干货 | 一文了解空间应用的小型模块化裂变反应堆

2019年 2月 25～28日，美国核学会（ANS）航空核科学与技术部网站发布了 2019 年空间核与新兴技术（NETS）会议录。会议录中，来自美国大学空间研究协会（USRA）的 J. StephenHerringa等研究人员发表了一篇题为“空间应用的小型模块化裂变反应堆（SMFR）”的文章。

文章主要介绍了SMFR 的研发背景、技术成熟度状况、低浓铀选择、初步研究结果以及后续研究工作五个方面内容。

1SMFR的研发背景

美国国家航空航天局（NASA）、其他国际太空机构、国有企业和私营企业家计划在未来十年内利用机器人探索外太空行星，并将人类重新送上月球，然后再访问火星。通过公共或私人合作伙伴关系来开展这些活动非常有利，这给 NASA和工业界提供了共担风险和共享回报的机会。

未来人类和机器人任务活动计划包括：①表征行星表面形态、地质和地质化学，包括矿床和原位资源的详细绘图；②探索地表和地下环境，包括陨石坑、熔岩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内部的样本；④用于建筑、生命支持和推进剂生产的原位资源利用（ISRU）；⑤勘探和开采月球和小行星资源，以便在太空中使用或者运回地球；⑥建设前哨、定居点、栖息地和其他基础设施。

所有这些机器人和人类活动任务的共同点是需要充足可靠的电力支持。为了应对建造太空商业电力设施的挑战和机遇，USRA最近开始了一项内部研究和开发（IRAD）项目，针对能在月球上使用的 SMFR进行概念研究。IRAD项目的设计特点包括：①使用 NASA的 Kilopower设计作为起点；②在月表提供 40～150kWe的电力；③无人值守运行至少 20年；④使用 U-235丰度小于 20％的低浓铀（LEU）U-Mo燃料。SMFR通过各种可能的能量转换技术，可以为人类和机器人活动任务提供所需的热量和电力。该研究还将研究 SMFR设计的哪些方面适用于火星和其他深空任务。通过该项研究，或许能实现在 2028年之前开发用于月球上的 SMFR，资源充足的话或许更快。

与其他潜在电源相比，SMFR具有明显的优势。尽管光伏系统将在未来的太空电力架构中发挥重要作用，但它们无法在长时间的夜晚（最长可达 14个地球日）或在阴影区域发电，这将大大限制月球上设想的大多数应用。在火星上，光伏系统也受到太阳强度和大气尘埃的限制。类似地，放射性同位素热电发生器（RTG）对行星和深空的机器人或人类活动任务具有显著的局限性。美国使用国外 Pu-238燃料运行的 RTG通常仅能提供几百瓦的电力。为了满足机器人任务对深空电源的需求，美国最近才重新启动了 Pu-238的生产，但是生产非常昂贵且缓慢，不足以满足需要多个 RTG的任务。

2SMFR的技术成熟状况

大型高功率裂变反应堆的技术非常成熟，目前正在全世界范围的电力领域和海军推进应用中使用。然而，现有的反应堆因尺寸问题，并不适用于太空。能源部（DOE）正努力开发地面应用的 SMFR，输出功率为 300 MWe或更低。开发 SMFR通常是为了解决电力市场对更小、模块化电站的需求，这样就可以不必花费巨大成本将装机容量从1000 MWe提升至1600 MWe。此外，较小的机组也更适合于工厂制造标准化的模块，并使得工程和工具的成本可以分摊在多个核电站的生产中。

作为 Kilopower项目的一部分，NASA目前正在进行空间应用 SMFR技术的研发。Kilopower项目主要是对使用高浓铀（HEU）的裂变堆进行概念验证，其优点是初始输出功率为1 kWe，具有达到10 kWe的潜能。

USRA的 SMFR IRAD项目旨在研究：基于 Kilopower已经成功的 1 kWe 概念验证实验，进一步研究建造具有成本效益的商业成熟 SMFR所需的各种条件，使得该项技术能够为月球表面的广泛探索、资源勘探和 ISRU活动提供所需的电力水平（输出功率为 40～150 kWe）。

3SMFR的低浓铀燃料选择

USRA的 SMFR IRAD项目与 NASA的 Kilopower项目之间的显著差异在于前者采用了 LEU 燃料。虽然 HEU比 LEU 具有更多优势，包括采用 HEU 将需要更少的核燃料、可使用更多种类的材料以及不需要慢化剂等，但是从商业角度来看，HEU存在一些难以克服的问题。

HEU中有足够的 U-235可用于核武器，与 HEU的生产、运输、贮存和使用相关的制造、安全和安保成本使其在商业上不切实际。HEU本质上是美国政府的财产，故在燃料的整个生命周期中必须保持由政府控制，而这一点基本消除了在太空或地球上商业运行 HEU反应堆的可能性。

相反地，LEU难以用于核武器，相应的限制也少得多。LEU的成本和可用性使其成为 SMFR的良好候选燃料。USRA在概念研究中将彻底解决使用 LEU燃料相关的反应堆设计难题。使用 LEU燃料需要更大质量的燃料才能达到临界状态，为了克服这一劣势，可以分析哪些同位素会导致中子吸收，然后评估去除这些同位素的可行性。另外，灵活使用慢化剂材料、中子反射器和辐射屏蔽可以减少 LEU的质量损失。

