Kilopower與KRUSTY的發(fā)展脈絡(luò)及研發(fā)現(xiàn)狀

1、Kilopower與KRUSTY的開(kāi)展脈絡(luò)及研發(fā)現(xiàn)狀摘  要：空間核反應(yīng)堆電源具有功率比高，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，功率輸出高，環(huán)境適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在軍民航天技術(shù)應(yīng)用中均具有廣闊的運(yùn)用前景，是影響未來(lái)太空競(jìng)賽格局的重要一環(huán)。通過(guò)對(duì)美國(guó)從20世紀(jì)80年代至今的空間核反應(yīng)堆電源，尤其是“Kilopower相關(guān)工程的文獻(xiàn)調(diào)研，梳理了美國(guó)空間裂變堆電源系統(tǒng)的開(kāi)展脈絡(luò)，總結(jié)了美國(guó)最新的研究進(jìn)展;同時(shí)對(duì)50年來(lái)唯一建成的空間核反應(yīng)堆電源地面原型堆KRUSTY“采用斯特林技術(shù)的千瓦級(jí)反應(yīng)堆演示驗(yàn)證的公開(kāi)文獻(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研分析，并對(duì)其試驗(yàn)成果進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：Kilopower KRUS

2、TY 空間核電源 裂變反應(yīng)堆中圖分類號(hào)：G322.24               文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A            文章編號(hào)：1674-098X202106b-0065-05Abstract：Spacenuclearpowerhaveaseriousofadvantagessuchashighpower

3、density，longworkingtime，highpoweroutput，goodadaptationtoenvironment.Ithasabrightprospectondual-usespacetechnologyandwillhaveanimportantinfluenceonspacerace.basedontheliteraturesofspacenuclearpowerafter1980s，especiallyof"kilopower"，thedevelopmentandactualityofAmericannuclearspacepowerhavebe

4、encertain.Meanwhile，theresultofKRUSTYTheKilopowerReactorUsingStirlingTechnologYhasbeenanalyzedtosummarizetheachievementofthisexperiment。KeyWords：Kilopower;KRUSTY;Spacenuclearpower;Fissionreactor隨著人類對(duì)太空探索，尤其是對(duì)深空探索的進(jìn)行，傳統(tǒng)的能源供給方式，如太陽(yáng)能，化學(xué)能等逐漸失去作用。傳統(tǒng)的放射性同位素電源雖然具有壽命長(zhǎng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比功率高、可靠性高、不受環(huán)境影響等優(yōu)勢(shì)【1】，但美國(guó)目前應(yīng)用

5、于空間的放射性同位素電源全部以Pu-238為燃料【2】。目前美俄兩國(guó)的Pu-238產(chǎn)量完全無(wú)法滿足空間探索任務(wù)要求【3】，因此兩國(guó)都將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了空間反應(yīng)堆電源上來(lái)，俄羅斯從2021年開(kāi)始了兆瓦級(jí)空間核動(dòng)力飛船研發(fā)方案，美國(guó)自2021年開(kāi)啟了千瓦級(jí)電源方案Kilopower。就美國(guó)而言，繼SNAP-10A0.5kWe研制成功之后，美國(guó)曾研究過(guò)大量空間核反應(yīng)堆電源方案，除了數(shù)量諸多的概念方案之外，還有一些瞄準(zhǔn)實(shí)際工程應(yīng)用的方案，如SP-100100kWe、普羅米修斯200kWe、AFSPS40kWe等，然而，這些方案均在經(jīng)歷了較大投入規(guī)模的研究工作之后歸于寂靜，甚至沒(méi)能建立地面原型堆。這些反

6、應(yīng)堆電源沒(méi)能研制成功，一方面可歸因于大功率所帶來(lái)的高技術(shù)難度;另一方面，缺乏明確的任務(wù)牽引也是這些研究方案被提前撤銷的重要原因。從2021年左右開(kāi)始，由于Pu-238庫(kù)存告急嚴(yán)重威脅到NASA的深空探測(cè)方案，Kilopower型千瓦級(jí)空間反應(yīng)堆電源成為了美國(guó)空間核反應(yīng)堆電源領(lǐng)域的重要研究方向，其研制難度遠(yuǎn)低于SP-100等大功率反應(yīng)堆電源。其配套的KRUSTY地面原型堆工程亦于2021年啟動(dòng)，用以全面驗(yàn)證項(xiàng)目的可行性。據(jù)此預(yù)計(jì)美國(guó)將于2021年具備空間核反應(yīng)堆電源的應(yīng)用條件。1 美國(guó)近代空間核反應(yīng)堆工程的歷史開(kāi)展進(jìn)程1.1SP-100空間核反應(yīng)堆簡(jiǎn)介SP-100空間核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)可作為

