空间核反应堆电源需求分析研究

周 彪，吉 宇，孙 俊，孙玉良

(清华大学 核能与新能源技术研究院，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084)

随着科技水平的不断提高，人类探索足迹已经遍布海洋、地底及天空，并对深邃的宇宙始终保持着强烈的好奇感，未来太空探索将是各国争相涉足的一个重要领域[1]。空间电源技术是进行空间探测的核心技术之一。目前，航天任务多以化学能、太阳能为主要能源形式[2]，而随着空间活动不断深入，常规能源将难以满足深空探测和特殊任务的发展要求。因此，以美国和俄罗斯为代表的世界航天强国在空间电源上采取多元化发展、多类型共同开发的战略，在不断改进常规能源技术的同时，也大力发展了新型空间能源形式[3]。其中，空间核反应堆电源由于能量密度大、受环境影响小等优势，受到了广泛关注。美国从20世纪50年代开始，在空间核动力领域开展了大量的研究工作，成立了多个专项研究计划，取得世界瞩目的成就。俄罗斯(包含苏联在内)起步稍晚于美国，但发展迅速，尤其在空间核反应堆电源发射任务方面，至今处于世界领先水平[4]。目前，对空间电源形式的选择、系统功率量级的确定等依然存在一些争议[5-8]，具体表现在：如何应对未来空间任务的发展趋势，开发满足多类别、多层次任务需求的可靠性空间能源；如何根据预设空间任务特点，对潜在动力形式进行合理的可行性评估，以确定空间装置的总体技术方案等。因此，对未来空间任务进行动力需求分析研究，明确不同空间场景下电源功率、系统比质量等方面的需求，将对技术路线的确定及相关设计研究工作起到很好的推动作用。本文对空间核反应堆电源需求进行分析研究。

1 空间电源对比

1.1 适用对象分析

目前已有的空间航天器电源主要有：化学能电池、太阳能电池阵-蓄电池联合电源、放射性同位素核电源(RTG)、空间核反应堆电源，其功率分布与持续时间如图1所示[9-10]。由于能量产生方式不同，每种类型的电源都有各自鲜明的特点和特定的空间应用场景。

化学能电池一般有蓄电池和燃料电池两种。其中蓄电池经历了镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池3个典型的迭代过程，且其多与太阳能电池配合使用。燃料电池的体积和质量通常小于蓄电池，不存在过充过放及电解液流失等现象，但可持续性相对更低[11]。化学能电池输出电压稳定、可靠性好、结构相对紧凑，对于周期较短的空间任务(几十分钟到数小时)，可提供数百kW～MW的电功率；但当任务周期增加到数月时，化学能电池仅能提供kW以下的电功率[9]。因此化学能电池通常适合在地球轨道执行短期返回式的空间任务。

图1 不同能源形式做功持续时间与功率分布情况Fig.1 Duration time and power distribution in various energy sources

太阳能电池阵-蓄电池联合电源技术成熟，工作寿命长，可满足中等功率(小于10 kW)的长期空间任务[12]。美国与俄罗斯从20世纪60年代开始采用太阳能电池进行行星探测，如水手计划[13]、维京计划[14]等。但太阳能电池是非自主能源，除光照强度外，其性能还受太阳能板阵列面积、光电材料性质等因素影响，导致其适用对象十分有限。此外，由于空间装置对体积、质量等存在严格限制，太阳能阵列板的布置面积不能无限增大，传统空间用太阳能电池的功率通常不超过50 kW。因此，太阳能电池不适合大功率电力输出、深空探测及行星间载人飞行等任务。

RTG具有不受环境影响、工作寿命长、可靠性高等特点，能适应尘暴、高温等复杂的太空工作环境，已广泛应用于地球轨道、地月轨道及行星间轨道等多种无人空间探测任务[15]。迄今为止，美国共发射了33个RTG航天器[16]，其中于1977年发射的旅行者2号RTG探测器已于2018年12月10日飞出日光层，工作时间长达41 a[17]。但RTG功率水平较低，单机功率一般不超过300 W，因此无法满足更高功率需求的空间任务。

