空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)需求和應(yīng)用分析

閆鋒哲　趙強

【摘 要】相較于地面反應(yīng)堆而言，空間核反應(yīng)堆電源運行條件較嚴(yán)格，對核燃料也有較高的要求。因此，本文以空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)為研究對象，闡述了空間核反應(yīng)堆電源基本概念及原理，分析了空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)應(yīng)用需求。并對空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景進(jìn)行了簡單的分析，以期為空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)的有效應(yīng)用提供一定的借鑒。

【關(guān)鍵詞】空間核反應(yīng)堆電源技術(shù);能源轉(zhuǎn)換;反應(yīng)堆

中圖分類號： V442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）18-0052-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.026

Analysis of Technical Requirements and Applications of Space Nuclear Reactor Power Supply

YAN Feng-zhe ZHAO Qiang

（China nuclear power engineering corporation， Beijing 100840， China）

【Abstract】Compared with ground reactors， space nuclear reactor power supply has stricter operating conditions and higher requirements for nuclear fuel. Therefore， this paper takes the ground source technology of space nuclear reactor as the research object， expounds the basic concept and principle of space nuclear reactor power supply， analyses the application requirements of space nuclear reactor power supply technology， and makes a simple analysis of the application prospects of space nuclear reactor power supply technology， in order to provide some reference for the effective application of space nuclear reactor power supply technology.

【Key words】Space nuclear reactor power technology; Energy conversion; The reactor

0 前言

空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)最初應(yīng)用于軍用航天任務(wù)，在后續(xù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中，空間技術(shù)逐步與核電技術(shù)進(jìn)行了有機整合，取得了顯著的效果。在近期國家安全規(guī)劃中，空間核反應(yīng)堆電源力量已成為新的戰(zhàn)略力量、經(jīng)濟力量，有望為國家綜合實力增強奠定堅實的基礎(chǔ)。在2018年召開的“兩會”中，全國人大代表、中國航天科技集團六院院長劉志讓透露：航天六院正聯(lián)合國內(nèi)核動力相關(guān)研究設(shè)計單位，開展空間核反應(yīng)堆的方案論證和關(guān)鍵技術(shù)研究工作，后續(xù)將形成核熱、核電等多種方案，提高空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)在空間任務(wù)中的適應(yīng)性。因此，對空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析非常必要。

1 空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)概述

空間核反應(yīng)堆電源的主要用途是在空間任務(wù)中，將核反應(yīng)堆產(chǎn)生能量通過熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電力，并為航天器和星表空間基地等航天設(shè)施提供電力的裝置。空間核反應(yīng)堆電源主要包括影子輻射屏蔽、核反應(yīng)堆本體、自動控制系統(tǒng)、廢熱排放系統(tǒng)和熱電能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5個模塊組成[1]。反應(yīng)堆本體內(nèi)進(jìn)行的核裂變產(chǎn)生的熱能，一部分可直接傳輸至熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為電力為航天器和星表空間基地等航天設(shè)施供電;另外一部分則由廢熱排放系統(tǒng)，以輻射散熱的形式，排放至宇宙空間內(nèi)。影子輻射屏蔽一般布置在反應(yīng)堆本體與其他模塊之間以屏蔽反應(yīng)堆運行時產(chǎn)生的輻射，保障航天設(shè)施和宇航員所受到的輻射在安全范圍內(nèi)，如圖2所示。

2 空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)應(yīng)用需求

2.1 深空探測的需求

空間核反應(yīng)堆在木星以外的大功率深空探測器中也存在巨大需求。木星接收到的太陽光的強度僅為地球的1/25，在木星以內(nèi)的太陽系空間，航天器可以使用太陽能電池進(jìn)行供電。而在木星以外，太陽能電池則無法為探測器提供充足的電力;放射性同位素電池雖然在探測器上應(yīng)用比較廣泛，但是由于其功率較低，無法滿足大功率探測器的需求。因此空間核反應(yīng)是深空探測器的理想電源。

2.2 空間應(yīng)用的需求

作為空間武器的電源需要滿足獨立性、機動性、環(huán)境適用性、大功率、抗打擊能力強等條件。在蘇著亭、楊繼才和柯國土等編著的《空間核動力》一書中對天基雷達(dá)系統(tǒng)和天基武器系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹[2]。天基雷達(dá)系統(tǒng)的電功率需求一般在數(shù)十千瓦到兆瓦的范圍內(nèi);而天基武器的系統(tǒng)又可以分為高功率微波武器、高能激光武器、粒子束武器和天基電子干擾衛(wèi)星等，功率需求在數(shù)十千瓦到數(shù)十兆瓦之間。在大功率條件下，空間核反應(yīng)堆的質(zhì)量功率比要優(yōu)于太陽能電池板，而空間核反應(yīng)堆又具有較強的獨立性、機動性、環(huán)境適用性等優(yōu)勢，是軍用空間任務(wù)最理想的電源。

2.3 星表空間基地的需求

以月表空間基地為例，月表空間基地的電力需求在100kW以上，而月球表面的大部分地區(qū)的黑夜一般長達(dá)14天，太陽能電池?zé)o法滿足月表空間基地的供電需求。但是空間核反應(yīng)堆性能穩(wěn)定，不依賴太陽光照，是月表空間基地的理想電源。同時由于火星距離太陽較遠(yuǎn)而且沙塵暴比較頻繁，太陽能電池并不適用于火星表面的空間基地。而木星到太陽的距離是地球到太陽距離的5倍，在木星接受的太陽光無法保障太陽能電池為空間基地提供足夠的電力。因此，太陽能電池也不適用于木星表面的空間基地。綜上，空間核反應(yīng)堆是星表空間基地最理想的空間電源。

