核热推进技术简述

2021-07-01杨小磊刘卢果李沛颖

科技视界 2021年15期

杨小磊刘卢果章静李沛颖

（1.中国核动力研究设计院，四川成都610041；2.核反应堆系统设计技术重点实验室中国核动力研究设计院，四川成都610041；3.西安交通大学，陕西西安710049）

0 引言

随着人类空间探索的规模不断提高，对航天器的飞行时间、载荷和加速度等性能指标的要求越来越高，对推进技术的发展提出了新的要求[1]。传统的化学能推进技术性能已经逐渐趋于技术极限，但是其比冲小，能量密度低的特点越来越难以适应未来空间活动的需要[2]，而太阳能-电力推进技术目前尚不能广泛应用至各类复杂的太空环境中。因此，发展先进的空间推进技术已成为必然选择。核反应堆可以长时间提供能量，不需要太阳能等外部能量，对外太空星球表面的辐射带也不敏感。因此，核热推进技术在执行长时间深空探测和星际航行任务时具有不可替代的优势，有望成为新一代空天推进的核心技术。

1 放射性同位素衰变热推进（RHTP）

放射性同位素热核推进（RHTP）系统利用放射性同位素衰变所释放的热量通过热传导、热辐射或者直接（放射性）辐射的方式对冷却剂/推进剂进行加热。主要分为固态堆芯与液态堆芯两种概念设计。

1.1 RHTP固态堆芯设计[3]

RHTP系统的固态堆芯设计主要分为被动冷却、主动冷却与增大换热面积三种方式进行堆芯衰变热的导出。被动冷却与主动冷却的区别在于有无主动冷却剂的使用。被动冷却系统在没有冷却剂流经的“空闲”状态下，必须依靠自身的结构进行辐射换热；而主动冷却剂系统在被动冷却的基础上添加了额外的冷却剂流，一方面可以更加有效地导出堆芯的衰变热；另一方面利用受热喷出的冷却剂可以实现推进性能的进一步提高。

除了使用冷却剂外，还可以采用增大换热面积的方式增强辐射换热作用，如图1所示，通过可扩展收缩的特殊外容器实现衰变热的有效辐射导出。

图1 推进（左）和空闲（右）两种状态下的固态堆芯RHTP示意图

1.2 RHTP液态堆芯设计[4]

目前存在的RHTP液态堆芯的设计类似于上述的表面积扩展结构。在太空低重力环境下，装载的熔融的放射性同位素通过容器旋转所产生的离心力稳定。工作介质被送入多孔壁中，并与熔融材料接触而产生气泡，同时在膨胀的过程中收集热量。然而由于放射性同位素的熔化并与推进剂的直接接触，这一设计理念有可能对装置造成轻微损耗并伴随有高辐射量的推进剂外泄，如何通过多孔壁对熔融材料进行浇筑、装置的力学设计等也存在诸多的潜在问题。

2 核裂变推进技术（NTFP）

2.1 NTFP固态堆芯设计

经过几十年的研究与发展，人类社会的固相堆芯裂变反应堆技术已经日趋成熟并且得到了广泛的工程应用[4]，美俄就固态堆芯的核热推进进行了大量的方案设计和理论分析，研发出了诸如CERMET等耐高温的燃料元件，建成了地面原型样机，并进行了大量的启动运行试验，技术成熟度达到较高的水平。

现有的固态堆芯核热推进技术主要以氢气作为典型推进剂以获得理论上的最大比冲，如图2所示。热工上一般可分为：氢泵增压→流经喷管壁面和反应堆反射层加热→部分氢气驱动氢泵→核反应堆内换热成为高温、高压氢气→喷管喷出产生推力等多个阶段。

图2 非均匀固态核裂变堆芯NTFP的一般示意图

尽管以固态裂变堆芯为代表的核热推进技术在过去数十年中相对其他核热推进技术已经具有相当高的技术成熟度，但仍然存在反应堆优化设计、燃料材料制备、核安全分析、反应堆启动、辐射屏蔽防护、推进性能优化等多因素的非线性耦合问题，实际的应用投入还需较长的研究时间。

