楊 斌，楊 磊，鄭再平，王開春，李 月

(1. 北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京100076； 2. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

1 引言

航天器的電能來源形式包括自身攜帶與原位提取。 自身攜帶電能包括化學燃料發(fā)電、化學電池、核電池等，而原位利用則包括太陽能及星球資源利用等。 星球原位能源利用具備規(guī)模體量大、供應時間長、原料成本低等特點，是空間領(lǐng)域中長期任務得以確立及執(zhí)行的基本技術(shù)保證，屬能源動力系統(tǒng)長期攻關(guān)方向。

隨著航天技術(shù)的不斷進步及太空探測需求的加深，人類將在月球上建造空間基地作為深空探測的出發(fā)基站及中轉(zhuǎn)基地，實現(xiàn)航天器發(fā)射、檢修和燃料補充，維持月面基本設(shè)備不間斷運行及人員長期駐扎，同時在月巖、月壤采樣及遙測的基礎(chǔ)上，發(fā)展無人探礦技術(shù)，進一步發(fā)展月面電廠建設(shè)，實現(xiàn)月面能源的自供給[1-2]。 月球可實現(xiàn)的發(fā)電方案包括太陽能、 釷元素核裂變發(fā)電、氦-3[3]等，太陽能發(fā)電已能夠?qū)崿F(xiàn)，但其工作時間受到月夜制約，有效利用時間不足一半，而和平應用氦-3 進行核聚變在技術(shù)角度還需百年之久。依據(jù)技術(shù)實現(xiàn)可行性、技術(shù)成熟度以及含能物質(zhì)儲量，月球釷基熔鹽堆是極具潛力的中長期月球發(fā)電實現(xiàn)方案。

本文梳理月球釷元素探測進展及利用方式，并詳細介紹釷基熔鹽堆發(fā)電技術(shù)相關(guān)的釷基熔鹽堆技術(shù)、熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)、能量管理技術(shù)和電能存儲技術(shù)，為后續(xù)利用月球釷元素發(fā)電提供理論支撐。

2 月球釷元素探測進展及利用方式

2.1 月球釷元素探測進展

月球土壤內(nèi)富含克里普巖，主要分布在月陸中，其除具備磷、鉀和稀土元素外，還具備月球核能利用中的重要資源-放射性元素鈾和釷。 由克萊門汀號和月球勘探者號月球資源探測結(jié)果分析可知，克里普巖中釷資源量為8.4 億噸[4]，儲量可觀。 同時，相較傳統(tǒng)方式，采用釷進行核裂變方式運行更為安全，利用克里普巖進行核能發(fā)電，實現(xiàn)設(shè)備原位采能和長時間穩(wěn)定供電，是解決月球活動能源供給的重要課題。

研究成果表明，風暴洋克里普地體(PKT)占據(jù)約16%的月表面積，其成分以玄武質(zhì)巖石為主，具有非常高的釷和鐵含量。 PKT 劃分的主要依據(jù)就是它具有較高的釷濃度，一般濃度在3.5 ppm 或更高，包含了月球總釷量的40%[4-7]，著重對克里普巖進行探索是月球核能應用的重要方向。

截至目前為止，人類發(fā)射的月球飛行器中，攜有釷資源的伽馬射線光譜儀(GRS)的主要包括美國的月球勘探者號(Lunar Prospector GRS)、日本的月亮女神號(Kaguya GRS， KGRS)、中國的嫦娥一號(CE-1 GRS)和嫦娥二號(CE-2 GRS)。

圖1、圖2、圖3 分別為月球探測者[4]、月亮女神號[8]以及嫦娥二號[9]獲得的月球表面釷分布情況，從整體上看，月球表面釷含量最高的地體是PKT，其釷濃度一般是4 ～7 ppm[7]， 但有一些地方的釷濃度特別高，達到10 ppm。

