1、早期計劃：20世紀60年代至80年代
從1959-1973年，美國有一個核火箭計劃 ——火箭車應(yīng)用核發(fā)動機(NERVA)——其重點是在發(fā)射的后期階段用核能替代化學火箭。
NERVA使用石墨芯反應(yīng)堆加熱氫氣并通過噴嘴排出。大約20臺發(fā)動機在內(nèi)華達州進行了測試，產(chǎn)生的推力高達航天飛機發(fā)射器的一半以上。
從那時起，“核火箭”一直是打算用于太空推進，而不是發(fā)射。NERVA的后續(xù)發(fā)展是今天的核熱火箭(NTR)。
另一個早期想法是美國的“獵戶座”計劃，該計劃將使用一系列小型核爆炸從地球發(fā)射一艘約1000噸的大型航天器。
該項目由通用原子公司于1958年啟動，1963年因《禁止大氣試驗條約》而中止。
獵戶座項目為其他項目提供了思路，例如ICAN-Ⅱ和AIMStar，其他產(chǎn)生推進脈沖的方法也被考慮在內(nèi)。
1965年推出的美國SNAP-10A是一個45kWt的熱核裂變反應(yīng)堆，使用ZrH慢化劑(或UZrH燃料)和共晶NaK冷卻劑供，給熱電轉(zhuǎn)換器面板產(chǎn)生650瓦的功率。
它在590瓦的功率下運行了43天，但由于電壓調(diào)節(jié)器(而非反應(yīng)堆)故障而關(guān)閉。
這一時期，美國的最后一個太空反應(yīng)堆計劃是NASA-DOE-美國國防部的一個聯(lián)合項目，該項目開發(fā)了SP-100反應(yīng)堆——一個2 MWt的快速反應(yīng)堆裝置和熱電系統(tǒng)，功率達100kWe——作為軌道任務(wù)的多用途電源或月球/火星表面電站。
在吸收了近10億美元后，這項計劃于20世紀90年代初終止。
該反應(yīng)堆使用了氮化鈾燃料，并且是鋰燃料。
在20世紀80年代末，美國國防部與能源部合作，推進多兆瓦(MMW)空間動力計劃。
這一能力遠遠超出了民用空間計劃的要求。
對于航天器推進，核熱火箭(NTP或NTR)推進系統(tǒng)已經(jīng)獲得了一些經(jīng)驗，據(jù)說這些系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟并得到了驗證。
核裂變加熱氫推進劑，氫推進劑作為液體儲存在冷卻罐中。
熱氣(約2500℃)通過噴嘴排出以產(chǎn)生推力(可通過向超音速氫氣排氣中注入液氧來增加推力)。
這比化學反應(yīng)更有效。雙模態(tài)版本將在航天器上運行電氣系統(tǒng)，包括強大的雷達，并提供推進。
與核電等離子體系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)在更短的時間內(nèi)具有更大的推力，可用于發(fā)射和著陸。
2、后項目：20世紀90年代
直到20世紀80年代末，人們的注意力轉(zhuǎn)向了核電推進(NEP)系統(tǒng)，在該種設(shè)想中，核反應(yīng)堆是電離子驅(qū)動的熱源，將等離子體從噴嘴中排出，以推動已經(jīng)在太空中的航天器。
超導磁電池電離氙(或氫)，將其加熱到極高的溫度(數(shù)百萬℃)，并使用極高的電壓使其加速，以極高的速度(例如30 km/s)將其排出，以提供推力。
雖然相對于火箭來說，推力很小，但它在太空中的長期應(yīng)用(例如數(shù)年)保證航天器的高速飛行。自2007年以來，NASA在火星和木星之間運行的“黎明號”飛船使用離子推進器，100多顆地球同步軌道通信衛(wèi)星也使用離子推進器。
它們都延長了衛(wèi)星的運行壽命，降低了發(fā)射和運行成本。
氙之所以被使用，是因為它容易電離，原子質(zhì)量相對較高，而且是惰性的，儲存密度高。
1998年至2001年，NASA首次使用離子推進器執(zhí)行太空任務(wù)。
NASA太陽能技術(shù)應(yīng)用(NSTAR )離子推進系統(tǒng)使深空1號任務(wù)(第一艘主要由離子推進的航天器)得以飛行超過2.6億公里，飛越小行星布萊葉和博雷利彗星。
