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空间核反应堆电源技术应用需求及发展前景研究

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2019/8/13 9:41:49  

摘要:空间核反应堆电源技术最初应用于军用航天任务,在后续科学技术发展过程中,空间技术逐步与核电技术进行了有机整合,取得了显著的效果。在近期国家安全规划中,空间核反应堆电源力量已成为新的战略力量、经济力量,有望为国家综合实力增强奠定坚实的基础。在2018年召开的“两会”中,全国人大代表、中国航天科技集团六院院长刘志让透露:航天六院正联合国内核动力相关研究设计单位,开展空间核反应堆的方案论证和关键技术研究工作,后续将形成核热、核电等多种方案,提高空间核反应堆电源技术在空间任务中的适应性。因此,对空间核反应堆电源技术进行进一步分析非常必要。

关键词:空间核反应堆电源技术; 能源转换; 反应堆;

1 空间核反应堆电源技术概述

空间核反应堆电源的主要用途是在空间任务中,将核反应堆产生能量通过热电转换系统转换为电力,并为航天器和星表空间基地等航天设施提供电力的装置。空间核反应堆电源主要包括影子辐射屏蔽、核反应堆本体、自动控制系统、废热排放系统和热电能源转换系统5个模块组成[1]。反应堆本体内进行的核裂变产生的热能,一部分可直接传输至热电转换系统,转换为电力为航天器和星表空间基地等航天设施供电;另外一部分则由废热排放系统,以辐射散热的形式,排放至宇宙空间内。影子辐射屏蔽一般布置在反应堆本体与其他模块之间以屏蔽反应堆运行时产生的辐射,保障航天设施和宇航员所受到的辐射在安全范围内,如图2所示。

图1 空间核反应堆电源系统

图2 影子屏蔽装置前后辐射场对比图

2 空间核反应堆电源技术应用需求

2.1 深空探测的需求

空间核反应堆在木星以外的大功率深空探测器中也存在巨大需求。木星接收到的太阳光的强度仅为地球的1/25,在木星以内的太阳系空间,航天器可以使用太阳能电池进行供电。而在木星以外,太阳能电池则无法为探测器提供充足的电力;放射性同位素电池虽然在探测器上应用比较广泛,但是由于其功率较低,无法满足大功率探测器的需求。因此空间核反应是深空探测器的理想电源。

2.2 空间应用的需求

作为空间武器的电源需要满足独立性、机动性、环境适用性、大功率、抗打击能力强等条件。在苏著亭、杨继才和柯国土等编著的《空间核动力》一书中对天基雷达系统和天基武器系统做了详细的介绍[2]。天基雷达系统的电功率需求一般在数十千瓦到兆瓦的范围内;而天基武器的系统又可以分为高功率微波武器、高能激光武器、粒子束武器和天基电子干扰卫星等,功率需求在数十千瓦到数十兆瓦之间。在大功率条件下,空间核反应堆的质量功率比要优于太阳能电池板,而空间核反应堆又具有较强的独立性、机动性、环境适用性等优势,是军用空间任务最理想的电源。

2.3 星表空间基地的需求

以月表空间基地为例,月表空间基地的电力需求在100kW以上,而月球表面的大部分地区的黑夜一般长达14天,太阳能电池无法满足月表空间基地的供电需求。但是空间核反应堆性能稳定,不依赖太阳光照,是月表空间基地的理想电源。同时由于火星距离太阳较远而且沙尘暴比较频繁,太阳能电池并不适用于火星表面的空间基地。而木星到太阳的距离是地球到太阳距离的5倍,在木星接受的太阳光无法保障太阳能电池为空间基地提供足够的电力。因此,太阳能电池也不适用于木星表面的空间基地。综上,空间核反应堆是星表空间基地最理想的空间电源。