7、一種軌道電源、月球或火星外表電站，可為核電推進(jìn)提供能量，其功率范圍為幾十千瓦到幾百千瓦。SP-100最初的任務(wù)是20世紀(jì)80年代為美國(guó)“星球大戰(zhàn)SDI開(kāi)發(fā)的軌道電源。盡管最初的發(fā)起者是美國(guó)國(guó)防部DOD、美國(guó)能源部DOE以及美國(guó)國(guó)家宇航局NASA，然而隨著蘇聯(lián)解體后SDI工作式微，SP-100任務(wù)更多地朝NASA的需求開(kāi)展。最終，由于NASA的各項(xiàng)宏大任務(wù)在90年代初遭到質(zhì)疑，花費(fèi)更少的任務(wù)變得更受歡迎，SP-100方案停止了。方案停止時(shí)，工業(yè)與國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的綜合根本設(shè)施已經(jīng)建立起來(lái)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)大約投入了10億美元。SP-100并不打算作為一種低費(fèi)用一次性使用設(shè)備，而是方案作為一種具有高度靈活性的

8、電源，以具有開(kāi)展靈活性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為根底，通過(guò)多種任務(wù)能力實(shí)現(xiàn)費(fèi)用優(yōu)勢(shì)。SP-100設(shè)計(jì)了六條鋰回路及一套鈉鉀輔助回路，通過(guò)靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電。廢熱通過(guò)二回路的鋰回路及輻射器排出。該工程要求10年左右的壽期，要求具有自主控制能力且具有偶爾停堆及再啟動(dòng)的能力。系統(tǒng)總質(zhì)量約為4600千克，采用了氮化鈾燃料以節(jié)省質(zhì)量，包殼采用了PWC-11Nb-1%Zr和0.1%C【4】。1.2普羅米修斯工程簡(jiǎn)介普羅米修斯方案是2021年1月由美國(guó)布什政府批準(zhǔn)的，開(kāi)展方向分為太空核推進(jìn)系統(tǒng)和同位素電源兩局部【5】。太空核推進(jìn)的工作內(nèi)容集中于200kWe核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，預(yù)期壽命1520年，核電推進(jìn)任務(wù)設(shè)計(jì)質(zhì)量不超過(guò)250

9、00kg。工程提出了五條可選擇的技術(shù)路線：1氣冷堆+布林頓發(fā)電機(jī)。2熱管堆+布林頓發(fā)電機(jī)。3鋰?yán)涠?布林頓發(fā)電機(jī)。4鋰?yán)涠?靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換。5低溫鋰鈉堆+斯特林發(fā)電機(jī)。在經(jīng)過(guò)發(fā)電能力，可靠性，花費(fèi)，平安性等全局考慮后，美國(guó)最終采取了氣冷堆+布林頓的方案。該航天器為氣冷斯特林結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)近58m，未展開(kāi)直徑約為5m，發(fā)射質(zhì)量約為36375kg。反應(yīng)堆燃料考慮了二氧化鈾和氮化鈾，氮化鈾主要繼承和開(kāi)展了SP-100的工作，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得更低的堆芯質(zhì)量，但考慮整體性能要求，系統(tǒng)最后選擇了二氧化鈾的方案。包殼材料上，SP-100采用的PWC11因?yàn)槿渥冃阅芴畋环艞?，同時(shí)工程試驗(yàn)了大量的新材料，比方F

10、S-85、Ta-10W和ASTAR-811C等合金材料。鎳合金因?yàn)槠錅y(cè)試中表現(xiàn)出出色的兼容性和延展性被重點(diǎn)考慮【6】。1.3Kilopower與KRUSTY簡(jiǎn)介從SP-100至今，美國(guó)在空間核反應(yīng)堆電源的探索根本上全部失敗了。雖然積累了大量的技術(shù)儲(chǔ)藏，但美國(guó)也逐漸意識(shí)到作為工程的開(kāi)始，設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，研發(fā)本錢過(guò)高，過(guò)于依賴新材料和工藝，對(duì)工程周期過(guò)于樂(lè)觀以至目標(biāo)過(guò)于宏大是工程難以完成的重要原因。因此，美國(guó)決定制定一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的、有工程化可能的方案來(lái)作為空間核反應(yīng)堆電源開(kāi)展的第一步.千瓦級(jí)空間反應(yīng)堆電源的設(shè)計(jì)電功率可覆蓋0.5kWe到10kWe。典型的1kWe方案設(shè)計(jì)見(jiàn)以下圖。該電源系統(tǒng)總重量?jī)H為