NASA研發(fā)的氙推進器(NEXT)和環(huán)形發(fā)動機就是這方面的發(fā)展。
NEXT是一種大功率離子推進系統(tǒng)，旨在降低任務(wù)成本和飛行時間，以NSTAR的三倍功率運行。
NASA獲得專利的環(huán)形發(fā)動機有可能超過NEXT和其他電力推進器設(shè)計的性能能力，其總(環(huán)形)束面積是其兩倍。
可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)的一個版本的研究借鑒了用于發(fā)電的磁約束聚變功率(托卡馬克)，但在這里，等離子體被故意泄漏以提供推力。
該系統(tǒng)在低推力(可以持續(xù))下工作效率最高，等離子體流量較小，但短時間的高推力操作是可能的。
它非常有效，99%的電能轉(zhuǎn)化為動能，盡管短推力點火只有70%。
VX200是一種200kW版本，2015年正在進行測試，以期部署在核電力推進的太空任務(wù)中。它還可以用于清除空間碎片，推進低軌道燃燒。
NASA已與Ad Astra火箭公司簽訂合同，開發(fā)新版本的VX-200SS(“SS”代表“穩(wěn)定狀態(tài)”)，采用新的核心設(shè)計和熱控制，在1,000,000℃的溫度下運行，同時幾乎完全消除了對大量火箭燃料的需求。
熱管動力系統(tǒng)（HPS） 反應(yīng)堆是一種緊湊型快速反應(yīng)堆，大約十年內(nèi)可產(chǎn)生100 kWe的能量，為航天器或行星表面飛行器提供動力。
自1994年以來，他們一直在洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)，作為一個強大的低技術(shù)風險系統(tǒng)，強調(diào)高可靠性和安全性。
他們使用熱管從反應(yīng)堆堆芯傳遞能量，使用斯特林或布雷頓循環(huán)轉(zhuǎn)換器發(fā)電。
熱管是一種將導熱性與相變相結(jié)合的傳熱裝置。在熱端，液體在低壓下蒸發(fā)，在另一端冷凝，釋放蒸發(fā)潛熱。然后，液體通過重力或毛細管作用返回熱端，重復循環(huán)。（如果使用重力，它們有時被稱為兩相熱虹吸管，但使用表面張力的毛細管“泵送”是使用的主要機制。）
在20世紀90年代的設(shè)計中，裂變產(chǎn)生的能量從燃料管傳導到充滿鈉蒸汽的熱管，熱管將鈉蒸汽輸送到熱交換器，然后以熱氣體的形式輸送到斯特林或布雷頓動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以發(fā)電。氣體為72%的氦氣和28%的氙氣。反應(yīng)堆本身包含許多帶有燃料的熱管模塊。每個模塊都有其中央熱管，其周圍布置有錸包層燃料套管。
它們的直徑相同，含有97%的濃縮氮化鈾燃料，都在模塊的包層內(nèi)。模塊形成一個緊湊的六邊形芯。控制是通過六個不銹鋼包層鈹鼓進行的，每個鼓直徑為11或13厘米，碳化硼在每個鼓上形成120度電弧。
鼓安裝在圍繞堆芯的鈹徑向中子反射器的六個部分內(nèi)，并旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)控制，將碳化硼移入或移出。
屏蔽取決于任務(wù)或應(yīng)用，但不銹鋼罐中的氫化鋰是主要的中子屏蔽層。
SAFE-400 空間裂變反應(yīng)堆(SAFE Affordable fission Engine)是一個100kW的400kWt HPS，用于使用兩個布雷頓動力系統(tǒng)(由反應(yīng)堆的熱氣直接驅(qū)動的燃氣輪機)為空間飛行器提供動力。
熱交換器出口溫度為880℃。該反應(yīng)器有127個相同的熱管模塊，由鉬或含1%鋯的鈮制成。
每一個都有三個直徑為1厘米的燃料針，嵌套在一起形成一個直徑為25厘米的緊湊六邊形芯。
燃料針長70厘米(燃料長度56厘米)，總熱管長度145厘米，在堆芯上方延伸75厘米，與熱交換器相連。
帶反射器的芯的直徑為51厘米。堆芯的質(zhì)量約為512千克，每個熱交換器為72千克。
