核能推进航天器新方法

2010-06-08陈国云魏志勇方美华张紫霞

航天器环境工程 2010年1期

陈国云，魏志勇，方美华，张紫霞

（1.南京航空航天大学航天学院，南京 210016；2.南昌大学物理系，南昌 330031）

1 前言

航天事业的飞速发展使人类探索太空的目标逐渐转向太阳系中的深空。随着探测目标离太阳的距离越来越远，传统的依靠化学能（燃烧化学推进剂）和太阳能（通过收集太阳辐射的能量）来推进航天器飞行将逐渐显现其弊端。核能用于航天有着巨大的优势和潜力，将成为更适合航天推进的能源。单位质量的重核裂变释放的能量是等量化学燃料的数百万倍，因而利用核能推动火箭和航天器飞行可以大大增加航天器飞行的距离。

然而，当今核能在航天领域的应用并不普及，目前能够实现可控并投入使用的只有核裂变能。但核裂变能在释放巨大能量的同时也伴随着较强的核辐射，这不但会损害载人飞船中航天员的健康，即使在非载人时也会损坏航天器中的器件。而核聚变能是一种清洁的能源，释放的有害射线少，但是核聚变能的应用必须要解决其可控性问题。本文首先概述了核裂变和核聚变在航天领域的应用，然后提出了一种新的核聚变能的空间应用方法。此方法和核爆发电原理相似,用可控的核裂变点火来诱发核聚变，使之释放能量推进航天器。具体是让核聚变材料在裂变形成的高温、高密度条件下发生核聚变反应，再用热载体储存聚变释放的能量；然后通过选择合适的调制介质来调制辐射场和压力场，限定边界条件，最终达到直接推进航天器的目的。此外本文对核聚变能空间应用中产生的中子和γ射线的防护技术进行了讨论。

2 核能是一种新型航天推进能源

2.1 核能是一种巨大的能源

核能包括核裂变能和核聚变能。核裂变能是指某些重核（如235U）发生裂变反应后产生较轻核而释放出的能量。由于原子核的质量总是低于它所有质子和中子的质量之和，因而重核的裂变必然有质量亏损。根据Einstein的质能方程E=mc2，亏损部分的质量将转化成能量释放出来。计算结果表明，1 kg的煤燃烧释放的能量约为2.88×107J，而1 kg的235U裂变释放的能量可达7.02×1013J，因此1 kg的235U裂变释放的能量相当于2.437×106kg的煤所产生的能量！核聚变能是两个轻核聚合在一起，由于生成核的质量比原始两核子的质量小而释放出的能量。核聚变过程蕴藏着巨大的、可供利用的能量，具有广阔的开发前景。1952年11月1日，美国首次以液态氘作燃料在地面上进行氘-氘聚变的核爆炸，释放出了4.19×1016J的能量，相当于107t的TNT当量炸药的能量。如果用这些能量以 35%的效率转化为电能，相当于1 GW标准电站运行半年。就具体的核反应来说，2个轻核和2个中子结合成氦核反应中释放的能量是28.2 MeV，若让4个氘核经过一系列聚变反应可转化为2个氦核，将放出44.7 MeV的能量，平均每原子质量单位氘原料的能量产额大约是6 MeV。这个数据比燃烧每个原子质量单位235U放出的能量数值（190/235=0.808 5 MeV）高得多。

2.2 核能提供航天器电源

电源系统是航天器的核心。目前，航天器上大多采用太阳能电池和化学电池提供能源。从图1可以看出，在不同条件下，这些空间电源适用范围是不同的，因此对于长期深空探测任务，应用太阳能或者核能源系统势在必行。从图2还可以知道，太阳系中各外行星与太阳距离越远，它们接受到的太阳辐射光强越低：离地球最近的火星上的太阳光强为地球的一半，木星处只有地球的约4%，而土星等行星处则近乎为零。因此未来的深空探测中，使用核能电源可能将成为唯一的出路。

图 1 空间电源及其应用范围Fig.1 Various kinds of space powers

图 2 外行星的太阳光强度Fig.2 Solar irradiance in solar system

2.3 核能推进航天器

推进单元是航天器的另一重要组成部分。进入21世纪，人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展。一方面，传统化学推进的方法因推进剂能量密度低，需消耗大量燃料且不能将航天器加速到足够快的速度，其效费比低、系统可靠性低，目前单纯依靠化学推进来提高喷气速度从而加速航天器的方法已经接近极限，无法满足未来空间探索的需要，必将被新的推进方法所取代。另一方面，新世纪的核动力载人飞船，因要携带航天员的生活用品和工作设备，必然要进一步提高火箭发动机的推力。发展先进的、大推力、高比冲且可用于单级入轨的大型运载系统，核火箭发动机将成为一个极为重要的途径。