11、406kg，總長(zhǎng)度約3m，最大直徑約1.1m，設(shè)計(jì)壽命到達(dá)了15年。該反應(yīng)堆電源結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，堆芯由塊狀鈾鉬合金燃料、碳化硼控制棒、氧化鈹反射層和屏蔽塊組成，U-235富集度93%，U-235裝量28.4kg。采用位于堆芯邊緣的8根鈉熱管將反應(yīng)堆熱量傳輸?shù)?個(gè)125W斯特林發(fā)電機(jī)熱端。廢熱通過(guò)連接斯特林發(fā)電機(jī)冷端的鈦水熱管傳導(dǎo)至輻射器排除。該反應(yīng)堆電源的控制很簡(jiǎn)單。在發(fā)射入軌后，抽出位于堆芯內(nèi)的平安棒使反應(yīng)堆到達(dá)臨界，其后的運(yùn)行壽期內(nèi)，完全依靠反應(yīng)堆的負(fù)溫度反應(yīng)性系數(shù)來(lái)完成負(fù)荷跟蹤和反應(yīng)性條件，不需要在進(jìn)行控制，完全處于自主運(yùn)行狀態(tài)【7】。為此，美國(guó)先進(jìn)行了DUFFTheDemonstrati

12、onUsingFlattopFissions試驗(yàn)，用已有裂變?cè)囼?yàn)裝置，中心開(kāi)了一個(gè)熱管孔的高濃鈾燃料塊，一根根本的水熱管，兩臺(tái)已有的斯特林裝置美國(guó)有從35W的SunpowerEE35到7.5kW的QnergyQB7500全范圍斯特林產(chǎn)品支持，在短短6個(gè)月內(nèi)，以缺乏100萬(wàn)美元的花費(fèi)完成了預(yù)計(jì)試驗(yàn)。該試驗(yàn)首次用熱管從反應(yīng)堆中取熱，首次斯特林匹配核反應(yīng)堆發(fā)電，并且驗(yàn)證了主要部件相關(guān)反應(yīng)性和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算準(zhǔn)確性。2021年9月13日，試驗(yàn)成功發(fā)電24W，驗(yàn)證了進(jìn)一步建立地面堆的可行性。隨后，美國(guó)開(kāi)啟了KRUSTYTheKilowattReactorUsingStirlingTechnologY工程。K

13、RUSTY是一個(gè)5kw的地面原型堆，方案在3年內(nèi)完成，且花費(fèi)控制在2000萬(wàn)美元以內(nèi)。2 Kilopower技術(shù)細(xì)節(jié)調(diào)研2.1反應(yīng)堆設(shè)計(jì)Kilopower的反應(yīng)堆是有史以來(lái)提出的最簡(jiǎn)單或者說(shuō)簡(jiǎn)潔的反應(yīng)堆概念之一。因?yàn)榉磻?yīng)堆結(jié)構(gòu)非常緊湊，此時(shí)快堆的中子動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)根本完全由材料的密度/幾何變化這一個(gè)因素決定。而堆芯根本完全固定的結(jié)構(gòu)和幾何形狀除去熱膨脹帶來(lái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使其啟動(dòng)和運(yùn)行階段的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)非常容易預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。反應(yīng)堆是在低功率下運(yùn)行的，因此其燃料、熱管、控制、反射層、屏蔽等是非常容易實(shí)現(xiàn)一體化的。低功率使其結(jié)構(gòu)輻照損傷很小，熱量導(dǎo)出的要求也很低。唯一的運(yùn)動(dòng)部件只有平安棒，平

