本文文字摘自《载人航天》2015年3期，作者：彭 磊，谢奇林，范晓强，梁文峰，任保国，中国电子科技集团公司第十八研究所，中国工程物理研究院核物理与化学研究所。

摘要：:空间核反应堆电源能在缺乏太阳光照的环境中满足大功率、长时间供电的需求，美国和俄罗斯均将其确定为空间技术中优先发展的重点。对此背景，以安全可靠、技术可行和整体最优为原则，结合美国、苏/俄研发经验，对用于星球表面探测的空间核反应堆电源进行了初步研 究。通过对反应堆、控制与保护、屏蔽，以及热电能量转换和传热散热的分析，提出了采用 UO2 燃料的快堆、液体碱金属或热管冷却、斯特林或温差电能量转换的初步选型，并提出了核反应堆电源发射和在星球表面布置的初步实现过程，可为星球表面核反应堆电源设计提供基础。 

1 前言

星球表面探测是深空探测的重要内容。我国 正在开展月球探测工程，火星探测也在论证过程中。在星球表面探测中，由于弱太阳光照、极端高低温、尘暴等恶劣环境的影响，以及可能高达数十千瓦的电功率和长达十年以上的任务周期的 要求，传统的太阳电池-蓄电池电源往往不能满足需要。对于约 50 kW 以上的电功率需求，空间核反应堆电源通常比太阳电池有更高的比功率，能在缺乏太阳光照的环境中满足大功率、长时间供电的需求。

尽管目前核反应堆电源还未被应用于星球表面探测任务，但美国、苏/俄已经对空间核反应堆 电源进行了大量的研究和开发工作。20 世纪50 年代至 2005年，美国先后开展了核辅助电源系统 项目(SNAP)、SP-100 核反应堆电源系统、兆瓦级 空间堆(MMW)、空间探索倡议(SEI)、核能推进空间测试项目(NEPSTP)、依靠热管运行的火星 探测反应堆(HOMEＲ)、安全经济核引擎(SAFE) 以及普罗米修斯计划等项目。SNAP项目中的SNAP-10A 核反应堆电源是美国迄今发射的唯一 的空间核反应堆电源。2006年至今，美国主要围 绕星球表面裂变能源项目(FSP)开展工作，目标 是研制2022年左右可供发射的用于月球基地的 核反应堆电源系统。20世纪50至80年代，苏联先后开展了地面试验的 Ｒomashka 核反应堆电源、BUK 空间核反应堆电源、TOPAZ 空间核反应堆电源、Yenisey(西方称TOPAZ-2)核反应堆电源等研究项目。其中BUK 核反应堆电源进行了32次发射，TOPAZ 核反应堆电源也进行了飞行测试。本世纪以来，在苏联研制空间核反应堆电源的基础上，俄罗斯也提出了其空间核反应堆电源计划。美国《NASA 空间技术路线图与优先发展领 域》选出的重要的空间技术发展领域中，核反应 堆电源技术被赋予了优先发展级别，俄罗斯1998 年发布的《俄宇航核动力发展构想》则强调 要保持在空间核动力领域的国际领先地位，可见空间核反应堆电源仍是航天大国优先发展的重点。空间核反应堆电源主要包括核反应堆、控制与保护、屏蔽体、电源管理、热传输回路、热电能量转换、散热器和其他结构部件等。反应堆通过受控核裂变释放出热量，热传输回路将热量传送至 热电转换单元，热电转换单元将部分热能转换为电能，剩余热量通过散热器辐射到空间环境。为了将辐射损伤降到可以接受的水平，常在反应堆与元器件和人员之间设置屏蔽体。本文以安全可靠、技术可行和整体最优为原则，结合美国、苏/俄等研发空间核反应堆电源的经验，对用于星球表面探测的空间核反应堆电源进行了初步研究，分析了核反应堆及屏蔽、热电能量转换、传热散热等的相关技术，提出了初步方案选型，还提出了其发射和在星球表面布置的初步实现过程，可为星球表面核反应堆电源设计提供基础。

2 星球表面核反应堆电源的主要需求

星球表面核反应堆电源的主要需求包括: 1) 输出电功率不小于40 kW; 2) 寿命不小于8 年; 3) 质量不超出火箭和着陆器的运载能力; 4) 尺寸不超出火箭整流罩约束; 5) 能可靠地启动、运行和停止; 6) 符合《关于在外层空间使用核动力源的原 则》等国际上对空间核反应堆安全的一般要求。

3 核反应堆及屏蔽

3. 1 反应堆技术选型 

3. 1. 1 反应堆堆型 

热中子引发裂变反应的截面较大，因而采用热中子或超热中子能谱设计的热堆所需的铀燃料较少(如 SNAP-10A 中的235U仅为4. 7 kg)，更适用于短时间、低功率的空间任务，但由于需要大量慢化体对裂变中子进行慢化，因此具有较大的尺寸。快中子引发裂变反应的截面比热中子低2 ～3个量级，因而采用快中子能谱设计的快堆所需 燃料比热堆高数倍以上(如BUK 堆需235U 约30 kg)，能够满足高功率、长寿期的燃耗要求。由于不需要慢化体，堆体更紧凑、尺寸更小。考虑到减小质量和尺寸以及满足未来更高功率、更长寿期的需求，本文选择快中子反应堆作为星球表面核反应堆的堆型。

