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美國空間用核反應堆最新研究進展

軍工資源網 2021年12月20日

導讀：美國歷史上研制的許多空間用核反應堆如SNAP-10A、SAFE-400、SP-100等由于技術復雜，過度依賴新材料和新技術，基本上以失敗告終。因此，美國決定制定相對簡單的、有工程化可能的實施方案，來作為空間核反應堆發展的新方向。遵照這一原則，美國著重進行了兩個空間核反應堆的研發，一個是以星球表面應用為主要目的的KiloPower，另一個是以空間推進為主要目的的核熱推進(NTP)反應堆。美國后續的空間核反應堆可能都會以此為基礎進行衍生設計。

1. KiloPower的發展及特點

2015年，NASA正式立項開展新一代空間核反應堆“KiloPower”的研究工作以滿足科學和人類探測任務。該項目包括三項研究內容：第一是Kilopower原型堆測試;第二是火星Kilopower系統的概念設計;第三是Kilopower鈦-水熱管散熱器原型的設計和開發，為未來在國際空間站進行飛行實驗做準備。

在第一項研究中，美國能源部洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(LANL)負責原型堆設計，Y-12國家安全綜合體負責堆芯制造，NASA格倫研究中心負責設計和制造Kilopower傳熱、發電和散熱系統，并對這些系統進行電熱測試，馬歇爾航天中心(MSFC)負責研制用于非核測試的電熱反應堆模擬器以及供核測試使用的屏蔽層。原型堆的總裝和測試工作在內華達國家安全試驗場區進行。

圖表：KiloPower參數

資料來源：調研整理

KiloPower共有1kWe和10kWe標準兩檔設計，其中1kWe KiloPower堆芯燃料為鉬鈾(UMo)合金、熱功率約4kWt，反射層為BeO，由8根鈉熱管導出堆芯熱量，并由8臺斯特林發電機產生共1kWe的電功率，16根鈦合金/水熱管以及附在熱管上的輻射翅片構成熱排放系統，28V直流輸出，壽命15年以上，核燃料燃耗<1%，總重400kg，10m處截面的中子注量為10¹¹個/cm²，γ輻照總劑量設計值100kRad(16年)。

KiloPower堆芯結構及實物圖

10kWe KiloPower堆芯燃料為UMo合金、熱功率40kWt，8臺1.25kWe斯特林發電機，反射層為BeO，32根鈦合金/水熱管構成可折疊輻射器，壽命15年以上，核燃料燃耗<1%，總重1500kg，10m處截面的中子通量為10¹¹個/cm²，γ輻照總劑量設計值100kRad(16年)。

KiloPower電源系統

KiloPower的堆芯由美國Y12國家安全綜合體提供，電源系統通過局部的設計變更可覆蓋0.5～10kWe電功率范圍，1kWe方案系統(參見上圖a)質量約400kg，10kWe方案系統(參見上圖b)質量約1.5t，設計壽命可達10年以上。

KiloPower反應堆是美國有史以來提出的最簡單(或者說簡潔)的反應堆概念之一。反應堆在低功率下運行，其燃料、熱管、控制、反射層、屏蔽等是較容易實現一體化。低功率使其結構輻照損傷很小，熱量導出的要求也很低。唯一的運動部件只有安全棒，安全棒在啟動階段就彈出堆芯，此后全固態的、完全沒有運動件的反應堆具有很強的可靠性。

KiloPower實物圖

核燃料上，KiloPower反應堆選擇了鈾鉬合金，這主要是因為這是可用燃料中美國唯一研究相對透徹，不再需要大量投入進行前期研究的燃料。而且鈾鉬合金還有兩個理想的優點：高鈾裝量和高熱導率。但是鈾鉬合金同時也存在兩個顯著的缺點：相對較低的熔點和高溫下與多數材料不兼容的化學不穩定性。鈾鉬合金的熔化可以通過控制最高溫度來避免，但高溫帶來的軟化問題很棘手，必須考慮裝載應力甚至重力對燃料帶來的影響。

2017年11月至2018年3月,美國對KiloPower的原型堆KRUSTY進行了試驗，先用不銹鋼模擬反應堆堆芯，然后用貧鈾鈾塊，最后采用高濃鈾進行地面核試驗。鋼制的堆芯在熱學性能上和鈾是接近的，可以用來驗證熱負荷下熱管的連接和堆芯的分割方法，并且可以通過真空環境下的電加熱試驗模擬太空環境。不銹鋼材料試驗得出的穩態工況、瞬態溫度、功率分布等可以作為貧鈾(DU)試驗的參考基準。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，同時可以作為參考確保組裝全過程中不會因為幾何和慢化劑相互影響帶來臨界安全隱患。同時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，這可以使項目完善安全流程并使工作人員都做好準備，從而為以后的高濃鈾裝料做好鋪墊。