空间核反应堆电源通常是以核裂变反应所释放的能量作为动力源的空间装置，其结构主要由核反应堆、屏蔽层、能量转换系统、辐射换热器、电源管理与分配系统组成。空间核反应堆电源可覆盖几kW至数MW的功率范围，工作寿命长、机动性好、受太空环境影响小，为完全自主的能源形式。自20世纪50年代，美国和俄罗斯就启动了空间核反应堆电源的相关研究工作[18]。美国根据不同时期政治、军事等方面的需求，提出了几个具有代表性的空间核反应堆电源研发计划，典型的有：SNAP计划[19]、SP-100计划[20-21]、Prometheus 计划[22]、FSP计划[23-24]与Kilopower计划[25]。俄罗斯在空间核动力方面起步稍晚于美国，主要研发了ROMASHKA、BUK和TOPAZ 3种系列型号的空间核反应堆电源[4，26]，在目前世界上已成功发射的39个空间核反应堆电源航天器中，俄罗斯占据了其中的38个。相比其他3种电源形式，空间核反应堆电源具有功率调节范围广、做功时间长和机动性好等优势，将是满足未来多类别、深层次、高要求空间任务的理想电源形式。

1.2 系统比质量

空间能源系统的质量功率比(比质量)是衡量系统性能的重要指标。本文对比了RTG、太阳能、空间核反应堆电源系统比质量随功率的变化[7，12，25，27-28]，如图2所示。由图2可见：当系统功率小于50 kW时，太阳能电池系统比质量最小；当功率大于50 kW时，空间核反应堆电源系统比质量则更小，且随着功率增加，优势更加明显。

图2 不同能源形式比质量随功率的变化Fig.2 Specific mass of different energy sources vs. power

美国国家航空航天局(NASA)对百kW级以上的空间电源进行了评估[7]，对比了未来在月球和火星表面使用先进太阳能系统与核能系统的总质量，结果如图3所示。由图3可见，空间哨站、短期星表基地与长期星表基地这3种空间任务的功率需求是有差异的，而在这3种功率水平下，采用空间核反应堆电源系统总质量均更小，且在功率为2 MW时，两者质量甚至相差3个数量级。

除考虑系统总质量外，建成一个实际可用的空间电源系统还需考虑运输系统、装配系统及所需推进剂等相关附属设施的质量。根据NASA给出的预测模型[12]，每将1 kg质量物资从地球运输至月球表面，约需将5 kg相关物资从地球运输至低地球轨道(LEO)，即比例系数为5，相应地，运输至火星的比例系数约为6.5。因此，综合考虑附属设施输运质量与系统总质量，空间核反应堆电源的质量节省优势将进一步扩大。以火星和月球空间任务为例，假定每个重型火箭运载器的额定输运质量为68 t，分别计算采用太阳能电池与空间核反应堆电源所需的发射总质量，模型计算结果如图4所示。由图4可见，相比太阳能电池，采用空间核反应堆电源来执行月球/火星空间哨站、短期或长期星表基地的空间任务时，将显著减少运载火箭的发射数量，节约成本。此外，以上计算分析均是基于理论模型所得，实际空间太阳能电池的功率要想达到100 kW以上，则需提供十分巨大的太阳能翼板面积，因此难以开展具体工程实施。

图3 核能与太阳能在月球能量系统(a)和火星能量系统(b)中的质量对比Fig.3 Mass comparison of nuclear and solar energy in lunar energy system (a) and Mars energy system (b)

图4 空间核反应堆电源相对太阳能电池带来的火箭运载器节省Fig.4 Rocket carrier saving from space nuclear reactor power versus solar power

