空間核反應(yīng)堆電源發(fā)展及應(yīng)用

閆鋒哲　陳章隆

摘 要：空間核反應(yīng)堆（space reactor），是利用核反應(yīng)產(chǎn)生的能量為航天器提供電力的一種空間電源。根據(jù)航天器不同的任務(wù)需求，可以將空間核反應(yīng)堆的用途細(xì)分為空間核電源和空間核推進。長期載人的宇宙空間站和大型通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星和星表空間基地等，在運行時都需要千瓦或者千瓦以上功率的電源，而且還要求其供電系統(tǒng)必須具有重量輕、體積小、功率大、使用壽命長等特點。在科技飛速發(fā)展的今天，各種空間電源都在大力研發(fā)建設(shè)中，空間反應(yīng)堆作為一個重要的空間電源，具有重量輕、體積小、功率大和壽命長的優(yōu)勢，是未來最具有發(fā)展前景的空間電源。本文對空間核反應(yīng)堆的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景進行介紹。

關(guān)鍵詞：空間核反應(yīng)堆 航天器 空間電源

中圖分類號：TL99 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0021-03

目前航天器應(yīng)用最廣泛的的電源供應(yīng)裝置是太陽能電池。但是由于太陽能電池過于依賴太陽光照，對太陽光的角度和與太陽的距離都有較高的要求，如果角度不佳或者與太陽的距離過遠，都會影響太陽能電池的發(fā)電效率。因此在研究太陽能電池之余，科研人員開始也研究利用其他能源。利用核能為航天器提供能源主要包括兩種方式，一種是放射性同位素電池，一種是空間核反應(yīng)堆。放射性同位素電池是目前深空探測中應(yīng)用最廣泛的電源。其具有體積小壽命長等特點，可以在惡劣的環(huán)境下為航天器供電，目前飛行最遠的美國旅行者號就是依靠其攜帶的三個放射性同位素電池為其提供電力。放射性同位素電池雖然具有長壽命、較強的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢，但是其功率卻逐漸無法滿足日益發(fā)展的航天器的需求。因此，科研人員開始將研究的重點轉(zhuǎn)向可以提供大功率，長壽命的空間核反應(yīng)堆。

1 空間核反應(yīng)堆概述

1.1 空間核反應(yīng)堆電源概念及原理

空間核反應(yīng)堆電源是一種可以將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能供航天器使用的裝置，它主要由反應(yīng)堆本體、輻射屏蔽裝置、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、廢熱排放系統(tǒng)和反應(yīng)堆控制系統(tǒng)組成。（圖1）它的工作原理為：反應(yīng)堆本體將反應(yīng)堆核燃料產(chǎn)生的熱能通過一回路傳輸?shù)綗犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電能，并將電能直接輸送到航天器的負(fù)載。輻射屏蔽裝置則布置在反應(yīng)堆本體和空間核反應(yīng)堆電源其他系統(tǒng)的中間，以保證宇航員和航天器的其他設(shè)備受到的輻射水平在可以接受的范圍內(nèi)[1]。

1.2 空間核反應(yīng)堆的特征

在20世紀(jì)和21世紀(jì)，航天器應(yīng)用最廣泛的電源系統(tǒng)還是太陽能電池。主要是因為太陽能技術(shù)開發(fā)時間較早，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，安全性較高，而且壽命較長，功率可以達到上千瓦甚至更高。但是太陽能電池也存在許多局限性，其最大的不足就是過度依賴太陽光照，對太陽光的角度和與太陽的距離都有較高要求，無法適應(yīng)更遙遠的空間任務(wù)；其次太陽能電池容易受到輻射等外部環(huán)境的干擾，造成太陽能電池的性能下降[2]。空間核反應(yīng)堆作為一種科技含量較高的空間電源，具有許多太陽能電池不具備的優(yōu)勢，可以彌補太陽能電池和放射性同位素電池的缺陷，它的主要特點如下。

