空间核反应堆电源发展及应用

闫锋哲 陈章隆

摘   要：空间核反应堆（space reactor），是利用核反应产生的能量为航天器提供电力的一种空间电源。根据航天器不同的任务需求，可以将空间核反应堆的用途细分为空间核电源和空间核推进。长期载人的宇宙空间站和大型通信卫星、导航卫星、遥感卫星和星表空间基地等，在运行时都需要千瓦或者千瓦以上功率的电源，而且还要求其供电系统必须具有重量轻、体积小、功率大、使用寿命长等特点。在科技飞速发展的今天，各种空间电源都在大力研发建设中，空间反应堆作为一个重要的空间电源，具有重量轻、体积小、功率大和寿命长的优势，是未来最具有发展前景的空间电源。本文对空间核反应堆的发展现状及其应用前景进行介绍。

关键词：空间核反应堆  航天器  空间电源

中图分类号：TL99                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0021-03

目前航天器应用最广泛的的电源供应装置是太阳能电池。但是由于太阳能电池过于依赖太阳光照，对太阳光的角度和与太阳的距离都有较高的要求，如果角度不佳或者与太阳的距离过远，都会影响太阳能电池的发电效率。因此在研究太阳能电池之余，科研人员开始也研究利用其他能源。利用核能为航天器提供能源主要包括两种方式，一种是放射性同位素电池，一种是空间核反应堆。放射性同位素电池是目前深空探测中应用最广泛的电源。其具有体积小寿命长等特点，可以在恶劣的环境下为航天器供电，目前飞行最远的美国旅行者號就是依靠其携带的三个放射性同位素电池为其提供电力。放射性同位素电池虽然具有长寿命、较强的环境适应性等优势，但是其功率却逐渐无法满足日益发展的航天器的需求。因此，科研人员开始将研究的重点转向可以提供大功率，长寿命的空间核反应堆。

1  空间核反应堆概述

1.1 空间核反应堆电源概念及原理

空间核反应堆电源是一种可以将核反应堆产生的热能转换为电能供航天器使用的装置，它主要由反应堆本体、辐射屏蔽装置、热电转换系统、废热排放系统和反应堆控制系统组成。它的工作原理（图1）为：反应堆本体将反应堆核燃料产生的热能通过一回路传输到热电转换系统转换成电能，并将电能直接输送到航天器的负载。辐射屏蔽装置则布置在反应堆本体和空间核反应堆电源其他系统的中间，以保证宇航员和航天器的其他设备受到的辐射水平在可以接受的范围内[1]。

1.2 空间核反应堆的特征

在20世纪和21世纪，航天器应用最广泛的电源系统还是太阳能电池。主要是因为太阳能技术开发时间较早，发展到现在已经非常成熟，安全性较高，而且寿命较长，功率可以达到上千瓦甚至更高。但是太阳能电池也存在许多局限性，其最大的不足就是过度依赖太阳光照，对太阳光的角度和与太阳的距离都有较高要求，无法适应更遥远的空间任务;其次太阳能电池容易受到辐射等外部环境的干扰，造成太阳能电池的性能下降[2]。空间核反应堆作为一种科技含量较高的空间电源，具有许多太阳能电池不具备的优势，可以弥补太阳能电池和放射性同位素电池的缺陷，它的主要特点如下。

（1）空间核反应堆电源的正常运行不依赖太阳光照，具有较高的自主性，可以在更遥远的宇宙或者太阳光照射不到的区域为航天器提供电力或者动力。

（2）空间核反应堆电源和太阳能电池相比，其对环境的适应能力更强，可以在恶劣的环境下继续运行。

（3）空间核反应堆功率较大和使用寿命较长，可以长时间地为航天器和星表的空间基地提供大功率的电源。

1.3 空间核反应堆的适用范围

航天器会根据不同的飞行任务来选择不同的空间电源来进行搭配。目前可供选择和使用的空间电源主要化学电池、太阳能电池、空间核反应堆和放射性同位素电源。化学电池比较稳定，输出功率较高，适用于短期的航天飞行任务;太阳能电池使用寿命较长，技术也比较成熟，但是由于太阳能电池过于依赖光照，使用太阳能电池的航天器的飞行区域较为有限，无法在远离太阳的更遥远的宇宙执行任务;放射性同位素电源输出功率小，一般都在千瓦以下，但是可以长期提供电力，一般应用于光照条件较差、功率需求较低的的空间任务，比如远离太阳的深空探测等。而空间核反应堆与以上三种供电方式相比具有更好的应用价值，但是因为其造价昂贵，技术难度较高，因此一般用在较为重要的空间任务中，比如星球表面的空间基地和更遥远的空间飞行等[3]。

航天器在执行空间任务的时候会根据不同任务的需求来携带不同的电源配比。这些影响电源配比的因素不止局限在功率输出和使用寿命上，还包括任务本身的空间区域，空间环境，安全性和经济型等。而空间核反应堆体积较小，具有较强的灵活性，与太阳能电池相比，空间核反应堆更适合一些机动灵活的空间军事任务。综上，空间核反应堆最适用于功率较大、周期较长的空间任务，其次是一些大功率，周期长，灵活性高的空间军事任务等[4]。

2  空间核反应堆的研究现状

2.1 空间核反应堆的发展历史

1965年，美国推出第一台也是当时唯一的一台空间反应堆——SNAP-10A（图2），它也是人类历史上第一个成功发射运行的空间核反应堆电源。虽然SNAP-10A的输出功率只有500W，仅仅运行了13d，但SNAP-10A作为世界上第一个空间核反应堆，仍然在空间核动力的历史具有划时代的意义。在20世纪，美国重点研究的空间核动力的计划主要包括如下几项。

