目前在航天设备中采用的主流电源系统主要有3类。第一类为使用广泛的化学能电池,如氢氧燃料电池,具有结构简单、技术成熟、电力输出平稳等优点,缺点是均为千瓦以内的低功率电源,并且在低温情况下性能下降,自持时间较短。第二类为太阳能电池,是目前在轨航天器中被广泛使用的电源。该技术成熟,工作可靠,电力供给时间长,功率可拓展性强。但是其缺点也是致命的,由于其极度依赖光照条件,对轨道及飞行姿态等均有严格限制,同时在阴影、深空和外太阳系等环境下不能工作。第三类为核电源,包括同位素电源与核反应堆电源。核能是自主能源,不受太阳光照和其他环境因素的影响。空间反应堆电源因能量密度高,在大功率情况下相比其他电池具有较高的功率质量比,可满足航天器在质量方面的严格要求; 功率调节范围大、质量轻、体积小、比面积小; 可在低光照或无光照条件下稳定工作,值得一提的是其低温工作性能优异,更适用于太空和深空环境。从20世纪60年代开始,各国纷纷对空间核动力进行探索,并对各种路线进行尝试。热管冷却反应堆因其模块化、长寿命周期等优点符合航行器的发展趋势,因此成为发展热点。本文通过梳理空间热管堆发展历史及国内外研究前沿工作,总结空间用热管反应堆电源的发展趋势及关键技术路径。

根据应用场景分类可以分为深空使用的空间核反应堆电源、陆地使用的可移动式微型核反应堆电源和应用于深海的无人航潜器核反应堆电源。图1结合传统空间推进动力发展情况^[1-2],给出了目前空间核动力系统核反应堆电源的分类,根据对核能具体应用形式的不同,可将空间核动力分为同位素电源、核反应堆电源^[3-5]及核热推进^[6-8]。从20世纪60年代起,人们就在航天活动中使用了空间核动力技术^[9]。1961年6月,美国国防部在子午仪导航通信卫星上装备了²³⁸Pu反射性同位素电源SNAP-3B7; 1965年SNAP-10A^[10]成功发射并在运行轨道正常运行,标志着反应堆电源正式进入空间应用; 紧随美国的研制进展,苏联5年后发射了装备BUK型空间核反应堆电源卫星^[9]; 1987年2月1日和7月10日,先后成功发射装备了TOPAZ-I型热离子空间堆电源的两艘飞行器^[11]。上述核反应堆电源由于研制流程长、配套系统复杂、运载质量大、设备寿命短等原因逐渐被以太阳能为主的卫星所代替。

图1 空间核动力系统分类
Fig.1 Classification of space nuclear power systems

依据目前空间反应堆电源的设计方案可以总结出其主要的系统构成及运行原理,堆芯产生的热能通过冷却剂带给热电转换系统进行发电。其主要系统由反应堆系统、热电转换系统、热排放系统、辐射屏蔽系统、控制系统及其辅助设备等组成^[12],系统能量流动原理见图2。核裂变在核反应堆堆芯内进行,产生的热能在热电转换系统内部分转变成电能(由热能转换为机械能再转换为电能),废热通过余热排出装置(辐射散热器)进入热阱(太空环境)。为减轻系统质量,对仪控及电气部件采用局部屏蔽方式,目前传统的方法是做影子屏蔽。控制系统负责对微型核反应堆电源的运行和供电状态进行监测、诊断、控制和调节。核反应堆电源根据能量转换方式划分为静态转换与动态转换两种方式。静态转换主要包括热离子转换、温差热电转换^[13-14]、碱金属转换^[15-16]等。正在研究的能用于空间核电源的动态转换包括布雷顿循环^[17-18]、斯特林循环^[19-20]及朗肯循环^[21-24]。

图2 微型核反应堆电源系统原理
Fig.2 Schematic diagram of the power supply system of the micro nuclear reactor

空间核反应堆电源根据冷却工质不同,主要分为液态金属(钠、钠钾、锂)冷却反应堆、气体冷却(氦氙、氦气)反应堆与热管冷却反应堆。液态金属冷却反应堆最具代表性的是俄罗斯TOPAZ等采用的NaK冷却剂,目前技术已非常成熟。美国的SP-100与SCoRe等则采用液态金属锂和钠。气体冷却空间堆多采用氦氙混合气体作为堆芯的冷却剂和动态热电转换的循环工质,通常结合布雷顿循环,如普罗米修斯计划、俄罗斯的空间核动力飞船等。热管冷却空间堆的方案较多,大多采用高温碱金属热管冷却(锂热管、钠热管及钾热管)。

目前,最具发展潜力、研究最为广泛的一类空间核反应堆电源是采用热管作为热量传递装置的热管冷却反应堆电源(以下简称“热管堆”)。与传统反应堆相比,热管堆主要具有以下特点和优势:具有固态属性,通过非能动方式与固体导热形成导出堆芯热量,传热链路可靠; 无泵阀类辅助部件,运行静默性强,系统配置简单; 采用模块化设计,易于安装,扩展性强; 结构紧凑,可以灵活应用于不同需求场景。