3 核裂变能推进航天器技术

核裂变能推进航天器技术主要包括太空核电源和太空核推进。

3.1 太空核电源

太空核电源是利用核反应堆或者放射性同位素产生的热，通过热电转换系统变为电能，向火箭或航天器提供所需的电力。太空核电源分为放射性同位素电源和反应堆电源两类，其中热能转换成电能又有静态和动态两种方式。静态转换方式又包括温差（热电偶）转换和热离子转换。温差发电是利用热电偶不同金属的温度梯度效应来产生电流，其优点是结构简单、体积紧凑、适应性强、工作寿命长，但其输出功率小、转换效率低（3%～7%），通常与放射性同位素热源构成目前应用最广的太空核电源——放射性同位素温差发电器（图 3）。热离子发电是利用热能将二极管的发射极加热到1 500 ℃以上发射电子，由集电极收集，通过外接负载回到发射极形成电流。热离子发电适合于大功率输出，转换效率高（10%～20%），通常与反应堆热源联合使用构成反应堆-热离子发电器。动态转换方式是用热能加热流体工质使工质在高温高压下膨胀，推动涡轮发电机发电。动态转换虽适合大功率发电，但其结构复杂，又有活动部件，需要润滑和维护，目前处于研究开发阶段。太空核电源的显著优点是功率大、寿命长、体积小、环境适应性强。

图 3 通用型热源放射性同位素温差发电器Fig.3 General purpose heat source-radioisotope the rmoelectric generator(GPHS-RTG)

3.1.1 国外的太空核电源

目前，仅美国和俄罗斯（前苏联）开发并使用了太空核电源。从20世纪60年代到20世纪末，美国共有43台放射性同位素温差发电器用于导航、通信和气象等卫星，前苏联亦从20世纪60年代起到1989年先后发射了35个反应堆用做宇宙军事侦察卫星电源。目前美国和俄罗斯正在研制大功率、长寿命的反应堆热离子发电器用作航天器及电推进系统的电源。此外，德国和日本也在发展本国的太空核电源。日本原子能研究所设计了世界首座可完全自动运行的固有安全空间快堆RAPID-L[1]，它能在月球、火星表面上的探测活动提供电力，尽管没有控制棒，但包含新颖的反应堆控制系统[2]。

总体上说，当今太空核电源正朝着大功率（数百至数千kW）、长寿命（10～15年）方向发展，拟采用热离子和动态转换相结合的热电发电机，尽最大可能提高太空核电源的转换效率。

3.1.2 我国的太空核电源

目前我国绝大多数航天器使用的是太阳能电源。21世纪我国的航天活动已从近地空间向深空探测发展。以月球探测工程为例，一期是研制并发射探月卫星。由于卫星在绕月运行期间能周期地接受太阳光，因而可继续利用太阳能电池供电。探月工程二期将发射月球车，它白天仍可利用太阳能供电，夜间不工作。由于月球上黑夜温度极低（-180℃），时间又很长（＞300 h），所以月球车必须采取主动加热保温措施以防冻坏，其所需电能只能由核能转化而来。太空核电源（特别是放射性同位素温差发电器）原理简单、结构紧凑、技术成熟、使用方便，其可行性远胜过太阳能电站，是月球车夜用电源的理想选择。未来我国还将开展对火星及更远天体的深空探测，随着探测器距离太阳越来越远，太阳能电池的发电效能已大大降低甚至完全失去作用，使用核能电源将是唯一出路。

我国是最早掌握核技术的国家之一，拥有高水平的核工业，为开发研制太空核电源奠定了一定的技术基础和物质条件[3]。

3.2 太空核推进技术

3.2.1 传统化学推进和新型推进方法

传统推进技术是利用化学能将航天器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要是指液体和固体化学推进。随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度的大大拓展，传统的化学推进已经无法满足未来空间探索的需要，世界各国开始竞相研究各种新型推进技术，如激光推进、微波推进、电推进、核能推进、光压推进和反物质推进等。太空核推进是利用核裂变反应释放出的能量，直接加热工作介质，使其通过喷管膨胀后高速喷出，产生反作用推力；或者通过热电转换将核反应能转换成电能，再用电能加速带电粒子高速喷射，产生反作用推力。太空核推进系统一般包括核反应堆系统、热电转换系统和电-推力转换系统。太空核推进的一个典型实例是核火箭发动机（图4）。