SAFE也已通過電動離子驅(qū)動進行了測試。這種反應(yīng)堆的一個較小版本是HOMER-15 ——熱管操作的火星探測反應(yīng)堆。
它是一個15 kW的熱機組，類似于更大的SAFE型號，高2.4米，包括熱交換器和3kWe斯特林發(fā)動機。
它的工作溫度僅為600℃，因此能夠使用不銹鋼直徑為1.6 cm的燃料管和加熱管。
它有19個鈉熱管模塊，102個燃料針連接上，每個管道4個或6個，總共容納72千克燃料。
熱管長106厘米，燃料高度36厘米。核是六邊形的(18厘米寬)，角上有六個BeO銷。
反應(yīng)堆系統(tǒng)的總質(zhì)量為214千克，直徑為41厘米。
NASA于2008年宣布了另一個用于月球和火星的小型裂變表面動力系統(tǒng)。40kWe系統(tǒng)可利用兩種設(shè)計理念之一進行功率轉(zhuǎn)換。
第一種由俄亥俄州的Sunpower公司制造的，它使用兩個對置的活塞發(fā)動機與交流發(fā)電機相連，每臺發(fā)電機產(chǎn)生6千瓦的功率，即總共12千瓦的功率。
第二種由科羅拉多州阿爾瓦達市的巴伯·尼科爾斯(Barber Nichols)負責開發(fā)封閉式布雷頓循環(huán)發(fā)動機，該發(fā)動機使用高速渦輪和壓縮機，并與旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機相連，該發(fā)電機也能產(chǎn)生12千瓦的電能。NASA自己將開發(fā)散熱系統(tǒng)并提供太空模擬設(shè)施。
2012年年中，NASA報告成功測試了這一40 kWe系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換和散熱器組件，該系統(tǒng)基于一個小型裂變反應(yīng)堆，加熱并循環(huán)鈉和鉀的液態(tài)金屬冷卻劑混合物。
這與外界溫度之間的熱差，將驅(qū)動兩臺互補的斯特林發(fā)動機來驅(qū)動一臺40kWe發(fā)電機。
3、普羅米修斯項目：2003-2007
2002年，NASA宣布了其太空項目的核系統(tǒng)計劃，2003年更名為普羅米修斯計劃，并增加了資金。其目的是使空間任務(wù)的能力發(fā)生重大變化。
核動力太空旅行將比現(xiàn)在可能的速度快得多，并將實現(xiàn)載人火星任務(wù)。
普羅米修斯號是NASA的一個項目，DOE在核領(lǐng)域有大量參與。
普羅米修斯號的一個更為激進的目標是生產(chǎn)一種太空裂變動力系統(tǒng)(FPS)，如上文所述，用于動力和推進，發(fā)射安全，運行多年，功率比RTG大得多。
預計等離子體驅(qū)動的核電推進系統(tǒng)的功率為100 kW。2004財年預算提案為2.79億美元，五年內(nèi)將花費30億美元。
這其中包括1.86億美元(五年內(nèi)10億美元)的撥款，外加9300萬美元(五年間20億美元)用于首次飛往木星的飛行任務(wù)——預計將于2017年發(fā)射的木星冰月軌道飛行器(JIMO)，并將進行十年的探索。
然而，普羅米修斯項目在2005年的預算中只獲得了4.3億美元，而在2006年，這一數(shù)字縮水到了1億美元，其中大部分是為了補償取消的合同，因此它實際上陷入了停滯。
一個類似的項目已經(jīng)啟動并計劃于2022年發(fā)射，名為JUpiter ICy衛(wèi)星探測器(JUICE)，作為ESA正在開發(fā)的行星際航天器。
2003年，普羅米修斯項目成功地測試了一臺高功率電力推進(HiPEP)離子發(fā)動機。
這是通過微波電離氙來實現(xiàn)的。在發(fā)動機的后部是一對矩形金屬格柵，其充電電壓為6,000伏。
這種電場的力量對氙離子施加強大的靜電拉力，加速它們并產(chǎn)生推動航天器的推力。
測試功率高達12 kW，但預計為兩倍。該推進器的設(shè)計壽命為7至10年，燃料效率高，并由小型核反應(yīng)堆提供動力。
4、目前的計劃