（1）空間核反應(yīng)堆電源的正常運行不依賴太陽光照，具有較高的自主性，可以在更遙遠的宇宙或者太陽光照射不到的區(qū)域為航天器提供電力或者動力。

（2）空間核反應(yīng)堆電源和太陽能電池相比，其對環(huán)境的適應(yīng)能力更強，可以在惡劣的環(huán)境下繼續(xù)運行。

（3）空間核反應(yīng)堆功率較大和使用壽命，可以長時間地為航天器和星表的空間基地提供大功率的電源。

1.3 空間核反應(yīng)堆的適用范圍

航天器會根據(jù)不同的飛行任務(wù)來選擇不同的空間電源來進行搭配。目前可供選擇和使用的空間電源主要化學(xué)電池、太陽能電池、空間核反應(yīng)堆和放射性同位素電源?；瘜W(xué)電池比較穩(wěn)定，輸出功率較高，適用于短期的航天飛行任務(wù)；太陽能電池使用壽命較長，技術(shù)也比較成熟，但是由于太陽能電池過于依賴光照，使用太陽能電池的航天器的飛行區(qū)域較為有限，無法在遠離太陽的更遙遠的宇宙執(zhí)行任務(wù)；放射性同位素電源輸出功率小，一般都在千瓦以下，但是可以長期提供電力，一般應(yīng)用于光照條件較差、功率需求較低的的空間任務(wù)，比如遠離太陽的深空探測等。而空間核反應(yīng)堆與以上三種供電方式相比具有更好的應(yīng)用價值，但是因為其造價昂貴，技術(shù)難度較高，因此一般用在較為重要的空間任務(wù)中，比如星球表面的空間基地和更遙遠的空間飛行等[3]。

航天器在執(zhí)行空間任務(wù)的時候會根據(jù)不同任務(wù)的需求來攜帶不同的電源配比。這些影響電源配比的因素不止局限在功率輸出和使用壽命上，還包括任務(wù)本身的空間區(qū)域，空間環(huán)境，安全性和經(jīng)濟型等。而空間核反應(yīng)堆體積較小，具有較強的靈活性，與太陽能電池相比，空間核反應(yīng)堆更適合一些機動靈活的空間軍事任務(wù)。綜上，空間核反應(yīng)堆最適用于功率較大、周期較長的空間任務(wù)，其次是一些大功率，周期長，靈活性高的空間軍事任務(wù)等[4]。

2 空間核反應(yīng)堆的研究現(xiàn)狀

2.1 空間核反應(yīng)堆的發(fā)展歷史

1965年，美國推出第一臺也是當(dāng)時唯一的一臺空間反應(yīng)堆——SNAP-10A（圖2），它也是人類歷史上第一個成功發(fā)射運行的空間核反應(yīng)堆電源[9]。雖然SNAP-10A的輸出功率只有500W，僅僅運行了13d，但SNAP-10A作為世界上第一個空間核反應(yīng)堆，仍然在空間核動力的歷史具有劃時代的意義。在20世紀(jì)，美國重點研究的空間核動力的計劃主要包括。

（1）SNAP計劃（1954-1973）：SNAP計劃作為世界上最早的空間核反應(yīng)堆的研發(fā)計劃，其研發(fā)目的是為美國空軍衛(wèi)星提供壽命為1年，功率為1～10kW的電力。在此計劃下，美國在1960年發(fā)射了載有世界上第一顆空間核反應(yīng)堆SNAP-10A的“阿金納”運載火箭。在火箭發(fā)射12h后，SANP-10A反應(yīng)堆達到了滿功率運行，后來由于火箭的電氣系統(tǒng)發(fā)生了故障，SNAP-10A反應(yīng)堆被永久關(guān)閉。

（2）核火箭發(fā)動機研究計劃（ROVER/NERVA）（1955—1973年）：ROVER核火箭發(fā)動機最初是在美國軍隊的支持下研發(fā)的，其研發(fā)的目的是為大型洲際彈道導(dǎo)彈提供強大的動力，后來由于化學(xué)火箭發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，因此本計劃被暫時終止。后來NASA為了尋找可以為美國載人探月工程提供動力的方法，決定繼續(xù)對核火箭發(fā)動機進行研究，并將本計劃改名為NERVA。

（3）SP-100計劃：1983年美國總統(tǒng)為了保護美國免受蘇聯(lián)的導(dǎo)彈攻擊，決定啟動“戰(zhàn)略防御倡議”計劃（SDI）。SP-100正式在在此背景下研發(fā)的。SP-100的技術(shù)優(yōu)勢是可以使用不同的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來滿足不同的任務(wù)需求。SP-100的輸出功率為100kW，設(shè)計壽命為7年。

（4）Timberwind（森林風(fēng)）：在1980年ROVER/NERVA結(jié)束后，美國在“戰(zhàn)略防御計劃”這一背景下計劃利用核熱推進為空間軌道的轉(zhuǎn)移動力和攔截彈道導(dǎo)彈提供動力，并將此計劃命名為Timberwind（森林風(fēng)）計劃。后來在冷戰(zhàn)結(jié)束后，Timberwind（森林風(fēng)）計劃被克林頓政府終止[5]。

2.2 空間核反應(yīng)堆的應(yīng)用范圍

空間核反應(yīng)堆以其適用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力高、壽命長、輸出功率大等特征，在航天領(lǐng)域的電源系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位，空間核反應(yīng)堆主要使用的具體空間任務(wù)的范疇可分為以下兩種。

