Kilopower與KRUSTY的發(fā)展脈絡(luò)及研發(fā)現(xiàn)狀

繆力威

摘? ?要：空間核反應(yīng)堆電源具有功率比高，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，功率輸出高，環(huán)境適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在軍民航天技術(shù)應(yīng)用中均具有廣闊的運(yùn)用前景，是影響未來太空競(jìng)賽格局的重要一環(huán)。通過對(duì)美國(guó)從20世紀(jì)80年代至今的空間核反應(yīng)堆電源，尤其是“Kilopower”相關(guān)項(xiàng)目的文獻(xiàn)調(diào)研，梳理了美國(guó)空間裂變堆電源系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)了美國(guó)最新的研究進(jìn)展;同時(shí)對(duì)50年來唯一建成的空間核反應(yīng)堆電源地面原型堆KRUSTY（“采用斯特林技術(shù)的千瓦級(jí)反應(yīng)堆演示驗(yàn)證”）的公開文獻(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研分析，并對(duì)其試驗(yàn)成果進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：Kilopower? KRUSTY? 空間核電源? 裂變反應(yīng)堆

中圖分類號(hào)：G322. 24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（b）-0065-05

Abstract： Space nuclear power have a serious of advantages such as high power density， long working time ，high power output， good adaptation to environment. It has a bright prospect on dual-use space technology and will have an important influence on space race. Based on the literatures of space nuclear power after 1980s， especially of "kilopower"， the development and actuality of American nuclear space power have been certain. Meanwhile， the result of KRUSTY（The Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY）has been analyzed to summarize the achievement of this experiment。

Key Words：Kilopower;KRUSTY;Space nuclear power;Fission reactor

隨著人類對(duì)太空探索，尤其是對(duì)深空探索的進(jìn)行，傳統(tǒng)的能源供應(yīng)方式，如太陽(yáng)能，化學(xué)能等逐漸失去作用。傳統(tǒng)的放射性同位素電源雖然具有壽命長(zhǎng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比功率高、可靠性高、不受環(huán)境影響等優(yōu)勢(shì)[1]，但美國(guó)目前應(yīng)用于空間的放射性同位素電源全部以Pu-238為燃料[2]。目前美俄兩國(guó)的Pu-238產(chǎn)量完全無(wú)法滿足空間探索任務(wù)要求[3]，因此兩國(guó)都將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了空間反應(yīng)堆電源上來，俄羅斯從2009年開始了兆瓦級(jí)空間核動(dòng)力飛船研發(fā)計(jì)劃，美國(guó)自2006年開啟了千瓦級(jí)電源計(jì)劃（Kilopower）。

就美國(guó)而言，繼SNAP-10A（0.5 kWe）研制成功之后，美國(guó)曾研究過大量空間核反應(yīng)堆電源方案，除了數(shù)量諸多的概念方案之外，還有一些瞄準(zhǔn)實(shí)際工程應(yīng)用的方案，如SP-100（100 kWe）、普羅米修斯（200 kWe）、AFSPS（40 kWe）等，然而，這些方案均在經(jīng)歷了較大投入規(guī)模的研究工作之后歸于沉寂，甚至沒能建立地面原型堆。這些反應(yīng)堆電源沒能研制成功，一方面可歸因于大功率所帶來的高技術(shù)難度;另一方面，缺乏明確的任務(wù)牽引也是這些研究計(jì)劃被提前撤銷的重要原因。

從2010年左右開始，由于Pu-238庫(kù)存告急嚴(yán)重威脅到NASA的深空探測(cè)計(jì)劃，Kilopower型千瓦級(jí)空間反應(yīng)堆電源成為了美國(guó)空間核反應(yīng)堆電源領(lǐng)域的重要研究方向，其研制難度遠(yuǎn)低于SP-100等大功率反應(yīng)堆電源。其配套的KRUSTY地面原型堆項(xiàng)目亦于2015年啟動(dòng)，用以全面驗(yàn)證項(xiàng)目的可行性。據(jù)此預(yù)計(jì)美國(guó)將于2020年具備空間核反應(yīng)堆電源的應(yīng)用條件。

