用于太空的核裂變反應(yīng)堆主要由俄羅斯使用，但美國(guó)和俄羅斯都在開發(fā)新的更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)。

1、早期計(jì)劃：20世紀(jì)60年代至80年代

從1959-1973年，美國(guó)有一個(gè)核火箭計(jì)劃——火箭車應(yīng)用核發(fā)動(dòng)機(jī)(NERVA)——其重點(diǎn)是在發(fā)射的后期階段用核能替代化學(xué)火箭。

(相關(guān)資料圖)

NERVA使用石墨芯反應(yīng)堆加熱氫氣并通過噴嘴排出。大約20臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)華達(dá)州進(jìn)行了測(cè)試，產(chǎn)生的推力高達(dá)航天飛機(jī)發(fā)射器的一半以上。

從那時(shí)起，“核火箭”一直是打算用于太空推進(jìn)，而不是發(fā)射。NERVA的后續(xù)發(fā)展是今天的核熱火箭(NTR)。

另一個(gè)早期想法是美國(guó)的“獵戶座”計(jì)劃，該計(jì)劃將使用一系列小型核爆炸從地球發(fā)射一艘約1000噸的大型航天器。

該項(xiàng)目由通用原子公司于1958年啟動(dòng)，1963年因《禁止大氣試驗(yàn)條約》而中止。

獵戶座項(xiàng)目為其他項(xiàng)目提供了思路，例如ICAN-Ⅱ和AIMStar，其他產(chǎn)生推進(jìn)脈沖的方法也被考慮在內(nèi)。

1965年推出的美國(guó)SNAP-10A是一個(gè)45kWt的熱核裂變反應(yīng)堆，使用ZrH慢化劑(或UZrH燃料)和共晶NaK冷卻劑供，給熱電轉(zhuǎn)換器面板產(chǎn)生650瓦的功率。

它在590瓦的功率下運(yùn)行了43天，但由于電壓調(diào)節(jié)器(而非反應(yīng)堆)故障而關(guān)閉。

這一時(shí)期，美國(guó)的最后一個(gè)太空反應(yīng)堆計(jì)劃是NASA-DOE-美國(guó)國(guó)防部的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目，該項(xiàng)目開發(fā)了SP-100反應(yīng)堆——一個(gè)2 MWt的快速反應(yīng)堆裝置和熱電系統(tǒng)，功率達(dá)100kWe——作為軌道任務(wù)的多用途電源或月球/火星表面電站。

在吸收了近10億美元后，這項(xiàng)計(jì)劃于20世紀(jì)90年代初終止。

該反應(yīng)堆使用了氮化鈾燃料，并且是鋰燃料。

在20世紀(jì)80年代末，美國(guó)國(guó)防部與能源部合作，推進(jìn)多兆瓦(MMW)空間動(dòng)力計(jì)劃。

這一能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了民用空間計(jì)劃的要求。

對(duì)于航天器推進(jìn)，核熱火箭(NTP或NTR)推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，據(jù)說這些系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟并得到了驗(yàn)證。

核裂變加熱氫推進(jìn)劑，氫推進(jìn)劑作為液體儲(chǔ)存在冷卻罐中。

熱氣(約2500℃)通過噴嘴排出以產(chǎn)生推力(可通過向超音速氫氣排氣中注入液氧來增加推力)。

這比化學(xué)反應(yīng)更有效。雙模態(tài)版本將在航天器上運(yùn)行電氣系統(tǒng)，包括強(qiáng)大的雷達(dá)，并提供推進(jìn)。

與核電等離子體系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)在更短的時(shí)間內(nèi)具有更大的推力，可用于發(fā)射和著陸。

2、后項(xiàng)目：20世紀(jì)90年代

直到20世紀(jì)80年代末，人們的注意力轉(zhuǎn)向了核電推進(jìn)(NEP)系統(tǒng)，在該種設(shè)想中，核反應(yīng)堆是電離子驅(qū)動(dòng)的熱源，將等離子體從噴嘴中排出，以推動(dòng)已經(jīng)在太空中的航天器。

