空間核反應(yīng)堆電源需求分析研究

周 彪，吉 宇，孫 俊，孫玉良

(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

隨著科技水平的不斷提高，人類探索足跡已經(jīng)遍布海洋、地底及天空，并對(duì)深邃的宇宙始終保持著強(qiáng)烈的好奇感，未來(lái)太空探索將是各國(guó)爭(zhēng)相涉足的一個(gè)重要領(lǐng)域[1]?？臻g電源技術(shù)是進(jìn)行空間探測(cè)的核心技術(shù)之一。目前，航天任務(wù)多以化學(xué)能、太陽(yáng)能為主要能源形式[2]，而隨著空間活動(dòng)不斷深入，常規(guī)能源將難以滿足深空探測(cè)和特殊任務(wù)的發(fā)展要求。因此，以美國(guó)和俄羅斯為代表的世界航天強(qiáng)國(guó)在空間電源上采取多元化發(fā)展、多類型共同開發(fā)的戰(zhàn)略，在不斷改進(jìn)常規(guī)能源技術(shù)的同時(shí)，也大力發(fā)展了新型空間能源形式[3]。其中，空間核反應(yīng)堆電源由于能量密度大、受環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注。美國(guó)從20世紀(jì)50年代開始，在空間核動(dòng)力領(lǐng)域開展了大量的研究工作，成立了多個(gè)專項(xiàng)研究計(jì)劃，取得世界矚目的成就。俄羅斯(包含蘇聯(lián)在內(nèi))起步稍晚于美國(guó)，但發(fā)展迅速，尤其在空間核反應(yīng)堆電源發(fā)射任務(wù)方面，至今處于世界領(lǐng)先水平[4]。目前，對(duì)空間電源形式的選擇、系統(tǒng)功率量級(jí)的確定等依然存在一些爭(zhēng)議[5-8]，具體表現(xiàn)在：如何應(yīng)對(duì)未來(lái)空間任務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)滿足多類別、多層次任務(wù)需求的可靠性空間能源；如何根據(jù)預(yù)設(shè)空間任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)潛在動(dòng)力形式進(jìn)行合理的可行性評(píng)估，以確定空間裝置的總體技術(shù)方案等。因此，對(duì)未來(lái)空間任務(wù)進(jìn)行動(dòng)力需求分析研究，明確不同空間場(chǎng)景下電源功率、系統(tǒng)比質(zhì)量等方面的需求，將對(duì)技術(shù)路線的確定及相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作起到很好的推動(dòng)作用。本文對(duì)空間核反應(yīng)堆電源需求進(jìn)行分析研究。

1 空間電源對(duì)比

1.1 適用對(duì)象分析

目前已有的空間航天器電源主要有：化學(xué)能電池、太陽(yáng)能電池陣-蓄電池聯(lián)合電源、放射性同位素核電源(RTG)、空間核反應(yīng)堆電源，其功率分布與持續(xù)時(shí)間如圖1所示[9-10]。由于能量產(chǎn)生方式不同，每種類型的電源都有各自鮮明的特點(diǎn)和特定的空間應(yīng)用場(chǎng)景。

化學(xué)能電池一般有蓄電池和燃料電池兩種。其中蓄電池經(jīng)歷了鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋰離子蓄電池3個(gè)典型的迭代過(guò)程，且其多與太陽(yáng)能電池配合使用。燃料電池的體積和質(zhì)量通常小于蓄電池，不存在過(guò)充過(guò)放及電解液流失等現(xiàn)象，但可持續(xù)性相對(duì)更低[11]。化學(xué)能電池輸出電壓穩(wěn)定、可靠性好、結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，對(duì)于周期較短的空間任務(wù)(幾十分鐘到數(shù)小時(shí))，可提供數(shù)百kW～MW的電功率；但當(dāng)任務(wù)周期增加到數(shù)月時(shí)，化學(xué)能電池僅能提供kW以下的電功率[9]。因此化學(xué)能電池通常適合在地球軌道執(zhí)行短期返回式的空間任務(wù)。

圖1 不同能源形式做功持續(xù)時(shí)間與功率分布情況Fig.1 Duration time and power distribution in various energy sources

