美國“千瓦電源”空間核裂變反應堆技術現狀與發展

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

隨著太空探索的深入和持續時間的延長，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重要的。小型空間核裂變反應堆電源具有環境適應性好、功率覆蓋范圍廣、結構緊湊，以及大功率條件下質量功率比小等突出優點，在深空探測等航天任務中將具有廣闊的應用前景。美國國家航空航天局（NASA）將采用1～10kW“斯特林”（Stirling）能量轉換方式的核裂變發電技術列為其新版技術路線圖中重點發展的方向之一，其目前主攻開發的10kW級“千瓦電源”（Kilopower）反應堆系統代表著當前國際上“斯特林”發電技術領域最先進的發展水平。

“千瓦電源”空間反應堆電源裝置在月面部署的概念圖

1 空間核反應堆電源相關技術概況

空間核反應堆電源工作原理

空間核反應堆電源是在執行航天任務中將核反應堆產生的熱能轉換成電能,能為航天器供電的裝置。空間核反應堆電源主要由反應堆本體、陰影輻射屏蔽、熱電轉換系統、廢熱排放系統和自動控制系統等五個部分組成。在反應堆本體內發生核裂變反應產生的熱能被傳輸至熱電轉換系統，一部分熱能在熱電轉換系統中轉換為電能，沒有轉換成電能的廢熱則由廢熱排放系統通過輻射散熱形式，排散到宇宙空間中；陰影輻射屏蔽體位于反應堆本體和電源其他系統以及航天器有效載荷之間，可以將核反應堆產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；自動控制系統負責電源系統的監測和運行控制。

“斯特林”核裂變發電技術研發進展

針對空間“斯特林”核裂變發電技術，美國自20世紀70年代以來，一直在電源系統構型設計、發電機技術等方面開展研發，并在系統控制技術方面投入了大量資金和人力，相繼提出多個系統技術方案，并進行了大量的地面試驗技術驗證，當前設計的最高電源系統功率可達40kW，但尚未進行過任何在軌飛行驗證活動。

在電源系統的能量轉換技術研發方面，NASA開展了概念研究、大功率“斯特林”試驗臺和技術示范樣機三項重要研究。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堆電源技術作為其重要研究方向，并在材料、熱管、工藝等技術發展的基礎上，啟動了“數千瓦自由活塞式斯特林能量轉換”技術的研發項目，計劃用于未來20年內的載人登月任務。隨后，NASA又提出了創新性的“千瓦電源”反應堆方案，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。

“斯特林”核裂變反應堆具有能量密度大、工作壽命長、受環境限制少等技術優勢，為整個系統的安全性和可靠性的大冗余設計提供了必要條件，是空間核反應堆電源研發的突破口，在未來火星探測等極具挑戰性和創新性的航天任務中具有很強的競爭力。

2 “千瓦電源”項目發展現狀

“千瓦電源”項目由NASA空間技術任務部（STMD）/顛覆性技術開發計劃于2015年發起，旨在開發和測試用于行星表面的小型裂變堆系統。經過多年研發，NASA已成功將“千瓦電源”系統整體技術的成熟度（TRL）從TRL2～3提升至TRL5，個別組件技術成熟度甚至已達到了TRL6及以上。

技術方案

“千瓦電源”反應堆概念設計方案簡潔，主要以快中子堆（簡稱“快堆”）作為熱源，采用鈉熱管進行堆芯冷卻，通過自由活塞式“斯特林”發電機實現熱電轉換（轉換效率高達25%）。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。“千瓦電源”反應堆設計采用較成熟的鈾鉬合金、鈉熱管、“斯特林”能量轉換等關鍵技術，與以往堆型相比，具有熱電轉換效率高、壽期長（15年燃耗僅0.1%）、可靠性高、能自主運行等優勢；采用高濃鈾鉬合金作為燃料，將具有高鈾裝量、高熱導率等優勢，因此這是迄今為止千瓦級空間堆中的最佳設計方案，將使研制高效且輕量級反應堆成為可能。

“千瓦電源”反應堆預計可連續運行12～15年，不間斷輸出功率達到1～10kW，極適用于深空探測任務，其堆芯產生的熱量通過一系列高溫鈉熱管轉移到“斯特林”轉換器的熱端，“斯特林”轉換器冷端余熱通過鈦-水熱管轉移到散熱器面板，最終排放到太空中。反應堆需要在空間真空環境下，在標稱堆芯設計溫度和功率是800℃和4kW（熱）的情況下實現穩態運行。