 3. 1. 2 堆芯工作温度 

堆芯工作温度与系统效率、可靠性和安全性 密切相关。从理论上讲，较高的堆芯温度可以实现较高的能量转换效率，并且能提高散热温度从而降低散热体的尺寸和质量。但较高的堆芯温度(比如1000 K以上)需要采用高温合金材料和耐高温的燃料元件，图1给出了部分空间核反应堆结构材料的使用温度。这些高温合金通常密度较大、难以加工、脆韧性转变温度高、辐射或氧气环境下可能失去韧性，而且缺乏可靠的研究数据和成熟的加工工艺，因此可能有较大的研发风险。另外，当前获得广泛关注的斯特林和布雷顿 能量转换单元热端容许的最高温度分别为1050K和1150 K，因此堆芯出口温度还受制于能量转换单元。

从技术成熟度角度考虑，可采用经过考核的、有可靠研究数据的核反应堆结构材料(比如316不锈钢)和燃料元件，可容许约900 K的堆芯温度。镍基高温合金或ODS钢作为结构材料分别可容许1200K和1400 K的最高堆芯温度，也具有较大应用潜力，但它们在高温和辐照作用下的性能以及与碱金属工质的相容性尚需确认，可作为备选材料。经过比较，本文选取900 K左右的工作温度。 

3. 1. 3 燃料 

目前国际上所有发射的空间堆和概念设计无一例外均采用高浓铀作为燃料。《关于在外层空间 使用核动力源的原则》也指出，空间核反应堆只能用高浓缩235U燃料。出于对高功率、长寿期、尽可能小的质量和尺寸以及燃耗补偿的考虑，反应堆燃料选择235U 浓缩度为90%以上的高浓铀。具体燃料类型则根据反应堆堆型、堆芯工作 温度和堆体质量和尺寸要求来选取，同时还要考虑其技术成熟度。空间核反应堆一般选取密度较大、力学性能和热学性能较好的燃料。可选的核燃料包括陶瓷(UO2、UN、UC)、合金(U-Mo、U-Zr、 U-ZrH)、金属陶瓷(W-UN)等。从抗辐照角度考虑采用陶瓷型燃料。而考虑到可靠性和技术成熟度，本文选取UO2陶瓷作为燃料。

3. 1. 4 结构材料 

结构材料选取与堆芯工作温度、功率和寿命 密切相关，主要考虑屈服强度、最大拉伸强度、蠕 变强度、延展性、断裂韧性、化学兼容性、弹性模 量、韧脆转变温度、导热性和热膨胀系数、焊接性 能、密度、中子学性能等。可选的材料包括不锈钢、镍基高温合金、ODS 钢和耐高温合金等，如图1所示。由于选取的900 K左右的工作温度不高，本文采用技术成熟、经过长期考验的304 不锈钢或316不锈钢作为燃料棒的包壳材料和堆体结构材料。 

3. 1. 5 反射体材料 

在堆芯外设计具有较高反应性价值的反射体，可以进一步减小堆芯的质量和尺寸，从而实现 更少的燃料装量和更紧凑的设计。Be 和BeO 是良好的慢化体和弱吸收反射体。另外，由于Be 具有较大的(n，2n)反应截面，同时发生(γ，n)的 能量阈值较低，因此对中子还具有增殖作用。与 BeO相比，高温下中子辐照对Be材料性能的影响 更小(肿胀和产生裂纹等)。因而本文选取Be作为反射体材料。

 3. 1. 6 反应堆控制 

采用金属 Be 作为反射体材料，采用 B4C作为中子吸收材料，通过改变中子泄漏率和中子吸收率来实现反应性调节。可采用的反应性调节方式主要有控制鼓、控制滑块等。采用控制鼓具有更高的可靠性，而控制滑块更易实现紧急情形的快速停堆。考虑到控制的可靠性，本文采用控制鼓方式。表1给出了发射阶段以及反应堆启动、运行及停堆阶段的反应性控制及反应堆的状态。

3. 1. 7 堆芯热交换 

热交换技术是制约反应堆功率的关键因素。目前的热交换技术主要包括气冷、液态碱金属冷却和热管冷却三种，其中气冷主要用于高温气冷堆-布雷顿直接循环发电，而液态碱金属冷却和热管冷却则可以与斯特林、温差电等多种热电能 量转换方式相结合。液态碱金属冷却需要电磁泵驱动，传热效率高，与地面的钠冷快堆等设计相似，技术相对成熟，但对于低功率系统其质量较大。热 管冷却方式对整个堆芯和一回路系统的密封要求最低，其结构简单，技术成熟，并且各个热管独立工作能避免单点失效。对于星球表面数十千瓦至百千瓦电功率需求，液态碱金属冷却和热管冷却均是可选的方案，具体选择还需进一步分析。 

3. 1. 8 反应堆初步选型 

针对40 kW电功率的星球表面核反应堆初步方案示意图如图2所示。