太陽(yáng)能電池陣-蓄電池聯(lián)合電源技術(shù)成熟，工作壽命長(zhǎng)，可滿足中等功率(小于10 kW)的長(zhǎng)期空間任務(wù)[12]。美國(guó)與俄羅斯從20世紀(jì)60年代開始采用太陽(yáng)能電池進(jìn)行行星探測(cè)，如水手計(jì)劃[13]、維京計(jì)劃[14]等。但太陽(yáng)能電池是非自主能源，除光照強(qiáng)度外，其性能還受太陽(yáng)能板陣列面積、光電材料性質(zhì)等因素影響，導(dǎo)致其適用對(duì)象十分有限。此外，由于空間裝置對(duì)體積、質(zhì)量等存在嚴(yán)格限制，太陽(yáng)能陣列板的布置面積不能無(wú)限增大，傳統(tǒng)空間用太陽(yáng)能電池的功率通常不超過(guò)50 kW。因此，太陽(yáng)能電池不適合大功率電力輸出、深空探測(cè)及行星間載人飛行等任務(wù)。

RTG具有不受環(huán)境影響、工作壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)，能適應(yīng)塵暴、高溫等復(fù)雜的太空工作環(huán)境，已廣泛應(yīng)用于地球軌道、地月軌道及行星間軌道等多種無(wú)人空間探測(cè)任務(wù)[15]。迄今為止，美國(guó)共發(fā)射了33個(gè)RTG航天器[16]，其中于1977年發(fā)射的旅行者2號(hào)RTG探測(cè)器已于2018年12月10日飛出日光層，工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)41 a[17]。但RTG功率水平較低，單機(jī)功率一般不超過(guò)300 W，因此無(wú)法滿足更高功率需求的空間任務(wù)。

空間核反應(yīng)堆電源通常是以核裂變反應(yīng)所釋放的能量作為動(dòng)力源的空間裝置，其結(jié)構(gòu)主要由核反應(yīng)堆、屏蔽層、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輻射換熱器、電源管理與分配系統(tǒng)組成?？臻g核反應(yīng)堆電源可覆蓋幾kW至數(shù)MW的功率范圍，工作壽命長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性好、受太空環(huán)境影響小，為完全自主的能源形式。自20世紀(jì)50年代，美國(guó)和俄羅斯就啟動(dòng)了空間核反應(yīng)堆電源的相關(guān)研究工作[18]。美國(guó)根據(jù)不同時(shí)期政治、軍事等方面的需求，提出了幾個(gè)具有代表性的空間核反應(yīng)堆電源研發(fā)計(jì)劃，典型的有：SNAP計(jì)劃[19]、SP-100計(jì)劃[20-21]、Prometheus 計(jì)劃[22]、FSP計(jì)劃[23-24]與Kilopower計(jì)劃[25]。俄羅斯在空間核動(dòng)力方面起步稍晚于美國(guó)，主要研發(fā)了ROMASHKA、BUK和TOPAZ 3種系列型號(hào)的空間核反應(yīng)堆電源[4，26]，在目前世界上已成功發(fā)射的39個(gè)空間核反應(yīng)堆電源航天器中，俄羅斯占據(jù)了其中的38個(gè)。相比其他3種電源形式，空間核反應(yīng)堆電源具有功率調(diào)節(jié)范圍廣、做功時(shí)間長(zhǎng)和機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)勢(shì)，將是滿足未來(lái)多類別、深層次、高要求空間任務(wù)的理想電源形式。

1.2 系統(tǒng)比質(zhì)量

空間能源系統(tǒng)的質(zhì)量功率比(比質(zhì)量)是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。本文對(duì)比了RTG、太陽(yáng)能、空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)比質(zhì)量隨功率的變化[7，12，25，27-28]，如圖2所示。由圖2可見：當(dāng)系統(tǒng)功率小于50 kW時(shí)，太陽(yáng)能電池系統(tǒng)比質(zhì)量最小；當(dāng)功率大于50 kW時(shí)，空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)比質(zhì)量則更小，且隨著功率增加，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖2 不同能源形式比質(zhì)量隨功率的變化Fig.2 Specific mass of different energy sources vs. power

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)對(duì)百kW級(jí)以上的空間電源進(jìn)行了評(píng)估[7]，對(duì)比了未來(lái)在月球和火星表面使用先進(jìn)太陽(yáng)能系統(tǒng)與核能系統(tǒng)的總質(zhì)量，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，空間哨站、短期星表基地與長(zhǎng)期星表基地這3種空間任務(wù)的功率需求是有差異的，而在這3種功率水平下，采用空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)總質(zhì)量均更小，且在功率為2 MW時(shí)，兩者質(zhì)量甚至相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。

