Kilopower与KRUSTY的发展脉络及研发现状

缪力威

摘   要：空间核反应堆电源具有功率比高，运行时间长，功率输出高，环境适应性好等一系列优点，在军民航天技术应用中均具有广阔的运用前景，是影响未来太空竞赛格局的重要一环。通过对美国从20世纪80年代至今的空间核反应堆电源，尤其是“Kilopower”相关项目的文献调研，梳理了美国空间裂变堆电源系统的发展脉络，总结了美国最新的研究进展;同时对50年来唯一建成的空间核反应堆电源地面原型堆KRUSTY（“采用斯特林技术的千瓦级反应堆演示验证”）的公开文献进行了调研分析，并对其试验成果进行了总结。

关键词：Kilopower  KRUSTY  空间核电源  裂变反应堆

中图分类号：G322. 24                             文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0065-05

Abstract： Space nuclear power have a serious of advantages such as high power density， long working time ，high power output， good adaptation to environment. It has a bright prospect on dual-use space technology and will have an important influence on space race. Based on the literatures of space nuclear power after 1980s， especially of "kilopower"， the development and actuality of American nuclear space power have been certain. Meanwhile， the result of KRUSTY（The Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY）has been analyzed to summarize the achievement of this experiment。

Key Words：Kilopower;KRUSTY;Space nuclear power;Fission reactor

随着人类对太空探索，尤其是对深空探索的进行，传统的能源供应方式，如太阳能，化学能等逐渐失去作用。传统的放射性同位素电源虽然具有寿命长、体积小、结构紧凑、比功率高、可靠性高、不受环境影响等优势[1]，但美国目前应用于空间的放射性同位素电源全部以Pu-238为燃料[2]。目前美俄两国的Pu-238产量完全无法满足空间探索任务要求[3]，因此两国都将研究重点转移到了空间反应堆电源上来，俄罗斯从2009年开始了兆瓦级空间核动力飞船研发计划，美国自2006年开启了千瓦级电源计划（Kilopower）。

就美国而言，继SNAP-10A（0.5 kWe）研制成功之后，美国曾研究过大量空间核反应堆电源方案，除了数量诸多的概念方案之外，还有一些瞄准实际工程应用的方案，如SP-100（100 kWe）、普罗米修斯（200 kWe）、AFSPS（40 kWe）等，然而，这些方案均在经历了较大投入规模的研究工作之后归于沉寂，甚至没能建立地面原型堆。这些反应堆电源没能研制成功，一方面可归因于大功率所带来的高技术难度;另一方面，缺乏明确的任务牵引也是这些研究计划被提前撤销的重要原因。

从2010年左右开始，由于Pu-238库存告急严重威胁到NASA的深空探测计划，Kilopower型千瓦级空间反应堆电源成为了美国空间核反应堆电源领域的重要研究方向，其研制难度远低于SP-100等大功率反应堆电源。其配套的KRUSTY地面原型堆项目亦于2015年启动，用以全面验证項目的可行性。据此预计美国将于2020年具备空间核反应堆电源的应用条件。

1  美国近代空间核反应堆项目的历史发展进程

1.1 SP-100空间核反应堆简介

SP-100空间核反应堆设计可作为一种轨道电源、月球或火星表面电站，可为核电推进提供能量，其功率范围为几十千瓦到几百千瓦。SP-100最初的任务是20世纪80年代为美国“星球大战”（SDI）开发的轨道电源。尽管最初的发起者是美国国防部（DOD）、美国能源部（DOE）以及美国国家宇航局（NASA），然而随着苏联解体后SDI工作式微，SP-100任务更多地朝NASA的需求发展。最终，由于NASA的各项宏大任务在90年代初遭到质疑，花费更少的任务变得更受欢迎，SP-100计划停止了。计划停止时，工业与国家实验室的综合基本设施已经建立起来，设计和开发大约投入了10亿美元。SP-100并不打算作为一种低费用一次性使用设备，而是计划作为一种具有高度灵活性的电源，以具有发展灵活性的标准设计为基础，通过多种任务能力实现费用优势。

SP-100设计了六条锂回路及一套钠钾辅助回路，通过静态热电转换发电。废热通过二回路的锂回路及辐射器排出。该项目要求10年左右的寿期，要求具有自主控制能力且具有偶尔停堆及再启动的能力。系统总质量约为4600千克，采用了氮化铀燃料以节省质量，包壳采用了PWC-11（Nb-1%Zr 和0. 1%C）[4]。