2 功率需求

不同空间应用场景对应着不同空间电源功率需求。在开展目标空间动力系统的研究过程中，需根据设定的空间任务对预期的功率需求进行初步评估，才能给出相对优化的技术路线。吴伟仁等[29]从航天工程与核工程协同发展的角度对空间堆的需求进行了总体概述，并指出其主要体现在以下3个方面：1) 突破传统空间电源的功率瓶颈，发挥空间堆在大功率空间任务场景下的优势；2) 解决空间太阳能电池因太阳光照等环境限制而无法使用的问题；3) 克服化学能空间推进系统比冲低的限制。本文从民用与军用空间核动力两方面分析空间核反应堆电源的功率需求。

2.1 民用功率需求

20世纪80年代，美国结合自身战略需求，制定了未来60 a潜在的民用空间探测任务[30]，如图5所示。这些潜在任务按照轨道高度可分为地球轨道任务、地月轨道任务、行星间轨道任务及外太阳系轨道任务。通过对未来民用航天任务类型与相应能源需求的评估，发现未来民用航天任务的功率需求主要集中在15 kW～7 MW之间，研究认为50 kW及以上功率的空间核反应堆电源将在未来民用航天任务中有广泛的应用前景。

2005年，国际原子能机构(IAEA)对未来可能的民用高功率空间任务进行了归纳[9]，研究结果表明，绝大部分空间任务的功率需求都在10 kW以上，同时不同任务对应的功率需求也存在较大差异，其中全球空间任务的功率需求在1 MW以上。随着未来民用空间任务的进一步拓展，功率需求也随之提高，此时要求先进的空间能源同时具备良好的做功持续性与较广的功率覆盖范围。

2012年，美国NASA公布了“NASA Space Technology Roadmaps and Priorities”报告[31]，指出美国未来在空间技术领域的发展规划。2015年，美国对该计划进行了适当调整，并重新发布了“NASA Technology Roadmap”报告[32]，其中指出了面向空间任务需求的发展路线，并明确将空间核反应堆电源的设计功率划分为3个量级，且相应量级具备一定的功率可扩展性，具体如表1所列。

随着各国的空间应用需求日益扩大与载人航天等空间技术逐渐成熟，登陆和开发月球已成为美国、俄罗斯、中国等国当前的重点航天目标，也是未来迈向火星、开展更遥远外太空探测的关键。文献[33]研究了月球空间探测任务类别及对应的功率需求，结果表明，月球轨道载人空间站、临时及长期月球基地的功率需求都在100 kW以上，同时这些任务均要求动力源具备较长持续功率输出的能力，因此空间核反应堆电源将是最理想的电源选择。

图5 空间核反应堆电源在民用航天领域的潜在应用Fig.5 Potential application of space nuclear reactor power in civil aerospace

表1 NASA技术报告给出的功率需求划分Table 1 Power requirement division by NASA technical report

由上述研究结果可知，未来民用空间任务总体功率需求评估在1 kW～100 MW之间，其中百kW级以上的功率需求最为明显，未来应用范围最为广泛。兼顾任务本身性质与持续时间等要求，当功率需求达到100 kW以上，工作周期达到月量级时，传统化学能、太阳能等常规动力及RTG均难以达到要求，此时空间核反应堆电源将成为满足该功率需求范围的唯一动力形式。

2.2 军用功率需求

发展军用核动力是空间核反应堆电源技术发展的内在驱动[34-35]。自20世纪50年代以来，美国和俄罗斯一直都将空间核反应堆电源视为国家战略核心技术，并进行了大量的投入和持续性研发。

美国国防部曾对多种空间军事任务的功率需求进行了评估[36]，认为空间核反应堆电源是实现大功率军事任务的理想选择。军用空间核反应堆电源的主要用途在于监控追踪和战略防御，具体可以应用于天基雷达系统、天基通信系统、天基运输系统和天基武器系统[18]。不同应用对应的功率需求列于表2。绝大多数空间军用系统的功率需求范围达到了MW级水平，其中主要的天基武器系统的功率需求在10～500 MW之间。