歷史上，美國的6 次載人登月任務和蘇聯(lián)的3 次無人登月任務帶回了月球近地表面的樣品，它們在月球表面的大致位置見圖4[10]。 可以看到，Apollo 號登陸位置都在PKT 范圍內(nèi)，Luna 號登陸位置都在PKT 的邊緣地帶。

圖1 月球勘探者號遙感獲得的月球表面釷分布[4]Fig.1 Lunar surface thorium distribution obtained by remote sensing of the Lunar Prospector[4]

圖2 月亮女神號獲得的月球表面釷分布圖[8]Fig.2 Lunar surface thorium distribution obtained by the Kaguya[8]

圖3 嫦娥二號伽馬探測器得到的月球表面釷分布圖[9]Fig.3 Lunar surface thorium distribution obtained by the Chang’e 2 gamma-ray detector[9]

除了遙感數(shù)據(jù)和僅有的若干采樣分析數(shù)據(jù)外，人類對月球上釷的含量以及釷的具體存在形態(tài)的認識仍然非常有限。 例如，根據(jù)對釷含量比例的估計，Haskin[11]推測月球平均釷濃度在0.07～0.2 ppm 之間。 Jolliff 等[4]對月球平均釷濃度作了更詳細的估算，月球釷平均濃度估算結(jié)果為0.142 ppm。 因此，對月球平均釷濃度的評估，只能是非常粗略的，但是從釷資源的開發(fā)利用角度來說， 月球平均釷濃度數(shù)值也不是最關(guān)鍵的，更關(guān)鍵的是釷元素的聚集地點和方式。 因此， 需要充分發(fā)展無人探礦技術(shù)，開展聚集地點和分布方式的勘探，為人類在月球能源基站選址提供強力支撐。

圖4 美國Apollo 和蘇聯(lián)Luna 采樣點示意圖(以LP GRS 釷分布為背景，A 代表Apollo，L 代表Luna)[10]Fig.4 Schematic diagram of American Apollo and Soviet Luna sampling (On the background of LP GRS thorium distribution， A represents Apollo， L represents Luna)[10]

2.2 釷元素能量轉(zhuǎn)換原理

釷元素為天然放射性核素，在各類地質(zhì)環(huán)境中均有所分布。232Th 是釷放射性衰變鏈中的初始核素，半衰期為1.4×1010年。 圖5 表示釷的增殖過程，232Th 通過慢中子的轟擊，形成可裂變233U，鑒于233U 中子產(chǎn)額更高，由此可以建立效率更高的增殖循環(huán)，實現(xiàn)核能的利用。

圖5 232Th 的增殖過程Fig.5 Breeding production of 232Th

釷相對于鈾，具有多個突出優(yōu)勢[12]：

1)233Th 具有更好的中子性質(zhì)，在各類中子條件下都可能得到較好的利用，其轉(zhuǎn)化難度要低于238U，轉(zhuǎn)化效率要高于238U。

2)鈾钚循環(huán)會產(chǎn)生大量239Pu 等重核素，它們不僅放射性強而且有劇毒，處理和處置難度極大。與235U、239Pu 相比，233U吸收中子產(chǎn)生更高質(zhì)量核素的概率要小，因此釷鈾循環(huán)產(chǎn)生的次錒系核素要少很多，從而更容易得到處理。

3)釷資源的地球儲藏量估計為鈾的3 ～4 倍，釷礦品位普遍要高于鈾礦，從而開采成本要低。而且，進堆釷燃料的生產(chǎn)流程要比鈾燃料簡單，特別是不需要235U濃縮過程。 ThO2比UO2的化學穩(wěn)定性更好，熱導率更高，熱膨脹系數(shù)更低。 因此釷燃料比鈾燃料更安全，經(jīng)濟性也更好。

2.3 月球釷元素資源的開采及提取

由于釷與稀土離子的半徑相近，它們的某些性質(zhì)也比較相近。 在自然界中，釷與稀土經(jīng)常伴生存在[13]，這主要是因為半徑相近的釷與稀土離子在一定條件下可以互換晶格中的位置。 在已經(jīng)分析過的克里普巖中，釷和稀土也是伴生的。 因此，可以推斷月球上的釷礦也會是與稀土伴生的，其開采和提取流程與地球上的流程也應是相近的，其流程一般如下[14]：