1.2 普罗米修斯项目简介

普罗米修斯计划是2003年1月由美国布什政府批准的，发展方向分为太空核推进系统和同位素电源两部分[5]。太空核推进的工作内容集中于200kWe核反应堆的设计，预期寿命15～20年，核电推进任务设计质量不超过25000kg。项目提出了五条可选择的技术路线：

（1）气冷堆+布林顿发电机。

（2）热管堆+布林顿发电机。

（3）锂冷堆+布林顿发电机。

（4）锂冷堆+静态热电转换。

（5）低温锂—钠堆+斯特林发电机。

在经过发电能力，可靠性，花费，安全性等全局考虑后，美国最终采取了气冷堆+布林顿的方案。

该航天器为气冷斯特林结构，总长近58m，未展开直径约为5m，发射质量约为36375kg。反应堆燃料考虑了二氧化铀和氮化铀，氮化铀主要继承和发展了SP-100的工作，其主要优点是可以获得更低的堆芯质量，但考虑整体性能要求，系统最后选择了二氧化铀的方案。包壳材料上，SP-100采用的PWC—11因为蠕变性能太差被放弃，同时项目试验了大量的新材料，比如FS-85、Ta-10W 和ASTAR-811C等合金材料。镍合金因为其测试中表现出出色的兼容性和延展性被重点考虑[6]。

1.3 Kilopower与KRUSTY简介

从SP-100至今，美国在空间核反应堆电源的探索基本上全部失败了。虽然积累了大量的技术储备，但美国也逐渐意识到作为项目的开始，设计过于复杂，研发成本过高，过于依赖新材料和工艺，对项目周期过于乐观以至目标过于宏大是项目难以完成的重要原因。因此，美国决定制定一个相对简单的、有工程化可能的计划来作为空间核反应堆电源发展的第一步.

千瓦级空间反应堆电源的设计电功率可覆盖0.5kWe到10kWe。典型的1kWe方案设计见下图。该电源系统总重量仅为406kg，总长度约3m，最大直径约1.1m，设计寿命达到了15年。

该反应堆电源结构非常简单，堆芯由块状铀钼合金燃料、碳化硼控制棒、氧化铍反射层和屏蔽块组成，U-235富集度93%，U-235装量28.4kg。采用位于堆芯边缘的8根钠热管将反应堆热量传输到8个125W斯特林发电机热端。废热通过连接斯特林发电机冷端的钛水热管传导至辐射器排除。该反应堆电源的控制很簡单。在发射入轨后，抽出位于堆芯内的安全棒使反应堆达到临界，其后的运行寿期内，完全依靠反应堆的负温度反应性系数来完成负荷跟踪和反应性条件，不需要在进行控制，完全处于自主运行状态[7]。

为此，美国先进行了DUFF（The Demonstration Using Flattop Fissions）试验，用已有裂变试验装置，中心开了一个热管孔的高浓铀燃料块，一根基本的水热管，两台已有的斯特林装置（美国有从35W的SunpowerEE‐35到7.5kW的QnergyQB‐7500全范围斯特林产品支持），在短短6个月内，以不足100万美元的花费完成了预计试验。该试验首次用热管从反应堆中取热，首次斯特林匹配核反应堆发电，并且验证了主要部件相关反应性和动力学的计算准确性。2012年9月13日，试验成功发电24W，验证了进一步建立地面堆的可行性。

随后，美国开启了KRUSTY（The Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY）项目。KRUSTY是一个5kw的地面原型堆，计划在3年内完成，且花费控制在2000万美元以内。

2  Kilopower技术细节调研

2.1 反应堆设计

Kilopower的反应堆是有史以来提出的最简单（或者说简洁）的反应堆概念之一。因为反应堆结构非常紧凑，此时快堆的中子动力学和系统动力学基本完全由材料的密度/几何变化这一个因素决定。而堆芯基本完全固定的结构和几何形状（除去热膨胀带来的相对运动），使其启动和运行阶段的系统动力学非常容易预测和验证。

