進軍火星：美國空間核反應堆技術進入發展新階段

去年 12 月 11 日，特朗普正式簽署了國家太空委員會 1 號令，指令的核心內容為：將力促讓人類重返月球，並且為今後的載人登陸火星做好充分的技術準備。進軍火星涉及重型運載、落火、返回等諸多關鍵技術，但要解決人類在火星上生活的首要問題就是供電。

特朗普簽署國家太空委員會一號令

人類要實現在火星等外星球長期駐紮，一個可靠而有效的電力系統是必不可少的：日常生活必需的照明、飲水、供氧等都需要電力，完成特定的太空實驗和生產返程用的燃料等更離不開穩定、持續的電力系統。

外星球基地設想圖

現有供電系統的電能來源主要有三種：化學能、太陽能和核能，他們有著各自的優勢，並分別適用於不同的任務需求。化學能電池更適用於短期、高功率任務。化學電池能夠在小時級任務中，提供高達 6 萬 kW 的電功率，但當任務周期延長至 1 個月時，其只能提供千瓦以下電功率，因此化學電池通常用於執行短期任務的返回式航天器上。太陽能電池適用於中長期、中低功率任務。太陽能本身不能提供瞬間大功率輸出，能量密度也有限，其在 10～50 kW 功率量級時效率最高，同時具有較長的使用壽命，因此太陽能電池通常服務於光照條件良好、中等功率水平的中長期任務，例如絕大多數長期任務的衛星多數都採用太陽能電池提供電力。

核能電源包括兩種：一種是是放射性同位素電池，另一種是空間核反應堆電源。放射性同位素電池輸出電功率較小，通常在百瓦級以下，但可長周期連續提供電力，特別適合於光照條件不好、功率需求不高的長周期無人深空探測及星表探測任務，例如 NASA 的卡西尼號、新地平線號、好奇號火星車等偉大成就都依賴於放射性同位素電池。空間核反應堆電源則可以為不同功率需求的任務提供長期電力供給，然而考慮到綜合效費比，通常將其應用在中高功率（大於10kWe）需求的航天任務。據計算，在 30Kw功 率以上，空間核反應堆的能量密度優勢得以體現，能夠比同等功率的太陽能電池板具有更低的發射質量。

火星探索是長期的航天任務，排除了僅用於短期任務的化學能，只剩下太陽能電池和核能有施展的空間。但是在火星上，太陽能在各個季節變化很大，不能提供穩定的電能來源；火星上頻繁的沙塵暴可能持續數月，沙塵覆蓋在太陽能電池板的表面將直接影響發電效率；火星的夜晚會超過 12 個小時，晝夜交替也限制了太陽能電池板的應用。跟火星類似的是，月球上長達 14 個地球日的月夜也會嚴重影響到太陽能的利用。

遭沙塵覆蓋的太陽能電池板

與太陽能電池相比較，空間核反應堆電源的優勢在於其為自主電源，不依賴於陽光等外界條件，能夠從容應對火星上複雜的氣候環境，可以全天時、全天候工作。其次，適用功率範圍廣，可以覆蓋千瓦至兆瓦級功率輸出，可以有效滿足航天任務日益增長的能源需求。另外，功率密度大，質量功率比隨功率增長而降低，且功率越大，質量優勢越明顯，非常適合於火星長期駐紮這種大功率的航天任務。不過，空間核反應堆電源也具有技術複雜、研發周期長、投資高的特點，存在並需要解決輻射防護和核安全等特殊問題。

2018 年 1 月 18 日，NASA 在內華達州開展的 Kilopower 緊湊型核電源測試取得成功。Kilopower 是 NASA、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、Y12 國家安全綜合體等機構聯合研發的小型核反應堆，使用 U235 作為核燃料，可產生 1-10 千瓦的電力，並可連續使用十年之久。1 個 Kilopower 電源能夠滿足兩個普通家庭連續使用10年的供電需求，四個該型電源就能支撐建立一個火星基地了。

該反應堆電源使用鈾鉬合金堆芯，反應堆熱量通過無源鈉熱管傳遞，由斯特林發動機進行熱電轉換，將熱能轉化為電力。其主要結構如下圖示，最下方的堆芯包裹在氧化鈹製成的中子反射層中間，由碳化硼控制棒進行反應堆啟停控制，控制棒移出堆芯後，快中子反應堆的裂變反應開始進行並放出熱量。

Kilopower 結構示意圖

堆的上方是由氫化鋰和鎢製成的影子屏蔽體，能有效屏蔽堆芯輻射，將核反應堆產生的輻射劑量減弱至有效載荷和宇航員可接受的水平。堆中的熱量通過無源鈉熱管傳到上方的八台斯特林發動機，驅動斯特林發動機轉動發電。

Kilopower 斯特林發動機外觀圖

斯特林發動機原理圖

發電剩餘的熱量則通過最上方能夠展開的鈦水熱管輻射散熱器散出。輻射器在政策工作時是需要展開的，以增大面積，提高散熱效率，下圖是輻射散熱器展開過程中的狀態圖。

輻射散熱器的展開過程圖

四個 Kilopower 聯合工作的示意圖

目前，NASA 正在與美國能源部合作進行測試，測試將持續到明年年初。今年 3 月底將進行連續約 28 小時的滿功率測試，以解決諸多技術問題，並將技術成熟度提升至第 5 級。

美國空間核反應堆電源的發展歷程可分為幾個不同階段：

第 1 階段是 20 世紀 50—70 年代的初創階段。美國在這個時期以核輔助電源系統計劃（SNAP）為中心開展了大量的概念設計和技術研發活動。1965 年 4 月，美國將電功率為 500 W 的 SNAP-10A 成功送入太空，運行43天後被永久關閉。SNAP-10A是世界上第一個發射至空間的核反應堆電源，也是迄今美國唯一發射的空間核反應堆電源。由於國防需求不明確以及太空任務優先順序的調整，美國政府於 1973 年終止了空間核反應堆電源的大規模開發投入。

第 2 階段是 20 世紀 80 年代初至 90 年代初的復興階段。在「星球大戰」計劃及太空探索倡議計劃的支持下，美國空間核反應堆電源研究開發得以復甦，開展了以 SP-100 計劃為主的研發工作，後因政府優先任務再次調整和投資削減再次陷入低潮。

第 3 階段是 21 世紀初至今的新時代。進入 21 世紀後，美國吸取以往經驗，更加註重於利用已有成熟技術降低成本和風險，並縮短研發周期。其重點計劃包括為未來星球基地供電的「經濟可承受星表裂變電源計劃（AFSPS）」以及「千瓦級電源計劃 Kilopower」。2013 年，美國完成了 AFSPS 的部件和子系統的研製與測試，2015 年完成了非核集成演示工作。Kilopower 則作為同位素電池的備用以及填補同位素電池（千瓦以下）和 AFSPS（數十千瓦級）之間的功率空當，目前已經取得了原型堆測試的初步成功。

Kilopower 原型堆測試的成功，標誌著美國空間核反應堆的發展螺旋上升到了一個新的歷史階段。在這個階段中，美國拋棄了與蘇聯惡性競爭、盲目拼指標的發展理念，更加註重降低成本和風險，並同步推進兩個不同功率級別的空間核反應堆研究，以應對未來同位素電池的減產，同時滿足未來不同功率級別的航天任務需求。隨著特朗普重返月球、進軍火星戰略的實施，太空委員會發揮主導作用逐漸顯現，美國的空間核反應堆技術必將迎來下一個發展的黃金時期。

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