2.2.1 民用航天任務(wù)

空間核反應(yīng)堆的出現(xiàn)，為民用航天任務(wù)帶來了全新的解決方法，美國國家航空航天局（NASA）從20世紀(jì)就開始對空間核反應(yīng)堆進行了一系列的研究和應(yīng)用。在本世紀(jì)美國總統(tǒng)特朗普宣布重返火星后，美國遠航局向外界展示了其為登陸月球、火星并建立月球和火星的空間基地而研發(fā)的Kilopower迷你空間堆。Kilopower迷你空間堆是目前世界各國對外公布的空間反應(yīng)堆中最為先進的空間反應(yīng)堆。

2.2.2 軍用航天任務(wù)

軍用航天任務(wù)大多要求飛行器具有較強的隱蔽性和機動性而空間核反應(yīng)堆憑借其得天獨厚的優(yōu)勢可以很好的應(yīng)用于此。美國和前蘇聯(lián)一開始研究空間核反應(yīng)堆，就是為了增強軍事實力而研發(fā)的。二戰(zhàn)結(jié)束后，美蘇兩國為了在軍事領(lǐng)域搶占先機，都開始了各項軍事技術(shù)的研究工作，其中就包括空間核反應(yīng)堆。

蘇聯(lián)自20世紀(jì)50年代開始研究空間核反應(yīng)堆以來，已經(jīng)向宇宙空間發(fā)射了35個空間反應(yīng)堆電源。1961—1989年，蘇聯(lián)一共研發(fā)了4種空間核反應(yīng)堆電源，這4種分別為ROMASHKA空間反應(yīng)堆電源（圖3）、BUK型空間核反應(yīng)堆電源、TOPAZ-1型空間核反應(yīng)堆電源和TOPAZ-2型空間核反應(yīng)堆電源。ROMASHKA空間反應(yīng)堆是蘇聯(lián)最早研發(fā)的空間反應(yīng)堆。它的輸出功率大概在500w——800w，和美國研制的SNAP-10A較為接近。在1966年，蘇聯(lián)又推出了BUK型空間核反應(yīng)堆電源，為當(dāng)時正在研制的海洋監(jiān)視衛(wèi)星提供電力。從1967年開始，俄羅斯先后發(fā)射了31個BUK型空間核反應(yīng)堆，并成功應(yīng)用海上雷達觀測衛(wèi)星上。繼BUK空間核反應(yīng)堆之后，蘇聯(lián)又相繼研發(fā)了TOPAZ-1型和TOPAZ-2型。在1987年，蘇聯(lián)先后發(fā)射了兩個TOPAZ-1型空間核反應(yīng)堆電源Cosmos-1818和Cosmos-1867并取得了成功。

3 結(jié)語

空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)作為一項跨時代的技術(shù)，有著巨大的影響力，雖然它對技術(shù)和資金等有較高的要求，但是卻具有非常遠大的發(fā)展前景，是未來實現(xiàn)深空探索的關(guān)鍵技術(shù)。在空間核反應(yīng)堆的研發(fā)過程中，需要積極借鑒陸地核反應(yīng)堆的技術(shù)，大膽創(chuàng)新、積極主動的探索，使用全新的技術(shù)和設(shè)計理念去研發(fā)和陸地核反應(yīng)堆技術(shù)相似卻也有著巨大差別的空間核反應(yīng)堆電源。我國在上世紀(jì)70年代也開始進行了空間核反應(yīng)堆電源研發(fā)，我國正在開展空間核反應(yīng)堆的研發(fā)工作。相信在不久的將來，我國的航天事業(yè)會在核動力的助力下走向更遙遠更廣闊的星空。

參考文獻

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[2] 馬世俊，杜輝，周繼時，等.核動力航天器發(fā)展歷程（上）[J].中國航天，2014，（4）：31-35.

[3] 馬世俊，杜輝，周繼時，等.核動力航天器發(fā)展歷程（下）[J].中國航天，2014，（5）：32-35.

[4] 吳偉仁，劉繼忠，趙小津，代守侖，于國斌，萬鋼，劉倉理，羅琦，龐涪川，朱安文，唐生勇，柳衛(wèi)平，張傳飛，曾未.空間核反應(yīng)堆電源研究[J].中國科學(xué)：技術(shù)科，2019，49（01）：1-12.

[5] 解家春，趙守智.空間核反應(yīng)堆的過去、現(xiàn)在和未來（內(nèi)部報告）[R].北京：中國原子能科學(xué)研究院，2014.