前沿 | 反应堆要上天了，NASA的Kilopower

电力18讯：

 首先关注一条新闻：

科学家，工程师和记者于5月2日聚集在美国宇航局位于克利夫兰的格伦研究中心，召开新闻发布会，宣布 Kilopower核电站项目的最新成果：它完成了所有主要的地面测试，超过了开发团队的预期。

等等，地面测试？？难道核电站还要在天上测试？？

嗯，没错，就是要上天，因为人家是 空间反应堆 

原理

空间核反应堆主要是指在空间任务中将核反应堆产生的热能转换成电能为航天器供电的装置。

在反应堆本体内发生核裂变反应产生的热能被传输至热电转换系统，一部分热能在热电转换系统中转换为电能，剩余没有转换为电能的废热则由废热排放系统通过辐射散热形式排散到宇宙空间。

影子辐射屏蔽位于反应堆本体和电源其它系统以及航天器有效载荷之间，可以将核反应堆产生的辐射剂量减弱至有效载荷或宇航员可接受的水平。

自动控制系统负责电源系统的监测和运行控制。

发展历史

美国和俄罗斯/前苏联历来视空间核反应堆电源为国家战略核心技术：

1. 1965年，美国推出第一台也是当时唯一一台空间反应堆——SNAP 10A。主要特征：热中子谱，钠钾金属冷却，590W 可运行43天；

2. 1967-1988年，苏联推出RORSAT系列。主要特征：快中子谱，钠钾金属冷却，最高功率3KW，~90%高浓缩铀燃料或者UC2 and UMo合金燃料；

3. 1987年，俄罗斯推出TOPAZ。主要特征：快中子谱，钠钾金属冷却，最高功率5KW，采用UO2 ,~96%高浓缩铀燃料。

4. 美俄合作的40KW堆计划在1992年被搁置（众所周知的原因）。

深空航天可选能源来源对比：

1. 太阳能

• 便宜实用

• 超越火星的深空航行不可用

• 太阳能板易损坏，体积巨大

2. 化学能

• 能量密度低

• 燃料重量大，供应时长短

3. 核能（目前指裂变核能）

• 轨道和航天器航行距离影响不大

• 实用可靠的成熟能源

• 高能量密度

• 热、电、机械能等多能量模式转换

根据国际原子能机构（IAEA）在2005年出版的《核电源及核推进在和平探索太空中的作用》一书中给出的不同空间电源的适用功率范围及适用任务周期：

对于小时量级的短期任务，化学电池可提供高达6万kWe的电功率，但当任务周期延长至1个月时，其只能为航天器提供千瓦级及千瓦以下电功率，因此化学电池通常服务于短期任务，如执行短期任务的返回式卫星。

太阳能电池本身不适于提供瞬间大功率输出，其在10～50 kWe功率量级最为高效，同时具有较长的使用寿命，因此太阳能电池通常服务于光照条件良好、中等功率水平的长期任务，例如目前绝大多数长期任务的地球轨道航天器采用太阳能电池提供电力。

空间核反应堆电源几乎可以为任何寿命周期的任务提供无限制的电力供给，然而考虑到其综合效费比，通常将其应用在中高功率（大于10 kWe）需求的航天任务。

放射性同位素电池输出电功率较小（千瓦及以下），可长周期连续提供电力，因此特别适合于光照条件不太好、功率需求不太高的长周期无人深空探测任务以及星表探测任务。

因此对于深空航行来说，核能的高能量密度低负重无疑是最重要的优势。

回到文首新闻，NASA表示，与先前的技术不同，Kilopower反应堆简单，价格低廉，并且依赖于已经很成熟的燃料和技术。

就像传统的核反应堆一样，Kilopower能够从铀合金核心收集比RTG（radioisotope thermoelectric generators）更多的能量。

夹在反应堆堆芯周围的热管将热量传递给装置的发电机：小型斯特林发动机。

发动机是简单的活塞，可将热量转化为运动，然后转换为电能。

 

 

目前存在的问题主要在于辐射对于载人航天器宇航员的影响；然后就是飞行测试，这将是下一个重要步骤，但是NASA目前还未公布具体规划。

参考文献和图片来源：

1 A Nuclear Reactor for Space Missions Passes Final Major Ground Tests

2 NASA considering flight test of space nuclear reactor technology

3 空间核反应堆电源技术概览 胡古 ,赵守智， 深空探测学报 2017, Vol. 4 Issue (5): 430-443

 

4 NASA官网