表2 军用空间系统功率需求Table 2 Power requirement for military space system

20世纪80年代，美国在战略防御计划(SDI)中将太空领域潜在的电源功率需求分为3个等级：基态、警戒态、爆发态[37]。3种功率等级的具体表述列于表3。

表3 战略防御计划功率需求Table 3 Power requirement for SDI

按照功率大小区分，天基雷达系统、通信系统与运输系统可纳入基态或警戒态范畴，且均要求动力装置具有一定的做功可持续性，因此空间核反应堆将是唯一的动力源选择。对于天基武器系统而言，虽然其功率需求高，但往往能量脉冲持续时间较短，因此空间核反应堆电源和基于火箭引擎技术的化学燃烧被认为是目前潜在的备选能源形式。

综合分析可知，军用空间任务的功率需求跨度很大，在10 kW～1 000 MW之间，其中MW级功率需求迫切，空间核反应堆将是主要的动力来源。

3 技术路线分析

空间核反应堆电源系统技术路线的确定需要综合考虑任务性质、功率量级、系统比质量要求等多个因素，暂不存在统一的技术方案在任何应用场景下均表现最优[29]。NASA根据未来空间任务的发展趋势，将空间核反应堆电源划分为多个功率量级，针对每一量级给出了多种潜在技术路线。本文基于功率需求分析研究结果，对潜在可行的技术方案进行综合技术分析，从理论角度初步分析了相对优化的技术方案。根据未来空间民用、军用任务的功率需求范围，借鉴NASA划分方式，将功率大小划分为4个不同量级：1～10 kW、10～100 kW、100～1 000 kW和1 MW以上。

3.1 1～10 kW功率量级

NASA[32]指出，未来空间核反应堆电源技术发展有两个主要目标，一是发展kW级核反应堆电源系统用于空间科学探索，二是发展MW级空间核反应堆电源用于先进空间核电推进。

1～10 kW功率量级的空间核反应堆电源研发难度相对较小，经费投入更低，是美国当前正着力突破的技术目标之一[25]。该功率范围的航天器应用场景主要为在轨运行，用于卫星监测、空间科考等民用或军用空间任务。1～10 kW功率量级空间核反应堆电源相关参数列于表4[4,18,25,38-40]。

从堆型选择来看，热中子反应堆需要附加中子慢化系统，将增加结构复杂性，同时使得系统体积、质量增加，而快堆可省去中子慢化单元，采用快堆作为空间核反应堆的堆型方案将更具优势。能量转换方式方面，热电偶转换与热离子转换均为静态能量转换方式，技术最成熟，可靠性高，其中热离子转换的系统比质量在上述方案中最小，但已应用的空间热离子核反应堆能量转换效率目前均低于7%。斯特林循环为动态能量转换方式，转换效率通常可在20%以上，同时适合模块化装配，系统功率具有良好的可扩展性，在1～10 kW功率量级具有较强的竞争力。对于空间堆冷却剂类型选择，一方面需满足相关物理热工设计要求，另一方面其通常与能量转换方式有着一定的匹配性，如斯特林循环多与热管冷却结合、热电偶/热离子多与液态金属冷却结合、布雷顿循环多与气体冷却结合等。NASA研究表明[32]，对于功率为1～10 kW的空间堆系统，当能量转换效率大于8%、比质量小于333.3 kg/kW、寿期大于17 a时，将更能满足未来航天需求。对照表4分析可知，热管冷却结合斯特林循环与液态金属冷却结合热离子转换的技术路线与目标方案最接近，有较大发展空间。为进一步提升1～10 kW功率量级方案的竞争性，未来需持续开发适用性更好的热离子转换器电极材料，提高热离子转换效率；逐步优化空间用斯特林循环，降低系统比质量，提高系统可靠性。

3.2 10～100 kW功率量级

对于10～100 kW功率量级的空间核反应堆电源，目前仍没有具体工程应用实例。该功率潜在的空间任务对象是行星间轨道探测、星表自动化机器人任务及近地轨道载人电推进等。该功率范围内的空间核反应堆电源的相关参数[19,39,41-43]列于表5。

