美國(guó)完成千瓦級(jí)空間堆測(cè)試

張 焰 伍浩松 王 樹(shù)

今年5月，美國(guó)國(guó)家航空航天局宣布已完成Kilopower千瓦級(jí)空間堆測(cè)試。此次測(cè)試于2017年11月—2018年3月在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行。

Kilopower千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的特性

Kilopower是一種千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，并使用成熟技術(shù)等特點(diǎn)，可作為深空探索的動(dòng)力系統(tǒng)和外星前哨站的能源供應(yīng)系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)核反應(yīng)堆一樣，Kilopower使用鈾-235裂變產(chǎn)生的能量。與以水為冷卻劑并使用二氧化鈾燃料的傳統(tǒng)反應(yīng)堆不同的是，Kilopower使用鈉熱管以非能動(dòng)方式將熱量從堆芯傳導(dǎo)至斯特林發(fā)電機(jī)，并以鈾鉬合金為燃料。

Kilopower使用鈾鉬合金堆芯，堆芯外圍是氧化鈹反射層，功率為1～10千瓦，可連續(xù)運(yùn)行10年不用換料。通過(guò)從反應(yīng)堆一端插拔碳化硼單棒來(lái)控制其啟動(dòng)和停堆。氧化鈹反射層可將中子彈回堆芯，提高自調(diào)節(jié)裂變反應(yīng)的效率。緊密?chē)@堆芯的熱管將堆芯熱量傳遞至斯特林發(fā)電機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。設(shè)置了一個(gè)傘狀冷卻陣列，排出過(guò)剩的熱量。

Kilopower采用模塊化設(shè)計(jì)，將自持式反應(yīng)堆裝置與斯特林發(fā)電機(jī)組合在一起，為深空探測(cè)器或火星等外星前哨站提供能源。4座Kilopower反應(yīng)堆即可滿足火星前哨站的電力需求。

Kilopower千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的研發(fā)測(cè)試

Kilopower研發(fā)項(xiàng)目由美國(guó)航空航天局和能源部于2015財(cái)年啟動(dòng)，目標(biāo)是驗(yàn)證空間堆各子系統(tǒng)的技術(shù)準(zhǔn)備水平。

該項(xiàng)目包括三項(xiàng)研究?jī)?nèi)容：第一是Kilopower原型堆測(cè)試，包括研制和測(cè)試800瓦原型堆。第二是火星Kilopower系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，包括根據(jù)800瓦原型堆設(shè)計(jì)能夠滿足火星前哨站能源需求的3～10千瓦動(dòng)力系統(tǒng)。第三是Kilopower鈦-水熱管散熱器原型的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，為未來(lái)在國(guó)際空間站進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

項(xiàng)目的核心是第一項(xiàng)研究。一座800瓦的Kilopower原型堆使用4對(duì)斯特林發(fā)電機(jī)，每對(duì)電輸出功率為200瓦。實(shí)際上，一對(duì)全規(guī)模斯特林發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)全部技術(shù)目標(biāo)。原型堆主要設(shè)備包括Kilopower堆芯、熱管、發(fā)電機(jī)和散熱器。

在第一項(xiàng)研究中，能源部洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)原型堆設(shè)計(jì)，Y-12國(guó)家安全綜合體負(fù)責(zé)堆芯制造。航空航天局格倫研究中心負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造Kilopower傳熱、發(fā)電和散熱系統(tǒng)，并對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行電熱測(cè)試，馬歇爾航天中心負(fù)責(zé)研制用于非核測(cè)試的電熱反應(yīng)堆模擬器以及供核測(cè)試使用的屏蔽層。原型堆的總裝和測(cè)試工作在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行。

Kilopower原型堆測(cè)試工作于2017年11月—2018年3月在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)開(kāi)展，目的是驗(yàn)證這種反應(yīng)堆的技術(shù)可行性以及在異常工況下的安全性。