14、安棒在啟動(dòng)階段就彈出堆芯，此后全固態(tài)的、完全沒(méi)有運(yùn)動(dòng)件的反應(yīng)堆具有很強(qiáng)的可靠性。而且因?yàn)榈凸β蕩?lái)的燃耗反應(yīng)性損失很小，以至于反應(yīng)堆可以自主運(yùn)行10年以上而不需要控制。此外，低功耗使其在面對(duì)最惡劣的瞬態(tài)例如斯特林失效導(dǎo)致余熱無(wú)法排出也不需要進(jìn)行任何實(shí)時(shí)控制動(dòng)作負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此控制系統(tǒng)可以獨(dú)立控制斯特林的運(yùn)行從而控制整個(gè)系統(tǒng)，而不用考慮同時(shí)控制反應(yīng)性帶來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜性和系統(tǒng)沖突。經(jīng)過(guò)評(píng)估，反應(yīng)堆在發(fā)射過(guò)程中的魯棒性能夠滿足要求，沒(méi)有放射性，所有假想的事故中唯一的核風(fēng)險(xiǎn)事故是平安棒彈出，除此以外沒(méi)有發(fā)射或運(yùn)輸事故能導(dǎo)致臨界。燃料富集度上，工程考慮了兩種選擇：93%的高濃鈾和19.75%

15、的低濃鈾。使用低濃鈾最主要的原因就是反核擴(kuò)散相關(guān)政策。美國(guó)的法律法規(guī)提供給NASA特殊的渠道如Y12國(guó)家平安中心等后，Kilopower和KRUSTY都采用了高濃鈾。燃料上反應(yīng)堆選擇了鈾鉬合金，這主要是因?yàn)檫@是可用燃料中美國(guó)唯一研究的相對(duì)透徹，不再需要大量投入進(jìn)行前期研究的成熟燃料。而且鈾鉬合金還有兩個(gè)理想的優(yōu)點(diǎn)：高鈾裝量和高熱導(dǎo)率。但是鈾鉬合金同時(shí)也存在兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)：相對(duì)較低的熔點(diǎn)和高溫下與多數(shù)材料不兼容的化學(xué)不穩(wěn)定性。鈾鉬合金的熔化可以通過(guò)控制最高溫度來(lái)防止比方KRUSTY最高溫度控制在880以下，但高溫帶來(lái)的軟化問(wèn)題難以防止，必須小心的考慮裝載的應(yīng)力甚至重力對(duì)燃料帶來(lái)的影響。但這兩個(gè)缺

16、陷都是可以通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)解決和防止的。鈾鉬合金限制更高功率的主要原因還是燃料腫脹。在800時(shí)，燃料的體積膨脹大約在4%左右。從燃料腫脹的角度來(lái)說(shuō)，采用低濃鈾對(duì)提高功率更加有益。但低濃鈾帶來(lái)的燃料質(zhì)量提升，堆芯體積增大，能量密度降低，需求熱管增多，系統(tǒng)復(fù)雜性增加等因素是無(wú)法接受的，所有高濃鈾還是唯一的可行方案。2.2熱管和斯特林電機(jī)熱管帶來(lái)的固有冗余度也是保證系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)。每根熱管都是獨(dú)立的，并且有很高的可靠性。系統(tǒng)滿功率下依然能保證即使斯特林或者數(shù)根熱管失效除非三根靠在一起的熱管同時(shí)失效，能量也能正常導(dǎo)出。系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采取每根熱管直連一臺(tái)斯特林發(fā)電機(jī)，這保證了整個(gè)裝置具

17、有最簡(jiǎn)單的匹配結(jié)構(gòu)、最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和最高的效率。缺點(diǎn)是一旦發(fā)生最壞的工況斯特林電機(jī)失效，會(huì)使與它直連的熱管失去正常功能因?yàn)槿狈χ虚g級(jí)的傳熱機(jī)構(gòu)將其傳遞給其他斯特林電機(jī)。但這并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，也最大程度的保證了系統(tǒng)整體的可靠性。因?yàn)榻?jīng)費(fèi)缺乏以開(kāi)發(fā)新的發(fā)電機(jī)，工程所使用的斯特林由已有的高級(jí)同位素電源斯特林發(fā)電工程ASRG的70W電機(jī)修改而來(lái)。斯特林電機(jī)兩兩對(duì)置，通過(guò)控制保證動(dòng)作同步以維持力學(xué)平衡。2.3KRUSTY的技術(shù)細(xì)節(jié)KRUSTY試驗(yàn)在2021年11月開(kāi)始進(jìn)行，先用不銹鋼模擬反應(yīng)堆堆芯，然后用貧鈾鈾塊，最后采用高濃鈾進(jìn)行地面核試驗(yàn)8。鋼制的堆芯在熱學(xué)性能上和鈾是接近的，可以用來(lái)驗(yàn)證熱負(fù)