除考慮系統(tǒng)總質(zhì)量外，建成一個(gè)實(shí)際可用的空間電源系統(tǒng)還需考慮運(yùn)輸系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)及所需推進(jìn)劑等相關(guān)附屬設(shè)施的質(zhì)量。根據(jù)NASA給出的預(yù)測(cè)模型[12]，每將1 kg質(zhì)量物資從地球運(yùn)輸至月球表面，約需將5 kg相關(guān)物資從地球運(yùn)輸至低地球軌道(LEO)，即比例系數(shù)為5，相應(yīng)地，運(yùn)輸至火星的比例系數(shù)約為6.5。因此，綜合考慮附屬設(shè)施輸運(yùn)質(zhì)量與系統(tǒng)總質(zhì)量，空間核反應(yīng)堆電源的質(zhì)量節(jié)省優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步擴(kuò)大。以火星和月球空間任務(wù)為例，假定每個(gè)重型火箭運(yùn)載器的額定輸運(yùn)質(zhì)量為68 t，分別計(jì)算采用太陽(yáng)能電池與空間核反應(yīng)堆電源所需的發(fā)射總質(zhì)量，模型計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，相比太陽(yáng)能電池，采用空間核反應(yīng)堆電源來(lái)執(zhí)行月球/火星空間哨站、短期或長(zhǎng)期星表基地的空間任務(wù)時(shí)，將顯著減少運(yùn)載火箭的發(fā)射數(shù)量，節(jié)約成本。此外，以上計(jì)算分析均是基于理論模型所得，實(shí)際空間太陽(yáng)能電池的功率要想達(dá)到100 kW以上，則需提供十分巨大的太陽(yáng)能翼板面積，因此難以開展具體工程實(shí)施。

圖3 核能與太陽(yáng)能在月球能量系統(tǒng)(a)和火星能量系統(tǒng)(b)中的質(zhì)量對(duì)比Fig.3 Mass comparison of nuclear and solar energy in lunar energy system (a) and Mars energy system (b)

圖4 空間核反應(yīng)堆電源相對(duì)太陽(yáng)能電池帶來(lái)的火箭運(yùn)載器節(jié)省Fig.4 Rocket carrier saving from space nuclear reactor power versus solar power

2 功率需求

不同空間應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)著不同空間電源功率需求。在開展目標(biāo)空間動(dòng)力系統(tǒng)的研究過(guò)程中，需根據(jù)設(shè)定的空間任務(wù)對(duì)預(yù)期的功率需求進(jìn)行初步評(píng)估，才能給出相對(duì)優(yōu)化的技術(shù)路線。吳偉仁等[29]從航天工程與核工程協(xié)同發(fā)展的角度對(duì)空間堆的需求進(jìn)行了總體概述，并指出其主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：1) 突破傳統(tǒng)空間電源的功率瓶頸，發(fā)揮空間堆在大功率空間任務(wù)場(chǎng)景下的優(yōu)勢(shì)；2) 解決空間太陽(yáng)能電池因太陽(yáng)光照等環(huán)境限制而無(wú)法使用的問(wèn)題；3) 克服化學(xué)能空間推進(jìn)系統(tǒng)比沖低的限制。本文從民用與軍用空間核動(dòng)力兩方面分析空間核反應(yīng)堆電源的功率需求。

2.1 民用功率需求

20世紀(jì)80年代，美國(guó)結(jié)合自身戰(zhàn)略需求，制定了未來(lái)60 a潛在的民用空間探測(cè)任務(wù)[30]，如圖5所示。這些潛在任務(wù)按照軌道高度可分為地球軌道任務(wù)、地月軌道任務(wù)、行星間軌道任務(wù)及外太陽(yáng)系軌道任務(wù)。通過(guò)對(duì)未來(lái)民用航天任務(wù)類型與相應(yīng)能源需求的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)未來(lái)民用航天任務(wù)的功率需求主要集中在15 kW～7 MW之間，研究認(rèn)為50 kW及以上功率的空間核反應(yīng)堆電源將在未來(lái)民用航天任務(wù)中有廣泛的應(yīng)用前景。