1? 美國(guó)近代空間核反應(yīng)堆項(xiàng)目的歷史發(fā)展進(jìn)程

1.1 SP-100空間核反應(yīng)堆簡(jiǎn)介

SP-100空間核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)可作為一種軌道電源、月球或火星表面電站，可為核電推進(jìn)提供能量，其功率范圍為幾十千瓦到幾百千瓦。SP-100最初的任務(wù)是20世紀(jì)80年代為美國(guó)“星球大戰(zhàn)”（SDI）開發(fā)的軌道電源。盡管最初的發(fā)起者是美國(guó)國(guó)防部（DOD）、美國(guó)能源部（DOE）以及美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA），然而隨著蘇聯(lián)解體后SDI工作式微，SP-100任務(wù)更多地朝NASA的需求發(fā)展。最終，由于NASA的各項(xiàng)宏大任務(wù)在90年代初遭到質(zhì)疑，花費(fèi)更少的任務(wù)變得更受歡迎，SP-100計(jì)劃停止了。計(jì)劃停止時(shí)，工業(yè)與國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的綜合基本設(shè)施已經(jīng)建立起來，設(shè)計(jì)和開發(fā)大約投入了10億美元。SP-100并不打算作為一種低費(fèi)用一次性使用設(shè)備，而是計(jì)劃作為一種具有高度靈活性的電源，以具有發(fā)展靈活性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過多種任務(wù)能力實(shí)現(xiàn)費(fèi)用優(yōu)勢(shì)。

SP-100設(shè)計(jì)了六條鋰回路及一套鈉鉀輔助回路，通過靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電。廢熱通過二回路的鋰回路及輻射器排出。該項(xiàng)目要求10年左右的壽期，要求具有自主控制能力且具有偶爾停堆及再啟動(dòng)的能力。系統(tǒng)總質(zhì)量約為4600千克，采用了氮化鈾燃料以節(jié)省質(zhì)量，包殼采用了PWC-11（Nb-1%Zr 和0. 1%C）[4]。

1.2 普羅米修斯項(xiàng)目簡(jiǎn)介

普羅米修斯計(jì)劃是2003年1月由美國(guó)布什政府批準(zhǔn)的，發(fā)展方向分為太空核推進(jìn)系統(tǒng)和同位素電源兩部分[5]。太空核推進(jìn)的工作內(nèi)容集中于200kWe核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，預(yù)期壽命15～20年，核電推進(jìn)任務(wù)設(shè)計(jì)質(zhì)量不超過25000kg。項(xiàng)目提出了五條可選擇的技術(shù)路線：

（1）氣冷堆+布林頓發(fā)電機(jī)。

（2）熱管堆+布林頓發(fā)電機(jī)。

（3）鋰?yán)涠?布林頓發(fā)電機(jī)。

（4）鋰?yán)涠?靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換。

（5）低溫鋰—鈉堆+斯特林發(fā)電機(jī)。

在經(jīng)過發(fā)電能力，可靠性，花費(fèi)，安全性等全局考慮后，美國(guó)最終采取了氣冷堆+布林頓的方案。

該航天器為氣冷斯特林結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)近58m，未展開直徑約為5m，發(fā)射質(zhì)量約為36375kg。反應(yīng)堆燃料考慮了二氧化鈾和氮化鈾，氮化鈾主要繼承和發(fā)展了SP-100的工作，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得更低的堆芯質(zhì)量，但考慮整體性能要求，系統(tǒng)最后選擇了二氧化鈾的方案。包殼材料上，SP-100采用的PWC—11因?yàn)槿渥冃阅芴畋环艞?，同時(shí)項(xiàng)目試驗(yàn)了大量的新材料，比如FS-85、Ta-10W 和ASTAR-811C等合金材料。鎳合金因?yàn)槠錅y(cè)試中表現(xiàn)出出色的兼容性和延展性被重點(diǎn)考慮[6]。

1.3 Kilopower與KRUSTY簡(jiǎn)介

從SP-100至今，美國(guó)在空間核反應(yīng)堆電源的探索基本上全部失敗了。雖然積累了大量的技術(shù)儲(chǔ)備，但美國(guó)也逐漸意識(shí)到作為項(xiàng)目的開始，設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，研發(fā)成本過高，過于依賴新材料和工藝，對(duì)項(xiàng)目周期過于樂觀以至目標(biāo)過于宏大是項(xiàng)目難以完成的重要原因。因此，美國(guó)決定制定一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的、有工程化可能的計(jì)劃來作為空間核反應(yīng)堆電源發(fā)展的第一步.