1)礦石預處理。 由于釷礦石常含其他雜質(zhì)礦石，需通過物理或化學的預處理手段，使釷礦石與其他成分分開，以提高釷含量，得到含釷精礦，方法包括選礦、焙燒和磨粉等。

2)浸取分解。 選擇合適的化學試劑，將礦石分解，使礦石中的釷以某種化合物的形式富集，通常的方法是酸分解或堿分解。 通常情況下，稀土元素、鈾元素會與釷元素一起浸出。

3)釷元素與稀土元素、鈾元素的分離。 利用化學手段，將釷與其他元素分離，如離子交換和螯合樹脂技術(shù)、離子液體萃取技術(shù)等。

4)釷的精制。 上述分離產(chǎn)物中，雖然釷的純度已經(jīng)比較高，但是仍然達不到反應堆利用釷的要求，尤其需要降低中子毒物釤、銪等的含量。 中國科學院先導專項“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”的技術(shù)人員采用P503 為萃取劑，在硝酸介質(zhì)中分離釷和鈾，取得了非常好的效果[15]，并得到核純極的釷產(chǎn)品(釷金屬、硝酸釷、二氧化釷、四氟化釷等)。

5)對于粉末化合物，如二氧化釷、四氟化釷等，為了在反應堆中得到利用，需要進一步制成反應堆燃料，如燃料芯塊/燃料棒、燃料球或熔融燃料鹽，才能進堆使用。

3 空間釷基熔鹽堆發(fā)電技術(shù)

空間核裂變反應堆可以用作核動力、核電源、核熱源和星表核電站等。 到目前為止，美國和俄羅斯發(fā)射了用于衛(wèi)星的空間核裂變堆，星表核電站則仍處于研發(fā)階段[16]，核電具有更緊湊的結(jié)構(gòu)和更高的能量密度，是建立月球基地不可或缺的能源供應形式。 熔鹽堆作為第4 代堆型，具有突出的安全性和核廢料后處理能力，首次提出于1947 年美國空間核動力計劃。 在該項目中，美國橡樹嶺國家實驗室于1965 年建成了8 MW試驗堆。 之后，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)對熔鹽堆的研究轉(zhuǎn)為民用核反應堆，于1966 年建成8 MWth MSRE 試驗堆[17]，并成功運行將近5 年，而后由于政治、經(jīng)濟原因，熔鹽堆項目暫時擱置。

國內(nèi)熔鹽堆研究開始于上世紀60 ～70 年代。1970 年，在上海開展“728”工程，選擇了當時世界上最為先進的高溫氣冷熔鹽堆核電方案，主要開展了包括釷鈾轉(zhuǎn)換比實驗等4 類臨界試驗，取得了一定的科學成果[18]，但限于當時的科技水平和工業(yè)能力，于1973 年終止。 民用核能轉(zhuǎn)向了輕水堆，熔鹽堆在國內(nèi)的研究處于停滯狀態(tài)。

在核能應用中，基于民用的釷基核能應用長期處于從屬地位，但依舊取得了較為豐富的研究結(jié)果。 目前全世界運行過的加釷反應堆超過10座，如美國希平港建成的輕水增殖堆，首次實現(xiàn)釷的反應堆級增值反應[19]。 2011 年，中國科學院正式啟動戰(zhàn)略先導專項“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(TMSR)”，計劃于2020 年底在甘肅武威建成，將是世界上唯一運行的熔鹽堆，熔鹽堆核能系統(tǒng)如圖6 所示。 TMSR 推動了中國熔鹽堆和釷燃料利用的發(fā)展，近年來在研究進展和成果上走在了國際前列[20]。

圖6 熔鹽堆核能系統(tǒng)示意圖[20]Fig.6 Schematic diagram of molten salt reactor nuclear energy system[20]

