美国核能太空项目发展路径

用于太空的核裂变反应堆主要由俄罗斯使用，但美国和俄罗斯都在开发新的更强大的设计。

1、早期计划：20世纪60年代至80年代

从1959-1973年，美国有一个核火箭计划——火箭车应用核发动机(NERVA)——其重点是在发射的后期阶段用核能替代化学火箭。

NERVA使用石墨芯反应堆加热氢气并通过喷嘴排出。大约20台发动机在内华达州进行了测试，产生的推力高达航天飞机发射器的一半以上。

从那时起，“核火箭”一直是打算用于太空推进，而不是发射。NERVA的后续发展是今天的核热火箭(NTR)。

另一个早期想法是美国的“猎户座”计划，该计划将使用一系列小型核爆炸从地球发射一艘约1000吨的大型航天器。

该项目由通用原子公司于1958年启动，1963年因《禁止大气试验条约》而中止。

猎户座项目为其他项目提供了思路，例如ICAN-Ⅱ和AIMStar，其他产生推进脉冲的方法也被考虑在内。

1965年推出的美国SNAP-10A是一个45kWt的热核裂变反应堆，使用ZrH慢化剂(或UZrH燃料)和共晶NaK冷却剂供，给热电转换器面板产生650瓦的功率。

它在590瓦的功率下运行了43天，但由于电压调节器(而非反应堆)故障而关闭。

这一时期，美国的最后一个太空反应堆计划是NASA-DOE-美国国防部的一个联合项目，该项目开发了SP-100反应堆——一个2 MWt的快速反应堆装置和热电系统，功率达100kWe——作为轨道任务的多用途电源或月球/火星表面电站。

在吸收了近10亿美元后，这项计划于20世纪90年代初终止。

该反应堆使用了氮化铀燃料，并且是锂燃料。

在20世纪80年代末，美国国防部与能源部合作，推进多兆瓦(MMW)空间动力计划。

这一能力远远超出了民用空间计划的要求。

对于航天器推进，核热火箭(NTP或NTR)推进系统已经获得了一些经验，据说这些系统已经发展成熟并得到了验证。

核裂变加热氢推进剂，氢推进剂作为液体储存在冷却罐中。

热气(约2500℃)通过喷嘴排出以产生推力(可通过向超音速氢气排气中注入液氧来增加推力)。

这比化学反应更有效。双模态版本将在航天器上运行电气系统，包括强大的雷达，并提供推进。

与核电等离子体系统相比，这些系统在更短的时间内具有更大的推力，可用于发射和着陆。

2、后项目：20世纪90年代

直到20世纪80年代末，人们的注意力转向了核电推进(NEP)系统，在该种设想中，核反应堆是电离子驱动的热源，将等离子体从喷嘴中排出，以推动已经在太空中的航天器。

超导磁电池电离氙(或氢)，将其加热到极高的温度(数百万℃)，并使用极高的电压使其加速，以极高的速度(例如30 km/s)将其排出，以提供推力。

虽然相对于火箭来说，推力很小，但它在太空中的长期应用(例如数年)保证航天器的高速飞行。

自2007年以来，NASA在火星和木星之间运行的“黎明号”飞船使用离子推进器，100多颗地球同步轨道通信卫星也使用离子推进器。

它们都延长了卫星的运行寿命，降低了发射和运行成本。

氙之所以被使用，是因为它容易电离，原子质量相对较高，而且是惰性的，储存密度高。

1998年至2001年，NASA首次使用离子推进器执行太空任务。

NASA太阳能技术应用(NSTAR)离子推进系统使深空1号任务(第一艘主要由离子推进的航天器)得以飞行超过2.6亿公里，飞越小行星布莱叶和博雷利彗星。

NASA研发的氙推进器(NEXT)和环形发动机就是这方面的发展。

NEXT是一种大功率离子推进系统，旨在降低任务成本和飞行时间，以NSTAR的三倍功率运行。

NASA获得专利的环形发动机有可能超过NEXT和其他电力推进器设计的性能能力，其总(环形)束面积是其两倍。

可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)的一个版本的研究借鉴了用于发电的磁约束聚变功率(托卡马克)，但在这里，等离子体被故意泄漏以提供推力。

该系统在低推力(可以持续)下工作效率最高，等离子体流量较小，但短时间的高推力操作是可能的。

它非常有效，99%的电能转化为动能，尽管短推力点火只有70%。

VX200是一种200kW版本，2015年正在进行测试，以期部署在核电力推进的太空任务中。它还可以用于清除空间碎片，推进低轨道燃烧。

NASA已与Ad Astra火箭公司签订合同，开发新版本的VX-200SS(“SS”代表“稳定状态”)，采用新的核心设计和热控制，在1,000,000℃的温度下运行，同时几乎完全消除了对大量火箭燃料的需求。

