应用核能探索太空的历程

近期，罗罗公司(Rolls-Royce)获得英国航天局(UK Space Agency)的进一步资助，用于支持研究将模块化核反应堆应用于太空探索项目，实际上，从20世纪60年代开始，美国已持续多年探索将核能技术用于太空应用。

太空用核能技术超出了常规小堆的范畴，但是考虑其主要功率范围，勉强可以算作小堆吧。

SNAP-10A

SNAP计划的目标是提供一个紧凑反应堆，能够满足太空旅行的需求和限制。主承包商Atomics International是North American Aviation Inc.的一个部门，负责SNAP项目的许多关键方面。时任美国原子能委员会主席的Glenn T.Seaborg指出，“核反应堆是满足太空探索和旅行电力需求的唯一实用设备。”。

SNAP-10A是首个在轨测试的核反应堆。发射前，安全系统在Rocketdyne Santa Susana现场实验室通过试验进行了严格审查。它由一个34 kW的反应堆和一个功率转换装置组成，可以产生500 W以上的电力。

反应堆堆芯由37根铀锆氢化物制成的燃料棒组成。径向反射器中的四个控制鼓用于控制反应性。反射器由一根绑有爆炸螺栓的带子固定在反应堆上。如果在紧急情况下需要关闭反应堆，可以启动爆炸螺栓，反射器将从反应堆中弹出。一旦反射器被弹出，中子将不再被反射回堆芯，因此裂变无法持续。

SNAP-10A反应堆使用液态金属冷却剂共晶钠钾(也称为NaK)进行冷却。使用液态金属冷却剂可以在较低的系统压力下获得更高的堆芯温度，从而促进更安全的运行。热电泵足以使NaK循环，为反应堆提供必要的冷却。

SNAP-10A于1965年4月从美国Vandenberg空军基地由Atlas-Agena D火箭搭载进入700英里(约1120公里)的环形极地地球轨道，随后远程启动。同年5月，Agena航天器发生电气系统故障，导致反应堆在轨道上仅运行了43天后自动关闭。虽然反应堆运行良好，但航天器的错误信号指令控制或航天器(非核系统)电压调节器的故障被认为是任务终止的原因。不幸的是，自动关闭系统被设计为在任何异常和事故情况下将反射器弹出反应堆。因此，自动反射器弹出使系统无法重新启动，从而结束了任务。

事后看来，Seaborg的说法是正确的，事实上，核能是推动太空探索的唯一实用手段。深空探索的未来取决于通过核能为推进系统和电力系统提供燃料的能力。

Rover/NERVA (1955–1973)

另一个核热推进项目名为Rover/NERVA，时间跨度从1955年到1973年。Rover计划最初是1955年美国空军的一个项目，1958年移交给美国国家航空航天局(NASA)，成为核能火箭发动机应用(NERVA)项目的一部分。Rover主要专注于核能火箭反应堆设计的开发，而NERVA则专注于核能发动机的开发和部署。当该项目首次启动时，主流观点是将核裂变推进用作洲际弹道导弹的备用方案。项目还对核能推进可用于月球飞行第二阶段和火星任务的理论进行了评估。

该项目位于当时被称为Los Alamos Scientific Laboratory(LASL)的地方，证明了核动力推进系统可以频繁启动和关闭，而不会产生不利影响。Rover开发的反应堆采用高富集度固体铀作为燃料，石墨作为慢化剂，液态氢作为冷却剂。反应堆在LASL建造，并运往Nevada州的Nuclear Rocket Development Station进行试验。Rover/NERVA计划于1972年停止，1973年，就在飞行发动机开发即将开始时，该项目被取消，没有任何反应堆离开地面。当时的分析指出，化学火箭更经济。Rover/NERVA的研发无疑为未来在太空中使用裂变反应堆提供了必要的经验教训。最终，项目开发和试验了三个核能推进反应堆，包括KIWI-A和KIWI-B、PHOEBUS和PEWEE。