空間熔鹽堆主要有以下優(yōu)點：

1)固有安全性。 燃料負反應性溫度系數(shù)較高，空泡系數(shù)較大[20]，利于反應堆實時調(diào)節(jié)和堆芯安全運行；同時其燃料本身處于熔化狀態(tài)，堆芯較為安全；熔鹽堆工作時熔鹽飽和蒸汽壓力低，其運行過程近似于常壓，不會引起壓力容器等循環(huán)管路的爆裂；熔鹽常溫時凝為固態(tài)，核燃料脫離高溫環(huán)境后無法泄露，能夠建設(shè)于地下等擴散環(huán)境較為苛刻的場合。

2)熔鹽堆循環(huán)過程熱功率密度高，更易實現(xiàn)小型化[19]。 由于一次回路具有高溫低壓特性，熱能品質(zhì)高，循環(huán)壓力小，可以提升能量轉(zhuǎn)換效率、簡化堆芯結(jié)構(gòu)，易于小型化并實現(xiàn)高功率密度。

3)可在線補給燃料和后處理。 燃料和需要焚燒的廢料無需組件制備，節(jié)省了加工費用[18]。當采用連續(xù)燃料在線后處理時，可進一步提高堆內(nèi)中子利用率。 由于熔鹽堆能夠在線處理以及較好的增殖性能，以釷為燃料的增殖閉合燃料循環(huán)反應堆具有突出優(yōu)勢；同時由于核廢物放射水平較低，對環(huán)境更為友好。

4 空間釷基熔鹽堆熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

釷基熔鹽堆經(jīng)過自身裂變反應，向外釋放熱能，并經(jīng)過熱電轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能輸出。 能用于空間釷基熔鹽堆中的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)分為靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)和動態(tài)循環(huán)技術(shù)2 大類，靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有溫差發(fā)電、熱離子轉(zhuǎn)換、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電等，如NASA 的先驅(qū)者號、旅行者號等采用同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)[21]。 動態(tài)循環(huán)技術(shù)包括斯特林循環(huán)、朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)等熱力循環(huán)，通過旋轉(zhuǎn)機械做功實現(xiàn)熱能到機械能的轉(zhuǎn)換，如Kilopower 空間核反應堆，采用斯特林循環(huán)發(fā)電機進行發(fā)電；JIMO 飛船則采用布雷頓循環(huán)[22]。 靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)中沒有運動組件，動態(tài)轉(zhuǎn)換則相反，圖7為若干空間堆的熱電轉(zhuǎn)換效率和比功率對比圖[23]。

圖7 若干空間堆的熱電轉(zhuǎn)換效率和比功率[23]Fig.7 Thermoelectric conversion efficiency and specific power of several space reactors[23]

靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)的熱電轉(zhuǎn)換效率雖然在理論上比較高，理論值達到40%，但在工程實踐中一般不高于10%，因此靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)不適合在高功率空間堆中使用。 動態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)的效率一般可以達到10%～30%[24]，布雷頓循環(huán)是美俄發(fā)展大功率空間核動力的主要研究方向。 有學者指出，對于超過100 kWe 的空間堆，閉式布雷頓循環(huán)是最可能的選項[25]。 2002 年， NASA 開始實施太空核能倡議計劃，計劃中確定了輸出功率為200 kW的布雷頓循環(huán)核反應堆系統(tǒng)方案，并建造了布雷頓發(fā)電樣機。 2009 年，俄羅斯實施兆瓦級空間核動力飛船研發(fā)計劃，采用核電推進，氣體布雷頓循環(huán)發(fā)電，現(xiàn)已完成兆瓦級空間核反應堆電源初步設(shè)計[26]。 但是到目前為止，尚未報道有1 MW 級別的空間堆布雷頓循環(huán)裝置。 因此，這是未來需要重點開發(fā)的設(shè)備之一。

5 空間釷基熔鹽堆能量管理技術(shù)

