。

核聚變燃料資源豐富，釋放的能量比核裂變大得多，又是一種清潔的能源，但目前核聚變的可控性尚未解決。因此本文提出一種新型的航天器推進方法，即利用可控的核裂變點火、核聚變放能來實現核推進。讓核聚變材料在高溫、高密度條件下發生核聚變反應，用熱載體儲存聚變釋放的能量；然后通過調制介質來調制輻射場和壓力場，選擇合適的邊界條件，使能量釋放后產生的推力主要沿著某一方向，從而達到最終直接推進航天器的目的。

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