表4 1～10 kW功率量级空间核反应堆电源相关参数Table 4 Parameter of space nuclear reactor power with power range of 1-10 kW

表5 10～100 kW功率量级空间核反应堆电源相关参数Table 5 Parameter of space nuclear reactor power with power range of 10-100 kW

由表5可知，满足该功率范围的堆型主要以快堆为主，但冷却剂、能量转换方式有很多选择，其中朗肯循环的工质在太空微重力环境下存在相变与气液分离等复杂物理过程，流动换热机理复杂、可靠性低，因此多不被采用。由于该功率水平不高，而静态能量转换方式系统结构简单，性能稳定，因此液态金属冷却结合热电偶转换或热离子转换的方式仍可应用于该功率范围。动态能量转换方面，布雷顿循环是一种气体动力循环，与气冷反应堆具有很好的技术兼容性，可直接利用堆芯产生的高温气体推动透平机械做功产生电能，但由于气体载热能力有限，在功率较低时优势并不明显。斯特林循环最接近理想卡诺循环，具有理论最高的循环效率，在该功率需求范围下系统比质量优于布雷顿循环；同时热管冷却反应堆具有固有安全性高、系统结构简单等特点，因此热管冷却结合斯特林循环是10～100 kW的功率范围内具有较大发展潜力的技术方案之一。

3.3 100～1 000 kW功率量级

通过对未来航天任务的功率需求分析可知，百kW以上功率的空间电源能满足大多数民用空间任务及部分军用空间任务的要求，将在很大程度上扩展空间应用的范围。目前主要的100～1 000 kW功率量级的空间核反应堆电源的相关参数[35,44-48]列于表6。

表6 100～1 000 kW功率量级空间核反应堆电源相关参数Table 6 Parameter of space nuclear reactor power with power range of 100-1 000 kW

热管冷却堆具有结构紧凑、静默性好等特点，但目前该技术受限于固态堆芯的制造工艺、高温热管的传热性能等因素，使得其在200 kW以上功率设计应用中仍面临诸多挑战。热电偶转换方式的转换效率较小，在相同电功率水平下，所需的系统热功率很高，对大功率空间核反应堆系统的适用性受限。碱金属转换结构简单、理论转换效率高，但由于固体电解质高温时强度下降和多孔电极高温烧结引起输出电特性快速衰减等问题难以突破，很大程度上限制了碱金属转换方式的应用。研究表明[28]，当系统功率大于100 kW时，采用布雷顿循环相对斯特林循环将具有更小系统比质量优势。此外，斯特林单机输出功率有限，即使采用多个斯特林单元并联，系统功率通常只能达到200 kW左右。布雷顿循环与高温气冷堆有良好的相容性，功率覆盖范围广，在该功率范围具有较强的竞争力。由于百kW功率量级的空间核反应堆电源在民用和军用航天任务中具有多类型的用途，同时多种技术方案均可达到该功率范围，因此在技术路线方面，应结合具体应用场景合理选择。

3.4 1 MW以上功率量级

MW级空间核反应堆电源可用于先进电推进系统、太空货运拖车、近地小行星转移等多类别空间任务，是载人火星任务、深空探测的重要能源保障，在未来民用、军用航天领域有着不可替代的作用。美国、俄罗斯、欧盟及中国均开展了相应研究工作，已有典型设计方案[10,26,49-52]列于表7。

由表7可知，当功率达到MW级时，国内外相关设计基本采用布雷顿循环热电转换方式。布雷顿循环具备较高的能量转换效率，在该功率范围内系统比质量可降至20 kg/kW以下，因此是目前各国发展MW级空间核动力的重点研究方向。空间用布雷顿循环有两种形式，即直接循环与间接循环，二者对比列于表8。可看出，两种循环方式各具优势，具体选择应视总体设计的指标而定。

目前俄罗斯MW级核电推进飞船项目与欧盟MEGAHIT项目均将氦氙气冷快堆结合直接布雷顿循环的方案作为首选的动力系统技术路线。在工质选择方面，为降低叶轮机械气动载荷，减少空间布雷顿循环系统中压气机级数与透平机械的体积与质量，通常采用氦氙混合气体作为工质。