千瓦級(jí)空間反應(yīng)堆電源的設(shè)計(jì)電功率可覆蓋0.5kWe到10kWe。典型的1kWe方案設(shè)計(jì)見下圖。該電源系統(tǒng)總重量?jī)H為406kg，總長(zhǎng)度約3m，最大直徑約1.1m，設(shè)計(jì)壽命達(dá)到了15年。

該反應(yīng)堆電源結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，堆芯由塊狀鈾鉬合金燃料、碳化硼控制棒、氧化鈹反射層和屏蔽塊組成，U-235富集度93%，U-235裝量28.4kg。采用位于堆芯邊緣的8根鈉熱管將反應(yīng)堆熱量傳輸?shù)?個(gè)125W斯特林發(fā)電機(jī)熱端。廢熱通過連接斯特林發(fā)電機(jī)冷端的鈦水熱管傳導(dǎo)至輻射器排除。該反應(yīng)堆電源的控制很簡(jiǎn)單。在發(fā)射入軌后，抽出位于堆芯內(nèi)的安全棒使反應(yīng)堆達(dá)到臨界，其后的運(yùn)行壽期內(nèi)，完全依靠反應(yīng)堆的負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)來完成負(fù)荷跟蹤和反應(yīng)性條件，不需要在進(jìn)行控制，完全處于自主運(yùn)行狀態(tài)[7]。

為此，美國(guó)先進(jìn)行了DUFF（The Demonstration Using Flattop Fissions）試驗(yàn)，用已有裂變?cè)囼?yàn)裝置，中心開了一個(gè)熱管孔的高濃鈾燃料塊，一根基本的水熱管，兩臺(tái)已有的斯特林裝置（美國(guó)有從35W的SunpowerEE‐35到7.5kW的QnergyQB‐7500全范圍斯特林產(chǎn)品支持），在短短6個(gè)月內(nèi)，以不足100萬(wàn)美元的花費(fèi)完成了預(yù)計(jì)試驗(yàn)。該試驗(yàn)首次用熱管從反應(yīng)堆中取熱，首次斯特林匹配核反應(yīng)堆發(fā)電，并且驗(yàn)證了主要部件相關(guān)反應(yīng)性和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算準(zhǔn)確性。2012年9月13日，試驗(yàn)成功發(fā)電24W，驗(yàn)證了進(jìn)一步建立地面堆的可行性。

隨后，美國(guó)開啟了KRUSTY（The Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY）項(xiàng)目。KRUSTY是一個(gè)5kw的地面原型堆，計(jì)劃在3年內(nèi)完成，且花費(fèi)控制在2000萬(wàn)美元以內(nèi)。

2? Kilopower技術(shù)細(xì)節(jié)調(diào)研

2.1 反應(yīng)堆設(shè)計(jì)

Kilopower的反應(yīng)堆是有史以來提出的最簡(jiǎn)單（或者說簡(jiǎn)潔）的反應(yīng)堆概念之一。因?yàn)榉磻?yīng)堆結(jié)構(gòu)非常緊湊，此時(shí)快堆的中子動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本完全由材料的密度/幾何變化這一個(gè)因素決定。而堆芯基本完全固定的結(jié)構(gòu)和幾何形狀（除去熱膨脹帶來的相對(duì)運(yùn)動(dòng)），使其啟動(dòng)和運(yùn)行階段的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)非常容易預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。

反應(yīng)堆是在低功率下運(yùn)行的，因此其燃料、熱管、控制、反射層、屏蔽等是非常容易實(shí)現(xiàn)一體化的。低功率使其結(jié)構(gòu)輻照損傷很小，熱量導(dǎo)出的要求也很低。唯一的運(yùn)動(dòng)部件只有安全棒，安全棒在啟動(dòng)階段就彈出堆芯，此后全固態(tài)的、完全沒有運(yùn)動(dòng)件的反應(yīng)堆具有很強(qiáng)的可靠性。而且因?yàn)榈凸β蕩淼娜己姆磻?yīng)性損失很小，以至于反應(yīng)堆可以自主運(yùn)行10年以上而不需要控制。此外，低功耗使其在面對(duì)最惡劣的瞬態(tài)（例如斯特林失效導(dǎo)致余熱無(wú)法排出）也不需要進(jìn)行任何實(shí)時(shí)控制動(dòng)作（負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)），因此控制系統(tǒng)可以獨(dú)立控制斯特林的運(yùn)行從而控制整個(gè)系統(tǒng)，而不用考慮同時(shí)控制反應(yīng)性帶來的系統(tǒng)復(fù)雜性和系統(tǒng)沖突。

