2019年 2月 25～28日，美國核學(xué)會(huì)(ANS)航空核科學(xué)與技術(shù)部網(wǎng)站發(fā)布了 2019 年空間核與新興技術(shù)(NETS)會(huì)議錄。會(huì)議錄中，來自美國大學(xué)空間研究協(xié)會(huì)(USRA)的 J. StephenHerringa等研究人員發(fā)表了一篇題為“空間應(yīng)用的小型模塊化裂變反應(yīng)堆(SMFR)”的文章。

　　文章主要介紹了SMFR 的研發(fā)背景、技術(shù)成熟度狀況、低濃鈾選擇、初步研究結(jié)果以及后續(xù)研究工作五個(gè)方面內(nèi)容。

　　1SMFR的研發(fā)背景

　　美國國家航空航天局(NASA)、其他國際太空機(jī)構(gòu)、國有企業(yè)和私營企業(yè)家計(jì)劃在未來十年內(nèi)利用機(jī)器人探索外太空行星，并將人類重新送上月球，然后再訪問火星。通過公共或私人合作伙伴關(guān)系來開展這些活動(dòng)非常有利，這給 NASA和工業(yè)界提供了共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)和共享回報(bào)的機(jī)會(huì)。

　　未來人類和機(jī)器人任務(wù)活動(dòng)計(jì)劃包括：①表征行星表面形態(tài)、地質(zhì)和地質(zhì)化學(xué)，包括礦床和原位資源的詳細(xì)繪圖;②探索地表和地下環(huán)境，包括隕石坑、熔巖管道以及可能存在的地下海洋;③收集、返回并分析月球、小行星和火星表面和內(nèi)部的樣本;④用于建筑、生命支持和推進(jìn)劑生產(chǎn)的原位資源利用(ISRU);⑤勘探和開采月球和小行星資源，以便在太空中使用或者運(yùn)回地球;⑥建設(shè)前哨、定居點(diǎn)、棲息地和其他基礎(chǔ)設(shè)施。

　　所有這些機(jī)器人和人類活動(dòng)任務(wù)的共同點(diǎn)是需要充足可靠的電力支持。為了應(yīng)對建造太空商業(yè)電力設(shè)施的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，USRA最近開始了一項(xiàng)內(nèi)部研究和開發(fā)(IRAD)項(xiàng)目，針對能在月球上使用的 SMFR進(jìn)行概念研究。IRAD項(xiàng)目的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：①使用 NASA的 Kilopower設(shè)計(jì)作為起點(diǎn);②在月表提供 40～150kWe的電力;③無人值守運(yùn)行至少 20年;④使用 U-235豐度小于 20%的低濃鈾(LEU)U-Mo燃料。SMFR通過各種可能的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以為人類和機(jī)器人活動(dòng)任務(wù)提供所需的熱量和電力。該研究還將研究 SMFR設(shè)計(jì)的哪些方面適用于火星和其他深空任務(wù)。通過該項(xiàng)研究，或許能實(shí)現(xiàn)在 2028年之前開發(fā)用于月球上的 SMFR，資源充足的話或許更快。

　　與其他潛在電源相比，SMFR具有明顯的優(yōu)勢。盡管光伏系統(tǒng)將在未來的太空電力架構(gòu)中發(fā)揮重要作用，但它們無法在長時(shí)間的夜晚(最長可達(dá) 14個(gè)地球日)或在陰影區(qū)域發(fā)電，這將大大限制月球上設(shè)想的大多數(shù)應(yīng)用。在火星上，光伏系統(tǒng)也受到太陽強(qiáng)度和大氣塵埃的限制。類似地，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器(RTG)對行星和深空的機(jī)器人或人類活動(dòng)任務(wù)具有顯著的局限性。美國使用國外 Pu-238燃料運(yùn)行的 RTG通常僅能提供幾百瓦的電力。為了滿足機(jī)器人任務(wù)對深空電源的需求，美國最近才重新啟動(dòng)了 Pu-238的生產(chǎn)，但是生產(chǎn)非常昂貴且緩慢，不足以滿足需要多個(gè) RTG的任務(wù)。

　　2SMFR的技術(shù)成熟狀況

　　大型高功率裂變反應(yīng)堆的技術(shù)非常成熟，目前正在全世界范圍的電力領(lǐng)域和海軍推進(jìn)應(yīng)用中使用。然而，現(xiàn)有的反應(yīng)堆因尺寸問題，并不適用于太空。能源部(DOE)正努力開發(fā)地面應(yīng)用的 SMFR，輸出功率為 300 MWe或更低。開發(fā) SMFR通常是為了解決電力市場對更小、模塊化電站的需求，這樣就可以不必花費(fèi)巨大成本將裝機(jī)容量從1000 MWe提升至1600 MWe。此外，較小的機(jī)組也更適合于工廠制造標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，并使得工程和工具的成本可以分?jǐn)傇诙鄠€(gè)核電站的生產(chǎn)中。

