近日，美国宇航局宣布完成「月面裂变反应堆电源项目」第一阶段工作，并计划于2025年启动项目第二阶段招标，引发广泛关注。美国宇航局为什么要研发空间核反应堆电源？该项目将实现哪些目标？又面临哪些技术挑战呢？
支撑载人登月计划
2021年底， 美国宇航局和能源部联合发布「月面裂变反应堆电源项目」公告，征集在月球上建造核反应堆电源的可行方案 。该项目是美国阿尔忒弥斯计划的重要组成部分，核反应堆电源将作为月球表面电力系统的核心，为航天员在恶劣月表环境中的长期驻留和探索活动提供基础支撑。
西方多国曾研究使用月面核反应堆电源支持建设基地
根据公告信息，核反应堆电源系统由铀燃料反应堆堆芯、功率转换系统、热管理系统、功率管理和分配系统组成，设计功率40千瓦，可在月表连续运行至少10年，能耐受发射和月球环境下的结构荷载。该系统折叠后可装入直径4米、长6米的圆柱体空间，重量不超过6吨。
该电源可多次自动启动和关闭，支持0～100%功率范围的用户负载，单点故障最小化，并在发生故障后至少提供5千瓦电力输出。系统可在月球着陆器上运行，或由月球着陆器运送到月表其他地点运行。系统1公里处的辐射暴露限制在每年5雷姆的基线值。
项目管理人员介绍，核反应堆电源将在地球上制造组装，完成安全测试，之后电源与月球着陆器结合并发射入轨。降落月球表面后，核反应堆电源可以立即运行，不再需要额外组装。核反应堆电源将为月表大规模勘探、建立前哨基地和就地利用资源提供能源供应。
「月面裂变反应堆电源项目」计划分两阶段进行，第一阶段开展研制方案规划和工程设计。 公告发布后，美国宇航局收到了来自航空航天、核能和电力转换等行业的22份书面回复，最终洛克希德·马丁公司、西屋电气公司和IX公司获得第一阶段500万美元合同，用于设计核反应堆及子系统，开展成本预算和拟制时间表。
美国宇航局将在第一阶段工作的基础上总结成果，明确方向，最终确定核反应堆电源设计和月球演示方案。 项目第二阶段将开展地面样机和飞行样机研制，即建造核反应堆电源、配套的运输系统和着陆器，并将电源送到月球。 第二阶段公开招标计划明年启动，选取具有技术、价格优势的公司，并在2028年底前交付成果。
空间应用潜力巨大
目前的空间任务中， 航天器使用的电源主要有化学电池、太阳能电池阵-蓄电池组联合电源和核电源三类 。其中，化学电池结构简单，工作可靠，但寿命短，低温性能差，功率小。
太阳能电池阵-蓄电池组联合电源技术成熟，工作寿命长，供电能力强且性能可靠，是当前应用最广泛的空间电源。但是太阳能电池阵非常依赖光照条件，在阴影、深空环境下不能工作，还存在展开面积大、结构复杂等问题。
月面核反应堆电源方案想象图
空间核电源主要有 同位素电源 和 核反应堆电源 ，前者通过衰变放热转换或产生电能，功率小，寿命长，工作可靠，在低功率空间任务中有广泛应用，如美国的「先驱」「旅行者」「伽利略」和「卡西尼」等。
核反应堆电源将核反应堆产生的热能转换成电能。 这种电源不依赖光照，全天时全天候工作，适应性好，能在深远空间、日照阴影区、尘暴、高温、辐射等环境下工作；适用功率范围广，可覆盖千瓦至兆瓦及以上功率输出；储能高、重量轻、体积小，非常适合于中高功率空间任务。
核反应堆电源优势明显，是空间能源和空天动力的重要发展方向。 美国、苏联从很早就开始投入研发，但技术难度很大，实际应用极少。美国仅在1965年发射过一次，将电源搭载在人造卫星上，电功率仅有500瓦，运行了43天。
随着载人登月成为未来10年空间任务的核心，以及载人登火和深空探测任务成为远景规划，人类对空间核反应堆电源的需求也更加迫切。月表的寒冷月夜持续14天，两极附近光照变化很大，陨石坑中的永久阴影区终年无光，火星沙尘暴常常持续数月。在这些严酷环境中，太阳能发电已无法满足需求，燃料供应也非常有限，难以可靠地支持航天员长时间停留。
美国一直将核反应堆电源视为月球、火星等星球表面基地能源供应的首选。 月面核反应堆电源的研发除了支撑阿尔忒弥斯计划实施外，也将带动一系列关键技术的实现应用，走通空间核反应堆电源从发射部署到运行维护的全流程，并为后续开发更大功率、更多用途的各种空间核反应堆电源奠定基础。
实现构想挑战不小
美国在空间核反应堆电源领域有充足积累。1960年至今，在不同时期背景的驱动下，美国相继启动了「核辅助电源系统计划」「SP-100计划」「太空核能倡议计划」等研发工作，攻克了大量关键技术，建成一系列空间核反应堆电源地面试验设施，形成体系化研发能力，并有空间应用实例，成就令人瞩目。不过，空间核反应堆电源技术非常复杂，同时，由于需求不明确和太空任务优先顺序的调整，这些早期计划最终都没有完成。
月面核反应堆电源另一种方案想象图
新世纪以来，美国宇航局吸取以往经验，注重利用成熟技术，降低成本和风险，缩短研发周期， 启动「经济可承受星表裂变电源计划」和「千瓦级电源计划」，取得了阶段性成果 。
比如，「千瓦级电源计划」研制了新一代小型空间核反应堆电源，采用铀-235堆芯，利用自由活塞式斯特林发动机转换输出千瓦级别电力，1千瓦方案系统质量约400公斤。2018年，其通过了满功率和各种事故工况的测试，是美国40多年来第一个空间核反应堆电源地面原型堆，标志着美国在该领域的发展水平已上升到新阶段。
然而，在此基础上， 美国想要在月球表面运行核反应堆电源，还面临不少技术挑战，涉及核反应堆、电力转换、散热和空间飞行等方方面面的关键技术 。虽然这些领域都有相对成熟的方案，但目前没有哪家公司具备全部能力，如从事核反应堆研发的公司缺乏开发航天设备或电力转换系统的经验。这就需要联合各部门组建专门团队，整合工程技能，开发系统所需的所有技术，还需要满足通信设备、传感器、热传递等方面的苛刻指标。
值得注意的是，空间核反应堆电源发展历程中曾经发生过数次事故，其安全性也备受关注。 一方面是在月球基地的使用安全；另一方面，月面核反应堆电源项目需要通过美国环境政策法案的审批程序，评估项目的环境影响，电源的动力系统必须确保核燃料在到达月球表面之前不会被激活。 任务结束后，需要通过实施安全退役计划，将系统辐射水平逐渐降低到人类接触和处理的安全水平，确保不会对航天员或环境构成威胁。
未来，月面核反应堆电源项目计划建立月球电网，打造更加先进的太空基地，显著增强航天任务能力。美国宇航局能否实现目标，外界不妨拭目以待。
来源/中国航天报