超導(dǎo)磁電池電離氙(或氫)，將其加熱到極高的溫度(數(shù)百萬℃)，并使用極高的電壓使其加速，以極高的速度(例如30 km/s)將其排出，以提供推力。

雖然相對(duì)于火箭來說，推力很小，但它在太空中的長(zhǎng)期應(yīng)用(例如數(shù)年)保證航天器的高速飛行。

自2007年以來，NASA在火星和木星之間運(yùn)行的“黎明號(hào)”飛船使用離子推進(jìn)器，100多顆地球同步軌道通信衛(wèi)星也使用離子推進(jìn)器。

它們都延長(zhǎng)了衛(wèi)星的運(yùn)行壽命，降低了發(fā)射和運(yùn)行成本。

氙之所以被使用，是因?yàn)樗菀纂婋x，原子質(zhì)量相對(duì)較高，而且是惰性的，儲(chǔ)存密度高。

1998年至2001年，NASA首次使用離子推進(jìn)器執(zhí)行太空任務(wù)。

NASA太陽能技術(shù)應(yīng)用(NSTAR)離子推進(jìn)系統(tǒng)使深空1號(hào)任務(wù)(第一艘主要由離子推進(jìn)的航天器)得以飛行超過2.6億公里，飛越小行星布萊葉和博雷利彗星。

NASA研發(fā)的氙推進(jìn)器(NEXT)和環(huán)形發(fā)動(dòng)機(jī)就是這方面的發(fā)展。

NEXT是一種大功率離子推進(jìn)系統(tǒng)，旨在降低任務(wù)成本和飛行時(shí)間，以NSTAR的三倍功率運(yùn)行。

NASA獲得專利的環(huán)形發(fā)動(dòng)機(jī)有可能超過NEXT和其他電力推進(jìn)器設(shè)計(jì)的性能能力，其總(環(huán)形)束面積是其兩倍。

可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)的一個(gè)版本的研究借鑒了用于發(fā)電的磁約束聚變功率(托卡馬克)，但在這里，等離子體被故意泄漏以提供推力。

該系統(tǒng)在低推力(可以持續(xù))下工作效率最高，等離子體流量較小，但短時(shí)間的高推力操作是可能的。

它非常有效，99%的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，盡管短推力點(diǎn)火只有70%。

VX200是一種200kW版本，2015年正在進(jìn)行測(cè)試，以期部署在核電力推進(jìn)的太空任務(wù)中。它還可以用于清除空間碎片，推進(jìn)低軌道燃燒。

NASA已與Ad Astra火箭公司簽訂合同，開發(fā)新版本的VX-200SS(“SS”代表“穩(wěn)定狀態(tài)”)，采用新的核心設(shè)計(jì)和熱控制，在1,000,000℃的溫度下運(yùn)行，同時(shí)幾乎完全消除了對(duì)大量火箭燃料的需求。

熱管動(dòng)力系統(tǒng)(HPS)反應(yīng)堆是一種緊湊型快速反應(yīng)堆，大約十年內(nèi)可產(chǎn)生100 kWe的能量，為航天器或行星表面飛行器提供動(dòng)力。

自1994年以來，他們一直在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，作為一個(gè)強(qiáng)大的低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)高可靠性和安全性。

他們使用熱管從反應(yīng)堆堆芯傳遞能量，使用斯特林或布雷頓循環(huán)轉(zhuǎn)換器發(fā)電。

熱管是一種將導(dǎo)熱性與相變相結(jié)合的傳熱裝置。在熱端，液體在低壓下蒸發(fā)，在另一端冷凝，釋放蒸發(fā)潛熱。然后，液體通過重力或毛細(xì)管作用返回?zé)岫耍貜?fù)循環(huán)。(如果使用重力，它們有時(shí)被稱為兩相熱虹吸管，但使用表面張力的毛細(xì)管“泵送”是使用的主要機(jī)制。)