此次測(cè)試共分四個(gè)階段：前兩個(gè)階段在堆芯不臨界的情況下進(jìn)行，目的是確認(rèn)各系統(tǒng)均如預(yù)期的一樣運(yùn)行；在第三階段，逐級(jí)提升原型堆運(yùn)行功率，即從啟動(dòng)逐級(jí)達(dá)到滿功率；第四階段持續(xù)了28小時(shí)，對(duì)原型堆正常運(yùn)行期間的各種運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬，包括啟動(dòng)、逐級(jí)提升至滿功率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和停堆。

2018年5月2日，航空航天局宣布，Kilopower原型堆成功通過(guò)了一系列初步測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)模擬了功率降低、發(fā)電機(jī)故障和熱管故障等各種工況。結(jié)果表明，該原型堆能夠持續(xù)運(yùn)行并成功應(yīng)對(duì)多種故障工況。此次測(cè)試證明原型堆的工作方式與設(shè)計(jì)人員預(yù)期的一致：無(wú)論在什么工況下，原型堆都表現(xiàn)良好。該反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試費(fèi)用總計(jì)不超過(guò)2000萬(wàn)美元。

Kilopower千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的發(fā)展應(yīng)用

Kilopower的容量未來(lái)有望擴(kuò)至10～100千瓦，甚至兆瓦。未來(lái)，宇航員只需在月球或火星表面安裝幾臺(tái)這樣的裝置，就可保障前哨站在10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的能源供應(yīng)。

對(duì)于到火星乃至更遠(yuǎn)的深空探索，空間裂變堆是一種理想甚至可能是目前唯一可行的千瓦級(jí)動(dòng)力來(lái)源。在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空中，太陽(yáng)能電池板將不能正常工作；如果使用化學(xué)能系統(tǒng)，則需要攜帶大量燃料，不具可行性；利用钚-238衰變熱發(fā)電的放射性同位素系統(tǒng)雖已在美國(guó)空間探索任務(wù)中得到應(yīng)用，但這一系統(tǒng)的功率均低于300瓦，而火星前哨站需要40～50千瓦的電力供應(yīng)。

未來(lái)的深空探索，需要使用千瓦級(jí)空間堆，為推進(jìn)器提供動(dòng)力或者為外星前哨站提供充足能源。

1965年4月3日，美國(guó)成功把500瓦的SNAP-10A空間堆送入太空。這是美國(guó)首座也是唯一一座被送往太空作業(yè)的空間堆，但該堆僅運(yùn)行43天，就因設(shè)備故障而廢棄。

在1970—2010年期間，美國(guó)曾多次開(kāi)展空間堆研究，但均未取得實(shí)質(zhì)性成果。

2012年，洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)華達(dá)“Flattop”裝置上進(jìn)行空間堆技術(shù)方案驗(yàn)證測(cè)試。在此次測(cè)試中，使用了高濃鈾堆芯、1根熱管（位于堆芯中心孔）和2臺(tái)斯特林發(fā)電機(jī)的設(shè)備配置，最終產(chǎn)生24瓦功率，證明了這一技術(shù)方案的可行性。此次測(cè)試為期不到6個(gè)月，投資不到100萬(wàn)美元。

2015年啟動(dòng)Kilopower項(xiàng)目，在三年內(nèi)完成原型堆的設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試，總投資不到2000萬(wàn)美元。

成功測(cè)試Kilopower只是朝著利用空間裂變動(dòng)力邁出的第一步，從目前看，該技術(shù)在很大程度上仍是概念性的，將其實(shí)際應(yīng)用于航天系統(tǒng)還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

美國(guó)航空航天局希望以Kilopower為基礎(chǔ)研制出飛得更快、更遠(yuǎn)的空間推進(jìn)系統(tǒng)，并對(duì)利用Kilopower為月球等外星軌道和表面設(shè)施供電尤為感興趣。

航空航天局下一步準(zhǔn)備將Kilopower付諸實(shí)踐，現(xiàn)正在研制一種被稱(chēng)為空間發(fā)射系統(tǒng)的巨型火箭，希望在月球附近建一座空間站，計(jì)劃把人類(lèi)送往月球表面執(zhí)行探月任務(wù)，甚至計(jì)劃在21世紀(jì)30年代讓宇航員登陸火星。