千瓦級太空反應(yīng)堆項目被NASA稱為KiloPower ，可能包括各種與RTG功率和質(zhì)量相當?shù)脑O(shè)計。
他們使用液態(tài)金屬熱管將裂變熱傳遞到熱電或斯特林動力轉(zhuǎn)換。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室和NASA格倫研究中心于2012年在內(nèi)華達州國家安全中心完成了一項概念驗證測試，使用Flattop反應(yīng)堆和兩個小型斯特林轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生24瓦功率。
2014年12月，NASA格倫中心宣布其4kWt/1kWe的KiloPower項目取得進展，使用高濃縮鈾為熱管系統(tǒng)和斯特林發(fā)動機提供動力以發(fā)電——使用斯特林技術(shù)的千瓦反應(yīng)堆(KRUSTY)。
這是一個完全依靠負熱反饋進行控制的快堆，其目標是將自我調(diào)節(jié)設(shè)計為主要特征，并證明其可靠性。該設(shè)計可擴展至10kWe。
2018年4月，NASA的洛斯阿拉莫斯核實驗室(LANL)宣布完成KRUSTY原型裝置的全功率測試。
測試于2017年11月至2018年3月進行，在此期間，機組成功處理了多個模擬故障，包括功率降低、發(fā)動機故障和熱管故障。
這是幾十年來美國首次在太空核反應(yīng)堆上進行核動力地面試驗。在試驗之前，NASA曾呼吁美國國家核安全局(NNSA)允許其進行。
這項測試是在能源部的臨界安全計劃下與NASA合作進行的。
快堆的最佳燃料為HEU(93%濃縮)合金，含7%鉬，固體鑄件，直徑129 mm，長度300 mm。
一個直徑250毫米的氧化鈹反射器將圍繞著這一點，在燃料和反射器之間有18個鈉熱管。
通過升高BeO反射體在反應(yīng)堆堆芯中產(chǎn)生裂變來實現(xiàn)臨界性。
一旦裂變開始，BeO反射器將緩慢升高，以將系統(tǒng)中的溫度提高到800℃。
有一個單一的中心碳化硼控制棒。熱管將從核心向八臺自由活塞斯特林發(fā)動機輸送13 kWt的熱量，每臺發(fā)動機可產(chǎn)生約125瓦的電力。
斯特林發(fā)動機將有一個近10平方米的圓柱形散熱器。系統(tǒng)質(zhì)量約750千克，長度約5米。
假設(shè)科學有效載荷距離堆芯約10米，并由45千克貧鈾和40千克氫化鋰屏蔽。
據(jù)報道，2017年11月的1 kWe試驗反應(yīng)堆使用92%鈾、8%鉬的合金，濃縮度達95%，直徑11厘米，中心孔4厘米，8根熱管。
有兩個軸向中子反射器和一個徑向中子反射器，總重量為70.5千克鈹。
NASA估計，使用10個4kWe的KiloPower機組，火星上需要大約40kWe的能量。
KiloPower項目的經(jīng)驗將被用于一個2 MWe機組的MegaPower項目。其特點包括反應(yīng)堆自我調(diào)節(jié)、低堆芯功率密度和使用熱管去除堆芯熱量。
該反應(yīng)堆將連接到一個露天布雷頓循環(huán)動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用空氣作為工作流體，并作為最終排熱的手段。
該反應(yīng)堆重約40噸，包括3噸LEU燃料(16-19%濃縮)，長4米，直徑2米。它可以擴展到10 MWe，也可以用于軍事基地，72小時安裝。
2021 年4月，美國國防高級研究計劃署(DARPA)授予了其敏捷滑翔作戰(zhàn)示范火箭(DRACO)項目第一階段的合同，以在2025年演示低地球軌道上的核熱推進(NTP)系統(tǒng)。
通用原子公司(General Atomics)將開展反應(yīng)堆開發(fā)工作，而藍色起源公司(Blue Origin)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)將開發(fā)航天器概念設(shè)計。
(本文編譯《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)