在20世紀(jì)90年代的設(shè)計(jì)中，裂變產(chǎn)生的能量從燃料管傳導(dǎo)到充滿鈉蒸汽的熱管，熱管將鈉蒸汽輸送到熱交換器，然后以熱氣體的形式輸送到斯特林或布雷頓動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以發(fā)電。

氣體為72%的氦氣和28%的氙氣。反應(yīng)堆本身包含許多帶有燃料的熱管模塊。每個(gè)模塊都有其中央熱管，其周圍布置有錸包層燃料套管。

它們的直徑相同，含有97%的濃縮氮化鈾燃料，都在模塊的包層內(nèi)。模塊形成一個(gè)緊湊的六邊形芯。控制是通過六個(gè)不銹鋼包層鈹鼓進(jìn)行的，每個(gè)鼓直徑為11或13厘米，碳化硼在每個(gè)鼓上形成120度電弧。

鼓安裝在圍繞堆芯的鈹徑向中子反射器的六個(gè)部分內(nèi)，并旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)控制，將碳化硼移入或移出。

屏蔽取決于任務(wù)或應(yīng)用，但不銹鋼罐中的氫化鋰是主要的中子屏蔽層。

SAFE-400空間裂變反應(yīng)堆(SAFE Affordable fission Engine)是一個(gè)100kW的400kWt HPS，用于使用兩個(gè)布雷頓動(dòng)力系統(tǒng)(由反應(yīng)堆的熱氣直接驅(qū)動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī))為空間飛行器提供動(dòng)力。

熱交換器出口溫度為880℃。該反應(yīng)器有127個(gè)相同的熱管模塊，由鉬或含1%鋯的鈮制成。

每一個(gè)都有三個(gè)直徑為1厘米的燃料針，嵌套在一起形成一個(gè)直徑為25厘米的緊湊六邊形芯。

燃料針長(zhǎng)70厘米(燃料長(zhǎng)度56厘米)，總熱管長(zhǎng)度145厘米，在堆芯上方延伸75厘米，與熱交換器相連。

帶反射器的芯的直徑為51厘米。堆芯的質(zhì)量約為512千克，每個(gè)熱交換器為72千克。

SAFE也已通過電動(dòng)離子驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。這種反應(yīng)堆的一個(gè)較小版本是HOMER-15——熱管操作的火星探測(cè)反應(yīng)堆。

它是一個(gè)15 kW的熱機(jī)組，類似于更大的SAFE型號(hào)，高2.4米，包括熱交換器和3kWe斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

它的工作溫度僅為600℃，因此能夠使用不銹鋼直徑為1.6 cm的燃料管和加熱管。

它有19個(gè)鈉熱管模塊，102個(gè)燃料針連接上，每個(gè)管道4個(gè)或6個(gè)，總共容納72千克燃料。

熱管長(zhǎng)106厘米，燃料高度36厘米。核是六邊形的(18厘米寬)，角上有六個(gè)BeO銷。

反應(yīng)堆系統(tǒng)的總質(zhì)量為214千克，直徑為41厘米。

NASA于2008年宣布了另一個(gè)用于月球和火星的小型裂變表面動(dòng)力系統(tǒng)。40kWe系統(tǒng)可利用兩種設(shè)計(jì)理念之一進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換。

第一種由俄亥俄州的Sunpower公司制造的，它使用兩個(gè)對(duì)置的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與交流發(fā)電機(jī)相連，每臺(tái)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生6千瓦的功率，即總共12千瓦的功率。

第二種由科羅拉多州阿爾瓦達(dá)市的巴伯·尼科爾斯(Barber Nichols)負(fù)責(zé)開發(fā)封閉式布雷頓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)使用高速渦輪和壓縮機(jī)，并與旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)相連，該發(fā)電機(jī)也能產(chǎn)生12千瓦的電能。NASA自己將開發(fā)散熱系統(tǒng)并提供太空模擬設(shè)施。

