北极星电力网首页
广告投放 | 会员服务




北极星“光伏+”研讨会 2018中国分布式储能峰会 北极星售电研讨会 第三届燃气轮机中国论坛2018
热门关键词:
要闻评论市场报道项目 访谈政策数据技术企业人才财经管理国际人物会展会议培训论坛招标媒体回顾
您当前的位置:北极星电力网 > 新闻频道 > 核电网 > 技术 > 正文

进军火星: 美国空间核反应堆技术进入发展新阶段

北极星电力网新闻中心  来源:踢围TechSavvy    2018/2/13 9:54:16  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 反应堆 核电源 核能

北极星核电网讯:美国国家太空委员会1号令,为今后的载人登陆火星做好充分的技术准备,但要解决人类在火星上生活的首要问题就是供电。

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。

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10~50kW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。

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

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。

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500W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。

原标题:进军火星: 美国空间核反应堆技术进入发展新阶段

分享到:
投稿联系:陈女士  13693626116  新闻投稿咨询QQ: 1831213786
邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#换成@)
北极星电力网声明:此资讯系转载自北极星电力网合作媒体或互联网其它网站,北极星电力网登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述。文章内容仅供参考。
热门推荐
相关专题

关闭

重播

关闭

重播

广告直拨:   媒体合作/投稿:陈女士 13693626116点击这里给我发消息

关于北极星 | 广告服务 | 会员服务 | 媒体报道 | 营销方案 | 成功案例 | 招聘服务 | 加入我们 | 网站地图 | 在线帮助 | 联系我们 |

版权所有 © 1999-2018 北极星电力网(Bjx.Com.Cn) 运营:北京火山动力网络技术有限公司

京ICP证080169号 京ICP备09003304号-2 京公网安备 11010502034458号 电子公告服务专项备案