2005年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)對(duì)未來(lái)可能的民用高功率空間任務(wù)進(jìn)行了歸納[9]，研究結(jié)果表明，絕大部分空間任務(wù)的功率需求都在10 kW以上，同時(shí)不同任務(wù)對(duì)應(yīng)的功率需求也存在較大差異，其中全球空間任務(wù)的功率需求在1 MW以上。隨著未來(lái)民用空間任務(wù)的進(jìn)一步拓展，功率需求也隨之提高，此時(shí)要求先進(jìn)的空間能源同時(shí)具備良好的做功持續(xù)性與較廣的功率覆蓋范圍。

2012年，美國(guó)NASA公布了“NASA Space Technology Roadmaps and Priorities”報(bào)告[31]，指出美國(guó)未來(lái)在空間技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃。2015年，美國(guó)對(duì)該計(jì)劃進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，并重新發(fā)布了“NASA Technology Roadmap”報(bào)告[32]，其中指出了面向空間任務(wù)需求的發(fā)展路線，并明確將空間核反應(yīng)堆電源的設(shè)計(jì)功率劃分為3個(gè)量級(jí)，且相應(yīng)量級(jí)具備一定的功率可擴(kuò)展性，具體如表1所列。

隨著各國(guó)的空間應(yīng)用需求日益擴(kuò)大與載人航天等空間技術(shù)逐漸成熟，登陸和開發(fā)月球已成為美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)等國(guó)當(dāng)前的重點(diǎn)航天目標(biāo)，也是未來(lái)邁向火星、開展更遙遠(yuǎn)外太空探測(cè)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[33]研究了月球空間探測(cè)任務(wù)類別及對(duì)應(yīng)的功率需求，結(jié)果表明，月球軌道載人空間站、臨時(shí)及長(zhǎng)期月球基地的功率需求都在100 kW以上，同時(shí)這些任務(wù)均要求動(dòng)力源具備較長(zhǎng)持續(xù)功率輸出的能力，因此空間核反應(yīng)堆電源將是最理想的電源選擇。

圖5 空間核反應(yīng)堆電源在民用航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用Fig.5 Potential application of space nuclear reactor power in civil aerospace

表1 NASA技術(shù)報(bào)告給出的功率需求劃分Table 1 Power requirement division by NASA technical report

由上述研究結(jié)果可知，未來(lái)民用空間任務(wù)總體功率需求評(píng)估在1 kW～100 MW之間，其中百kW級(jí)以上的功率需求最為明顯，未來(lái)應(yīng)用范圍最為廣泛。兼顧任務(wù)本身性質(zhì)與持續(xù)時(shí)間等要求，當(dāng)功率需求達(dá)到100 kW以上，工作周期達(dá)到月量級(jí)時(shí)，傳統(tǒng)化學(xué)能、太陽(yáng)能等常規(guī)動(dòng)力及RTG均難以達(dá)到要求，此時(shí)空間核反應(yīng)堆電源將成為滿足該功率需求范圍的唯一動(dòng)力形式。

2.2 軍用功率需求

發(fā)展軍用核動(dòng)力是空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)[34-35]。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，美國(guó)和俄羅斯一直都將空間核反應(yīng)堆電源視為國(guó)家戰(zhàn)略核心技術(shù)，并進(jìn)行了大量的投入和持續(xù)性研發(fā)。

美國(guó)國(guó)防部曾對(duì)多種空間軍事任務(wù)的功率需求進(jìn)行了評(píng)估[36]，認(rèn)為空間核反應(yīng)堆電源是實(shí)現(xiàn)大功率軍事任務(wù)的理想選擇。軍用空間核反應(yīng)堆電源的主要用途在于監(jiān)控追蹤和戰(zhàn)略防御，具體可以應(yīng)用于天基雷達(dá)系統(tǒng)、天基通信系統(tǒng)、天基運(yùn)輸系統(tǒng)和天基武器系統(tǒng)[18]。不同應(yīng)用對(duì)應(yīng)的功率需求列于表2。絕大多數(shù)空間軍用系統(tǒng)的功率需求范圍達(dá)到了MW級(jí)水平，其中主要的天基武器系統(tǒng)的功率需求在10～500 MW之間。

表2 軍用空間系統(tǒng)功率需求Table 2 Power requirement for military space system

20世紀(jì)80年代，美國(guó)在戰(zhàn)略防御計(jì)劃(SDI)中將太空領(lǐng)域潛在的電源功率需求分為3個(gè)等級(jí)：基態(tài)、警戒態(tài)、爆發(fā)態(tài)[37]。3種功率等級(jí)的具體表述列于表3。