图 4 核火箭发动机示意图Fig.4 Engine of nuclear rocket

核裂变型火箭发动机推动的优势首先在于它不仅能长期工作（可达10多年），而且能产生很高的速度（8.7×104km/h），所以，它不仅能让无人航天器到火星、木卫二、土卫六等星球上探个究竟，还可以让无人航天器到太阳系的空间遨游，并在可以登临的星球上进行着陆考察和资源开发。其次，核裂变型火箭大大缩短了太空飞行的时间，从而减少了整个飞行过程中接受来自空间的辐射剂量，显著地增加成功探测的几率[4]。再次，核动力装置还具有体积小、比冲大（可达当代最佳化学推进系统的几倍到几十倍）、耐用，抗太空辐射和尘暴等优点。这些都将使得太空核能推进逐步取代传统的化学推进而成为大推力推进首选技术[5]。

3.2.2 太空核推进的应用

太空核推进研究中最著名的为2003年1月美国提出的“普罗米修斯”计划，目的是利用核动力推进航天器探索火星。该计划开发的太空核推进系统和太空核电源系统，可以大大提高航天器的飞行速度，扩大探测太空的范围，延长探测时间，提高探测效率，获取更多的科学成果，因而它将推动探测器深入到太阳系的各个角落及远征1.5×1010km外的太阳系边界，开展快捷、长期、灵活和全面的科学探测活动。具体来说，可用于以下探测任务：(1) 对木星、土星、天王星和海王星等外行星及它们的卫星进行综合、详细的探测研究；(2) 对彗星进行全面探测，包括环绕探测和取样返回，以提供进一步了解宇宙构成的知识；(3) 大大增强人类对环火星轨道、火星表面的观测及取样返回等探测活动能力；(4) 远征太阳系边界，探测冥王星和柯伊伯带（离太阳约1.5×1010km处由彗星构成的小天体带），提供更多的有关太阳系起源与演化的知识。

3.2.3 太空核推进中待解决的关键问题

研制太空核推进系统首先要解决核反应堆的设计、制造、控制、冷却、辐射屏蔽和高效率热电转换等一系列物理和工程上的难题[6]。此外，太空核推进系统中的核辐射将对航天员的健康造成威胁。航天员在飞行时尽管采取了屏蔽措施，但其细胞仍会受到核辐射产生的粒子的轰击，这对所有哺乳动物的细胞的影响都非常大。航天员在飞行时眼前偶尔出现的闪光就是HZN粒子打到视网膜上形成的。就算在非载人情况下，核辐射也会损坏航天器中的半导体器件，使得太阳能电池性能退化甚至失效，有机材料性能劣化，甚至出现灾难性后果。因为这一系列的原因，太空核推进系统至今仍在研发之中。

4 核聚变能在航天领域的应用

4.1 航天应用聚变能的意义

核聚变能比核裂变能有更多的优点，在航天领域有非常重要的意义。当今地球面临着铀资源危机。有资料介绍[7]，2020年到2030年前后将出现铀资源不足。而核聚变能采用廉价而丰富的氘原料实现核聚变反应而获得能量。氘是氢的一种同位素，以氢的形式存在于水中，尽管其同位素丰度只有 0.015%，但因地球上丰富的水资源，可利用的氘原料几乎取之不尽；相比核裂变，核聚变反应释放的有害射线较少，聚变能是一种清洁的能源。

在当今的热核聚变反应中，无论是氘-氘（D-D）或氘-氚（D-T）聚变，均伴随着产生大量的聚变中子及其诱导的 γ射线。根据郦文忠等人的计算结果[8]，HL-2A装置中纯D-D热核聚变中子产额可达3.5×1014中子/s，若考虑D-T聚变，中子产额可达5.2×1015中子/s。因此我们必须对中子辐射采取相应的防护措施。杨进蔚等人建议当中子的产额达到1011中子/s时，可以在装置的四周覆盖碳氢化合物中子吸收屏蔽层（如30 cm厚的石蜡层）[9]。黄群英等人曾提到用硼水层（2.2%B+97.8%H2O）屏蔽HT-7U聚变装置中产生的中子具有很好的效果[10]。Ralph等提出在聚变电厂防护中采用Li、Li2BeF4、Li17Pb83等3种液体进行防护[11]，这些都给我们防护聚变推进器中的辐射提供了一定的参考。