热管动力系统(HPS)反应堆是一种紧凑型快速反应堆，大约十年内可产生100 kWe的能量，为航天器或行星表面飞行器提供动力。

自1994年以来，他们一直在洛斯阿拉莫斯国家实验室开发，作为一个强大的低技术风险系统，强调高可靠性和安全性。

他们使用热管从反应堆堆芯传递能量，使用斯特林或布雷顿循环转换器发电。

热管是一种将导热性与相变相结合的传热装置。在热端，液体在低压下蒸发，在另一端冷凝，释放蒸发潜热。然后，液体通过重力或毛细管作用返回热端，重复循环。(如果使用重力，它们有时被称为两相热虹吸管，但使用表面张力的毛细管“泵送”是使用的主要机制。)

在20世纪90年代的设计中，裂变产生的能量从燃料管传导到充满钠蒸汽的热管，热管将钠蒸汽输送到热交换器，然后以热气体的形式输送到斯特林或布雷顿动力转换系统以发电。

气体为72%的氦气和28%的氙气。反应堆本身包含许多带有燃料的热管模块。每个模块都有其中央热管，其周围布置有铼包层燃料套管。

它们的直径相同，含有97%的浓缩氮化铀燃料，都在模块的包层内。模块形成一个紧凑的六边形芯。控制是通过六个不锈钢包层铍鼓进行的，每个鼓直径为11或13厘米，碳化硼在每个鼓上形成120度电弧。

鼓安装在围绕堆芯的铍径向中子反射器的六个部分内，并旋转以实现控制，将碳化硼移入或移出。

屏蔽取决于任务或应用，但不锈钢罐中的氢化锂是主要的中子屏蔽层。

SAFE-400空间裂变反应堆(SAFE Affordable fission Engine)是一个100kW的400kWt HPS，用于使用两个布雷顿动力系统(由反应堆的热气直接驱动的燃气轮机)为空间飞行器提供动力。

热交换器出口温度为880℃。该反应器有127个相同的热管模块，由钼或含1%锆的铌制成。

每一个都有三个直径为1厘米的燃料针，嵌套在一起形成一个直径为25厘米的紧凑六边形芯。

燃料针长70厘米(燃料长度56厘米)，总热管长度145厘米，在堆芯上方延伸75厘米，与热交换器相连。

带反射器的芯的直径为51厘米。堆芯的质量约为512千克，每个热交换器为72千克。

SAFE也已通过电动离子驱动进行了测试。这种反应堆的一个较小版本是HOMER-15——热管操作的火星探测反应堆。

它是一个15 kW的热机组，类似于更大的SAFE型号，高2.4米，包括热交换器和3kWe斯特林发动机。

它的工作温度仅为600℃，因此能够使用不锈钢直径为1.6 cm的燃料管和加热管。

它有19个钠热管模块，102个燃料针连接上，每个管道4个或6个，总共容纳72千克燃料。

热管长106厘米，燃料高度36厘米。核是六边形的(18厘米宽)，角上有六个BeO销。

反应堆系统的总质量为214千克，直径为41厘米。

NASA于2008年宣布了另一个用于月球和火星的小型裂变表面动力系统。40kWe系统可利用两种设计理念之一进行功率转换。

第一种由俄亥俄州的Sunpower公司制造的，它使用两个对置的活塞发动机与交流发电机相连，每台发电机产生6千瓦的功率，即总共12千瓦的功率。

第二种由科罗拉多州阿尔瓦达市的巴伯·尼科尔斯(Barber Nichols)负责开发封闭式布雷顿循环发动机，该发动机使用高速涡轮和压缩机，并与旋转交流发电机相连，该发电机也能产生12千瓦的电能。NASA自己将开发散热系统并提供太空模拟设施。

2012年年中，NASA报告成功测试了这一40 kWe系统的功率转换和散热器组件，该系统基于一个小型裂变反应堆，加热并循环钠和钾的液态金属冷却剂混合物。

这与外界温度之间的热差，将驱动两台互补的斯特林发动机来驱动一台40kWe发电机。

3、普罗米修斯项目：2003-2007

2002年，NASA宣布了其太空项目的核系统计划，2003年更名为普罗米修斯计划，并增加了资金。其目的是使空间任务的能力发生重大变化。

核动力太空旅行将比现在可能的速度快得多，并将实现载人火星任务。

普罗米修斯号是NASA的一个项目，DOE在核领域有大量参与。

普罗米修斯号的一个更为激进的目标是生产一种太空裂变动力系统(FPS)，如上文所述，用于动力和推进，发射安全，运行多年，功率比RTG大得多。

预计等离子体驱动的核电推进系统的功率为100 kW。2004财年预算提案为2.79亿美元，五年内将花费30亿美元。

这其中包括1.86亿美元(五年内10亿美元)的拨款，外加9300万美元(五年间20亿美元)用于首次飞往木星的飞行任务——预计将于2017年发射的木星冰月轨道飞行器(JIMO)，并将进行十年的探索。