（1）SNAP计划（1954-1973）：SNAP计划作为世界上最早的空间核反应堆的研发计划，其研发目的是为美国空军卫星提供寿命为1年，功率为1～10kW的电力。在此计划下，美国在1960年发射了载有世界上第一颗空间核反应堆SNAP-10A的“阿金纳”运载火箭。在火箭发射12h后，SANP-10A反应堆达到了满功率运行，后来由于火箭的电气系统发生了故障，SNAP-10A反应堆被永久关闭。

（2）核火箭发动机研究计划（ROVER/NERVA）（1955—1973年）：ROVER核火箭发动机最初是在美国军队的支持下研发的，其研发的目的是为大型洲际弹道导弹提供强大的动力，后来由于化学火箭发动机技术已经发展成熟，因此本計划被暂时终止。后来NASA为了寻找可以为美国载人探月工程提供动力的方法，决定继续对核火箭发动机进行研究，并将本计划改名为NERVA。

（3）SP-100计划：1983年美国总统为了保护美国免受苏联的导弹攻击，决定启动“战略防御倡议”计划（SDI）。SP-100正式在在此背景下研发的。SP-100的技术优势是可以使用不同的热电转换系统来满足不同的任务需求。SP-100的输出功率为100kW，设计寿命为7年。

（4）Timberwind（森林风）：在1980年ROVER/NERVA结束后，美国在“战略防御计划”这一背景下计划利用核热推进为空间轨道的转移动力和拦截弹道导弹提供动力，并将此计划命名为Timberwind（森林风）计划。后来在冷战结束后，Timberwind（森林风）计划被克林顿政府终止[5]。

2.2 空间核反应堆的应用范围

空间核反应堆以其适用范围广、环境适应能力高、寿命长、输出功率大等特征，在航天领域的电源系统中占据了重要地位，空间核反应堆主要使用的具体空间任务的范畴可分为以下两种。

2.2.1 民用航天任务

空间核反应堆的出现，为民用航天任务带来了全新的解决方法，美国国家航空航天局（NASA）从20世纪就开始对空间核反应堆进行了一系列的研究和应用。在本世纪美国总统特朗普宣布重返火星后，美国远航局向外界展示了其为登陆月球、火星并建立月球和火星的空间基地而研发的Kilopower迷你空间堆。Kilopower迷你空间堆是目前世界各国对外公布的空间反应堆中最为先进的空间反应堆。

2.2.2 军用航天任务

军用航天任务大多要求飞行器具有较强的隐蔽性和机动性，而空间核反应堆凭借其得天独厚的优势可以很好的应用于此。美国和前苏联一开始研究空间核反应堆，就是为了增强军事实力而研发的。二战结束后，美苏两国为了在军事领域抢占先机，都开始了各项军事技术的研究工作，其中就包括空间核反应堆。

苏联自20世纪50年代开始研究空间核反应堆以来，已经向宇宙空间发射了35个空间反应堆电源。1961—1989年，苏联一共研发了4种空间核反应堆电源，这4种分别为ROMASHKA空间反应堆电源（图3）、BUK型空间核反应堆电源、TOPAZ-1型空间核反应堆电源和TOPAZ-2型空间核反应堆电源。ROMASHKA空间反应堆是苏联最早研发的空间反应堆。它的输出功率大概在500w——800w，和美国研制的SNAP-10A较为接近。在1966年，苏联又推出了BUK型空间核反应堆电源，为当时正在研制的海洋监视卫星提供电力。从1967年开始，俄罗斯先后发射了31个BUK型空间核反应堆，并成功应用海上雷达观测卫星上。继BUK空间核反应堆之后，苏联又相继研发了TOPAZ-1型和TOPAZ-2型。在1987年，苏联先后发射了两个TOPAZ-1型空间核反应堆电源Cosmos-1818和Cosmos-1867并取得了成功。

3  结语

空间核反应堆电源技术作为一项跨时代的技术，有着巨大的影响力，虽然它对技术和资金等有较高的要求，但是却具有非常远大的发展前景，是未来实现深空探索的关键技术。在空间核反应堆的研发过程中，需要积极借鉴陆地核反应堆的技术，大胆创新、积极主动的探索，使用全新的技术和设计理念去研发和陆地核反应堆技术相似却也有着巨大差别的空间核反应堆电源。我国在上世纪70年代也开始进行了空间核反应堆电源研发，我国正在开展空间核反应堆的研发工作。相信在不久的将来，我国的航天事业会在核动力的助力下走向更遥远更广阔的星空。

参考文献

[1] 苏著亭，杨继材，柯国土. 空间核动力[M].上海：上海交通大学出版社，2015.

[2] 马世俊，杜辉，周继时，等.核动力航天器发展历程（上）[J].中国航天，2014，（4）：31-35.

[3] 马世俊，杜辉，周继时，等.核动力航天器发展历程（下）[J].中国航天，2014，（5）：32-35.

[4] 吴伟仁，刘继忠，赵小津，代守仑，于国斌，万钢，刘仓理，罗琦，庞涪川，朱安文，唐生勇，柳卫平，张传飞，曾未.空间核反应堆电源研究[J].中国科学：技术科，2019，49（01）：1-12.

[5] 解家春，赵守智.空间核反应堆的过去、现在和未来（内部报告）[R].北京：中国原子能科学研究院，2014.