4.2 聚变能的研究及应用现状

核聚变能具有诸多优点和广阔的开发前景，但核聚变的不可控性在一定程度上仍制约着它在航天领域的应用。为了应用核聚变能，前人做过很多不懈的努力。T.Kammash等曾经提到一种利用聚变反应堆加热磁约束装置中的等离子体的核推进系统[12]。陈志等人探索了D-3He聚变燃料推进器的可行性，发现其核心问题是受控核聚变原料3He的来源[13]。北京应用物理与计算数学研究所的白云等人总结了目前对于聚变能利用的3种主要方式[14]：磁约束MCF（Magnetic Confinement Fusion）、惯性约束ICF（Inertial Confinement Fusion）和和平利用核爆反应堆系统（Peaceful nuclear explosive reactor，PACER）。由于MCF和ICF聚变都面临一些复杂的问题，相关的技术问题很难在短时间内得以解决，因而从技术上讲，PACER很有可能成为解决世界能源需求的一个现实途径。刘成安等人提出以核爆压缩的方式，使数百克氘达到很高的密度和温度,发生大规模、高速度自持的聚变反应[15]。将此瞬时产生的大量能量储存于热载体（如液态钠或钠钾混合物）中,而后以可以接受的、较为缓慢的速度将热载体中储存的能量传输出来,用于发电。聚变核爆炸装置由初级和次级组成：初级就是一枚小型的原子弹，以裂变放能为主，且需用少量的浓缩铀或239Pu或233U等易裂变燃料；次级就是干净的小氢弹，主要以氘作燃料加少量氚。利用初级小原子弹爆炸产生的冲击波和高温使次级弹芯达到高温、高密度，从而实现高温、高密度下的氘-氘自持聚变反应。后来彭先觉等人构思了一个核爆聚变电站[16]：让核装置在一个巨大的洞室（也称爆洞）中爆炸，爆炸之前往洞中喷液态金属钠，并使钠在爆炸时刻在爆炸核装置周围形成一定的分布；钠一方面大量吸收爆炸的能量，同时还可有效降低爆炸冲击波对爆洞壁的作用强度；爆炸后，把加热的钠从洞中抽出，与电站第二回路进行热交换。彭先觉等人最终还预言：核爆炸在一定条件下是可控的，核爆聚变电站物理上是可行的。更重要的是我们可以利用核爆炸产生的大量中子来生产核燃料和进行核废料处理,能够更好地发挥热中子堆的作用。美国和前苏联在20世纪70年代已开展了这方面的研究。

4.3 利用核裂变和聚变能推进航天器

鉴于核聚变的不可控性和核爆发电的原理，我们绕过目前存在的技术障碍，实现核聚变能用于空间推进，设想借助可控的核裂变来诱发聚变反应，将其用于推进航天器。初步设想大致分为几个阶段。

(1) 利用裂变点火，诱发核聚变反应。如图 5所示，分别在A、B两容器中装入少量的浓缩铀或239Pu或233U等易裂变燃料和氘。人工控制A容器中的燃料使其发生核裂变反应，核裂变产生的冲击波是大振幅扰动的非线性波。这种波在 B容器中以超声速传播，波内气体将受到显著的压缩，从而产生高温、高压环境。环境的压力必将压缩 B容器中的聚变燃料氘，使其达到很高的密度和温度，于是发生大规模、高速度、自持的核聚变反应。

(2) 在B容器中喷入热载体，使其在容器B中形成一定的分布。当核聚变反应被诱发后，其释放的能量就被储存在热载体中。这里，热载体一方面用来储存能量，另一方面还用于调制爆炸冲击波对容器壁的作用强度。

图 5 核裂变、聚变能推进航天器模型Fig.5 Propulsive model of spacecraft using nuclear fission and fusion energy

(3) 核聚变在B容器中发生后将向四周释放能量，同时产生强烈的冲击波。根据文献[17]，冲击波在传播的过程中伴随着激波。激波前后的量（如压强、密度、速度）应分别满足质量、动量和能量守恒定律，即