KIWI-A的设计目标是产生约100 MW的电力，最终试验功率仅为70 MW。KIWI-A是一个高温气冷反应堆，证明氢气在经过核反应堆加热后可以用于太空推进。KIWI-A系列进行了多个反应堆试验，包括KIWI-A(1959年7月)、KIWI-A'(1960年7月)和KIWI-A3(1960年10月)。KIWI-A'试验中达到88 MW并持续了6分钟，KIWI-A3试验中达到112.5 MW并持续超过4分钟。

KIWI-B试验系列中也有多个反应堆设计。KIWI-B1A是1961年12月进行的反应堆试验，试验最大功率仅达到225 MW(未达到预期的1125 MW)，并在运行36秒后被终止。KIWI-B4A试验于1962年11月进行，最大功率达到450 MW，KIWI-B4D试验于1964年5月进行，最大功率达到990 MW，KIWI-B4E试验于1964年8月进行，并于1964年9月重新进行。1964年8月的试验最大功率达到937 MW，而1964年9月的试验达到882 MW功率。1964年9月，还将两个KIWI反应堆放在一起，以验证反应堆能以集群形式安全运行。

PHOEBUS的设计功率为5000 MW，并于1968年6月在PHOEBUS-2A全功率运行期间以4082 MW的功率进行了试验。试验在该功率下终止，因为反应堆的夹持带温度达到417 K的极限(即，问题不是压力容器过热)。在试验期间，还发现控制鼓反应性差异、氢气流量振荡和堆芯温度刻度不一致等问题。

PEWEE的设计输出功率为500 MW，并证明小型反应堆可以在火箭发动机环境中的高温下运行。

Kilopower project (2015–2018)

Kilopower项目始于2015年10月，旨在为行星任务和深空旅行提供动力。Kilopower被用来展示核反应堆的潜在用途，包括核能动力推进和任务电力供应。

原型反应堆被称为采用斯特林技术的Kilopower反应堆(KRUSTY)，是使用碳化硼控制棒的5 kWt固体燃料铀-235反应堆。KRUSTY的堆芯大小与卷纸差不多。反应堆由液态钠冷却，最终将热量传递给斯特林发动机。

KRUSTY试验于2017年11月至2018年3月分阶段进行，包括以下内容：

设备临界：以不同配置方式组装反应堆燃料、中子反射器屏蔽、和启动棒，并测量总反应性。

冷态临界：添加热管、夹具、绝缘材料和真空容器时进行零功率临界试验。

热态临界：堆芯利用裂变能量逐渐加热。

试验表明，系统能按预期运行，反应堆对可能的故障条件和瞬态具有很高的耐受性。所展示的关键特征是反应堆能够跟随电力转换系统的需求进行负荷调节。试验的热功率范围为1.5至5.0 kWt，燃料温度高达880°C。每台额定功率为80 We的斯特林转换器产生约90 We电力，设备效率约为35%，整个系统效率约为25%。

Kilopower项目及由此产生的KRUSTY反应堆证明了可以设计、建造并成功试验新的反应堆。2018年，该项目被认为是成功的，并为下一个项目铺平了道路：裂变核能地表能源。

NASA裂变核能项目现状

目前有两个项目正在进行中，涉及在太空中使用核裂变技术。第一个项目是裂变核能地表能源(FSP)设计。第二个是核热推进(NTP)系统研发。这两个项目可以提供必要的动力和推进力，使深空探索成为可能。

裂变核能地表能源(FSP)

目前，NASA正在与美国能源部和工业合作伙伴合作，设计和建造一个能够发电40 kW的反应堆动力系统，最短持续时间为10年。FSP将使月球和火星任务能够在不受这两个地点恶劣环境条件影响的情况下获得动力。最终目标是在2029年年底前将一个可发射的FSP运送到发射场。

FSP项目的几个关键参数包括：

• 以120 V直流方式输出40 kWe功率;

• 6000 kg的重量限制;

• FSP适合安装在着陆器上;

• 离开着陆器的运输方便性以实现最佳应用;

