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美国空间用核反应堆最新研究进展

军工资源网 2021年12月20日

导读：美国历史上研制的许多空间用核反应堆如SNAP-10A、SAFE-400、SP-100等由于技术复杂，过度依赖新材料和新技术，基本上以失败告终。因此，美国决定制定相对简单的、有工程化可能的实施方案，来作为空间核反应堆发展的新方向。遵照这一原则，美国着重进行了两个空间核反应堆的研发，一个是以星球表面应用为主要目的的KiloPower，另一个是以空间推进为主要目的的核热推进(NTP)反应堆。美国后续的空间核反应堆可能都会以此为基础进行衍生设计。

1. KiloPower的发展及特点

2015年，NASA正式立项开展新一代空间核反应堆“KiloPower”的研究工作以满足科学和人类探测任务。该项目包括三项研究内容：第一是Kilopower原型堆测试;第二是火星Kilopower系统的概念设计;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。

在第一项研究中，美国能源部洛斯·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，NASA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。

图表：KiloPower参数

资料来源：调研整理

KiloPower共有1kWe和10kWe标准两档设计，其中1kWe KiloPower堆芯燃料为钼铀(UMo)合金、热功率约4kWt，反射层为BeO，由8根钠热管导出堆芯热量，并由8台斯特林发电机产生共1kWe的电功率，16根钛合金/水热管以及附在热管上的辐射翅片构成热排放系统，28V直流输出，寿命15年以上，核燃料燃耗<1%，总重400kg，10m处截面的中子注量为10¹¹个/cm²，γ辐照总剂量设计值100kRad(16年)。

KiloPower堆芯结构及实物图

10kWe KiloPower堆芯燃料为UMo合金、热功率40kWt，8台1.25kWe斯特林发电机，反射层为BeO，32根钛合金/水热管构成可折叠辐射器，寿命15年以上，核燃料燃耗<1%，总重1500kg，10m处截面的中子通量为10¹¹个/cm²，γ辐照总剂量设计值100kRad(16年)。

KiloPower电源系统

KiloPower的堆芯由美国Y12国家安全综合体提供，电源系统通过局部的设计变更可覆盖0.5～10kWe电功率范围，1kWe方案系统(参见上图a)质量约400kg，10kWe方案系统(参见上图b)质量约1.5t，设计寿命可达10年以上。

KiloPower反应堆是美国有史以来提出的最简单(或者说简洁)的反应堆概念之一。反应堆在低功率下运行，其燃料、热管、控制、反射层、屏蔽等是较容易实现一体化。低功率使其结构辐照损伤很小，热量导出的要求也很低。唯一的运动部件只有安全棒，安全棒在启动阶段就弹出堆芯，此后全固态的、完全没有运动件的反应堆具有很强的可靠性。

KiloPower实物图

核燃料上，KiloPower反应堆选择了铀钼合金，这主要是因为这是可用燃料中美国唯一研究相对透彻，不再需要大量投入进行前期研究的燃料。而且铀钼合金还有两个理想的优点：高铀装量和高热导率。但是铀钼合金同时也存在两个显著的缺点：相对较低的熔点和高温下与多数材料不兼容的化学不稳定性。铀钼合金的熔化可以通过控制最高温度来避免，但高温带来的软化问题很棘手，必须考虑装载应力甚至重力对燃料带来的影响。

2017年11月至2018年3月,美国对KiloPower的原型堆KRUSTY进行了试验，先用不锈钢模拟反应堆堆芯，然后用贫铀铀块，最后采用高浓铀进行地面核试验。钢制的堆芯在热学性能上和铀是接近的，可以用来验证热负荷下热管的连接和堆芯的分割方法，并且可以通过真空环境下的电加热试验模拟太空环境。不锈钢材料试验得出的稳态工况、瞬态温度、功率分布等可以作为贫铀(DU)试验的参考基准。贫铀材料可以完成组装而不需要考虑高浓铀材料带来的临界问题和安全问题，同时可以作为参考确保组装全过程中不会因为几何和慢化剂相互影响带来临界安全隐患。同时贫铀材料也具有辐射性，任何辐射性材料都不得不考虑安全问题，这可以使项目完善安全流程并使工作人员都做好准备，从而为以后的高浓铀装料做好铺垫。