3 空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景

3.1 空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)在軍用航天任務(wù)中應(yīng)用發(fā)展前景

在空間核反應(yīng)堆電源最初研發(fā)應(yīng)用時，主要用于軍事任務(wù)，特別是地球軌道上軍事任務(wù)。上世紀(jì)八十年代，美國發(fā)布了星球大戰(zhàn)計劃，主要內(nèi)容是：建立了空間武器系統(tǒng)。對戰(zhàn)略核武器的空間防御能力進(jìn)行了研究并有效地降低了蘇聯(lián)對其的核威脅。星球大戰(zhàn)計劃的主要內(nèi)容是在助推段、后助推段、中段、終段對來襲的洲際彈道導(dǎo)彈實施攔截，防御重點是助推段。計劃涉及了預(yù)警及識別系統(tǒng)、、通信系統(tǒng)等幾個模塊。星球大戰(zhàn)計劃根據(jù)不同的防御狀態(tài)對能源需求劃分為了基態(tài)、爆發(fā)態(tài)、警戒態(tài)三個等級。任務(wù)周期在一年左右。

根據(jù)以上內(nèi)容，空間核反應(yīng)堆在后續(xù)研究過程中在以往單一技術(shù)路線選擇的基礎(chǔ)上，綜合考慮功率適用范圍、可行性、性能參數(shù)等因素，保證空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的有效結(jié)合。同時在技術(shù)研發(fā)階段，具有較強的實際應(yīng)用能力將成為空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)研究的前提。即根據(jù)空間核反應(yīng)堆的使用環(huán)境和應(yīng)用需求來制定空間核反應(yīng)堆的研發(fā)路線。如美國為了登陸月球和火星并建立空間基地就開始研發(fā)可以適應(yīng)月球和火星環(huán)境的空間核反應(yīng)堆Kilopower[3]。Kilopower空間核反應(yīng)堆采用了二氧化鈾燃料、鈉鉀液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆、自由活塞式斯特林發(fā)電機、等成熟計劃，設(shè)計電功率為40kWe，壽命在8年以內(nèi)。Kilopower空間核反應(yīng)堆在2018年5月成功進(jìn)行了地面測試。

3.2 空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)在民用航天任務(wù)中應(yīng)用發(fā)展前景

在空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)應(yīng)用初期，研究人員就對空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)在民用航天任務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。如木星探測、地球軌道應(yīng)用等。而為了了解空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)在民用航天任務(wù)中具體應(yīng)用效果，國際機構(gòu)及部分國家也針對空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)的和平利用進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在1995-2055間民用航天任務(wù)開展過程中，50.0kWe功率量級及以上空間核反應(yīng)堆電源，可以廣泛應(yīng)用，且可以增強民用航天能力。

21世紀(jì)初期，IAEA對空間通訊及電視轉(zhuǎn)播、空間探測導(dǎo)航、以及環(huán)境保護等大功率民用航天任務(wù)能源需求進(jìn)行了綜合概述。上述任務(wù)中功率需求大多在10.0kWe-100.0kWe量級之間。除了100kWe量級以下空間任務(wù)外，其余的空間任務(wù)均可使用空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)進(jìn)行供電[4]。隨后美國宇航局又發(fā)布了《空間技術(shù)路線圖既有線任務(wù)》，將空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)劃分為了1-10kWe、10-100.0kWe、1-5.0MWe三個功率量級。上述三個功率量級中1-10kWe量級主要針對科學(xué)探測;10-100.0kWe主要用于行星探測;1-5.0MWe主要用于執(zhí)行載人登月等空間任務(wù)。

綜上所述，從空間軍用武器系統(tǒng)的電力需求來看，空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)具有壽命長、生存能力強等突出優(yōu)勢。且從穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性和抗打擊能力進(jìn)行分析，空間核反應(yīng)堆電源在軍事航天任務(wù)中也具有較為優(yōu)良的發(fā)展前景。在后續(xù)發(fā)展過程中，空間核反應(yīng)堆電源將實現(xiàn)系列化功能全覆蓋。

4 總結(jié)

空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)具有壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)能力強、適用功率范圍廣等優(yōu)勢。雖然目前技術(shù)并未成熟，但是在空間任務(wù)中仍然具有非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿ΑＴ诤罄m(xù)研究過程中，科研人員可以從空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)原理出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)階段和未來空間任務(wù)需求，從軍用、民用兩個方面，進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)體系，為空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)的有效應(yīng)用提供依據(jù)。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(yuǎn)更廣闊的星空。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡古，趙守智.空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)概覽[J].深空探測學(xué)報，2017（5）：430-443.

[2]蘇著亭，楊繼才，柯國土.空間核動力[M].2016.

[3]王曉博.千瓦級空間核反應(yīng)堆電源發(fā)展現(xiàn)狀[J].冶金叢刊，2017（10）：1-3.

[4]伍浩松.哈薩克斯坦與IAEA簽署燃料銀行協(xié)議[J].國外核新聞，2015（6）：25-25.