• 除了这些要求外，还必须满足严格的辐射防护要求。根据FSP的提案要求，“FSP的设计应将1公里外用户界面位置的辐射暴露限制在月球背景以上每年5雷姆的基线值”。

NASA表示，该项目将分两个阶段进行。在第一阶段，NASA和美国能源部联系了三个行业合作伙伴，寻求FSP系统的初步设计概念。美国Idaho国家实验室(INL)正在领导这项工作，将审查每一项设计并反馈给NASA。第一阶段的三个行业合作伙伴分别是：

• IX(Intuitive Machines和X-energy的合资企业)，与Maxar和波音公司合作;

• Lockheed Martin公司，与BWX Technologies和Creare公司合作;

• 西屋公司，与Aerojet Rocketdyne公司合作。

第二阶段将主要由INL负责，NASA将参与其中，包括“一个独立的提案征集、评估和选择过程，涵盖设计开发试验和评估(DDT&E)、一个单独的核地面试验装置和2029年12月前的有效载荷交付”，NASA表示，“最终将飞行系统交付至发射场”。

核热推进(NTP)

NASA在开发NTP系统方面有着悠久的历史，包括1955年至1973年间为Rover/NERVA进行的设计、建造和试验。该项目生产了许多反应堆推进系统，然而，他们都没有被带到发射台。尽管如此，为Rover/NERVA开发的NTP系统为目前正在开发的NTP提供了支撑。

NTP系统将在未来的深空任务中发挥关键作用，包括火星之旅。NTP为太空任务提供了比传统化学推进系统更有效的推进手段。目前的NTP系统设计不要求具备产生发射所需推力的能力。发射将使用更传统的化学火箭推进系统，此后，机组人员将开始使用NTP。

NTP系统的使用也将使NASA能够缩短前往火星的往返时间。由于这是一种更有效的推动宇航员的方式，它可以通过将飞行时间缩短近25%，从而有效地减少机组人员的宇宙辐射暴露。一个更重要的好处是能够在宇航员到达火星之前中止任务并将其送回地球。化学火箭系统需要燃烧燃料才能离开地球轨道，并在火星上获取更多燃料才能返回地球。在任务中途没有可行的方法在地球和火星之间的某个地方分阶段补充燃料。NTP系统自带燃料，因此只要不耗尽氢推进剂，它们的机动能力就不受限制。

NTP系统被设计为以低富集度铀为燃料。多个地方正在与INL合作开发新的NTP燃料，包括INL、Oak Ridge国家实验室(ORNL)、Los Alamos国家实验室(LANL)、NASA Marshall太空飞行中心(MSFC)、BWXT、Ultra Safe Nuclear Corporation(USNC)和X-energy。燃料的辐照试验正在Transient Reactor Test Facility(TREAT)中进行，尽管TREAT在技术上并不用于开发燃料。上述所有地点以及麻省理工学院也正在进行其他重要的试验。

NTP利用裂变产生的热量，通过反应堆芯加热低分子量推进剂(例如氢)来工作。氢气被加热后，在通过喷嘴时的膨胀实际上是NTP系统产生推力的原因。

美国能源部已经授予了三个反应堆设计方案的设计合同，以支持NTP计划。INL代表NASA发布了设计合同，但包括INL、LANL、ORNL、MSFC、NASA总部和Glenn研究中心在内的许多组织都将参与审查根据合同形成的设计。

三个反应堆设计行业合作伙伴是：

• BWXT，与Lockheed Martin公司合作;

• General Atomics公司，与X-energy和Aerojet Rocketdyne合作;

• USNC，与Blue Origin、GE Hitachi Nuclear Energy、GE Research、Framatome和Materion合作。

在太空中使用裂变能源的历史主要受SNAP、Rover/NERVA和Kilopower计划的影响。NASA、美国能源部和行业合作伙伴有很多经验可以借鉴，以指导工程师和设计师创建裂变动力推进系统和裂变动力系统。这些系统对登月、登陆火星甚至未来的深空探索都至关重要。