前沿|进军火星:美国完成千瓦级空间堆测试(美国载人登火星)

2018年5月2日,美国国家航空航天局在克利夫兰(Cleveland)格伦研究中心(GRC)召开新闻发布会,宣布已完成Kilopower千瓦级空间堆测试。此次测试于2017年11月—2018年3月在内华达国家安全试验场区(NNSS)进行。

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Kilopower空间堆

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Kilopower是一种千瓦级空间核反应堆,具有结构简单,造价低,并使用成熟技术等特点,可作为深空探索的动力系统和外星前哨站的能源供应系统。

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与传统核反应堆一样,Kilopower使用铀-235裂变产生的能量。与以水为冷却剂并使用二氧化铀燃料的传统反应堆不同的是,Kilopower使用钠热管以非能动方式将热量从堆芯传导至斯特林发电机,并以铀钼合金为燃料。

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Kilopower使用铀钼合金堆芯,堆芯外围是氧化铍反射层,功率为1~10千瓦,可连续运行10年不用换料。通过从反应堆一端插拔碳化硼单棒来控制其启动和停堆。氧化铍反射层可将中子弹回堆芯,提高自调节裂变反应的效率。紧密围绕堆芯的热管将堆芯热量传递至斯特林发电机,将热能转换为电能。设置了一个伞状冷却阵列,排出过剩的热量。

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▲Kilopower 空间堆结构图

Kilopower采用模块化设计,将自持式反应堆装置与斯特林发电机组合在一起,为深空探测器或火星等外星前哨站提供能源。4座Kilopower反应堆即可满足火星前哨站的电力需求。

▲Kilopower 斯特林发动机外观图

Kilopower研发

Kilopower研发项目由航空航天局和能源部于2015财年启动,目标是与验证空间堆各子系统的技术准备水平。

该项目包括三项研究内容:第一是Kilopower原型堆测试,包括研制和测试800瓦原型堆;第二是火星Kilopower系统的概念设计,包括根据800瓦原型堆设计能够满足火星前哨站能源需求的3~10千瓦动力系统;第三是Kilopower钛-水热管散热器原型的设计和开发,为未来在国际空间站进行飞行实验做准备。

该项目的核心是第一项研究。一座800瓦的Kilopower原型堆使用了4对斯特林发电机,每对电输出功率为200瓦。实际上,一对全规模斯特林发电机即可实现全部技术目标。原型堆主要设备包括Kilopower堆芯、热管、发电机和散热器。

在第一项研究中,能源部洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LANL)负责原型堆设计,Y-12国家安全综合体负责堆芯制造。航空航天局格伦研究中心负责设计和制造Kilopower传热、发电和散热系统,并对这些系统进行电热测试,马歇尔航天中心(MSFC)负责研制用于非核测试的电热反应堆模拟器以及供核测试使用的屏蔽层。原型堆的总装和测试工作在内华达国家安全试验场区进行。

Kilopower原型堆测试工作于2017年11月—2018年3月在内华达国家安全试验场区开展,目的是验证这种反应堆的技术可行性及其在异常工况下的安全性。

此次测试共分四个阶段:前两个阶段在堆芯不临界的情况下进行,目的是确认各系统均如预期的一样运行;在第三阶段,逐级提升原型堆运行功率,即从启动逐级达到满功率;第四阶段持续了28小时,对原型堆正常运行期间的各种运行工况进行了模拟,包括启动、逐级提升至满功率、稳态运行和停堆。

2018年5月2日,航空航天局宣布,Kilopower原型堆成功通过了一系列初步测试。在测试过程中,研究团队模拟了功率降低、发电机故障和热管故障等各种工况。结果表明,该原型堆能够持续运行并成功应对多种故障工况。此次测试证明原型堆的工作方式与设计人员预期的一致:无论在什么工况下,原型堆都表现良好。该反应堆的设计、制造和测试费用总计不超过2000万美元。

Kilopower的容量未来有望扩至10~100千瓦,甚至兆瓦。未来,宇航员只需在月球或火星表面安装几台这样的装置,就可保障前哨站在10年甚至更长时间的能源供应。

为何研发空间堆

对于到火星乃至更远的深空探索,空间裂变堆是一种理想甚至可能是目前唯一可行的千瓦级动力来源。在远离太阳的深空中,太阳能电池板将不能正常工作;如果使用化学能系统,则需要携带大量燃料,不具可行性;利用钚-238衰变热发电的放射性同位素系统虽已在美国空间探索任务中得到应用,但这一系统的功率均低于300瓦,而火星前哨站需要40~50千瓦的电力供应。

未来的深空探索,需要使用千瓦级空间堆,为推进器提供动力或者为外星前哨站提供充足能源。

▲Kilopower应用场景想象图

美国空间堆研究历程

1965年4月3日,美国成功把500瓦的SNAP-10A空间堆送入太空。这是美国首座也是唯一一座被送往太空作业的空间堆,但该堆仅运行43天,就因设备故障而废弃。

在1970—2010年期间,美国曾多次开展空间堆研究,但均未取得实质性成果。

2012年,洛斯·阿拉莫斯国家实验室在内华达“Flattop”装置上进行空间堆技术方案验证测试。在此次测试中,使用了高浓铀堆芯、1根热管(位于堆芯中心孔)和2台斯特林发电机的设备配置,最终产生24 瓦功率,证明了这一技术方案的可行性。此次测试为期不到6个月,投资不到100万美元。

2015年启动Kilopower项目,在三年内完成原型堆的设计、建造和测试,总投资不到2000万美元。

▲Kilopower在格伦研究中心进行装配试验

结语

成功测试Kilopower只是朝着利用空间裂变动力迈出的第一步,但从目前看,该技术在很大程度上仍是概念性的,将其实际应用于航天系统还有相当长的路要走。

航空航天局希望以Kilopower为基础研制出飞得更快、更远的空间推进系统,并对利用Kilopower为月球等外星轨道和表面设施供电尤为感兴趣。

航空航天局下一步准备将Kilopower付诸实践,现正在研制一种被称为空间发射系统(Space Launch System)的巨型火箭,希望在月球附近建一座空间站,计划把人类送往月球表面执行探月任务,甚至计划在21世纪30年代让宇航员登陆火星。

来源:中核智库

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