图3为典型的热管冷却反应堆堆芯示意图。其主要结构为一个燃料棒和热管交叉排布的堆芯,热管和燃料棒均位于导热基体中,堆芯外围布置有反射层与屏蔽层,一般采用控制转鼓控制堆芯反应性。根据功率需求的不同,可采用静态热电转换原件、斯特林或布雷顿循环完成能量转换。

图3 典型热管冷却反应堆堆芯示意图
Fig.3 Schematic diagram of a typical heat pipe cooled reactor core

20世纪60年代,为适应航天飞行器质量极轻、系统极简和固有安全性极高的要求,洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)以液态金属冷却堆为基础进行简化设计,并基于液态金属工质的热管设备,提出了一种全新的空间核反应堆设计方案,即热管冷却反应堆^[25]。液态金属热管最早应用于空间热离子反应堆电源的热排放系统设计(即辐射散热器)中,以提高换热效率和降低质量。LANL进一步将热管与堆芯导热和热电转换技术结合,基于堆芯物理设计和热工设计最终形成燃料棒-热管间隔排布的热管堆设计理念^[26-27]。

目前,世界各国对空间热管堆方案与关键技术研究^[28-29]已经进入工程试制阶段,且不断扩展热管堆在不同领域的应用,如深海、陆地可移动等场景。热管堆逐渐发展成为新型核动力技术的主流选择。目前全球提出的用于空间探索及星表供电的热管堆设计方案列于表1。

表1 热管堆的技术方案
Tab.1 Technical scheme of heat pipe cooled reactor

热管冷却反应堆因其模块化的设计思想、极简的系统设计与高可靠的反应堆结构设计等特点,成为业内学者关注的热点。围绕该设计的技术研发,国际上已经开展了耐高温燃料及材料、碱金属高温热管、热电转换技术等研究,并已获得大量技术突破和研究成果。由于当时设计方案功率密度比低、核安全研究内容不充分,且热电转换装置可靠性低,系统寿命较短,逐渐被太阳能所代替。

在21世纪初,随着美国重启空间探索计划,高效小型热电转换技术得到突破,热管冷却反应堆重新受到关注。2002年,LANL提出了热管与燃料元件呈六边形排布的“HOMER”设计方案。还提出创新型的热管分布在堆芯外围的设计形式,采用弥散燃料,热管分布于燃料基体周围。根据不同功率等级需求,各国研究机构基于其运行原理,在不同应用场景下方案进行设计优化提出了HP-STMCs、LEGO、MSR^[43]等热管冷却反应堆设计方案。2020年以来针对热管堆模块化的特性,美国国防部又支持了奥克洛公司和西屋公司以Aucura和eVinci两种堆型进行可移动核电源方案设计和申请建造许可。

自2010年开始国内也陆续关注热管堆在空间方面的应用,其中中国原子能科学研究院提出了多种热管堆设计方案,如行星供电平台HPCMR等^[44],西安交通大学针对热管堆深海应用提出了NUSTER系列热管堆方案。国内学者进一步将热管堆的应用向深海、陆基移动电源等领域进行拓展^[45]。

空间核电源的发展阶段主要分为方案设计、原理样机验证、非核原型样机验证、带核地面样机验证、飞行装置验证五大阶段。通过公开发表文献梳理得出,国际热管堆发展已经从带核地面样机验证进入频谱化和高度模块化发展阶段,但在工程实施阶段还有以下关键技术亟待突破。

1)热管冷却反应堆总体耦合模拟技术。空间热管冷却反应堆电源在全生命流程中,具有全固态堆芯和高温运行特点,系统在运行过程中需经历常温(发射阶段)、低温(进入预定轨道)、高温(在轨)运行等环境,对系统全流程总体设计提出了更高的要求,需结合核安全和航天航空相关力学规范开展设计工作。

2)微型核动力系统无人智能化控制技术。空间热管反应堆电源作为带核装置,在保证核安全的前提下开展无人智能化控制属于反应堆运行领域的空白区,与传统核电站具有复杂冗余控制及保护系统的运行相比,在极简测量控制系统条件下还需满足核安全相关规范,并对系统故障监测、智能控制和故障处理进行遥控,显得尤为困难,因此需开展反应堆控制系统小型化和智能化研究。

3)耐高温难熔金属材料研发。作为热管冷却反应堆电源特点的高温运行,对燃料、包壳材料、堆结构材料提出了更高的要求,核电站常用的镐合金材料已经无法满足,目前主流方案均采用高温下力学性能更优的钼合金、钨合金等,需开展辐照后相关性能数据测试支撑应用。

4)核-热-力-电全场耦合分析方法。与传统核电站可近似脱耦分析不同,热管冷却反应堆瞬时响应迅速,系统热惯性小,对于系统负载变化、运行力学载荷变化、热阱环境变化等较为敏感。为保证系统核安全,传统解耦方法过于保守,需采用更为精细的核-热-力-电全场耦合分析方法对反应堆状态进行预测和分析。

总之,尽管相较传统反应堆,固态热管堆堆芯结构较为简单,但其仍具有独特且复杂的运行特性。因此,针对高温热管和固态热管堆堆芯运行过程中的关键现象和机理开展基础理论和实验研究,并在此基础上建立数学物理模型、开发高温热管传热和热管堆运行特性分析软件平台,对于热管堆的设计研发、安全分析及事故预测都具有重要的科学意义和现实意义。