4SMFR的初步研究结果

USRA声称，在对比HEU的总成本、管理复杂性和安全影响后，基于 LEU 的 SMFR 月球表面系统的质量损失是可以接受的。为了验证这一结论，USRA在 SMFR研究中的第一步是开发出质量估算方法，估算等功率输出的 LEU和 HEU系统的质量。

2017 年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的 Poston 和McClure对太空应用的两种尺寸（1 kWe和 10 kWe）裂变堆的质量进行了比较。USRA参考了 Poston和 McClure的研究报告，对反应堆的七个主要组成部分进行了分析，并将功率水平调到更高，即为月球表面的重要勘探、ISRU和居住活动提供动力所需的功率水平。USRA 比较了使用 HEU 铀钼（7wt%）燃料的 1 kWe和 10 kWe的两个概念反应堆设计，以及使用 LEU（19.75%）合金燃料的两种不同设计，得出的结果如下：

（1）HEU的相对质量优势在 40～150 kWe功率范围内显著降低：40 kWe时，质量差异约为 33％；150 kWe时，质量差异降至 15％；

（2）在 1～150 kWe 功率范围内，质量差异保持在 900 千克左右，燃料本身的质量几乎恒定；

（3）质量差异中约一半来自燃料本身，剩余部分来自γ射线和中子屏蔽设施。

这些基于 Poston和 McClure计算的估计表明，HEU在低功率方面优势最明显。尽管如此，USRA认为还需进一步开展使用LEU的后续相关研究。

5SMFR的后续研究工作

鉴于需要进一步优化用于月球表面的SMFR所需考虑的参数数量，以及最大限度减少空间反应堆实施的阻碍，在未来十年内需要对各种可行策略的设计选择进行更加详细和深入的研究。这项研究原计划于2019年6月完成，研究成果包括完成一种或多种配置的概念设计、质量和体积估算以及成本估算。

USRA SMFR研究团队的具体设计选择涵盖了 SMFR设计的三个重要方面，即燃料包壳和结构材料的选择、热控制方式以及反应堆结构选项。

（1）燃料包壳和结构材料的选择

通过选择燃料包壳和结构材料也可以实现更高的中子经济性，特别是去除掉某些同位素。例如，在 LEU 核热推进反应堆的设计中，Patel等人在其 2016年发表的文章中指出，在 W-UO2燃料中去除 W-186是必要的。在高密度、高温 UN燃料中使用 N-15（0.4％的天然氮）既可以避免 N-14（n，p）反应，又大大减少了放射性 C-14 的产生。同样，从高温反应堆结构组件中去除Mo-95可减少中子吸收。该部分研究将重点关注最符合SMFR设计目标的材料选择。

（2）热控制方式

在反应堆电力系统的整个系统工程中，其中一项挑战是需要开发有效的散热器。虽然地面发电站可以使用方便的湖泊或河流进行散热，但轨道反应堆必须依靠黑体辐射散热到具有4K本底温度的太空。作为一项粗略的比较，温度为 300 K 的黑体表面以 460 W/m2的辐射度向太空散热，温度为 300 K 的静水中以 14 kW/m2辐射度散热，两者散热效率大约相差 30倍。黑体辐射器将要在温度 700 K 时以 14 kW/m2的辐射度散热。因此，为任何轨道发电系统精心设计散热器至关重要。

使用 HEU 的 Kilopower 反应堆使用夹在固体金属堆芯外部的液态钠热管冷却。较大的反应堆需要在堆芯内部使用热管以降低温度峰值。

木星冰月轨道器（JIMO）计划为其 20年的任务提出建造一个 200 kWe的气冷式布雷顿循环反应堆。DOE的海军反应堆团队从 2003年到 2005年进行了相关设计研究。JIMO反应堆设计将作为行业研究中一个具有宝贵价值的参考。

月球（或火星）表面上的反应堆可能使用高纬度陨石坑中的地下冰沉积物作为散热器。陨石坑的墙壁遮挡了陨石坑内部，使其免受太阳光直射，散热器表面上的可移动阴影可能会使散热效果更佳。

（3）反应堆结构选项

Kilopower设计紧凑，堆芯大约是一卷纸巾的大小，热量通过包含液态金属-蒸汽的热管和一个中央芯体转移到能量转换系统。该部分研究将考虑设计一个 LEU 堆芯结构，堆芯周围是铍反射器。铍反射器将中子反射回堆芯，使得中子损失最小。

由于 LEU堆芯的 U-238丰度大于 80％，因此需要尽量地减少 U-238在 6.7 eV能量附近的共振吸收。一种技术是使用厚的金属燃料部件以适度慢化中子，使得 6.7eV 附近的中子流在燃料表面处耗尽，并且因为铀的弱慢化性使得燃料球内部的束流不会进一步被 6.7eV 共振耗尽。因此，可以保留 Kilopower 堆芯的环形结构，尽管 LEU堆芯明显比 HEU堆芯的质量更高。

更高功率的设计将需要更多的热管，主要分布在外围，而在堆芯内部仅有少量热管。该部分研究中，元件尺寸和慢化材料将是主要的结构配臵选择。尽管铍是反射器可能选择的材料，但也会考虑使用石墨。