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千瓦級

千瓦級（Kilopower）是一個實驗性項目，旨在建造新的太空旅行用核反應堆[1][2]。該項目於2015年10月啟動，由美國國家航空航天局和美國能源部國家核安全局(NNSA)主持[3]。截至2017年，千瓦級反應堆計劃採用了四種尺寸，能夠連續12至15年產生1至10千瓦的電力[4][5]。裂變反應堆使用鈾235產生熱量，這些熱量通過被動式鈉熱導管輸送到斯特林轉換器[6]。2018年，宣布了示範型使用斯特林技術的千功率反應堆(簡稱克魯斯提)的樂觀性測試結果[7]。

千瓦級反應堆
美國宇航局用於太空和行星表面的1千瓦功率核反應堆原型
世代實驗型
反應堆原理斯特林發動機
目前狀態開發中
反應堆堆芯
核燃料 (可裂變物質)高濃縮鈾: 235U
燃料形態固體(鑄造圓柱體)
控制方式碳化硼控制棒
中子反射劑氧化鈹輻射反射體
冷卻劑鈉熱導管
反應堆用途
主要用途長期太空任務
熱功率4.3–43.3千瓦熱效
電功率1-10千瓦

該型反應堆的應用前景包括為核電推進和需要大量電力的載人或無人型太空任務提供穩定的電力供應，特別是在陽光有限或不可用的情況下。美國宇航局還考慮將千瓦級反應堆用作未來載人火星任務的電源。在這些任務中，反應堆將承擔為從火星大氣中分離並低溫儲存氧氣的機械提供動力，以製造上升火箭的推進劑。一旦人類抵達火星，反應堆將為生命維持系統和其他所需供動力。美國宇航局的研究表明，一座40千瓦的反應堆足以支持4到6名宇航員[8]。

說明

反應堆使用的核燃料為93%鈾235和7%的鉬合金[9][10]。反應堆的堆芯是一種固體合金鑄造的結構，周圍環繞着防止中子從堆芯逃逸，確保連鎖反應持續進行的氧化鈹反射層，反射層還能減少可能會損害所載電子設備的伽馬射線輻射[11]。鈾芯的好處是避免了其它放射性同位素供應的不確定性，例如鈈，這些同位素常被用作放射性同位素熱能發電機的熱源[12] 。鈾-235的最大的缺點是半衰期太長，超過7億年，而放射性同位素熱能發電機所用鈈的半衰期只有87.7年。

1千瓦功率的「克魯斯提」原型堆重134千克，含28千克鈾235，而用於火星的太空額定功率為10千瓦的反應堆，預計總質量為1500千克(核心重量為226千克)，其中包含43.7千克的鈾235[5][13]。

核反應由一根碳化硼棒來控制，碳化硼是一種中子吸收劑。為防止高放射性核裂變產物的形成，反應堆打算冷態發射。一旦反應堆抵達目的地，就會移走吸收中子的硼棒，讓鏈式反應開始進行[9] 。一旦反應開始，裂變產生的系列衰變就無法完全停止。然而，控制棒的插入深度提供了一種調節鈾裂變速率的機制，使熱量輸出與負荷相匹配。

注滿液態鈉的被動式熱導管將反應堆堆芯熱量傳遞給一台或多台自由活塞式斯特林發動機，後者產生往復運動驅動線性發電機發電[14]。鈉的熔點為攝氏98°(華氏208°)，這意味着液態鈉可在約攝氏400到700°(華氏750-1300°)的高溫下自由流動。核裂變堆芯通常在攝氏600°(華氏1100°)左右運行。

反應堆被設計為在各種環境和場景中都具有本質安全性，它採用了多種反饋機制來緩解堆芯熔毀，主要方法為被動冷卻，它不需要機械機制來循環冷卻劑。反應堆的幾何結構設計能實現自我調節，從而產生負反應性溫度係數[15]。實際上，這意味着隨功率需求的增加，反應堆溫度會下降，這將導致它進一步收縮，防止中子泄漏，反過來又會提升反應烈度和功率輸出，以滿足需求。在電力需求較低的時候，這種方法也會反向作用[13]。

平板裂變演示

千功率項目的開發始於一項稱作達夫(DUFF)或使用平頂裂變演示(Demonstration Using Flattop Fissions)的實驗，該實驗於2012年9月使用現有的平頂組件作為核熱源進行了測試。內華達試驗場裝置組裝廠進行的達夫試驗，使它成為首台以裂變能為動力的斯特林發動機，也是第一次使用熱導管將反應堆熱量輸送到動力轉換系統[16]。根據緊湊型裂變反應堆設計小組組長大衛·波斯頓和洛斯阿拉莫斯國家實驗室小型核反應堆項目經理帕特里克·麥克盧爾的說法[1]，達夫實驗表明，「對於低功率反應堆系統，可在現有基礎設施和監管環境下以合理的成本和進度完成核試驗」[16]。

克魯斯提試驗和首次裂變

 
Y-12大樓製造的用於克魯斯蒂實驗的貧鈾堆芯模型
 
電加熱測試中的克魯斯蒂熱導管

2017年，克魯斯提試驗堆建成，它高約6.5英尺(1.9米)，其設計功率可產生1千瓦的電力[17]。該試驗反應堆的目標是為嚴格符合美國宇航局深空任務所需的運行參數[18]。第一次試驗使用了田納西州Y-12國家安全大樓製造的貧鈾堆芯。貧鈾堆芯與常規高濃縮鈾(HEU)堆芯的材料完全相同，唯一的區別在於鈾的濃縮程度[1]。

