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                  核“姿势”220---NASA:小型核裂变电源是载人火星探索必然选择

                  关键词:辐射检测仪_便携式辐射检测仪_辐射报警仪_表面污染仪_环境级辐射仪_多功能辐射仪_测氡仪_辐射剂量仪 网址:www.theatre29.com 日期:2020/6/29 23:03:14

                  NASA:小型核裂变电源是载人火星探索必然选择

                  美国国家航空航天局(NASA)一直将核电源技术视为提升美国太空探索能力的重要技术,在不断改进放射性同位素电源性能的同时,积极研制能满足更高动力需求的核裂变反应堆电源。

                  近期,NASA完成了“小型核裂变电源系统”(FPS)可行性研究,并计划于2017年9月~2018年1月对电功率约1千瓦的小型核裂变反应堆系统进行验证。这标志着NASA在研的太空核裂变电源系统即将进入分系统测试阶段,为后续研制千瓦级核电源奠定关键技术基础。

                  一、核电源是开展长期深空探测任务的必然选择

                  美国总统特朗普称,太空将是美国下一个伟大疆域,强调NASA应将重点转向载人航天探索与科学发现任务,包括载人登月和火星任务以及更远的深空任务。近日,美国国家航天委员会主席彭斯称,将制定政策以实现整个太阳系的载人航天探索。

                  无论在科学探索还是载人航天任务中,电源系统都至关重要。目前,航天器上大多采用太阳能电池和化学电池提供能源。但对于长期深空探测任务而言,不受环境影响、寿命长、安全可靠的核电源将成为必然选择。太空核电源是将核反应堆或者放射性同位素产生的热转化为电能,向航天器提供所需电力。太空核电源分为放射性同位素电源和反应堆电源两类。目前,放射性同位素电源已经在行星际探索中得到广泛应用,但其输出电功率最大也仅能达到百瓦级,无法胜任未来深空探索任务。因此,美国积极研制能满足更高动力需求的核裂变反应堆电源。

                  二、放射性同位素电源应用现状

                  放射性同位素电源寿命长、工作可靠,已广泛应用于功率需求不大的各种太空任务。当前,美国在放射性同位素电源的设计与制造方面已日臻完善,但尚有较大提升空间。

                  1. 放射性同位素电源已在行星际探测任务中广泛应用

                  放射性同位素钚-238(半衰期87年)具有优良的功率密度和使用寿命,辐射水平低。自1961年以来,美国用于太空任务的放射性同位素电源全部采用钚-238,输出电功率2.7~300瓦,功率密度3~5瓦/千克,质量2~56千克,最高效率达6.7%,寿命30年。以“好奇”号火星车所用的多任务放射性同位素电源(MMRTG)为例,它使用4.8千克的钚-238输出110瓦的电力。

                  2. 放射性同位素电源面临的限制性因素

                  放射性同位素电源存在明显局限性:①输出电功率较小。由于放射性同位素的发热量低,且热电转换效率不高(小于8%),输出电功率最大也仅能达到百瓦级。目前美国单个放射性同位素电源的功率水平达到300瓦左右。然而,大多数深空探测器需要600~700瓦的电力,存在较大能力缺口;②钚-238燃料价格昂贵,且美国的库存量有限,不能支持NASA长期太空探索任务的需要。为此,美国能源部再次恢复钚-238燃料生产。2015年12月,橡树岭国家实验室宣布,研究人员已经生产了50克钚-238样品,但技术尚处于重启的概念验证阶段;预计2019年将达到中期生产水平,每年生产400~500克钚-238;计划2023年实现全面量产,每年生产约1.5千克钚-238。美国能源部计划2019年生产新的以钚-238为燃料的核电池,供NASA深空探测任务使用。


                  3. 放射性同位素电源未来仍将在NASA前沿科学任务中发挥作用

                  当前,美国仍在不断改进放射性同位素电源系统性能,通过更有效的热机转换或热电转换,提高放射性同位素电源的总功率、功率密度和效率,NASA计划发展的放射性同位素电源系统详见表1。有潜力的电源转换技术包括:先进“斯特林”发动机和先进热电系统,重点是提高转换效率(目标12%)和功率密度(8瓦/千克以上),同时确保长寿命(14年以上)。