航天電力系統(tǒng)要求強分散性、高可靠性及靈活的配置方式，以釷基熔鹽堆發(fā)電系統(tǒng)為主導的微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)和分布特點對于航天供電系統(tǒng)較為適宜[27]。 分布式發(fā)電則以分散的方式為航天各型負載進行供配電，以滿足小型或小區(qū)域的供電需求范圍。 因此需開展分布式發(fā)電，充分利用月面上的各類能源，實現(xiàn)月面航天供配電的均衡應用。

月面微電源類型主要包括釷基熔鹽堆核能發(fā)電、太陽能發(fā)電等，一類為交流電源，如汽輪機等，其高頻交流電，需AC-DC-AC 變換后方可并網(wǎng)使用；另一類為直流電源，如光伏發(fā)電等，其發(fā)出的是直流電，需要DC-AC 變換后并網(wǎng)。 為向月面直流負載進行供電，需將發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的直流輸出端進行DC- DC 變換以得到需求的電壓，這就需要多個電壓等級的直流模塊進行供電。 為了匹配多個直流模塊的輸出特性，需進行直流模塊間的并聯(lián)均流，必須通過均衡各模塊電流減少不均衡對于各單元的沖擊，增加使用壽命，減少輕、重載差異[28]。 目前常用的均流方案主要包括器件級并聯(lián)均流、線路級并聯(lián)均流、系統(tǒng)級并聯(lián)均流。

6 空間釷基熔鹽堆電能存儲技術(shù)

釷基熔鹽堆發(fā)電系統(tǒng)可在一定范圍內(nèi)進行發(fā)電功率調(diào)節(jié)，但其調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)頻率與航天微電網(wǎng)的負荷匹配存在一定差異，即負載功率需求變化要快于熔鹽堆的功率輸出變化。 儲能的加入，可對微電網(wǎng)電能進行存儲與釋放，匹配發(fā)電與用電關(guān)系[29]，提升微電網(wǎng)的整體性能指標， 為分布式電網(wǎng)帶來實際效益。 儲能環(huán)節(jié)具備削峰填谷、電能質(zhì)量控制、斷電保護、改善電能質(zhì)量能功能。

常用的儲能方式包括機械儲能、電化學儲能、電磁儲能等，如表1 所示[30]。 鑒于月球特殊的光照、溫度環(huán)境條件以及真空、低重力等太空因素，具有突出月面環(huán)境適應能力的飛輪儲能更為適宜。

表1 常用儲能方式[30]Table 1 Common energy storage methods[30]

飛輪儲能為機械貯能技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖8 所示，儲能時通過高速電機旋轉(zhuǎn)帶動飛輪將能量以動能形式進行存儲，釋能時通過降低飛輪轉(zhuǎn)速，利用飛輪同軸電機將動能進行電能轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量的遷移。 如今，復合材料、電磁懸浮軸承、高性能功率器件均得到了迅猛發(fā)展[31]，飛輪貯能可實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)化效率和充放電次數(shù)及突出環(huán)境實用性，在航天領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢。

圖8 飛輪儲能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of flywheel energy storage

NASA 在電磁懸浮貯能飛輪領(lǐng)域具有強大研發(fā)實力，為國際空間站研制了飛輪儲能系統(tǒng)以替代傳統(tǒng)的蓄電池組[32]。 貯能飛輪體積與蓄電池儲能系統(tǒng)相同，但重量方面更具優(yōu)勢，循環(huán)壽命為電池系統(tǒng)的3 倍，容量為蓄電池系統(tǒng)的2 倍。 容量超過3.5 kWh，峰值功率超過3.5 kW。 NASA計劃用48 個小型飛輪儲能系統(tǒng)成組后替代蓄電池，以替代原有的蓄電池系統(tǒng)，可減少約2 億美元的開支。 在國內(nèi)，北京航空航天大學開展了儲能/姿態(tài)雙模的飛輪系統(tǒng)研究，可替代傳統(tǒng)的化學電池＋飛輪姿態(tài)控制系統(tǒng)[33]。