千功率反應堆原型使用的是一種固態鑄造的鈾235反應堆芯，大約只有紙巾卷那麼大。反應堆的熱量通過被動式鈉熱導管傳遞，由斯特林發動機轉化為電能。從2017年11月開始，一直持續到2018年的測試達到技術就緒指數(TRL)5級[4]。克魯斯提的測試代表了自1965年斯納普10A型實驗反應堆測試並最終飛行來，美國首次完成了所有太空反應堆的地面測試[1]。

2017年11月至2018年3月期間，在內華達試驗場進行的克魯斯提測試包括熱量、材料和組件驗證，最終在全功率狀態下成功進行了裂變試驗。為確保反應堆能夠安全響應，對輔助設備中的各種故障進行了模擬[2]。

克魯斯提反應堆於2018年3月20日全功率運行，期間使用28千克的鈾235反應堆芯進行了28小時的試驗，溫度達到攝氏850°(華氏1560°)，產生約5.5千瓦的裂變功率。該測試評估了包括關閉斯特林發動機、調整控制棒、熱循環和散熱系統損毀等在內的故障情況，最後以一次緊急停堆測試結束了試驗，這次試驗被認為是一次非常成功的演示[19]。

另請參閱

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Gibson, Marc; Oleson, Steven; Poston, David; McClure, Patrick. NASA's Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions (PDF). NASA. [March 25, 2018]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-11）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Jan Wittry, Gina Anderson. Demonstration Proves Nuclear Fission System Can Provide Space Exploration Power. NASA. [May 2, 2018]. （原始內容存檔於2021-01-02）. 
  3. ^ Kilopower Small Fission Technology (KP). TechPort.nasa.gov. NASA. 2011-08-09 [16 May 2018]. （原始內容存檔於2020-10-01）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Loura Hall. Powering Up NASA's Human Reach for the Red Planet. NASA.GOV. NASA. [November 15, 2017]. （原始內容存檔於2020-11-09）. 
  5. ^ 5.0 5.1 McClure, Patrick Ray. Space Nuclear Reactor Development. Nuclear Engineering Capability Review. 2017-03-06,. LA-UR-17-21904: 16 [16 May 2018]. （原始內容存檔於2020-11-12）. 
  6. ^ Kilopower Project media slides (PDF). NASA.GOV. NASA and Los Alamos. [January 26, 2018]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-11）. 
  7. ^ Demonstration Proves Nuclear Fission System Can Provide Space Exploration Power （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Sean Potter, NASA News. May 2, 2018. RELEASE 18-031.
  8. ^ NASA's Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions (PDF). NASA. [2021-02-20]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-11）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Gibson, Ma rc A.; Mason, Lee; Bowman, Cheryl; et al. Development of NASA's Small Fission Power System for Science and Human Exploration. 50th Joint Propulsion Conference. June 1, 2015,. NASA/TM-2015-218460: 4 [16 May 2018]. 
  10. ^ NASA's Kilopower nuclear reactor would be a space exploration game changer （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Mark R. Whittington, The Hill. 10 May 2019.
  11. ^ Szondy, David. NASA successfully tests next-generation space reactor. New Atlas. GIZMAG PTY LTD. May 2, 2018 [12 June 2018]. （原始內容存檔於2020-11-09） （英語）. 
  12. ^ Foust, Jeff. Plutonium supply for NASA missions faces long-term challenges - SpaceNews.com. SpaceNews.com. 10 October 2017 [16 May 2018]. 
  13. ^ 13.0 13.1 McClure, Patrick Ray. A small fission reactor for planetary surface and deep space power (PDF). 2019-07-08 [16 July 2019]. [失效連結]
  14. ^ Patrascu, Daniel. NASA KRUSTY Nuclear Reactor Could Power Outposts on Mars for Years. autoevolution. SoftNews NET. 3 May 2018 [12 June 2018]. （原始內容存檔於2019-02-03） （美國英語）. 
  15. ^ KRUSTY: First of a New Breed of Reactors, Kilopower Part II. Beyond NERVA. beyondnerva. 19 November 2017 [16 May 2018]. （原始內容存檔於2018-10-30）. 
  16. ^ 16.0 16.1 Poston, David; McClure, Patrick. The DUFF experiment - What was learned?. Nuclear an d Emerging Technologies for Space. January 2013. 
  17. ^ Irene Klotz. NASA to Test Fission Power for Future Mars Colony. Space.com. June 29, 2017 [November 15, 2017]. （原始內容存檔於2020-02-22）. 
  18. ^ Sanchez, Rene. Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY (KRUSTY) Experiment Update Marcy 2017 (PDF). National Criticality Experiments Research Center. March 2017 [April 25, 2018]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-09-21）. 
  19. ^ KRUSTY: We Have Fission! K ilopower part III. Beyond NERVA. beyondnerva. 2 May 2018 [16 May 2018]. （原始內容存檔於2021-01-31）. 

外部連結

 
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