反应堆是在低功率下运行的，因此其燃料、热管、控制、反射层、屏蔽等是非常容易实现一体化的。低功率使其结构辐照损伤很小，热量导出的要求也很低。唯一的运动部件只有安全棒，安全棒在启动阶段就弹出堆芯，此后全固态的、完全没有运动件的反应堆具有很强的可靠性。而且因为低功率带来的燃耗反应性损失很小，以至于反应堆可以自主运行10年以上而不需要控制。此外，低功耗使其在面对最恶劣的瞬态（例如斯特林失效导致余热无法排出）也不需要进行任何实时控制动作（负反应性温度系数自动调节），因此控制系统可以独立控制斯特林的运行从而控制整个系统，而不用考虑同时控制反应性带来的系统复杂性和系统冲突。

经过评估，反应堆在发射过程中的鲁棒性能够满足要求，没有放射性，所有假想的事故中唯一的核风险事故是安全棒弹出，除此以外没有发射或运输事故能导致临界。

燃料富集度上，项目考虑了两种选择：93%的高浓铀和19.75%的低浓铀。使用低浓铀最主要的原因就是反核扩散相关政策。美国的法律法规提供给NASA特殊的渠道（如Y—12国家安全中心等）后，Kilopower和KRUSTY都采用了高浓铀。

燃料上反应堆选择了铀钼合金，这主要是因为这是可用燃料中美国唯一研究的相对透彻，不再需要大量投入进行前期研究的成熟燃料。而且铀钼合金还有两个理想的优点：高铀装量和高热导率。但是铀钼合金同时也存在两个显著的缺点：相对较低的熔点和高温下与多数材料不兼容的化学不稳定性。铀钼合金的熔化可以通过控制最高温度来避免（比如KRUSTY最高温度控制在880℃以下），但高温带来的软化问题难以避免，必须小心的考虑装载的应力甚至重力对燃料带来的影响。但这两个缺陷都是可以通过工程经验和实验测试来解决和避免的。铀钼合金限制更高功率的主要原因还是燃料肿胀。在800℃时，燃料的体积膨胀大约在4%左右。从燃料肿胀的角度来说，采用低浓铀对提高功率更加有益。但低浓铀带来的燃料质量提升，堆芯体积增大，能量密度降低，需求热管增多，系统复杂性增加等因素是无法接受的，所有高浓铀还是唯一的可行方案。

2.2 热管和斯特林电机

热管带来的固有冗余度也是保证系统可靠性的重要一环。每根热管都是独立的，并且有很高的可靠性。系统满功率下依然能保证即使斯特林或者数根热管失效（除非三根靠在一起的热管同时失效），能量也能正常导出。系统的热电转换系统采取每根热管直连一台斯特林发电机，这保证了整个装置具有最简单的匹配结构、最简单的系统动力学和最高的效率。缺点是一旦发生最坏的工况（斯特林电机失效），会使与它直连的热管失去正常功能（因为缺乏中间级的传热机构将其传递给其他斯特林电机）。但这并不会影响整个系统，也最大程度的保证了系统整体的可靠性。

因为经费不足以开发新的发电机，项目所使用的斯特林由已有的高级同位素电源斯特林发电项目（ASRG）的70W电机修改而来。斯特林电机两两对置，通过控制保证动作同步以维持力学平衡。

2.3 KRUSTY的技术细节

KRUSTY试验在2017年11月开始进行，先用不锈钢模拟反应堆堆芯，然后用贫铀铀块，最后采用高浓铀进行地面核试验[8]。钢制的堆芯在热学性能上和铀是接近的，可以用来验证热负荷下热管的连接和堆芯的分割方法，并且可以通过真空环境下的电加热模拟试验模拟太空环境。不锈钢材料试验得出的稳态工况、瞬态温度、功率分布等可以作为贫铀（DU）试验的参考基准。贫铀材料可以完成组装而不需要考虑高浓铀材料带来的临界问题和安全问题，同时可以作为参考确保组装全过程中不会因为几何和慢化剂相互影响带来临界安全隐患。同时贫铀材料也具有辐射性，任何辐射性材料都不得不考虑安全问题，这可以使项目完善安全流程并使工作人员都做好准备，从而为高浓铀装料做好铺垫。

实验分为四个阶段进行[9]：

（1）基本组件临界。

堆芯，反射层，控制棒，单独测试临界。

（2）冷临界。

加入热管和能量转换器，反应性逐渐上升到临界但没有热量产出，核查中子模型参数。相关试验参数将用来再评价带功率运行的结果。试验的另一个目的是得到相对“干净”的材料和组件参数，这些参数将被用来进行后期的大功率反应堆设计。