對于在月面使用的飛輪儲能系統(tǒng)而言，月球表面的真空、低重力環(huán)境以及惡劣溫度環(huán)境對于飛輪儲能系統(tǒng)的應用具有積極意義。

1)真空環(huán)境。 飛輪儲能系統(tǒng)工作過程中，需將飛輪的軸承、電機、飛輪、機械軸等放置于真空環(huán)境中， 以減少高速轉(zhuǎn)動過程中空氣對飛輪的空氣摩擦的風阻損耗，提高效率。 目前，人造的真空度一般可達到10-5Pa 數(shù)量級， 而月球表面的真空環(huán)境，只需設(shè)立簡單的結(jié)構(gòu)外殼，防止碎片飛出損傷外圍設(shè)備即可。 因此， 飛輪的外殼更傾向于選擇低密度小、高強度的復合材料，而對真空設(shè)備及氣體防漏均無要求， 可以有效減少附屬設(shè)備的重量。

2)低重力環(huán)境。 摩擦力損耗是飛輪儲能系統(tǒng)在空閑運轉(zhuǎn)時能量損耗的最主要原因，而摩擦力主要產(chǎn)生于軸承系統(tǒng)。 目前的飛輪支撐方式主要包含接觸式機械支撐以及懸浮式超導磁懸浮支撐。 為了最大幅度減少飛輪儲能設(shè)備的旋轉(zhuǎn)摩擦損耗，提升轉(zhuǎn)換效率，在實際使用過程中較多采用非接觸式軸承，使飛輪浮于軸上，以減少機械摩擦。 現(xiàn)在的磁懸浮軸承技術(shù)已經(jīng)廣泛應用，可以大大降低系統(tǒng)的機械摩擦，使飛輪運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性得到很大提高。 而月球的低重力環(huán)境，可以降低磁懸浮軸承的磁力支撐重量，降低維持飛輪運轉(zhuǎn)的能量供給，對于提升整體能量密度具有十分重要的意義。

3)交變溫度環(huán)境。 月球表面晝夜溫差可達300 ℃，且具備強磁場、高輻射特性。 對于飛輪儲能系統(tǒng)，由于其對自身工作環(huán)境要求低、對溫度變化不敏感，非常適用于空間領(lǐng)域的使用。 因此，對于月面環(huán)境，環(huán)境因素對飛輪儲能系統(tǒng)使用影響較小。

目前，比較先進的飛輪儲能充放電系統(tǒng)其單位 儲 能 達20～60 Wh/kg， 功 率 質(zhì) 量 比 大 于5000 W/kg，加之其對環(huán)境的高度適應性，采用飛輪儲能，在重量要求苛刻的環(huán)境下仍具有一定優(yōu)勢。

7 結(jié)束語

隨著航天技術(shù)的不斷進步及各國重型運載火箭進入實際應用階段，人類未來將在月球上建造空間實驗基地，并將月球作為探測其它星球甚至尋找人類居住地的中間站，能源供給問題將是人類首先突破的關(guān)鍵技術(shù)。 通過對月球環(huán)境能量及含能物質(zhì)的勘探、處理以及釷基熔鹽堆發(fā)電技術(shù)等的全面梳理，可以獲悉：月球釷元素發(fā)電技術(shù)具備成為中長期可用月球原位能量發(fā)電技術(shù)潛質(zhì)；月面釷元素儲量豐富，相關(guān)聯(lián)的釷基熔鹽堆設(shè)計、釷元素處理、熱電轉(zhuǎn)換、能量管理、能量存儲等相關(guān)技術(shù)在地面已具備較好的研制基礎(chǔ)且已通過充分的地面驗證，能夠在短期內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)遷移。 本文對該技術(shù)方案優(yōu)勢及可實現(xiàn)性進行論述，能夠為后續(xù)月球基地建設(shè)和深空探測提供更多可選能源方案。