表3 戰(zhàn)略防御計(jì)劃功率需求Table 3 Power requirement for SDI

按照功率大小區(qū)分，天基雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)與運(yùn)輸系統(tǒng)可納入基態(tài)或警戒態(tài)范疇，且均要求動(dòng)力裝置具有一定的做功可持續(xù)性，因此空間核反應(yīng)堆將是唯一的動(dòng)力源選擇。對(duì)于天基武器系統(tǒng)而言，雖然其功率需求高，但往往能量脈沖持續(xù)時(shí)間較短，因此空間核反應(yīng)堆電源和基于火箭引擎技術(shù)的化學(xué)燃燒被認(rèn)為是目前潛在的備選能源形式。

綜合分析可知，軍用空間任務(wù)的功率需求跨度很大，在10 kW～1 000 MW之間，其中MW級(jí)功率需求迫切，空間核反應(yīng)堆將是主要的動(dòng)力來(lái)源。

3 技術(shù)路線分析

空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)技術(shù)路線的確定需要綜合考慮任務(wù)性質(zhì)、功率量級(jí)、系統(tǒng)比質(zhì)量要求等多個(gè)因素，暫不存在統(tǒng)一的技術(shù)方案在任何應(yīng)用場(chǎng)景下均表現(xiàn)最優(yōu)[29]。NASA根據(jù)未來(lái)空間任務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，將空間核反應(yīng)堆電源劃分為多個(gè)功率量級(jí)，針對(duì)每一量級(jí)給出了多種潛在技術(shù)路線。本文基于功率需求分析研究結(jié)果，對(duì)潛在可行的技術(shù)方案進(jìn)行綜合技術(shù)分析，從理論角度初步分析了相對(duì)優(yōu)化的技術(shù)方案。根據(jù)未來(lái)空間民用、軍用任務(wù)的功率需求范圍，借鑒NASA劃分方式，將功率大小劃分為4個(gè)不同量級(jí)：1～10 kW、10～100 kW、100～1 000 kW和1 MW以上。

3.1 1～10 kW功率量級(jí)

NASA[32]指出，未來(lái)空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)發(fā)展有兩個(gè)主要目標(biāo)，一是發(fā)展kW級(jí)核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)用于空間科學(xué)探索，二是發(fā)展MW級(jí)空間核反應(yīng)堆電源用于先進(jìn)空間核電推進(jìn)。

1～10 kW功率量級(jí)的空間核反應(yīng)堆電源研發(fā)難度相對(duì)較小，經(jīng)費(fèi)投入更低，是美國(guó)當(dāng)前正著力突破的技術(shù)目標(biāo)之一[25]。該功率范圍的航天器應(yīng)用場(chǎng)景主要為在軌運(yùn)行，用于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、空間科考等民用或軍用空間任務(wù)。1～10 kW功率量級(jí)空間核反應(yīng)堆電源相關(guān)參數(shù)列于表4[4,18,25,38-40]。

從堆型選擇來(lái)看，熱中子反應(yīng)堆需要附加中子慢化系統(tǒng)，將增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，同時(shí)使得系統(tǒng)體積、質(zhì)量增加，而快堆可省去中子慢化單元，采用快堆作為空間核反應(yīng)堆的堆型方案將更具優(yōu)勢(shì)。能量轉(zhuǎn)換方式方面，熱電偶轉(zhuǎn)換與熱離子轉(zhuǎn)換均為靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，技術(shù)最成熟，可靠性高，其中熱離子轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)比質(zhì)量在上述方案中最小，但已應(yīng)用的空間熱離子核反應(yīng)堆能量轉(zhuǎn)換效率目前均低于7%。斯特林循環(huán)為動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn)換效率通常可在20%以上，同時(shí)適合模塊化裝配，系統(tǒng)功率具有良好的可擴(kuò)展性，在1～10 kW功率量級(jí)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于空間堆冷卻劑類型選擇，一方面需滿足相關(guān)物理熱工設(shè)計(jì)要求，另一方面其通常與能量轉(zhuǎn)換方式有著一定的匹配性，如斯特林循環(huán)多與熱管冷卻結(jié)合、熱電偶/熱離子多與液態(tài)金屬冷卻結(jié)合、布雷頓循環(huán)多與氣體冷卻結(jié)合等。NASA研究表明[32]，對(duì)于功率為1～10 kW的空間堆系統(tǒng)，當(dāng)能量轉(zhuǎn)換效率大于8%、比質(zhì)量小于333.3 kg/kW、壽期大于17 a時(shí)，將更能滿足未來(lái)航天需求。對(duì)照表4分析可知，熱管冷卻結(jié)合斯特林循環(huán)與液態(tài)金屬冷卻結(jié)合熱離子轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線與目標(biāo)方案最接近，有較大發(fā)展空間。為進(jìn)一步提升1～10 kW功率量級(jí)方案的競(jìng)爭(zhēng)性，未來(lái)需持續(xù)開發(fā)適用性更好的熱離子轉(zhuǎn)換器電極材料，提高熱離子轉(zhuǎn)換效率；逐步優(yōu)化空間用斯特林循環(huán)，降低系統(tǒng)比質(zhì)量，提高系統(tǒng)可靠性。