　　作為 Kilopower項(xiàng)目的一部分，NASA目前正在進(jìn)行空間應(yīng)用 SMFR技術(shù)的研發(fā)。Kilopower項(xiàng)目主要是對使用高濃鈾(HEU)的裂變堆進(jìn)行概念驗(yàn)證，其優(yōu)點(diǎn)是初始輸出功率為1 kWe，具有達(dá)到10 kWe的潛能。

　　USRA的 SMFR IRAD項(xiàng)目旨在研究：基于 Kilopower已經(jīng)成功的 1 kWe 概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究建造具有成本效益的商業(yè)成熟 SMFR所需的各種條件，使得該項(xiàng)技術(shù)能夠?yàn)樵虑虮砻娴膹V泛探索、資源勘探和 ISRU活動(dòng)提供所需的電力水平(輸出功率為 40～150 kWe)。

　　3SMFR的低濃鈾燃料選擇

　　USRA的 SMFR IRAD項(xiàng)目與 NASA的 Kilopower項(xiàng)目之間的顯著差異在于前者采用了 LEU 燃料。雖然 HEU比 LEU 具有更多優(yōu)勢，包括采用 HEU 將需要更少的核燃料、可使用更多種類的材料以及不需要慢化劑等，但是從商業(yè)角度來看，HEU存在一些難以克服的問題。

　　HEU中有足夠的 U-235可用于核武器，與 HEU的生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存和使用相關(guān)的制造、安全和安保成本使其在商業(yè)上不切實(shí)際。HEU本質(zhì)上是美國政府的財(cái)產(chǎn)，故在燃料的整個(gè)生命周期中必須保持由政府控制，而這一點(diǎn)基本消除了在太空或地球上商業(yè)運(yùn)行 HEU反應(yīng)堆的可能性。

　　相反地，LEU難以用于核武器，相應(yīng)的限制也少得多。LEU的成本和可用性使其成為 SMFR的良好候選燃料。USRA在概念研究中將徹底解決使用 LEU燃料相關(guān)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)難題。使用 LEU燃料需要更大質(zhì)量的燃料才能達(dá)到臨界狀態(tài)，為了克服這一劣勢，可以分析哪些同位素會(huì)導(dǎo)致中子吸收，然后評估去除這些同位素的可行性。另外，靈活使用慢化劑材料、中子反射器和輻射屏蔽可以減少 LEU的質(zhì)量損失。

　　4SMFR的初步研究結(jié)果

　　USRA聲稱，在對比HEU的總成本、管理復(fù)雜性和安全影響后，基于 LEU 的 SMFR 月球表面系統(tǒng)的質(zhì)量損失是可以接受的。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，USRA在 SMFR研究中的第一步是開發(fā)出質(zhì)量估算方法，估算等功率輸出的 LEU和 HEU系統(tǒng)的質(zhì)量。

　　2017 年，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的 Poston 和McClure對太空應(yīng)用的兩種尺寸(1 kWe和 10 kWe)裂變堆的質(zhì)量進(jìn)行了比較。USRA參考了 Poston和 McClure的研究報(bào)告，對反應(yīng)堆的七個(gè)主要組成部分進(jìn)行了分析，并將功率水平調(diào)到更高，即為月球表面的重要勘探、ISRU和居住活動(dòng)提供動(dòng)力所需的功率水平。USRA 比較了使用 HEU 鈾鉬(7wt%)燃料的 1 kWe和 10 kWe的兩個(gè)概念反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，以及使用 LEU(19.75%)合金燃料的兩種不同設(shè)計(jì)，得出的結(jié)果如下：

　　(1)HEU的相對質(zhì)量優(yōu)勢在 40～150 kWe功率范圍內(nèi)顯著降低：40 kWe時(shí)，質(zhì)量差異約為 33%;150 kWe時(shí)，質(zhì)量差異降至 15%;

　　(2)在 1～150 kWe 功率范圍內(nèi)，質(zhì)量差異保持在 900 千克左右，燃料本身的質(zhì)量幾乎恒定;

　　(3)質(zhì)量差異中約一半來自燃料本身，剩余部分來自γ射線和中子屏蔽設(shè)施。

　　這些基于 Poston和 McClure計(jì)算的估計(jì)表明，HEU在低功率方面優(yōu)勢最明顯。盡管如此，USRA認(rèn)為還需進(jìn)一步開展使用LEU的后續(xù)相關(guān)研究。