然而，普罗米修斯项目在2005年的预算中只获得了4.3亿美元，而在2006年，这一数字缩水到了1亿美元，其中大部分是为了补偿取消的合同，因此它实际上陷入了停滞。

一个类似的项目已经启动并计划于2022年发射，名为JUpiter ICy卫星探测器(JUICE)，作为ESA正在开发的行星际航天器。

2003年，普罗米修斯项目成功地测试了一台高功率电力推进(HiPEP)离子发动机。

这是通过微波电离氙来实现的。在发动机的后部是一对矩形金属格栅，其充电电压为6,000伏。

这种电场的力量对氙离子施加强大的静电拉力，加速它们并产生推动航天器的推力。

测试功率高达12 kW，但预计为两倍。该推进器的设计寿命为7至10年，燃料效率高，并由小型核反应堆提供动力。

4、目前的计划

千瓦级太空反应堆项目被NASA称为KiloPower，可能包括各种与RTG功率和质量相当的设计。

他们使用液态金属热管将裂变热传递到热电或斯特林动力转换。

洛斯阿拉莫斯国家实验室和NASA格伦研究中心于2012年在内华达州国家安全中心完成了一项概念验证测试，使用Flattop反应堆和两个小型斯特林转换器，产生24瓦功率。

2014年12月，NASA格伦中心宣布其4kWt/1kWe的KiloPower项目取得进展，使用高浓缩铀为热管系统和斯特林发动机提供动力以发电——使用斯特林技术的千瓦反应堆(KRUSTY)。

这是一个完全依靠负热反馈进行控制的快堆，其目标是将自我调节设计为主要特征，并证明其可靠性。该设计可扩展至10kWe。

2018年4月，NASA的洛斯阿拉莫斯核实验室(LANL)宣布完成KRUSTY原型装置的全功率测试。

测试于2017年11月至2018年3月进行，在此期间，机组成功处理了多个模拟故障，包括功率降低、发动机故障和热管故障。

这是几十年来美国首次在太空核反应堆上进行核动力地面试验。在试验之前，NASA曾呼吁美国国家核安全局(NNSA)允许其进行。

这项测试是在能源部的临界安全计划下与NASA合作进行的。

快堆的最佳燃料为HEU(93%浓缩)合金，含7%钼，固体铸件，直径129 mm，长度300 mm。

一个直径250毫米的氧化铍反射器将围绕着这一点，在燃料和反射器之间有18个钠热管。

通过升高BeO反射体在反应堆堆芯中产生裂变来实现临界性。

一旦裂变开始，BeO反射器将缓慢升高，以将系统中的温度提高到800℃。

有一个单一的中心碳化硼控制棒。热管将从核心向八台自由活塞斯特林发动机输送13 kWt的热量，每台发动机可产生约125瓦的电力。

斯特林发动机将有一个近10平方米的圆柱形散热器。系统质量约750千克，长度约5米。

假设科学有效载荷距离堆芯约10米，并由45千克贫铀和40千克氢化锂屏蔽。

据报道，2017年11月的1 kWe试验反应堆使用92%铀、8%钼的合金，浓缩度达95%，直径11厘米，中心孔4厘米，8根热管。

有两个轴向中子反射器和一个径向中子反射器，总重量为70.5千克铍。

NASA估计，使用10个4kWe的KiloPower机组，火星上需要大约40kWe的能量。

KiloPower项目的经验将被用于一个2 MWe机组的MegaPower项目。其特点包括反应堆自我调节、低堆芯功率密度和使用热管去除堆芯热量。

该反应堆将连接到一个露天布雷顿循环动力转换系统，该系统使用空气作为工作流体，并作为最终排热的手段。

该反应堆重约40吨，包括3吨LEU燃料(16-19%浓缩)，长4米，直径2米。

它可以扩展到10 MWe，也可以用于军事基地，72小时安装。

2021 年4月，美国国防高级研究计划署(DARPA)授予了其敏捷滑翔作战示范火箭(DRACO)项目第一阶段的合同，以在2025年演示低地球轨道上的核热推进(NTP)系统。

通用原子公司(General Atomics)将开展反应堆开发工作，而蓝色起源公司(Blue Origin)和洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)将开发航天器概念设计。

(本文编译《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)