進軍火星：空間核反應(yīng)堆電源關(guān)鍵技術(shù)的測試

去年12月11日，特朗普正式簽署了國家太空委員會 1 號令，指令的核心內(nèi)容為：將力促讓人類重返月球，并且為今后的載人登陸火星做好充分的技術(shù)準備。

進軍火星涉及重型運載、落火、返回等諸多關(guān)鍵技術(shù)，但要解決人類在火星上生活的首要問題就是供電。

特朗普簽署國家太空委員會一號令

人類要實現(xiàn)在火星等外星球長期駐扎，一個可靠而有效的電力系統(tǒng)是必不可少的：日常生活必需的照明、飲水、供氧等都需要電力，完成特定的太空實驗和生產(chǎn)返程用的燃料等更離不開穩(wěn)定、持續(xù)的電力系統(tǒng)。

外星球基地設(shè)想圖

現(xiàn)有供電系統(tǒng)的電能來源主要有三種：化學(xué)能、太陽能和核能，他們有著各自的優(yōu)勢，并分別適用于不同的任務(wù)需求?；瘜W(xué)能電池更適用于短期、高功率任務(wù)?；瘜W(xué)電池能夠在小時級任務(wù)中，提供高達 6 萬 kW 的電功率，但當任務(wù)周期延長至 1 個月時，其只能提供千瓦以下電功率，因此化學(xué)電池通常用于執(zhí)行短期任務(wù)的返回式航天器上。太陽能電池適用于中長期、中低功率任務(wù)。太陽能本身不能提供瞬間大功率輸出，能量密度也有限，其在 10～50 kW 功率量級時效率最高，同時具有較長的使用壽命，因此太陽能電池通常服務(wù)于光照條件良好、中等功率水平的中長期任務(wù)，例如絕大多數(shù)長期任務(wù)的衛(wèi)星多數(shù)都采用太陽能電池提供電力。

核能電源包括兩種：一種是是放射性同位素電池，另一種是空間核反應(yīng)堆電源。放射性同位素電池輸出電功率較小，通常在百瓦級以下，但可長周期連續(xù)提供電力，特別適合于光照條件不好、功率需求不高的長周期無人深空探測及星表探測任務(wù)，例如 NASA 的卡西尼號、新地平線號、好奇號火星車等偉大成就都依賴于放射性同位素電池?？臻g核反應(yīng)堆電源則可以為不同功率需求的任務(wù)提供長期電力供給，然而考慮到綜合效費比，通常將其應(yīng)用在中高功率（大于10kWe）需求的航天任務(wù)。據(jù)計算，在 30Kw功 率以上，空間核反應(yīng)堆的能量密度優(yōu)勢得以體現(xiàn)，能夠比同等功率的太陽能電池板具有更低的發(fā)射質(zhì)量。

火星探索是長期的航天任務(wù)，排除了僅用于短期任務(wù)的化學(xué)能，只剩下太陽能電池和核能有施展的空間。但是在火星上，太陽能在各個季節(jié)變化很大，不能提供穩(wěn)定的電能來源；火星上頻繁的沙塵暴可能持續(xù)數(shù)月，沙塵覆蓋在太陽能電池板的表面將直接影響發(fā)電效率；火星的夜晚會超過 12 個小時，晝夜交替也限制了太陽能電池板的應(yīng)用。跟火星類似的是，月球上長達 14 個地球日的月夜也會嚴重影響到太陽能的利用。

遭沙塵覆蓋的太陽能電池板

與太陽能電池相比較，空間核反應(yīng)堆電源的優(yōu)勢在于其為自主電源，不依賴于陽光等外界條件，能夠從容應(yīng)對火星上復(fù)雜的氣候環(huán)境，可以全天時、全天候工作。其次，適用功率范圍廣，可以覆蓋千瓦至兆瓦級功率輸出，可以有效滿足航天任務(wù)日益增長的能源需求。另外，功率密度大，質(zhì)量功率比隨功率增長而降低，且功率越大，質(zhì)量優(yōu)勢越明顯，非常適合于火星長期駐扎這種大功率的航天任務(wù)。不過，空間核反應(yīng)堆電源也具有技術(shù)復(fù)雜、研發(fā)周期長、投資高的特點，存在并需要解決輻射防護和核安全等特殊問題。

2018 年 1 月 18 日，NASA 在內(nèi)華達州開展的 Kilopower 緊湊型核電源測試取得成功。Kilopower 是 NASA、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、Y12 國家安全綜合體等機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的小型核反應(yīng)堆，使用 U235 作為核燃料，可產(chǎn)生 1-10 千瓦的電力，并可連續(xù)使用十年之久。1 個 Kilopower 電源能夠滿足兩個普通家庭連續(xù)使用10年的供電需求，四個該型電源就能支撐建立一個火星基地了。

