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        美國(guó)完成千瓦級(jí)空間堆測(cè)試

        2018-12-13 23:15:01伍浩松
        國(guó)防科技工業(yè) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:斯特林堆芯熱管

        張 焰 伍浩松 王 樹(shù)

        今年5月,美國(guó)國(guó)家航空航天局宣布已完成Kilopower千瓦級(jí)空間堆測(cè)試。此次測(cè)試于2017年11月—2018年3月在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行。

        Kilopower千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的特性

        Kilopower是一種千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,并使用成熟技術(shù)等特點(diǎn),可作為深空探索的動(dòng)力系統(tǒng)和外星前哨站的能源供應(yīng)系統(tǒng)。

        與傳統(tǒng)核反應(yīng)堆一樣,Kilopower使用鈾-235裂變產(chǎn)生的能量。與以水為冷卻劑并使用二氧化鈾燃料的傳統(tǒng)反應(yīng)堆不同的是,Kilopower使用鈉熱管以非能動(dòng)方式將熱量從堆芯傳導(dǎo)至斯特林發(fā)電機(jī),并以鈾鉬合金為燃料。

        Kilopower使用鈾鉬合金堆芯,堆芯外圍是氧化鈹反射層,功率為1~10千瓦,可連續(xù)運(yùn)行10年不用換料。通過(guò)從反應(yīng)堆一端插拔碳化硼單棒來(lái)控制其啟動(dòng)和停堆。氧化鈹反射層可將中子彈回堆芯,提高自調(diào)節(jié)裂變反應(yīng)的效率。緊密圍繞堆芯的熱管將堆芯熱量傳遞至斯特林發(fā)電機(jī),將熱能轉(zhuǎn)換為電能。設(shè)置了一個(gè)傘狀冷卻陣列,排出過(guò)剩的熱量。

        Kilopower采用模塊化設(shè)計(jì),將自持式反應(yīng)堆裝置與斯特林發(fā)電機(jī)組合在一起,為深空探測(cè)器或火星等外星前哨站提供能源。4座Kilopower反應(yīng)堆即可滿足火星前哨站的電力需求。

        Kilopower千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的研發(fā)測(cè)試

        Kilopower研發(fā)項(xiàng)目由美國(guó)航空航天局和能源部于2015財(cái)年啟動(dòng),目標(biāo)是驗(yàn)證空間堆各子系統(tǒng)的技術(shù)準(zhǔn)備水平。

        該項(xiàng)目包括三項(xiàng)研究?jī)?nèi)容:第一是Kilopower原型堆測(cè)試,包括研制和測(cè)試800瓦原型堆。第二是火星Kilopower系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì),包括根據(jù)800瓦原型堆設(shè)計(jì)能夠滿足火星前哨站能源需求的3~10千瓦動(dòng)力系統(tǒng)。第三是Kilopower鈦-水熱管散熱器原型的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),為未來(lái)在國(guó)際空間站進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

        項(xiàng)目的核心是第一項(xiàng)研究。一座800瓦的Kilopower原型堆使用4對(duì)斯特林發(fā)電機(jī),每對(duì)電輸出功率為200瓦。實(shí)際上,一對(duì)全規(guī)模斯特林發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)全部技術(shù)目標(biāo)。原型堆主要設(shè)備包括Kilopower堆芯、熱管、發(fā)電機(jī)和散熱器。

        在第一項(xiàng)研究中,能源部洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)原型堆設(shè)計(jì),Y-12國(guó)家安全綜合體負(fù)責(zé)堆芯制造。航空航天局格倫研究中心負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造Kilopower傳熱、發(fā)電和散熱系統(tǒng),并對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行電熱測(cè)試,馬歇爾航天中心負(fù)責(zé)研制用于非核測(cè)試的電熱反應(yīng)堆模擬器以及供核測(cè)試使用的屏蔽層。原型堆的總裝和測(cè)試工作在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行。

        Kilopower原型堆測(cè)試工作于2017年11月—2018年3月在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)開(kāi)展,目的是驗(yàn)證這種反應(yīng)堆的技術(shù)可行性以及在異常工況下的安全性。