                  NASA的深空科学任务是继续研发放射性同位素电源的主要推动力。未来,0.1~1000 瓦功率范围的放射性同位素电源仍将在NASA的前沿科学任务中发挥作用。另外,放射性同位素能量通过阿尔法光伏直接转换,可极大地提高效率和功率密度(达到200瓦/千克),但研制风险高。

                  三、加紧研制小型太空核裂变电源

                  太空核裂变电源具有明显的优势:一是核裂变电源释放的能量较大,其电功率可达到兆瓦级,能量供给充足;二是核裂变电源采用的燃料为铀,储备较丰富,能大量供给。NASA研究认为,太空核裂变电源是可持续的载人火星探索所必需的。

                  20世纪60年代,美国研制放射性同位素电源时,也积极研制能满足更高动力要求的核裂变反应堆电源。1965年,美国的SNAP-10A核裂变电源系统(功率0.5千瓦)曾被送入轨道, 但在轨工作仅43天便因故障而停止运行。SNAP-10A系统采用热电偶实现能量转换,热-电转换效率仅为3%。21世纪初,NASA 制定了“太空核创新计划”,旨在利用核动力推进航天器探索火星,包括开发先进的太空核反应堆电源,但并未开展系统级试验验证。

                  1. 相关技术能力评估

                  2012年11月,美国科研人员测试了一种核动力引擎原型。该引擎利用核裂变反应堆带动8个“斯特林”引擎,可提供约500瓦的电能。NASA格伦研究中心和洛斯·阿拉莫斯国家实验室也对一个简化模型进行了测试,该原型包括一个小型核反应堆和一个“斯特林”引擎,能提供约24瓦的电能。

                  《2015NASA技术路线图》指出,美国的太空核反应堆计划已成功开发出高性能的燃料、材料和热传递系统,但这些硬件并未在太空飞行验证。研制1~10千瓦核裂变电源系统的关键技术包括:铀钼燃料,简单轻便的“核堆芯到电源”热传递技术,低功率电源转换技术,安全性、可靠性设计等。总之,采用当前的材料、燃料、热电转化和废热散热技术,近期开发出太空核裂变电源系统是可行的,主要挑战是把技术整合到一个安全、可靠、经济可承受的系统中。

                  2. “千瓦级动力”计划——即将测试小型太空裂变反应堆系统

                  近年来,NASA一直在资助一个名为“千瓦级动力”(Kilopower)的小型核裂变电源项目,其目标是将应用于太空的1~10千瓦小型核裂变电源的技术成熟度从二、三级提高到五级。该计划主要面向两种任务需求演示验证核裂变电源技术:①1~10千瓦电源,用于机器人科学任务平台电源和小型勘探系统;②10~100千瓦电源,为开展行星表面勘探的前哨基地供电或用于向核电推进系统提供动力。Kilopower计划是NASA计划发展的核裂变电源系统(见表2)的重要组成部分,也是当前研发的重点。

                  该小型核裂变电源利用裂变反应堆产生的热能,带动“斯特林”发动机产生电能,其热电转换效率可达20%。整个项目分为三个阶段:第一阶段,设计并在地面验证千瓦级电功率的核电源原型;第二阶段,设计并验证满足火星表面任务需求的3~10 千瓦级核电源;第三阶段,于2019财年或晚些时候在国际空间站对相关技术开展飞行试验。

                  NASA计划于2017年9月~2018年1月实施的小型太空核裂变反应堆系统(电功率约1千瓦)测试,是自1965年以来美国首次尝试利用裂变反应堆为航天器提供动力。

                  四、核电源技术突破将使新的航天任务成为可能

                  当太空电源技术取得突破时,往往能使新的航天任务成为可能。NASA一直力求开发质量轻、体积小、效率高、能在较宽温度范围和强辐射环境中运行的电源系统。2014年发布的《通往探索之路:美国载人太空探索计划的理由和途径》报告指出,行星表面核电源是实现载人火星任务的11个主要任务要素之一。

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