2.2 NTFP液态堆芯设计

液态堆芯的核燃料为熔融状态，不存在熔化问题，但相应的燃料材料不能气化。堆芯温度和推进系统比冲相较于固态堆芯可以得到有效提高。研究表明，就环境和安全问题而言，液体燃料不易受到燃料破坏性事件的影响。在经济性方面，简化了燃料生产，利用裂变燃料作为导热介质，从而提高了发电的效率。但是对于液态堆芯而言，熔融状态燃料的形成、熔融状态燃料的包容和控制，工质与熔融燃料之间的高效传热等问题目前很难解决。对于液态堆芯的核热推进，目前也仅开展了概念研究，技术成熟度较低。

2.3 NTFP气态堆芯设计

在固体堆芯核裂变推进技术中，由于堆芯的耐热性和耐化学腐蚀性有限，推进剂出口速度的最大值被限制在10 km/s以内。在液体堆芯核裂变推进技术中，该限制则被提高至约17 km/s。限制因素主要包括固液边界处的热负荷以及裂变燃料的蒸发造成的损失。而利用气态裂变材料甚至是能够承受更高温度的裂变等离子体材料，是该类裂变反应堆堆芯获得更高推进剂出口速度的最终途径，目前仍处于可行性研究阶段。

2.4 瞬发超临界核裂变推进技术

基于瞬发超临界状态的推进系统也已经被构想出来。最为著名的相关项目是“猎户座计划”。它设想利用核爆的能量来汽化并加速覆盖在炸弹表面的塑料推进剂，由于爆炸能量过大，有必要用减震板吸收动量，将加速度降低到可控水平。

2.5 磁约束等离子体微尘核裂变推进技术

将核燃料制成直径数纳米量级的微尘形式，让足量燃料微尘的表面带电后约束于强磁场中并引发核裂变反应。裂变产物以等离子体形式存在，其中的大部分继续被磁场约束，而部分动能足够高的产物离子可以挣脱磁场的约束并在中和后直接喷出而形成推力，或者用于发电。此方案能够获得的比冲接近核裂变反应的理论极限值（106 s），且可获得近90%的核能—电能转换效率。这是目前为止设想的最为先进的核热推进方案，近些年来也在处于可行性论证阶段。

3 核聚变推进技术

核聚变实现的难点在于即使存在可以降低能量需求的“隧道效应”，聚变产生所需的触发温度仍然很高。目前的聚变推进概念主要以磁约束的形式开展。能量由过热的磁约束等离子体提供。推进剂可能被包含在聚变产物中，能为系统提供一种由等离子体加热并最终作为推进剂被喷射出来的额外冷却剂。磁场形状也分为球体、球形环面（STR）或反转场结构（FRC）等，也有依赖于串级磁镜或普通的托卡马克类型而进行的设计。

4 核热推进的未来发展趋势

早期的核热推进设计多采用石墨作为慢化剂，堆芯布置采用传统结构，使反应堆功率密度较低，冷却剂的堆芯压降很大。同时，由于堆芯材料的热应力、高温腐蚀等性能的限制，反应堆启动较慢，影响了核热推进的推进效果。

为了弥补早期核热推进的不足，最大限度地发挥其优势，核热推进的设计向小型化、轻量化发展，同时堆芯采用高浓缩铀燃料和耐高温材料，提高堆芯出口的冷却剂温度和堆芯功率密度，提高推进系统推重比。从美国以及俄罗斯的研发以及技术演变历程可以看出核热推进技术呈现以下几种发展趋势：（1）单个核热推进发动机的小型化、轻质化、模块化；（2）燃料元件通用化、堆芯设计模块化；（3）持续开发耐高温、耐蚀的燃料；（4）提倡采用非核试验方式；（5）发展多模式空间核动力系统；（6）核热推进系统多环境应用。