　　5SMFR的后續(xù)研究工作

　　鑒于需要進(jìn)一步優(yōu)化用于月球表面的SMFR所需考慮的參數(shù)數(shù)量，以及最大限度減少空間反應(yīng)堆實(shí)施的阻礙，在未來十年內(nèi)需要對各種可行策略的設(shè)計(jì)選擇進(jìn)行更加詳細(xì)和深入的研究。這項(xiàng)研究原計(jì)劃于2019年6月完成，研究成果包括完成一種或多種配置的概念設(shè)計(jì)、質(zhì)量和體積估算以及成本估算。

　　USRA SMFR研究團(tuán)隊(duì)的具體設(shè)計(jì)選擇涵蓋了 SMFR設(shè)計(jì)的三個(gè)重要方面，即燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料的選擇、熱控制方式以及反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)選項(xiàng)。

　　(1)燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料的選擇

　　通過選擇燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料也可以實(shí)現(xiàn)更高的中子經(jīng)濟(jì)性，特別是去除掉某些同位素。例如，在 LEU 核熱推進(jìn)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)中，Patel等人在其 2016年發(fā)表的文章中指出，在 W-UO2燃料中去除 W-186是必要的。在高密度、高溫 UN燃料中使用 N-15(0.4%的天然氮)既可以避免 N-14(n，p)反應(yīng)，又大大減少了放射性 C-14 的產(chǎn)生。同樣，從高溫反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)組件中去除Mo-95可減少中子吸收。該部分研究將重點(diǎn)關(guān)注最符合SMFR設(shè)計(jì)目標(biāo)的材料選擇。

　　(2)熱控制方式

　　在反應(yīng)堆電力系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)工程中，其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)是需要開發(fā)有效的散熱器。雖然地面發(fā)電站可以使用方便的湖泊或河流進(jìn)行散熱，但軌道反應(yīng)堆必須依靠黑體輻射散熱到具有4K本底溫度的太空。作為一項(xiàng)粗略的比較，溫度為 300 K 的黑體表面以 460 W/m2的輻射度向太空散熱，溫度為 300 K 的靜水中以 14 kW/m2輻射度散熱，兩者散熱效率大約相差 30倍。黑體輻射器將要在溫度 700 K 時(shí)以 14 kW/m2的輻射度散熱。因此，為任何軌道發(fā)電系統(tǒng)精心設(shè)計(jì)散熱器至關(guān)重要。

　　使用 HEU 的 Kilopower 反應(yīng)堆使用夾在固體金屬堆芯外部的液態(tài)鈉熱管冷卻。較大的反應(yīng)堆需要在堆芯內(nèi)部使用熱管以降低溫度峰值。

　　木星冰月軌道器(JIMO)計(jì)劃為其 20年的任務(wù)提出建造一個(gè) 200 kWe的氣冷式布雷頓循環(huán)反應(yīng)堆。DOE的海軍反應(yīng)堆團(tuán)隊(duì)從 2003年到 2005年進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)研究。JIMO反應(yīng)堆設(shè)計(jì)將作為行業(yè)研究中一個(gè)具有寶貴價(jià)值的參考。

　　月球(或火星)表面上的反應(yīng)堆可能使用高緯度隕石坑中的地下冰沉積物作為散熱器。隕石坑的墻壁遮擋了隕石坑內(nèi)部，使其免受太陽光直射，散熱器表面上的可移動(dòng)陰影可能會(huì)使散熱效果更佳。

　　(3)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)選項(xiàng)

　　Kilopower設(shè)計(jì)緊湊，堆芯大約是一卷紙巾的大小，熱量通過包含液態(tài)金屬-蒸汽的熱管和一個(gè)中央芯體轉(zhuǎn)移到能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該部分研究將考慮設(shè)計(jì)一個(gè) LEU 堆芯結(jié)構(gòu)，堆芯周圍是鈹反射器。鈹反射器將中子反射回堆芯，使得中子損失最小。

　　由于 LEU堆芯的 U-238豐度大于 80%，因此需要盡量地減少 U-238在 6.7 eV能量附近的共振吸收。一種技術(shù)是使用厚的金屬燃料部件以適度慢化中子，使得 6.7eV 附近的中子流在燃料表面處耗盡，并且因?yàn)殁櫟娜趼允沟萌剂锨騼?nèi)部的束流不會(huì)進(jìn)一步被 6.7eV 共振耗盡。因此，可以保留 Kilopower 堆芯的環(huán)形結(jié)構(gòu)，盡管 LEU堆芯明顯比 HEU堆芯的質(zhì)量更高。

　　更高功率的設(shè)計(jì)將需要更多的熱管，主要分布在外圍，而在堆芯內(nèi)部僅有少量熱管。該部分研究中，元件尺寸和慢化材料將是主要的結(jié)構(gòu)配臵選擇。盡管鈹是反射器可能選擇的材料，但也會(huì)考慮使用石墨。