經(jīng)過評(píng)估，反應(yīng)堆在發(fā)射過程中的魯棒性能夠滿足要求，沒有放射性，所有假想的事故中唯一的核風(fēng)險(xiǎn)事故是安全棒彈出，除此以外沒有發(fā)射或運(yùn)輸事故能導(dǎo)致臨界。

燃料富集度上，項(xiàng)目考慮了兩種選擇：93%的高濃鈾和19.75%的低濃鈾。使用低濃鈾最主要的原因就是反核擴(kuò)散相關(guān)政策。美國(guó)的法律法規(guī)提供給NASA特殊的渠道（如Y—12國(guó)家安全中心等）后，Kilopower和KRUSTY都采用了高濃鈾。

燃料上反應(yīng)堆選擇了鈾鉬合金，這主要是因?yàn)檫@是可用燃料中美國(guó)唯一研究的相對(duì)透徹，不再需要大量投入進(jìn)行前期研究的成熟燃料。而且鈾鉬合金還有兩個(gè)理想的優(yōu)點(diǎn)：高鈾裝量和高熱導(dǎo)率。但是鈾鉬合金同時(shí)也存在兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)：相對(duì)較低的熔點(diǎn)和高溫下與多數(shù)材料不兼容的化學(xué)不穩(wěn)定性。鈾鉬合金的熔化可以通過控制最高溫度來避免（比如KRUSTY最高溫度控制在880℃以下），但高溫帶來的軟化問題難以避免，必須小心的考慮裝載的應(yīng)力甚至重力對(duì)燃料帶來的影響。但這兩個(gè)缺陷都是可以通過工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來解決和避免的。鈾鉬合金限制更高功率的主要原因還是燃料腫脹。在800℃時(shí)，燃料的體積膨脹大約在4%左右。從燃料腫脹的角度來說，采用低濃鈾對(duì)提高功率更加有益。但低濃鈾帶來的燃料質(zhì)量提升，堆芯體積增大，能量密度降低，需求熱管增多，系統(tǒng)復(fù)雜性增加等因素是無(wú)法接受的，所有高濃鈾還是唯一的可行方案。

2.2 熱管和斯特林電機(jī)

熱管帶來的固有冗余度也是保證系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)。每根熱管都是獨(dú)立的，并且有很高的可靠性。系統(tǒng)滿功率下依然能保證即使斯特林或者數(shù)根熱管失效（除非三根靠在一起的熱管同時(shí)失效），能量也能正常導(dǎo)出。系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采取每根熱管直連一臺(tái)斯特林發(fā)電機(jī)，這保證了整個(gè)裝置具有最簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)、最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和最高的效率。缺點(diǎn)是一旦發(fā)生最壞的工況（斯特林電機(jī)失效），會(huì)使與它直連的熱管失去正常功能（因?yàn)槿狈χ虚g級(jí)的傳熱機(jī)構(gòu)將其傳遞給其他斯特林電機(jī)）。但這并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，也最大程度的保證了系統(tǒng)整體的可靠性。

因?yàn)榻?jīng)費(fèi)不足以開發(fā)新的發(fā)電機(jī)，項(xiàng)目所使用的斯特林由已有的高級(jí)同位素電源斯特林發(fā)電項(xiàng)目（ASRG）的70W電機(jī)修改而來。斯特林電機(jī)兩兩對(duì)置，通過控制保證動(dòng)作同步以維持力學(xué)平衡。