該反應(yīng)堆電源使用鈾鉬合金堆芯，反應(yīng)堆熱量通過無源鈉熱管傳遞，由斯特林發(fā)動機進行熱電轉(zhuǎn)換，將熱能轉(zhuǎn)化為電力。其主要結(jié)構(gòu)如下圖示，最下方的堆芯包裹在氧化鈹制成的中子反射層中間，由碳化硼控制棒進行反應(yīng)堆啟?？刂?，控制棒移出堆芯后，快中子反應(yīng)堆的裂變反應(yīng)開始進行并放出熱量。

Kilopower 結(jié)構(gòu)示意圖

堆的上方是由氫化鋰和鎢制成的影子屏蔽體，能有效屏蔽堆芯輻射，將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射劑量減弱至有效載荷和宇航員可接受的水平。堆中的熱量通過無源鈉熱管傳到上方的八臺斯特林發(fā)動機，驅(qū)動斯特林發(fā)動機轉(zhuǎn)動發(fā)電。

Kilopower 斯特林發(fā)動機外觀圖

斯特林發(fā)動機原理圖

發(fā)電剩余的熱量則通過最上方能夠展開的鈦水熱管輻射散熱器散出。輻射器在政策工作時是需要展開的，以增大面積，提高散熱效率，下圖是輻射散熱器展開過程中的狀態(tài)圖。

輻射散熱器的展開過程圖

四個Kilopower聯(lián)合工作的示意圖

目前，NASA 正在與美國能源部合作進行測試，測試將持續(xù)到明年年初。今年 3 月底將進行連續(xù)約 28 小時的滿功率測試，以解決諸多技術(shù)問題，并將技術(shù)成熟度提升至第 5 級。

美國空間核反應(yīng)堆電源的發(fā)展歷程可分為幾個不同階段：

第 1 階段是 20 世紀 50—70 年代的初創(chuàng)階段。美國在這個時期以核輔助電源系統(tǒng)計劃（SNAP）為中心開展了大量的概念設(shè)計和技術(shù)研發(fā)活動。1965 年 4 月，美國將電功率為 500 W 的 SNAP-10A 成功送入太空，運行43天后被永久關(guān)閉。SNAP-10A是世界上第一個發(fā)射至空間的核反應(yīng)堆電源，也是迄今美國唯一發(fā)射的空間核反應(yīng)堆電源。由于國防需求不明確以及太空任務(wù)優(yōu)先順序的調(diào)整，美國政府于 1973 年終止了空間核反應(yīng)堆電源的大規(guī)模開發(fā)投入。

第 2 階段是 20 世紀 80 年代初至 90 年代初的復(fù)興階段。在「星球大戰(zhàn)」計劃及太空探索倡議計劃的支持下，美國空間核反應(yīng)堆電源研究開發(fā)得以復(fù)蘇，開展了以 SP-100 計劃為主的研發(fā)工作，后因政府優(yōu)先任務(wù)再次調(diào)整和投資削減再次陷入低潮。

第 3 階段是 21 世紀初至今的新時代。進入 21 世紀后，美國吸取以往經(jīng)驗，更加注重于利用已有成熟技術(shù)降低成本和風險，并縮短研發(fā)周期。其重點計劃包括為未來星球基地供電的「經(jīng)濟可承受星表裂變電源計劃（AFSPS）」以及「千瓦級電源計劃 Kilopower」。2013 年，美國完成了 AFSPS 的部件和子系統(tǒng)的研制與測試，2015 年完成了非核集成演示工作。Kilopower 則作為同位素電池的備用以及填補同位素電池（千瓦以下）和 AFSPS（數(shù)十千瓦級）之間的功率空當，目前已經(jīng)取得了原型堆測試的初步成功。

Kilopower 原型堆測試的成功，標志著美國空間核反應(yīng)堆的發(fā)展螺旋上升到了一個新的歷史階段。在這個階段中，美國拋棄了與蘇聯(lián)惡性競爭、盲目拼指標的發(fā)展理念，更加注重降低成本和風險，并同步推進兩個不同功率級別的空間核反應(yīng)堆研究，以應(yīng)對未來同位素電池的減產(chǎn)，同時滿足未來不同功率級別的航天任務(wù)需求。隨著特朗普重返月球、進軍火星戰(zhàn)略的實施，太空委員會發(fā)揮主導(dǎo)作用逐漸顯現(xiàn)，美國的空間核反應(yīng)堆技術(shù)必將迎來下一個發(fā)展的黃金時期。