近日，美國太空總署宣布完成「月面裂變反應堆電源專案」第一階段工作，並計劃於2025年啟動專案第二階段招標，引發廣泛關註。美國太空總署為什麽要研發空間核反應堆電源？該專案將實作哪些目標？又面臨哪些技術挑戰呢？
支撐載人登月計劃
2021年底， 美國太空總署和能源部聯合釋出「月面裂變反應堆電源專案」公告，征集在月球上建造核反應堆電源的可行方案 。該專案是美國阿爾忒彌斯計劃的重要組成部份，核反應堆電源將作為月球表面電力系統的核心，為航天員在惡劣月表環境中的長期駐留和探索活動提供基礎支撐。
西方多國曾研究使用月面核反應堆電源支持建設基地
根據公告資訊，核反應堆電源系統由鈾燃料反應堆爐心、功率轉換系統、熱管理系統、功率管理和分配系統組成，設計功率40千瓦，可在月表連續執行至少10年，能耐受發射和月球環境下的結構荷載。該系統折疊後可裝入直徑4米、長6米的圓柱體空間，重量不超過6噸。
該電源可多次自動啟動和關閉，支持0～100%功率範圍的使用者負載，單點故障最小化，並在發生故障後至少提供5千瓦電力輸出。系統可在月球著陸器上執行，或由月球著陸器運送到月表其他地點執行。系統1公裏處的輻射暴露限制在每年5雷姆的基線值。
專案管理人員介紹，核反應堆電源將在地球上制造組裝，完成安全測試，之後電源與月球著陸器結合並行射入軌。降落月球表面後，核反應堆電源可以立即執行，不再需要額外組裝。核反應堆電源將為月表大規模勘探、建立前哨基地和就地利用資源提供能源供應。
「月面裂變反應堆電源專案」計劃分兩階段進行，第一階段開展研制方案規劃和工程設計。 公告釋出後，美國太空總署收到了來自航空航天、核能和電力轉換等行業的22份書面回復，最終洛克希德·馬丁公司、西屋電氣公司和IX公司獲得第一階段500萬美元合約，用於設計核反應堆及子系統，開展成本預算和擬制時間表。
美國太空總署將在第一階段工作的基礎上總結成果，明確方向，最終確定核反應堆電源設計和月球演示方案。 專案第二階段將開展地面樣機和飛行樣機研制，即建造核反應堆電源、配套的運輸系統和著陸器，並將電源送到月球。 第二階段公開招標計劃明年啟動，選取具有技術、價格優勢的公司，並在2028年底前交付成果。
空間套用潛力巨大
目前的空間任務中， 航天器使用的電源主要有化學電池、太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源和核電源三類 。其中，化學電池結構簡單，工作可靠，但壽命短，低溫效能差，功率小。
太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源技術成熟，工作壽命長，供電能力強且效能可靠，是當前套用最廣泛的空間電源。但是太陽能電池陣非常依賴光照條件，在陰影、深空環境下不能工作，還存在展開面積大、結構復雜等問題。
月面核反應堆電源方案想象圖
空間核電源主要有 同位素電源 和 核反應堆電源 ，前者透過衰變放熱轉換或產生電能，功率小，壽命長，工作可靠，在低功率空間任務中有廣泛套用，如美國的「先驅」「旅行者」「伽利略」和「卡西尼」等。
核反應堆電源將核反應堆產生的熱能轉換成電能。 這種電源不依賴光照，全天時全天候工作，適應力好，能在深遠空間、日照陰影區、塵暴、高溫、輻射等環境下工作；適用功率範圍廣，可覆蓋千瓦至兆瓦及以上功率輸出；儲能高、重量輕、體積小，非常適合於中高功率空間任務。
核反應堆電源優勢明顯，是空間能源和空天動力的重要發展方向。 美國、蘇聯從很早就開始投入研發，但技術難度很大，實際套用極少。美國僅在1965年發射過一次，將電源搭載在人造衛星上，電功率僅有500瓦，執行了43天。
隨著載人登月成為未來10年空間任務的核心，以及載人登火和深空探測任務成為遠景規劃，人類對空間核反應堆電源的需求也更加迫切。月表的寒冷月夜持續14天，兩極附近光照變化很大，隕石坑中的永久陰影區終年無光，火星沙塵暴常常持續數月。在這些嚴酷環境中，太陽能發電已無法滿足需求，燃料供應也非常有限，難以可靠地支持航天員長時間停留。
美國一直將核反應堆電源視為月球、火星等星球表面基地能源供應的首選。 月面核反應堆電源的研發除了支撐阿爾忒彌斯計劃實施外，也將帶動一系列關鍵技術的實作套用，走通空間核反應堆電源從發射部署到執行維護的全流程，並為後續開發更大功率、更多用途的各種空間核反應堆電源奠定基礎。
實作構想挑戰不小
美國在空間核反應堆電源領域有充足積累。1960年至今，在不同時期背景的驅動下，美國相繼啟動了「核輔助電源系統計劃」「SP-100計劃」「太空核能倡議計劃」等研發工作，攻克了大量關鍵技術，建成一系列空間核反應堆電源地面試驗設施，形成體系化研發能力，並有空間套用例項，成就令人矚目。不過，空間核反應堆電源技術非常復雜，同時，由於需求不明確和太空任務優先順序的調整，這些早期計劃最終都沒有完成。
月面核反應堆電源另一種方案想象圖
新世紀以來，美國太空總署吸取以往經驗，註重利用成熟技術，降低成本和風險，縮短研發周期， 啟動「經濟可承受星表裂變電源計劃」和「千瓦級電源計劃」，取得了階段性成果 。
比如，「千瓦級電源計劃」研制了新一代小型空間核反應堆電源，采用鈾-235爐心，利用自由活塞式斯特林發動機轉換輸出千瓦級別電力，1千瓦方案系統質素約400公斤。2018年，其透過了滿功率和各種事故工況的測試，是美國40多年來第一個空間核反應堆電源地面原型堆，標誌著美國在該領域的發展水平已上升到新階段。
然而，在此基礎上， 美國想要在月球表面執行核反應堆電源，還面臨不少技術挑戰，涉及核反應堆、電力轉換、散熱和空間飛行等方方面面的關鍵技術 。雖然這些領域都有相對成熟的方案，但目前沒有哪家公司具備全部能力，如從事核反應堆研發的公司缺乏開發航天器材或電力轉換系統的經驗。這就需要聯合各部門組建專門團隊，整合工程技能，開發系統所需的所有技術，還需要滿足通訊器材、傳感器、熱傳遞等方面的苛刻指標。
值得註意的是，空間核反應堆電源發展歷程中曾經發生過數次事故，其安全性也備受關註。 一方面是在月球基地的使用安全；另一方面，月面核反應堆電源專案需要透過美國環境政策法案的審批程式，評估專案的環境影響，電源的動力系統必須確保核燃料在到達月球表面之前不會被啟用。 任務結束後，需要透過實施安全退役計劃，將系統輻射水平逐漸降低到人類接觸和處理的安全水平，確保不會對航天員或環境構成威脅。
未來，月面核反應堆電源專案計劃建立月球電網，打造更加先進的太空基地，顯著增強航天任務能力。美國太空總署能否實作目標，外界不妨拭目以待。
來源/中國航天報