2.3 KRUSTY的技術(shù)細(xì)節(jié)

KRUSTY試驗(yàn)在2017年11月開始進(jìn)行，先用不銹鋼模擬反應(yīng)堆堆芯，然后用貧鈾鈾塊，最后采用高濃鈾進(jìn)行地面核試驗(yàn)[8]。鋼制的堆芯在熱學(xué)性能上和鈾是接近的，可以用來驗(yàn)證熱負(fù)荷下熱管的連接和堆芯的分割方法，并且可以通過真空環(huán)境下的電加熱模擬試驗(yàn)?zāi)M太空環(huán)境。不銹鋼材料試驗(yàn)得出的穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)溫度、功率分布等可以作為貧鈾（DU）試驗(yàn)的參考基準(zhǔn)。貧鈾材料可以完成組裝而不需要考慮高濃鈾材料帶來的臨界問題和安全問題，同時(shí)可以作為參考確保組裝全過程中不會(huì)因?yàn)閹缀魏吐瘎┫嗷ビ绊憥砼R界安全隱患。同時(shí)貧鈾材料也具有輻射性，任何輻射性材料都不得不考慮安全問題，這可以使項(xiàng)目完善安全流程并使工作人員都做好準(zhǔn)備，從而為高濃鈾裝料做好鋪墊。

實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段進(jìn)行[9]：

（1）基本組件臨界。

堆芯，反射層，控制棒，單獨(dú)測(cè)試臨界。

（2）冷臨界。

加入熱管和能量轉(zhuǎn)換器，反應(yīng)性逐漸上升到臨界但沒有熱量產(chǎn)出，核查中子模型參數(shù)。相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)將用來再評(píng)價(jià)帶功率運(yùn)行的結(jié)果。試驗(yàn)的另一個(gè)目的是得到相對(duì)“干凈”的材料和組件參數(shù)，這些參數(shù)將被用來進(jìn)行后期的大功率反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。

（3）熱臨界。

反應(yīng)性繼續(xù)提高直到在中等溫度（約400℃）下達(dá)到滿功率（4kw熱量）。這階段要確保剩余反應(yīng)性不超過$0.8，這可以保證由緩發(fā)中子控制并限制系統(tǒng)溫度。

（4）全功率運(yùn)行。

模擬反應(yīng)堆從啟動(dòng)，上升至額定功率，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在約800℃，進(jìn)行瞬態(tài)操作，到停堆的全過程。為了達(dá)到指定溫度需要$1.7的剩余反應(yīng)性。為了保證達(dá)到要求，通過調(diào)節(jié)氧化鈹反射層投入了$2.2的剩余反應(yīng)性來彌補(bǔ)模型或材料可能帶來的誤差。整個(gè)測(cè)試大概持續(xù)28h，中間會(huì)進(jìn)行斯特林移除，熱管失效，斯特林最大功率等瞬態(tài)來進(jìn)行反應(yīng)堆自補(bǔ)償和功率跟隨性試驗(yàn)。試驗(yàn)最后驗(yàn)證了全熱管失效后系統(tǒng)的補(bǔ)償和調(diào)節(jié)能力。

衰變功率在30min后達(dá)到5%，24h后達(dá)到6%，所以實(shí)際熱功率應(yīng)該比藍(lán)線高5%～6%。

可以看出反應(yīng)堆對(duì)多種瞬態(tài)都有良好的自調(diào)節(jié)能力[13]，基本能將溫度穩(wěn)定在800℃。

KRUSTY的運(yùn)行操作和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和Kilopower是完全相似的，即使Kilopower發(fā)生了技術(shù)和材料的改變，其熱—核耦合行為在本質(zhì)上也是完全一致的。

在插入燃料和熱管前，固定環(huán)就已經(jīng)被加熱到了800℃，以保證熱管和燃料始終保持良好的接觸性和避免高溫帶來的材料膨脹使其無(wú)法抱緊堆芯[10]。

反應(yīng)堆功率范圍是1.5～5kWt最后試驗(yàn)測(cè)得，單個(gè)斯特林電機(jī)的效率約在35%，反應(yīng)堆整體效率約在25%[11]。

3? 結(jié)語(yǔ)

KRUSTY原型堆相關(guān)試驗(yàn)順利完成，為kilopower和相關(guān)空間堆項(xiàng)目的進(jìn)行積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，表明美國(guó)空間裂變堆研究已經(jīng)基本能夠投入實(shí)踐應(yīng)用（技術(shù)成熟度基本達(dá)到5級(jí)），這也從某種程度上代表了未來空間堆的研究方向：簡(jiǎn)潔、可靠的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)，無(wú)需干涉的自調(diào)節(jié)控制能力，高效、穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。相信其項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)空間反應(yīng)堆的研究和發(fā)展有很多足以借鑒和參考的地方。

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