KiloPower和它的原型堆KRUSTY

目前，KiloPower的研究團隊正在開展其關于空間、外星球表面的適應性試驗和設計，以保證KiloPower可以在嚴酷的外部環境(大溫差、火星沙塵等)下穩定工作。

2020年11月2日，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(LANL)宣布與空間核動力公司(Space Nukes)簽署協議，授予該公司Kilopower空間反應堆技術使用權，目的是使這項技術在未來幾年實現商業化應用。

2. 空間應用小型模塊化裂變反應堆SMFR

2019年左右，美國USRA(Universities Space Research Association)開始了一項內部研究和開發(IRAD)項目，針對能在月球上使用的“空間應用的小型模塊化裂變反應堆(SMFR)”SMFR進行概念研究。IRAD項目的設計特點包括：

使用NASA的KiloPower設計作為起點;
在月表提供40～150kWe的電力;
無人值守運行至少20年;
使用U-235豐度小于20%的低濃鈾(LEU)U-Mo燃料。

SMFR通過各種可能的能量轉換技術，可以為人類和機器人活動任務提供所需的熱量和電力。該項目還將研究SMFR設計的哪些方面適用于火星和其他深空任務。通過該項研究，或許能實現在2028年之前開發用于月球上的SMFR，資源充足的話或許更快。

與其他潛在電源相比，SMFR具有明顯的優勢。盡管光伏系統將在未來的太空電力架構中發揮重要作用，但它們無法在長時間的夜晚(最長可達14個地球日)或在陰影區域發電，這將大大限制月球、火星上設想的大多數應用。類似地，美國使用國外Pu-238燃料運行的 RTG通常僅能提供幾百瓦的電力。為了滿足深空探索的需求，美國最近才重新啟動了 Pu-238的生產，但是生產非常昂貴且緩慢，不足以滿足需要多個 RTG的任務。

美國火星車使用的RTG

KiloPower項目主要是對使用高濃鈾(HEU)的裂變堆進行概念驗證，其優點是初始輸出功率為1kWe，具有達到10kWe的潛能。USRA的SMFR IRAD項目旨在研究：基于KiloPower已經成功的1kWe概念驗證實驗，進一步研究建造具有成本效益的商業成熟SMFR所需的各種條件，使得該項技術能夠為月球表面的廣泛探索、資源勘探和原位資源利用活動提供所需的電力水平(輸出功率為40～150kWe)。

SMFR的低濃鈾燃料選擇

USRA的SMFR IRAD項目與NASA的KiloPower項目之間的顯著差異在于前者采用了低濃鈾(LEU)燃料。雖然高濃鈾(HEU)比LEU具有更多優勢，包括采用HEU將需要更少的核燃料、可使用更多種類的材料以及不需要慢化劑等，但是從商業角度來看，HEU存在一些難以克服的問題。

HEU中有足夠的U-235可用于核武器，與HEU的生產、運輸、貯存和使用相關的制造、安全和安保成本使其在商業上不切實際。HEU本質上是美國政府的財產，故在燃料的整個生命周期中必須保持由政府控制，而這一點基本消除了在太空或地球上商業運行HEU反應堆的可能性。相反地，LEU難以用于核武器，相應的限制也少得多。LEU的成本和可用性使其成為SMFR的良好候選燃料。

USRA在概念研究中將徹底解決使用LEU燃料相關的反應堆設計難題。使用LEU燃料需要更大質量的燃料才能達到臨界狀態，為了克服這一劣勢，可以分析哪些同位素會導致中子吸收，然后評估去除這些同位素的可行性。另外，靈活使用慢化劑材料、中子反射器和輻射屏蔽可以減少LEU的質量損失。

SMFR的初步研究結果

USRA聲稱，在對比HEU的總成本、管理復雜性和安全影響后，基于LEU的SMFR月球表面系統的質量損失是可以接受的。為了驗證這一結論，USRA在SMFR研究中的第一步是開發出質量估算方法，估算等功率輸出的LEU和HEU系統的質量。USRA比較了使用HEU鈾鉬燃料的1kWe和10kWe的兩個概念反應堆設計，以及使用LEU(19.75%)合金燃料的兩種不同設計，得出的結果如下：

HEU的相對質量優勢在40～150kWe功率范圍內顯著降低：40kWe時，質量差異約為33%;150kWe時，質量差異降至15%;
在1～150kWe功率范圍內，質量差異保持在900千克左右，燃料本身的質量幾乎恒定;
質量差異中約一半來自燃料本身，剩余部分來自γ射線和中子屏蔽設施。

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