        此次測(cè)試共分四個(gè)階段:前兩個(gè)階段在堆芯不臨界的情況下進(jìn)行,目的是確認(rèn)各系統(tǒng)均如預(yù)期的一樣運(yùn)行;在第三階段,逐級(jí)提升原型堆運(yùn)行功率,即從啟動(dòng)逐級(jí)達(dá)到滿功率;第四階段持續(xù)了28小時(shí),對(duì)原型堆正常運(yùn)行期間的各種運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬,包括啟動(dòng)、逐級(jí)提升至滿功率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和停堆。

        2018年5月2日,航空航天局宣布,Kilopower原型堆成功通過(guò)了一系列初步測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中,研究團(tuán)隊(duì)模擬了功率降低、發(fā)電機(jī)故障和熱管故障等各種工況。結(jié)果表明,該原型堆能夠持續(xù)運(yùn)行并成功應(yīng)對(duì)多種故障工況。此次測(cè)試證明原型堆的工作方式與設(shè)計(jì)人員預(yù)期的一致:無(wú)論在什么工況下,原型堆都表現(xiàn)良好。該反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試費(fèi)用總計(jì)不超過(guò)2000萬(wàn)美元。

        Kilopower千瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆的發(fā)展應(yīng)用

        Kilopower的容量未來(lái)有望擴(kuò)至10~100千瓦,甚至兆瓦。未來(lái),宇航員只需在月球或火星表面安裝幾臺(tái)這樣的裝置,就可保障前哨站在10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的能源供應(yīng)。

        對(duì)于到火星乃至更遠(yuǎn)的深空探索,空間裂變堆是一種理想甚至可能是目前唯一可行的千瓦級(jí)動(dòng)力來(lái)源。在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空中,太陽(yáng)能電池板將不能正常工作;如果使用化學(xué)能系統(tǒng),則需要攜帶大量燃料,不具可行性;利用钚-238衰變熱發(fā)電的放射性同位素系統(tǒng)雖已在美國(guó)空間探索任務(wù)中得到應(yīng)用,但這一系統(tǒng)的功率均低于300瓦,而火星前哨站需要40~50千瓦的電力供應(yīng)。

        未來(lái)的深空探索,需要使用千瓦級(jí)空間堆,為推進(jìn)器提供動(dòng)力或者為外星前哨站提供充足能源。

        1965年4月3日,美國(guó)成功把500瓦的SNAP-10A空間堆送入太空。這是美國(guó)首座也是唯一一座被送往太空作業(yè)的空間堆,但該堆僅運(yùn)行43天,就因設(shè)備故障而廢棄。

        在1970—2010年期間,美國(guó)曾多次開(kāi)展空間堆研究,但均未取得實(shí)質(zhì)性成果。

        2012年,洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)華達(dá)“Flattop”裝置上進(jìn)行空間堆技術(shù)方案驗(yàn)證測(cè)試。在此次測(cè)試中,使用了高濃鈾堆芯、1根熱管(位于堆芯中心孔)和2臺(tái)斯特林發(fā)電機(jī)的設(shè)備配置,最終產(chǎn)生24瓦功率,證明了這一技術(shù)方案的可行性。此次測(cè)試為期不到6個(gè)月,投資不到100萬(wàn)美元。

        2015年啟動(dòng)Kilopower項(xiàng)目,在三年內(nèi)完成原型堆的設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試,總投資不到2000萬(wàn)美元。

        成功測(cè)試Kilopower只是朝著利用空間裂變動(dòng)力邁出的第一步,從目前看,該技術(shù)在很大程度上仍是概念性的,將其實(shí)際應(yīng)用于航天系統(tǒng)還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

        美國(guó)航空航天局希望以Kilopower為基礎(chǔ)研制出飛得更快、更遠(yuǎn)的空間推進(jìn)系統(tǒng),并對(duì)利用Kilopower為月球等外星軌道和表面設(shè)施供電尤為感興趣。

        航空航天局下一步準(zhǔn)備將Kilopower付諸實(shí)踐,現(xiàn)正在研制一種被稱為空間發(fā)射系統(tǒng)的巨型火箭,希望在月球附近建一座空間站,計(jì)劃把人類送往月球表面執(zhí)行探月任務(wù),甚至計(jì)劃在21世紀(jì)30年代讓宇航員登陸火星。

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