3.2 10～100 kW功率量級(jí)

對(duì)于10～100 kW功率量級(jí)的空間核反應(yīng)堆電源，目前仍沒(méi)有具體工程應(yīng)用實(shí)例。該功率潛在的空間任務(wù)對(duì)象是行星間軌道探測(cè)、星表自動(dòng)化機(jī)器人任務(wù)及近地軌道載人電推進(jìn)等。該功率范圍內(nèi)的空間核反應(yīng)堆電源的相關(guān)參數(shù)[19,39,41-43]列于表5。

表4 1～10 kW功率量級(jí)空間核反應(yīng)堆電源相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameter of space nuclear reactor power with power range of 1-10 kW

表5 10～100 kW功率量級(jí)空間核反應(yīng)堆電源相關(guān)參數(shù)Table 5 Parameter of space nuclear reactor power with power range of 10-100 kW

由表5可知，滿足該功率范圍的堆型主要以快堆為主，但冷卻劑、能量轉(zhuǎn)換方式有很多選擇，其中朗肯循環(huán)的工質(zhì)在太空微重力環(huán)境下存在相變與氣液分離等復(fù)雜物理過(guò)程，流動(dòng)換熱機(jī)理復(fù)雜、可靠性低，因此多不被采用。由于該功率水平不高，而靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，因此液態(tài)金屬冷卻結(jié)合熱電偶轉(zhuǎn)換或熱離子轉(zhuǎn)換的方式仍可應(yīng)用于該功率范圍。動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換方面，布雷頓循環(huán)是一種氣體動(dòng)力循環(huán)，與氣冷反應(yīng)堆具有很好的技術(shù)兼容性，可直接利用堆芯產(chǎn)生的高溫氣體推動(dòng)透平機(jī)械做功產(chǎn)生電能，但由于氣體載熱能力有限，在功率較低時(shí)優(yōu)勢(shì)并不明顯。斯特林循環(huán)最接近理想卡諾循環(huán)，具有理論最高的循環(huán)效率，在該功率需求范圍下系統(tǒng)比質(zhì)量?jī)?yōu)于布雷頓循環(huán)；同時(shí)熱管冷卻反應(yīng)堆具有固有安全性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此熱管冷卻結(jié)合斯特林循環(huán)是10～100 kW的功率范圍內(nèi)具有較大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方案之一。

3.3 100～1 000 kW功率量級(jí)

通過(guò)對(duì)未來(lái)航天任務(wù)的功率需求分析可知，百kW以上功率的空間電源能滿足大多數(shù)民用空間任務(wù)及部分軍用空間任務(wù)的要求，將在很大程度上擴(kuò)展空間應(yīng)用的范圍。目前主要的100～1 000 kW功率量級(jí)的空間核反應(yīng)堆電源的相關(guān)參數(shù)[35,44-48]列于表6。

表6 100～1 000 kW功率量級(jí)空間核反應(yīng)堆電源相關(guān)參數(shù)Table 6 Parameter of space nuclear reactor power with power range of 100-1 000 kW