其中：p、ρ、v分别表示激波的压强、密度和速度；下角标0、1分别代表未扰动区和扰动区；ε表示激波的能量。由以上 3式可得激波关系，也称蓝金-雨贡尼奥关系：

可将激波关系写为（令 Δp=p1-p0）

可见冲击波的破坏与压强、绝热系数有着密切的关系。在设计 B容器的器壁时，应主要考虑此因素。

(4) 在 B容器外围加上一层特殊的调制介质C。该介质将限定核聚变的边界条件，根据不同介质对中子的作用不同对能量释放的方式进行调制。如使核聚变释放的能量在±x方向降为很低，而在±y方向只降低至容器壁可以承受的量级。作为代价，±y方向的能量辐射强度同时也将降低。这样，经过调制后的能量将主要沿±y方向释放。

(5) 利用外壳D约束经过调制后释放的物质，使其高速地从推进器尾部喷出。将航天器置于＋y方向，由于动量守恒，从推进器尾部释放物质和能量的同时就会推动航天器。

核聚变空间推进方法是一种新的直接推进方法，还有很多有待解决的具体问题。但这种结合核裂变能和核聚变能用于推进的方法必将给未来的深空探测任务提供又一新的思路。

5 结束语

核能在航天领域的应用逐步受到人们关注，主要体现在太空核电源和太空核推进。太空核电源提供的功率大，使用寿命长，可以极为有效地提高航天器的生存能力，但要求必须对航天器上的仪器设备采取屏蔽措施，防止各种射线的损害。太空核推进的优势在于它不仅能长期工作，还能产生更高的速度，因而利用核能推进将成为大推力推进技术的理想选择。但是核能推进技术的开发中也存在核动力的安全隐患问题——核辐射不但会严重危害航天员的健康，而且即使在非载人情况下也会损坏航天器中的器件，因而必须对辐射产生的各种粒子及射线（如n、γ等）进行防护。尽管如此，要发展地面先进、大推力、高比冲且可用于单级入轨的大型运载系统，仍应优先考虑发展核能推进技术。

核聚变燃料资源丰富，释放的能量比核裂变大得多，又是一种清洁的能源，但目前核聚变的可控性尚未解决。因此本文提出一种新型的航天器推进方法，即利用可控的核裂变点火、核聚变放能来实现核推进。让核聚变材料在高温、高密度条件下发生核聚变反应，用热载体储存聚变释放的能量；然后通过调制介质来调制辐射场和压力场，选择合适的边界条件，使能量释放后产生的推力主要沿着某一方向，从而达到最终直接推进航天器的目的。

（References）

[1]冉旭, 单建强, 朱继洲.空间核反应堆概述[J].国外核动力, 2004, 25(5)： 1-5

[2]Kambe M, Tsunoda H, Mishima K, et al.RAPID-L operator-free fast reactor concept without any control rods[J].Nuclear Technology, 2003, 143(6)： 11-21

[3]朱毅麟.与时俱进, 开发太空核电源[M].国际太空,2004(9)

[4]Howe S D.High energy-density propulsion—reducing the risk to humans in planetary exploration[J].Space Policy, 2001, 17： 275-283

[5]Stanley G.Nuclear propulsion—a historical perspective[J].Space Policy, 2001, 17： 291-298

[6]Terry K.Fission or fusion for Mars missions： expectations and challenges[J].Acta Astronautica, 1994, 34： 17-23

[7]王成孝.核能与核技术应用[M].北京：原子能出版社,2002： 117

[8]郦文忠, 杨进蔚, 张炜, 等.HL-2A装置上DD热核聚变中子产额和通量的估算[J].核聚变与等离子体物理,2004, 24 (1)：15-18

[9]杨进蔚, 宋先瑛, 李旭, 等.HL-1M托卡马克中的中子通量和辐射剂量当量测量[J].物理学报, 2005, 54(4)：1648-1652

[10]黄群英, 陈朝斌, 吴宜灿.核聚变实验装置HT-7U一维及二维辐射防护设计研究[J].核科学与工程, 2001,21(1)： 79-85

[11]Ralph W M.Liquid wall inertial fusion energy power plants[J].Fusion Engineering and Design, 1996, 32：93-104

[12]Kammash T, Godfroy T.An open cycle gas core fusion rocket for space exploration[J].Acta Astronautica, 1997,41(4)： 229-237

[13]陈志, 冯开明, 邓柏权, 等.D-3He先进燃料聚变空间核动力推进器的可行性探索[J].核科学与工程, 2005,5(2)： 124-127

[14]白云, 彭先觉.核爆发电问题中核燃料循环的中子学研究[J].计算物理, 2006, 23(5)： 589-593