进军火星：空间核反应堆电源关键技术的测试

去年12月11日，特朗普正式签署了国家太空委员会 1 号令，指令的核心内容为：将力促让人类重返月球，并且为今后的载人登陆火星做好充分的技术准备。

进军火星涉及重型运载、落火、返回等诸多关键技术，但要解决人类在火星上生活的首要问题就是供电。

特朗普签署国家太空委员会一号令

人类要实现在火星等外星球长期驻扎，一个可靠而有效的电力系统是必不可少的：日常生活必需的照明、饮水、供氧等都需要电力，完成特定的太空实验和生产返程用的燃料等更离不开稳定、持续的电力系统。

外星球基地设想图

现有供电系统的电能来源主要有三种：化学能、太阳能和核能，他们有着各自的优势，并分别适用于不同的任务需求。化学能电池更适用于短期、高功率任务。化学电池能够在小时级任务中，提供高达 6 万 kW 的电功率，但当任务周期延长至 1 个月时，其只能提供千瓦以下电功率，因此化学电池通常用于执行短期任务的返回式航天器上。太阳能电池适用于中长期、中低功率任务。太阳能本身不能提供瞬间大功率输出，能量密度也有限，其在 10～50 kW 功率量级时效率最高，同时具有较长的使用寿命，因此太阳能电池通常服务于光照条件良好、中等功率水平的中长期任务，例如绝大多数长期任务的卫星多数都采用太阳能电池提供电力。

核能电源包括两种：一种是是放射性同位素电池，另一种是空间核反应堆电源。放射性同位素电池输出电功率较小，通常在百瓦级以下，但可长周期连续提供电力，特别适合于光照条件不好、功率需求不高的长周期无人深空探测及星表探测任务，例如 NASA 的卡西尼号、新地平线号、好奇号火星车等伟大成就都依赖于放射性同位素电池。空间核反应堆电源则可以为不同功率需求的任务提供长期电力供给，然而考虑到综合效费比，通常将其应用在中高功率（大于10kWe）需求的航天任务。据计算，在 30Kw功 率以上，空间核反应堆的能量密度优势得以体现，能够比同等功率的太阳能电池板具有更低的发射质量。

火星探索是长期的航天任务，排除了仅用于短期任务的化学能，只剩下太阳能电池和核能有施展的空间。但是在火星上，太阳能在各个季节变化很大，不能提供稳定的电能来源；火星上频繁的沙尘暴可能持续数月，沙尘覆盖在太阳能电池板的表面将直接影响发电效率；火星的夜晚会超过 12 个小时，昼夜交替也限制了太阳能电池板的应用。跟火星类似的是，月球上长达 14 个地球日的月夜也会严重影响到太阳能的利用。

遭沙尘覆盖的太阳能电池板

与太阳能电池相比较，空间核反应堆电源的优势在于其为自主电源，不依赖于阳光等外界条件，能够从容应对火星上复杂的气候环境，可以全天时、全天候工作。其次，适用功率范围广，可以覆盖千瓦至兆瓦级功率输出，可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。另外，功率密度大，质量功率比随功率增长而降低，且功率越大，质量优势越明显，非常适合于火星长期驻扎这种大功率的航天任务。不过，空间核反应堆电源也具有技术复杂、研发周期长、投资高的特点，存在并需要解决辐射防护和核安全等特殊问题。

2018 年 1 月 18 日，NASA 在内华达州开展的 Kilopower 紧凑型核电源测试取得成功。Kilopower 是 NASA、洛斯阿拉莫斯国家实验室、Y12 国家安全综合体等机构联合研发的小型核反应堆，使用 U235 作为核燃料，可产生 1-10 千瓦的电力，并可连续使用十年之久。1 个 Kilopower 电源能够满足两个普通家庭连续使用10年的供电需求，四个该型电源就能支撑建立一个火星基地了。

该反应堆电源使用铀钼合金堆芯，反应堆热量通过无源钠热管传递，由斯特林发动机进行热电转换，将热能转化为电力。其主要结构如下图示，最下方的堆芯包裹在氧化铍制成的中子反射层中间，由碳化硼控制棒进行反应堆启停控制，控制棒移出堆芯后，快中子反应堆的裂变反应开始进行并放出热量。

Kilopower 结构示意图

堆的上方是由氢化锂和钨制成的影子屏蔽体，能有效屏蔽堆芯辐射，将核反应堆产生的辐射剂量减弱至有效载荷和宇航员可接受的水平。堆中的热量通过无源钠热管传到上方的八台斯特林发动机，驱动斯特林发动机转动发电。 

Kilopower 斯特林发动机外观图

斯特林发动机原理图

发电剩余的热量则通过最上方能够展开的钛水热管辐射散热器散出。辐射器在政策工作时是需要展开的，以增大面积，提高散热效率，下图是辐射散热器展开过程中的状态图。

辐射散热器的展开过程图

四个Kilopower联合工作的示意图

目前，NASA 正在与美国能源部合作进行测试，测试将持续到明年年初。今年 3 月底将进行连续约 28 小时的满功率测试，以解决诸多技术问题，并将技术成熟度提升至第 5 级。

美国空间核反应堆电源的发展历程可分为几个不同阶段：

第 1 阶段是 20 世纪 50—70 年代的初创阶段。美国在这个时期以核辅助电源系统计划（SNAP）为中心开展了大量的概念设计和技术研发活动。1965 年 4 月，美国将电功率为 500 W 的 SNAP-10A 成功送入太空，运行43天后被永久关闭。SNAP-10A是世界上第一个发射至空间的核反应堆电源，也是迄今美国唯一发射的空间核反应堆电源。由于国防需求不明确以及太空任务优先顺序的调整，美国政府于 1973 年终止了空间核反应堆电源的大规模开发投入。

第 2 阶段是 20 世纪 80 年代初至 90 年代初的复兴阶段。在「星球大战」计划及太空探索倡议计划的支持下，美国空间核反应堆电源研究开发得以复苏，开展了以 SP-100 计划为主的研发工作，后因政府优先任务再次调整和投资削减再次陷入低潮。

第 3 阶段是 21 世纪初至今的新时代。进入 21 世纪后，美国吸取以往经验，更加注重于利用已有成熟技术降低成本和风险，并缩短研发周期。其重点计划包括为未来星球基地供电的「经济可承受星表裂变电源计划（AFSPS）」以及「千瓦级电源计划 Kilopower」。2013 年，美国完成了 AFSPS 的部件和子系统的研制与测试，2015 年完成了非核集成演示工作。Kilopower 则作为同位素电池的备用以及填补同位素电池（千瓦以下）和 AFSPS（数十千瓦级）之间的功率空当，目前已经取得了原型堆测试的初步成功。

Kilopower 原型堆测试的成功，标志着美国空间核反应堆的发展螺旋上升到了一个新的历史阶段。在这个阶段中，美国抛弃了与苏联恶性竞争、盲目拼指标的发展理念，更加注重降低成本和风险，并同步推进两个不同功率级别的空间核反应堆研究，以应对未来同位素电池的减产，同时满足未来不同功率级别的航天任务需求。随着特朗普重返月球、进军火星战略的实施，太空委员会发挥主导作用逐渐显现，美国的空间核反应堆技术必将迎来下一个发展的黄金时期。