KiloPower和它的原型堆KRUSTY

目前，KiloPower的研究团队正在开展其关于空间、外星球表面的适应性试验和设计，以保证KiloPower可以在严酷的外部环境(大温差、火星沙尘等)下稳定工作。

2020年11月2日，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LANL)宣布与空间核动力公司(Space Nukes)签署协议，授予该公司Kilopower空间反应堆技术使用权，目的是使这项技术在未来几年实现商业化应用。

2. 空间应用小型模块化裂变反应堆SMFR

2019年左右，美国USRA(Universities Space Research Association)开始了一项内部研究和开发(IRAD)项目，针对能在月球上使用的“空间应用的小型模块化裂变反应堆(SMFR)”SMFR进行概念研究。IRAD项目的设计特点包括：

使用NASA的KiloPower设计作为起点;
在月表提供40～150kWe的电力;
无人值守运行至少20年;
使用U-235丰度小于20%的低浓铀(LEU)U-Mo燃料。

SMFR通过各种可能的能量转换技术，可以为人类和机器人活动任务提供所需的热量和电力。该项目还将研究SMFR设计的哪些方面适用于火星和其他深空任务。通过该项研究，或许能实现在2028年之前开发用于月球上的SMFR，资源充足的话或许更快。

与其他潜在电源相比，SMFR具有明显的优势。尽管光伏系统将在未来的太空电力架构中发挥重要作用，但它们无法在长时间的夜晚(最长可达14个地球日)或在阴影区域发电，这将大大限制月球、火星上设想的大多数应用。类似地，美国使用国外Pu-238燃料运行的 RTG通常仅能提供几百瓦的电力。为了满足深空探索的需求，美国最近才重新启动了 Pu-238的生产，但是生产非常昂贵且缓慢，不足以满足需要多个 RTG的任务。

美国火星车使用的RTG

KiloPower项目主要是对使用高浓铀(HEU)的裂变堆进行概念验证，其优点是初始输出功率为1kWe，具有达到10kWe的潜能。USRA的SMFR IRAD项目旨在研究：基于KiloPower已经成功的1kWe概念验证实验，进一步研究建造具有成本效益的商业成熟SMFR所需的各种条件，使得该项技术能够为月球表面的广泛探索、资源勘探和原位资源利用活动提供所需的电力水平(输出功率为40～150kWe)。

SMFR的低浓铀燃料选择

USRA的SMFR IRAD项目与NASA的KiloPower项目之间的显著差异在于前者采用了低浓铀(LEU)燃料。虽然高浓铀(HEU)比LEU具有更多优势，包括采用HEU将需要更少的核燃料、可使用更多种类的材料以及不需要慢化剂等，但是从商业角度来看，HEU存在一些难以克服的问题。

HEU中有足够的U-235可用于核武器，与HEU的生产、运输、贮存和使用相关的制造、安全和安保成本使其在商业上不切实际。HEU本质上是美国政府的财产，故在燃料的整个生命周期中必须保持由政府控制，而这一点基本消除了在太空或地球上商业运行HEU反应堆的可能性。相反地，LEU难以用于核武器，相应的限制也少得多。LEU的成本和可用性使其成为SMFR的良好候选燃料。

USRA在概念研究中将彻底解决使用LEU燃料相关的反应堆设计难题。使用LEU燃料需要更大质量的燃料才能达到临界状态，为了克服这一劣势，可以分析哪些同位素会导致中子吸收，然后评估去除这些同位素的可行性。另外，灵活使用慢化剂材料、中子反射器和辐射屏蔽可以减少LEU的质量损失。

SMFR的初步研究结果

USRA声称，在对比HEU的总成本、管理复杂性和安全影响后，基于LEU的SMFR月球表面系统的质量损失是可以接受的。为了验证这一结论，USRA在SMFR研究中的第一步是开发出质量估算方法，估算等功率输出的LEU和HEU系统的质量。USRA比较了使用HEU铀钼燃料的1kWe和10kWe的两个概念反应堆设计，以及使用LEU(19.75%)合金燃料的两种不同设计，得出的结果如下：

HEU的相对质量优势在40～150kWe功率范围内显著降低：40kWe时，质量差异约为33%;150kWe时，质量差异降至15%;
在1～150kWe功率范围内，质量差异保持在900千克左右，燃料本身的质量几乎恒定;
质量差异中约一半来自燃料本身，剩余部分来自γ射线和中子屏蔽设施。

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