熱管冷卻堆具有結(jié)構(gòu)緊湊、靜默性好等特點(diǎn)，但目前該技術(shù)受限于固態(tài)堆芯的制造工藝、高溫?zé)峁艿膫鳠嵝阅艿纫蛩?，使得其?00 kW以上功率設(shè)計(jì)應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。熱電偶轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換效率較小，在相同電功率水平下，所需的系統(tǒng)熱功率很高，對(duì)大功率空間核反應(yīng)堆系統(tǒng)的適用性受限。堿金屬轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理論轉(zhuǎn)換效率高，但由于固體電解質(zhì)高溫時(shí)強(qiáng)度下降和多孔電極高溫?zé)Y(jié)引起輸出電特性快速衰減等問(wèn)題難以突破，很大程度上限制了堿金屬轉(zhuǎn)換方式的應(yīng)用。研究表明[28]，當(dāng)系統(tǒng)功率大于100 kW時(shí)，采用布雷頓循環(huán)相對(duì)斯特林循環(huán)將具有更小系統(tǒng)比質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。此外，斯特林單機(jī)輸出功率有限，即使采用多個(gè)斯特林單元并聯(lián)，系統(tǒng)功率通常只能達(dá)到200 kW左右。布雷頓循環(huán)與高溫氣冷堆有良好的相容性，功率覆蓋范圍廣，在該功率范圍具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。由于百kW功率量級(jí)的空間核反應(yīng)堆電源在民用和軍用航天任務(wù)中具有多類型的用途，同時(shí)多種技術(shù)方案均可達(dá)到該功率范圍，因此在技術(shù)路線方面，應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景合理選擇。

3.4 1 MW以上功率量級(jí)

MW級(jí)空間核反應(yīng)堆電源可用于先進(jìn)電推進(jìn)系統(tǒng)、太空貨運(yùn)拖車、近地小行星轉(zhuǎn)移等多類別空間任務(wù)，是載人火星任務(wù)、深空探測(cè)的重要能源保障，在未來(lái)民用、軍用航天領(lǐng)域有著不可替代的作用。美國(guó)、俄羅斯、歐盟及中國(guó)均開展了相應(yīng)研究工作，已有典型設(shè)計(jì)方案[10,26,49-52]列于表7。

由表7可知，當(dāng)功率達(dá)到MW級(jí)時(shí)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)基本采用布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換方式。布雷頓循環(huán)具備較高的能量轉(zhuǎn)換效率，在該功率范圍內(nèi)系統(tǒng)比質(zhì)量可降至20 kg/kW以下，因此是目前各國(guó)發(fā)展MW級(jí)空間核動(dòng)力的重點(diǎn)研究方向。空間用布雷頓循環(huán)有兩種形式，即直接循環(huán)與間接循環(huán)，二者對(duì)比列于表8?？煽闯觯瑑煞N循環(huán)方式各具優(yōu)勢(shì)，具體選擇應(yīng)視總體設(shè)計(jì)的指標(biāo)而定。

目前俄羅斯MW級(jí)核電推進(jìn)飛船項(xiàng)目與歐盟MEGAHIT項(xiàng)目均將氦氙氣冷快堆結(jié)合直接布雷頓循環(huán)的方案作為首選的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)路線。在工質(zhì)選擇方面，為降低葉輪機(jī)械氣動(dòng)載荷，減少空間布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中壓氣機(jī)級(jí)數(shù)與透平機(jī)械的體積與質(zhì)量，通常采用氦氙混合氣體作為工質(zhì)。

表7 MW級(jí)功率空間核反應(yīng)堆電源相關(guān)參數(shù)Table 7 Parameter of space nuclear reactor power with power up to MW class

表8 布雷頓循環(huán)對(duì)比Table 8 Comparison of Brayton cycle

此外，磁流體發(fā)電具有轉(zhuǎn)換效率高、啟動(dòng)快、廢熱排放溫度高等特點(diǎn)，可獲得MW級(jí)電功率。由于超導(dǎo)磁體技術(shù)、相關(guān)高溫材料工藝尚不成熟等限制，目前磁流體發(fā)電機(jī)仍難以連續(xù)(上萬(wàn)小時(shí))、穩(wěn)定地運(yùn)行。若未來(lái)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)得以突破，磁流體發(fā)電技術(shù)在大功率空間核反應(yīng)堆電源中也將具備良好應(yīng)用前景。

4 技術(shù)難點(diǎn)