18、荷下熱管的連接和堆芯的分割方法，并且可以通過(guò)真空環(huán)境下的電加熱模擬試驗(yàn)?zāi)M太空環(huán)境。不銹鋼材料試驗(yàn)得出的穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)溫度、功率分布等可以作為貧鈾DU試驗(yàn)的參考基準(zhǔn)。貧鈾材料可以完成組裝而不需要考慮高濃鈾材料帶來(lái)的臨界問(wèn)題和平安問(wèn)題，同時(shí)可以作為參考確保組裝全過(guò)程中不會(huì)因?yàn)閹缀魏吐瘎┫嗷ビ绊憥?lái)臨界平安隱患。同時(shí)貧鈾材料也具有輻射性，任何輻射性材料都不得不考慮平安問(wèn)題，這可以使工程完善平安流程并使工作人員都做好準(zhǔn)備，從而為高濃鈾裝料做好鋪墊。實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段進(jìn)行9：1根本組件臨界。堆芯，反射層，控制棒，單獨(dú)測(cè)試臨界。2冷臨界。參加熱管和能量轉(zhuǎn)換器，反應(yīng)性逐漸上升到臨界但沒(méi)有熱量產(chǎn)出，核查中子

19、模型參數(shù)。相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)將用來(lái)再評(píng)價(jià)帶功率運(yùn)行的結(jié)果。試驗(yàn)的另一個(gè)目的是得到相對(duì)“干凈的材料和組件參數(shù)，這些參數(shù)將被用來(lái)進(jìn)行后期的大功率反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。3熱臨界。反應(yīng)性繼續(xù)提高直到在中等溫度約400下到達(dá)滿功率4kw熱量。這階段要確保剩余反應(yīng)性不超過(guò)$0.8，這可以保證由緩發(fā)中子控制并限制系統(tǒng)溫度。4全功率運(yùn)行。模擬反應(yīng)堆從啟動(dòng)，上升至額定功率，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在約800，進(jìn)行瞬態(tài)操作，到停堆的全過(guò)程。為了到達(dá)指定溫度需要$1.7的剩余反應(yīng)性。為了保證到達(dá)要求，通過(guò)調(diào)節(jié)氧化鈹反射層投入了$2.2的剩余反應(yīng)性來(lái)彌補(bǔ)模型或材料可能帶來(lái)的誤差。整個(gè)測(cè)試大概持續(xù)28h，中間會(huì)進(jìn)行斯特林移除，熱管失效，斯特林最大功率

20、等瞬態(tài)來(lái)進(jìn)行反應(yīng)堆自補(bǔ)償和功率跟隨性試驗(yàn)。試驗(yàn)最后驗(yàn)證了全熱管失效后系統(tǒng)的補(bǔ)償和調(diào)節(jié)能力。衰變功率在30min后到達(dá)5%，24h后到達(dá)6%，所以實(shí)際熱功率應(yīng)該比藍(lán)線高5%6%?？梢钥闯龇磻?yīng)堆對(duì)多種瞬態(tài)都有良好的自調(diào)節(jié)能力13，根本能將溫度穩(wěn)定在800。KRUSTY的運(yùn)行操作和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和Kilopower是完全相似的，即使Kilopower發(fā)生了技術(shù)和材料的改變，其熱核耦合行為在本質(zhì)上也是完全一致的。在插入燃料和熱管前，固定環(huán)就已經(jīng)被加熱到了800，以保證熱管和燃料始終保持良好的接觸性和防止高溫帶來(lái)的材料膨脹使其無(wú)法抱緊堆芯10。反應(yīng)堆功率范圍是1.55kWt最后試驗(yàn)測(cè)得，單個(gè)斯特林電機(jī)的效率

21、約在35%，反應(yīng)堆整體效率約在25%11。3 結(jié)語(yǔ)KRUSTY原型堆相關(guān)試驗(yàn)順利完成，為kilopower和相關(guān)空間堆工程的進(jìn)行積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明美國(guó)空間裂變堆研究已經(jīng)根本能夠投入實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)成熟度根本到達(dá)5級(jí)，這也從某種程度上代表了未來(lái)空間堆的研究方向：簡(jiǎn)潔、可靠的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)，無(wú)需干預(yù)的自調(diào)節(jié)控制能力，高效、穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。相信其工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)空間反應(yīng)堆的研究和開(kāi)展有很多足以借鑒和參考的地方。參考文獻(xiàn)【1】伍浩松.美國(guó)空間放射性同位素電力系統(tǒng)開(kāi)展概述J.國(guó)外核新聞，202110：28-32.【2】RobertL.Cataldo，GaryL.Bennett，SpaceR

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