（3）热临界。

反应性继续提高直到在中等温度（约400℃）下达到满功率（4kw热量）。这阶段要确保剩余反应性不超过$0.8，这可以保证由缓发中子控制并限制系统温度。

（4）全功率运行。

模拟反应堆从启动，上升至额定功率，稳态运行在约800℃，进行瞬态操作，到停堆的全过程。为了达到指定温度需要$1.7的剩余反应性。为了保证达到要求，通过调节氧化铍反射层投入了$2.2的剩余反应性来弥补模型或材料可能带来的误差。整个测试大概持续28h，中间会进行斯特林移除，热管失效，斯特林最大功率等瞬态来进行反应堆自补偿和功率跟随性试验。试验最后验证了全热管失效后系统的补偿和调节能力。

衰变功率在30min后达到5%，24h后达到6%，所以实际热功率应该比蓝线高5%～6%。

可以看出反应堆对多种瞬态都有良好的自调节能力[13]，基本能将温度稳定在800℃。

KRUSTY的运行操作和系统动力学和Kilopower是完全相似的，即使Kilopower發生了技术和材料的改变，其热—核耦合行为在本质上也是完全一致的。

在插入燃料和热管前，固定环就已经被加热到了800℃，以保证热管和燃料始终保持良好的接触性和避免高温带来的材料膨胀使其无法抱紧堆芯[10]。

反应堆功率范围是1.5～5kWt最后试验测得，单个斯特林电机的效率约在35%，反应堆整体效率约在25%[11]。

3  结语

KRUSTY原型堆相关试验顺利完成，为kilopower和相关空间堆项目的进行积累了大量的数据和经验，表明美国空间裂变堆研究已经基本能够投入实践应用（技术成熟度基本达到5级），这也从某种程度上代表了未来空间堆的研究方向：简洁、可靠的反应堆结构，无需干涉的自调节控制能力，高效、稳定的能量转换设备。相信其项目经验对我国空间反应堆的研究和发展有很多足以借鉴和参考的地方。

参考文献

[1] 伍浩松.美国空间放射性同位素电力系统发展概述[J].国外核新闻，2012（10）：28-32.

[2] Robert L. Cataldo ， Gary L. Bennett， Space Radioisotope Power Systems and Applications： Past， Present and Future[M]. NASA Glenn Research Center， 2011，474-477.

[3] Ralph L. McNutt，Jr. Radioisotope Power Systems： Pu-238 and ASRG status and the way forward[C]. 10th Meeting of the NASA Small Bodies Assessment Group， 2014.

[4] Scott F. Demuth. Sp100 space reactor design[J]. Progress in Nuclear Energy， 2003，42（3）：323-359.

[5] 朱毅麟.美国太空核动力计划重开张——“普罗米修斯”计划一瞥[J].国际太空，2004（9）：26-30.

[6] John Ashcroft， Curtis Eshelman. Summary of NR Program Prometheus Efforts[J]. AIP Conference Proceedings;2007.1， Vol. 880 Issue 1， P497.

[7] David I. Poston， Marc Gibson， Patrick McClure. Kilopower reactors for potential space exploration missions[C]. NETS-2019， ANS （2019）.

[8] Don Pala，，Marc Gibson， Lee Mason， and Michael Houts .Nuclear Systems Kilopower Overview[C]. Nuclear and Emerging Technologies for Space 2016， February 22， 2016 - February 25：17.

[9] Marc A. Gibson; Steven R. Oleson; David I. Poston; Patrick McClure. NASAs Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions[R].NASA Technological Report， NASA/TM—2017-219467 （2017）， National Aeronautics and Space Administration Glenn Research Center， Los AlamosNationalLaboratory，Nov.2017.

[10]David I. Poston， Marc Gibson， Patrick McClure.et al.Results of the KRUSTY nuclear system test，Nuclear and Emerging Technologies for Space[C]. NETS-2019， ANS （2019）.

[11]Marc Gibson， David Poston， Patrick McClure， et al; The Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY （KRUSTY）[C]. Nuclear Ground Test Results and Lessons Learned 2018 International Energy Conversion Engineering Conference， Cincinnati， Ohio，2018-7-9.

[12]David I. Poston， Rene Sanchez， Patrick McClure， results of the KRUSTY warm critical experiments[C]. NETS-2019， ANS （2019）.