表7 MW级功率空间核反应堆电源相关参数Table 7 Parameter of space nuclear reactor power with power up to MW class

表8 布雷顿循环对比Table 8 Comparison of Brayton cycle

此外，磁流体发电具有转换效率高、启动快、废热排放温度高等特点，可获得MW级电功率。由于超导磁体技术、相关高温材料工艺尚不成熟等限制，目前磁流体发电机仍难以连续(上万小时)、稳定地运行。若未来相关关键技术得以突破，磁流体发电技术在大功率空间核反应堆电源中也将具备良好应用前景。

4 技术难点

空间核反应堆电源研发是一项融合核工程与航天工程的大型交叉性科学研究工作，技术难度大，研发周期长。同时，高精度、多类别、深层次的空间任务对相互耦合的子系统也提出了严格的技术要求，尤其对于大功率空间核反应堆电源而言，未来仍将面临诸多挑战，主要体现在5个方面，即核反应堆工程、能量转换系统、散热系统、辐射屏蔽系统及工程技术的整合。核反应堆工程方面包括反应堆总体设计、耐高温的新型核燃料、热工水力特性与反应堆结构材料研发等；能量转换系统在于提高能量转换效率与系统可靠性；散热器方面主要在于设计更加轻便紧凑、耐高温的新型散热器；辐射屏蔽系统研究重点在于开发轻质高效复合辐射屏蔽层材料；最后将已有技术整合为安全、可靠、经济适用的空间动力系统也是亟待解决的技术难题。NASA研究报告[32]同样指出，目前已有的材料性能、能量转换技术等已能满足10 kW以下功率范围的空间核反应堆电源设计要求，其最大的困难在于将这些已有子系统整合成高效率、高可靠性、经济可接受的空间能源系统。而对于100 kW以上空间核反应堆电源系统，目前的技术尚不成熟，面临的挑战将更多，未来需要投入大量研究。以不同的堆芯冷却手段为例，3类空间核反应堆电源技术的难点列于表9。

表9 3类空间核反应堆电源的技术难点Table 9 Technical difficulty for three types of space nuclear reactor powers

5 结论

本文从空间任务场景与应用对象角度，讨论了空间核反应堆电源在空间民用与军用两方面的功率需求。基于功率需求分析研究结果，对4种功率量级下的潜在技术方案进行综合分析与比较，并初步分析了相对优化的技术路线，主要结论如下。

1) 空间核反应堆电源具有功率跨度广、寿命长等优势，能满足多类别、多层次的空间任务需求，是未来空间动力的发展趋势。

2) 当系统功率大于50 kW时，空间核反应堆电源具有更小的系统比质量，且随功率的增大，优势将更加显著。

3) 民用空间任务功率需求在1 kW～100 MW之间，其中百kW级的功率需求最为明显，未来应用范围最为广泛，对于需兼顾功率需求与做功可持续性等要求的空间任务，采用空间核反应堆作为电源是最优甚至唯一选择。军用空间任务功率需求的跨度较大，在10 kW～1 000 MW之间，其中MW级功率电源将是军用空间任务发展的首要目标。

4) 从系统复杂度、质量等考虑，目前空间核反应堆堆型主要以快堆为主，匹配反应堆冷却剂与能量转换方式，对于1～10 kW功率量级，采用热管冷却结合斯特林循环和液态金属冷却结合热离子转换的技术路线较具竞争力。而热管冷却结合斯特林循环技术方案具有结构简单、安全性好、能量转换效率高等优势，是10～100 kW功率范围最具发展潜力的技术方案之一。

5) 对于百kW级以上功率需求，布雷顿循环具有高能量转换效率及较小的系统比质量。在MW级空间电源方面，目前气冷堆结合布雷顿循环的技术成熟度更高，氦氙混合气体常作为空间布雷顿循环的工质。