2012年年中，NASA報(bào)告成功測(cè)試了這一40 kWe系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換和散熱器組件，該系統(tǒng)基于一個(gè)小型裂變反應(yīng)堆，加熱并循環(huán)鈉和鉀的液態(tài)金屬冷卻劑混合物。

這與外界溫度之間的熱差，將驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)互補(bǔ)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)一臺(tái)40kWe發(fā)電機(jī)。

3、普羅米修斯項(xiàng)目：2003-2007

2002年，NASA宣布了其太空項(xiàng)目的核系統(tǒng)計(jì)劃，2003年更名為普羅米修斯計(jì)劃，并增加了資金。其目的是使空間任務(wù)的能力發(fā)生重大變化。

核動(dòng)力太空旅行將比現(xiàn)在可能的速度快得多，并將實(shí)現(xiàn)載人火星任務(wù)。

普羅米修斯號(hào)是NASA的一個(gè)項(xiàng)目，DOE在核領(lǐng)域有大量參與。

普羅米修斯號(hào)的一個(gè)更為激進(jìn)的目標(biāo)是生產(chǎn)一種太空裂變動(dòng)力系統(tǒng)(FPS)，如上文所述，用于動(dòng)力和推進(jìn)，發(fā)射安全，運(yùn)行多年，功率比RTG大得多。

預(yù)計(jì)等離子體驅(qū)動(dòng)的核電推進(jìn)系統(tǒng)的功率為100 kW。2004財(cái)年預(yù)算提案為2.79億美元，五年內(nèi)將花費(fèi)30億美元。

這其中包括1.86億美元(五年內(nèi)10億美元)的撥款，外加9300萬美元(五年間20億美元)用于首次飛往木星的飛行任務(wù)——預(yù)計(jì)將于2017年發(fā)射的木星冰月軌道飛行器(JIMO)，并將進(jìn)行十年的探索。

然而，普羅米修斯項(xiàng)目在2005年的預(yù)算中只獲得了4.3億美元，而在2006年，這一數(shù)字縮水到了1億美元，其中大部分是為了補(bǔ)償取消的合同，因此它實(shí)際上陷入了停滯。

一個(gè)類似的項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)并計(jì)劃于2022年發(fā)射，名為JUpiter ICy衛(wèi)星探測(cè)器(JUICE)，作為ESA正在開發(fā)的行星際航天器。

2003年，普羅米修斯項(xiàng)目成功地測(cè)試了一臺(tái)高功率電力推進(jìn)(HiPEP)離子發(fā)動(dòng)機(jī)。

這是通過微波電離氙來實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)動(dòng)機(jī)的后部是一對(duì)矩形金屬格柵，其充電電壓為6,000伏。

這種電場(chǎng)的力量對(duì)氙離子施加強(qiáng)大的靜電拉力，加速它們并產(chǎn)生推動(dòng)航天器的推力。

測(cè)試功率高達(dá)12 kW，但預(yù)計(jì)為兩倍。該推進(jìn)器的設(shè)計(jì)壽命為7至10年，燃料效率高，并由小型核反應(yīng)堆提供動(dòng)力。

4、目前的計(jì)劃

千瓦級(jí)太空反應(yīng)堆項(xiàng)目被NASA稱為KiloPower，可能包括各種與RTG功率和質(zhì)量相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。

他們使用液態(tài)金屬熱管將裂變熱傳遞到熱電或斯特林動(dòng)力轉(zhuǎn)換。

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和NASA格倫研究中心于2012年在內(nèi)華達(dá)州國(guó)家安全中心完成了一項(xiàng)概念驗(yàn)證測(cè)試，使用Flattop反應(yīng)堆和兩個(gè)小型斯特林轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生24瓦功率。