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堆研發，即“利用斯特林技術的‘千瓦電源’反應堆”（KRUSTY）項目。KRUSTY地面原型反應堆項目最初計劃研發5kW級的原型反應堆并開展地面試驗。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，以及燃料與鈉熱管之間的擴散特性等。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堆堆芯轉移到能量轉換系統。2016年，該項目主要聚集于完成必要的非核系統級試驗，以充分驗證堆芯和熱能轉換過程之間的性能。2017年初至2018年3月，成功對原型堆進行了組件臨界、冷臨界、熱臨界和全功率運行四個不同階段的地面試驗，建立了1～10kW級核裂變動力系統技術基礎。原型堆試驗結果將驗證用于反應堆設計的計算機模型、方法和數據。

此外，原型堆地面試驗在設計、制造、啟動、運行、瞬態行為和停堆等方面也獲得了寶貴經驗。2017年11月，該技術成熟度提升至TRL5，成功達到了預期目標。2018年3月，在一次長達28h的試驗中，原型堆裝備28kg鈾235并以滿功率方式運行，堆溫達到850℃，功率達到5.5kW。

3 技術應用及后續發展

完成地面原型堆的全功率試驗后，項目團隊目前正在制定該技術相關的任務概念方案，為飛行演示驗證任務做準備，以期實現未來應用于月球和火星表面基礎設施的目標。

潛在應用

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

2019年8月，白宮發布“關于發射載有空間核系統的航天器的總統備忘錄”（NSPM-20），簡化了部分涉核航天任務的發射審批程序，首次將商業任務的審批也包含其中，目的是為了支持更多任務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驗室（LANL）宣布，已與美國空間核能公司（SpaceNuks）簽署授權協議，計劃在未來幾年內推動“千瓦電源”空間核裂變反應堆技術商業化，并應用于深空探測等載人航天項目中。

后續發展

2020年底，NASA和美國能源部聯合向工業界征集建議書，旨在開展“千瓦電源”項目的后續研究，以支持NASA遠期月球和火星探索計劃的緊湊型核動力系統，即10kW的核裂變系統。該系統預計于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行：第一個階段是新型反應堆設計；第二個階段是建造在月面進行技術驗證的反應堆，并開發將反應堆送往月球的飛行系統和月面著陸器。向工業界發出的目標信息征集中提出了該反應堆及相關技術要求。

一是飛行系統功率輸出目標。飛行系統包括最長為1km的輸電電纜，要求發電系統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：將系統設計為可擴展，目的是能在不進行重大設計變更的情況下實現最大功率，并能作為系統并聯模塊運行。

二是飛行系統質量目標。以質量最小為目標開發系統，延伸目標為2000kg，最大不超過3500kg。應包括按ANSI/AIAA S-120A-2015《空間系統質量特性控制》分配的質量增加預留量。較低質量目標允許飛行裝置由“空間系統質量特性控制”著陸器攜帶，或作為載人著陸系統著陸器下降級有效載荷的一部分。系統設計方案需包括輻射防護罩和附加的附件質量。鼓勵提供設備質量清單。鼓勵設計裂變表面供電系統使其能夠作為完整的飛行裝置經受運載火箭發射和月球著陸過程。

三是環境適宜性目標。旨在保障月球南極地區的探索，火星表面有待探測的具體區域尚未確定。飛行系統應適應與這兩個目的地相關的環境和地表條件。

四是運行目標。開發具有自主運行能力的系統，具有自主或指令開堆/關堆的能力。在發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。這一設計目標是根據月球或火星上部件故障后的基本電力需求而設計的。鼓勵開發在全電力輸出情況下最低運行壽命不少于10年的系統。

五是可擴展性目標。開發可直接擴展到火星表面運行的系統。硬件系統提供框架和功能，可在火星表面以類似的功率輸出運行，而無需進一步的技術開發。

4 結語

2020年12月，時任美國總統特朗普簽發《航天政策第6號令》（SPD-6）——《空間核電源與核推進國家戰略》，明確將在21世紀20年代中后期實現月面裂變反應堆電源系統演示驗證作為一項國家級戰略目標。隨著美國持續推進重返月球的“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。經過數十年發展，美國相關技術已相當成熟，而“千瓦電源”也多采用成熟技術和部件，原型堆地面試驗開展也比較順利，預計短期內可開展飛行實踐驗證，有望快速實現一定程度的商業化應用，在未來深空探測任務中具有很強的競爭力。