3 空间核反应堆电源技术应用发展前景

3.1 空间核反应堆电源技术在军用航天任务中应用发展前景

在空间核反应堆电源最初研发应用时,主要用于军事任务,特别是地球轨道上军事任务。上世纪八十年代,美国发布了星球大战计划,主要内容是:建立了空间武器系统。对战略核武器的空间防御能力进行了研究并有效地降低了苏联对其的核威胁。星球大战计划的主要内容是在助推段、后助推段、中段、终段对来袭的洲际弹道导弹实施拦截,防御重点是助推段。计划涉及了预警及识别系统、、通信系统等几个模块。星球大战计划根据不同的防御状态对能源需求划分为了基态、爆发态、警戒态三个等级。任务周期在一年左右。

根据以上内容,空间核反应堆在后续研究过程中在以往单一技术路线选择的基础上,综合考虑功率适用范围、可行性、性能参数等因素,保证空间核反应堆电源技术发展与应用的有效结合。同时在技术研发阶段,具有较强的实际应用能力将成为空间核反应堆电源技术研究的前提。即根据空间核反应堆的使用环境和应用需求来制定空间核反应堆的研发路线。如美国为了登陆月球和火星并建立空间基地就开始研发可以适应月球和火星环境的空间核反应堆Kilopower[3]。Kilopower空间核反应堆采用了二氧化铀燃料、钠钾液态金属冷却反应堆、自由活塞式斯特林发电机、等成熟计划,设计电功率为40kWe,寿命在8年以内。Kilopower空间核反应堆在2018年5月成功进行了地面测试。

3.2 空间核反应堆电源技术在民用航天任务中应用发展前景

在空间核反应堆电源技术应用初期,研究人员就对空间核反应堆电源技术在民用航天任务中的应用进行了研究。如木星探测、地球轨道应用等。而为了了解空间核反应堆电源技术在民用航天任务中具体应用效果,国际机构及部分国家也针对空间核反应堆电源技术的和平利用进行了系统研究。在1995-2055间民用航天任务开展过程中,50.0kWe功率量级及以上空间核反应堆电源,可以广泛应用,且可以增强民用航天能力。

21世纪初期,IAEA对空间通讯及电视转播、空间探测导航、以及环境保护等大功率民用航天任务能源需求进行了综合概述。上述任务中功率需求大多在10.0kWe-100.0kWe量级之间。除了100kWe量级以下空间任务外,其余的空间任务均可使用空间核反应堆电源技术进行供电[4]。随后美国宇航局又发布了《空间技术路线图既有线任务》,将空间核反应堆电源技术划分为了1-10kWe、10-100.0kWe、1-5.0MWe三个功率量级。上述三个功率量级中1-10kWe量级主要针对科学探测;10-100.0kWe主要用于行星探测;1-5.0MWe主要用于执行载人登月等空间任务。

综上所述,从空间军用武器系统的电力需求来看,空间核反应堆电源技术具有寿命长、生存能力强等突出优势。且从稳定性、环境适应性和抗打击能力进行分析,空间核反应堆电源在军事航天任务中也具有较为优良的发展前景。在后续发展过程中,空间核反应堆电源将实现系列化功能全覆盖。

4 总结

空间核反应堆电源技术具有寿命长、结构紧凑、环境适应能力强、适用功率范围广等优势。虽然目前技术并未成熟,但是在空间任务中仍然具有非常广阔的应用前景和发展潜力。在后续研究过程中,科研人员可以从空间核反应堆电源技术原理出发,结合现阶段和未来空间任务需求,从军用、民用两个方面,进行深入研究,进一步优化空间核反应堆电源技术体系,为空间核反应堆电源技术的有效应用提供依据。相信在不久的将来,我国的航天事业会在核动力的助力下走向更遥远更广阔的星空。

参考文献

[1] 胡古, 赵守智.空间核反应堆电源技术概览[J].深空探测学报, 2017 (5) :430-443.

[2] 苏著亭, 杨继才, 柯国土.空间核动力[M]. 2016.

[3] 王晓博.千瓦级空间核反应堆电源发展现状[J].冶金丛刊, 2017 (10) :1-3.

[4] 伍浩松.哈萨克斯坦与IAEA签署燃料银行协议[J].国外核新闻, 2015 (6) :25-25.

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