2014年12月，NASA格倫中心宣布其4kWt/1kWe的KiloPower項(xiàng)目取得進(jìn)展，使用高濃縮鈾為熱管系統(tǒng)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力以發(fā)電——使用斯特林技術(shù)的千瓦反應(yīng)堆(KRUSTY)。

這是一個(gè)完全依靠負(fù)熱反饋進(jìn)行控制的快堆，其目標(biāo)是將自我調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)為主要特征，并證明其可靠性。該設(shè)計(jì)可擴(kuò)展至10kWe。

2018年4月，NASA的洛斯阿拉莫斯核實(shí)驗(yàn)室(LANL)宣布完成KRUSTY原型裝置的全功率測(cè)試。

測(cè)試于2017年11月至2018年3月進(jìn)行，在此期間，機(jī)組成功處理了多個(gè)模擬故障，包括功率降低、發(fā)動(dòng)機(jī)故障和熱管故障。

這是幾十年來美國(guó)首次在太空核反應(yīng)堆上進(jìn)行核動(dòng)力地面試驗(yàn)。在試驗(yàn)之前，NASA曾呼吁美國(guó)國(guó)家核安全局(NNSA)允許其進(jìn)行。

這項(xiàng)測(cè)試是在能源部的臨界安全計(jì)劃下與NASA合作進(jìn)行的。

快堆的最佳燃料為HEU(93%濃縮)合金，含7%鉬，固體鑄件，直徑129 mm，長(zhǎng)度300 mm。

一個(gè)直徑250毫米的氧化鈹反射器將圍繞著這一點(diǎn)，在燃料和反射器之間有18個(gè)鈉熱管。

通過升高BeO反射體在反應(yīng)堆堆芯中產(chǎn)生裂變來實(shí)現(xiàn)臨界性。

一旦裂變開始，BeO反射器將緩慢升高，以將系統(tǒng)中的溫度提高到800℃。

有一個(gè)單一的中心碳化硼控制棒。熱管將從核心向八臺(tái)自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸送13 kWt的熱量，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生約125瓦的電力。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將有一個(gè)近10平方米的圓柱形散熱器。系統(tǒng)質(zhì)量約750千克，長(zhǎng)度約5米。

假設(shè)科學(xué)有效載荷距離堆芯約10米，并由45千克貧鈾和40千克氫化鋰屏蔽。

據(jù)報(bào)道，2017年11月的1 kWe試驗(yàn)反應(yīng)堆使用92%鈾、8%鉬的合金，濃縮度達(dá)95%，直徑11厘米，中心孔4厘米，8根熱管。

有兩個(gè)軸向中子反射器和一個(gè)徑向中子反射器，總重量為70.5千克鈹。

NASA估計(jì)，使用10個(gè)4kWe的KiloPower機(jī)組，火星上需要大約40kWe的能量。

KiloPower項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)將被用于一個(gè)2 MWe機(jī)組的MegaPower項(xiàng)目。其特點(diǎn)包括反應(yīng)堆自我調(diào)節(jié)、低堆芯功率密度和使用熱管去除堆芯熱量。

該反應(yīng)堆將連接到一個(gè)露天布雷頓循環(huán)動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用空氣作為工作流體，并作為最終排熱的手段。

該反應(yīng)堆重約40噸，包括3噸LEU燃料(16-19%濃縮)，長(zhǎng)4米，直徑2米。

它可以擴(kuò)展到10 MWe，也可以用于軍事基地，72小時(shí)安裝。

2021 年4月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)授予了其敏捷滑翔作戰(zhàn)示范火箭(DRACO)項(xiàng)目第一階段的合同，以在2025年演示低地球軌道上的核熱推進(jìn)(NTP)系統(tǒng)。

通用原子公司(General Atomics)將開展反應(yīng)堆開發(fā)工作，而藍(lán)色起源公司(Blue Origin)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)將開發(fā)航天器概念設(shè)計(jì)。

(本文編譯《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)