空间核反应堆

12国外核新闻2003.2

空间核反应堆

【澳大利亚铀信息中心网站2003年2月报道】 放射性同位素动力源从1961年开始就在太空得到应用。裂变动力源主要是俄罗斯使用，但美国正在开发新的功率更大的核动力源。

当俄罗斯已有几座裂变堆在太空运行时，美国仅将一座反应堆送上了太空，即在1965年的SNAP-10A （核辅助动力系统）。

美国在1959～1973年期间曾制定了一个核火箭计划，即核火箭发动机（NERVA ），主要是用核动力替换发射后段的化学火箭。NERVA 使用石墨堆芯反应堆加热氢，并通过尾喷管喷射出去。在内华达州试验了20个发动机，产生了高达航天飞机发射器一半以上的推力。自此，“核火箭”将取代化学火箭成为太空推进器。NERVA 的后继者是核热火箭（NTR ）。 另一个早期概念是美国的“猎户座” 项目（Project Orion ），利用一系列小的核爆炸，使大型航天器飞离地球。该项目始于1958年，在1963年因《禁止大气核试验条约》生效而终止，但放射性落下灰可能是其中的一个主要问题。“猎户座”概念作为产生推进脉冲的其它手段仍然有效。 放射性同位素系统

迄今，放射性同位素热电发生器（RTG ）自1961年以来一直是美国太空工作的主要动力源。钚-238的高衰变热（0.56 W/g ）使它能用作航天器、卫星、航标灯等上的RTG 的电源。氧化燃料的热通过静态热电元件（固体热电偶）转化为电而毋需移动部件。RTG 安全、可靠且不用维修，可在恶劣条件下工作几十年，尤其是在不能利用太阳能的地方。

到目前为止，44个RTG 已为24个美国太空飞行器（包括“阿波罗”飞船、“先驱者”号探测器、“海盗”号火星探测器、“旅行者”号探测器、“伽利略”木星探测器和“尤利塞斯”号探测飞船）以及许多民用和军用卫星提供动力。“卡西尼”探测飞船携带3个提供870 W 动力的RTG 飞往土星。已送回遥远星球图片的“旅行者”号探测器已经运行了20多年，由于采用RTG 提供动力，预计该探测器还能继续工作15～25年。“海盗”号和“漫游者”号登陆器采用RTG 动力源。

最新的RTG 是名为“通用热源”（GPHS ）的290 W 系统。每个GPHS 由18个模块组成，每个模块高5 cm 、横截面面积为10 cm 2、重1.44 kg ，包含4个带有铱包壳的钚-238燃料芯块。多重任务的RTG （MMRTG ）使用8个GPHS 装置，功率为2 kW ，可产生100 W 的电力，它是目前研究的重点。

斯特林放射性同位素发生器（SRG ）是基于由GPHS 装置提供动力的55 W 电转换器。斯特林转换器的热端温度高达650℃，被加热的氦驱动线性交流发电机中的自由活塞做往复运动，热量在发动机冷端排出，将交流电转换为55 W 的直流电。这种斯特林发动机从钚燃料中产生的电功率是RTG 的4倍。因此每个SRG 将使用两个斯特林转换器装置，其500 W 的热功率由两个GPHS 提供并且能提供100～120 W 的电功率。已对SRG 做了大量试验，但还没有进行过发射。

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俄罗斯还开发了使用钋-210的RTG ，其中的两个还在1965年的导航卫星轨道上。但它主要是用于空间动力系统的裂变堆。除了RTG ，放射性同位素热源装置（RHU ）也在卫星和航天器上得到应用，给仪器保温，使其有效运转。RHU 通常使用钚-238（典型RHU 重约2.7 g ）、其输出功率仅约为1 W 、长3 cm 、直径2.5 cm 、重40 g 。到目前为止，美国已使用了240个，还有两个仍在俄罗斯留在月球上的已关闭的登月车中。美国在2003年发射的每个火星漫游者上将装有8个RHU 。

RTG 和RHU 像SRG 一样是为了避免重大发射和返回事故。 裂变系统

在100 kWe 以上，裂变系统比RTG 有明显的成本优势。

美国1965年发射的SNAP-10A 是一个45 kWt 热核裂变堆，利用热电转换器产生650 W 的功率，可运行43天，但由于卫星（不是反应堆）故障而关闭，目前仍停留在轨道上。

美国最新的空间反应堆倡议——名为SP-100的美国航空航天局（NASA ）―美国能源部（DOE ）―美国国防部（DOD ）联合计划——使用2 MWt 快堆装置和提供100 kWe 的热电系统，在耗资近5亿美元之后，该计划在20世纪90年代初期终止。

20世纪80年代后期，在DOD 与DOE 合作的多兆瓦（MMW ）空间动力计划中还有一个“森林风（Timberwind ）”球床堆概念，它对动力的要求超出了任何民用空间计划。

1967～1980年期间，前苏联发射了31个装在雷达海洋侦察卫星（RORSAT ）上的

低功率裂变堆，像RTG 一样，它们利用热核转换器发电。Romashka 反应堆是它们最初的动力源，这类反应堆是快中子谱石墨反应堆，使用富集度为90%的高浓铀碳化物燃料在高温下运行。后来使用的Bouk 快堆可以产生3 kW 电，并持续工作4个月，这之后的反应堆，例如在1978年经加拿大返回的宇宙-954（Cosmos-954）卫星上的反应堆，采用铀-钼燃料棒和类似于下文介绍的美国热管反应堆的布局。

接着产生的反应堆是带有热离子转换系统的托帕斯（Topaz ）反应堆，可提供约5 kWe 的电力。这是20世纪60年代在俄罗斯开发的美国概念。在Topaz-2中，每根包在发射体中的燃料柱（富集度为96%的浓缩UO 2）被周围的收集器环绕，共有37根贯穿柱面ZrH 慢化剂的燃料元件；这些燃料元件又被铍中子反射体包围，反射体中有12 个旋转控制鼓；NaK 冷却剂包围着每根燃料元件。

1987年，Topaz-1随Cosmos-1818和1867卫星飞上太空，它能为海洋侦察提供3～5年的动力。后来的Topaz 项目的目标是通过从20世纪90年代开始大部分在美国进行的国际项目使反应堆功率达到40 kWe 。两个Topaz-2反应堆（没有燃料）在1992年卖给美国。1993年的预算限制迫使取消了与此有关的核电推进空间飞行器试验计划。

一度发射的航天器动力装置在热核动力系统（NTR ）方面已获得了一些经验。核裂变加热以液体形式储存在冷却箱中的氢推进剂，热气体（2500℃）通过一个尾喷管喷射出去，产生推力。这比化学反应更有效。双堆会为航天器上的包括大功率雷达在内的电气系统供电，以及提供推进力。与核电等离子体系统相比，它们在较短时间内提供