空間核反應(yīng)堆電源研發(fā)是一項(xiàng)融合核工程與航天工程的大型交叉性科學(xué)研究工作，技術(shù)難度大，研發(fā)周期長(zhǎng)。同時(shí)，高精度、多類別、深層次的空間任務(wù)對(duì)相互耦合的子系統(tǒng)也提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求，尤其對(duì)于大功率空間核反應(yīng)堆電源而言，未來(lái)仍將面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在5個(gè)方面，即核反應(yīng)堆工程、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、輻射屏蔽系統(tǒng)及工程技術(shù)的整合。核反應(yīng)堆工程方面包括反應(yīng)堆總體設(shè)計(jì)、耐高溫的新型核燃料、熱工水力特性與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料研發(fā)等；能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在于提高能量轉(zhuǎn)換效率與系統(tǒng)可靠性；散熱器方面主要在于設(shè)計(jì)更加輕便緊湊、耐高溫的新型散熱器；輻射屏蔽系統(tǒng)研究重點(diǎn)在于開發(fā)輕質(zhì)高效復(fù)合輻射屏蔽層材料；最后將已有技術(shù)整合為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)適用的空間動(dòng)力系統(tǒng)也是亟待解決的技術(shù)難題。NASA研究報(bào)告[32]同樣指出，目前已有的材料性能、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)等已能滿足10 kW以下功率范圍的空間核反應(yīng)堆電源設(shè)計(jì)要求，其最大的困難在于將這些已有子系統(tǒng)整合成高效率、高可靠性、經(jīng)濟(jì)可接受的空間能源系統(tǒng)。而對(duì)于100 kW以上空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，目前的技術(shù)尚不成熟，面臨的挑戰(zhàn)將更多，未來(lái)需要投入大量研究。以不同的堆芯冷卻手段為例，3類空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)的難點(diǎn)列于表9。

表9 3類空間核反應(yīng)堆電源的技術(shù)難點(diǎn)Table 9 Technical difficulty for three types of space nuclear reactor powers

5 結(jié)論

本文從空間任務(wù)場(chǎng)景與應(yīng)用對(duì)象角度，討論了空間核反應(yīng)堆電源在空間民用與軍用兩方面的功率需求?；诠β市枨蠓治鲅芯拷Y(jié)果，對(duì)4種功率量級(jí)下的潛在技術(shù)方案進(jìn)行綜合分析與比較，并初步分析了相對(duì)優(yōu)化的技術(shù)路線，主要結(jié)論如下。

1) 空間核反應(yīng)堆電源具有功率跨度廣、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，能滿足多類別、多層次的空間任務(wù)需求，是未來(lái)空間動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)。

2) 當(dāng)系統(tǒng)功率大于50 kW時(shí)，空間核反應(yīng)堆電源具有更小的系統(tǒng)比質(zhì)量，且隨功率的增大，優(yōu)勢(shì)將更加顯著。

3) 民用空間任務(wù)功率需求在1 kW～100 MW之間，其中百kW級(jí)的功率需求最為明顯，未來(lái)應(yīng)用范圍最為廣泛，對(duì)于需兼顧功率需求與做功可持續(xù)性等要求的空間任務(wù)，采用空間核反應(yīng)堆作為電源是最優(yōu)甚至唯一選擇。軍用空間任務(wù)功率需求的跨度較大，在10 kW～1 000 MW之間，其中MW級(jí)功率電源將是軍用空間任務(wù)發(fā)展的首要目標(biāo)。

4) 從系統(tǒng)復(fù)雜度、質(zhì)量等考慮，目前空間核反應(yīng)堆堆型主要以快堆為主，匹配反應(yīng)堆冷卻劑與能量轉(zhuǎn)換方式，對(duì)于1～10 kW功率量級(jí)，采用熱管冷卻結(jié)合斯特林循環(huán)和液態(tài)金屬冷卻結(jié)合熱離子轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線較具競(jìng)爭(zhēng)力。而熱管冷卻結(jié)合斯特林循環(huán)技術(shù)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性好、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，是10～100 kW功率范圍最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方案之一。

5) 對(duì)于百kW級(jí)以上功率需求，布雷頓循環(huán)具有高能量轉(zhuǎn)換效率及較小的系統(tǒng)比質(zhì)量。在MW級(jí)空間電源方面，目前氣冷堆結(jié)合布雷頓循環(huán)的技術(shù)成熟度更高，氦氙混合氣體常作為空間布雷頓循環(huán)的工質(zhì)。