空 间 核 动 力 电 源.docx

空间核动力电源马宗诚（北京空间飞行器总体设计部）1 引言一提到空间核动力电源，人们总有一种恐惧感似乎用了空间核电源就意味着将发生空间核辐射、核 电源故障以及大面积地面核污染人们之所以有这样的反应并不是偶然的，这是因前苏联发射的核动力卫 星宇宙-954、1402 失事而引起这两颗带有空间核动力电源的卫星均是在完成任务其核反应堆与母体脱离 后，助推级发生了故障，没能把反应堆推到预定的轨道，而是坠入了稠密的大气层，从而造成了曾轰动世 界的空间核电源事故如果我们把那次核事故的前因后果讲清楚，人们对核动力电源恐怕就不会产生那么大的恐 惧感了事实上，在60年代〜70年代，无论是前苏联还是美国以及其他想自强的国家都在努力探讨核技术的应用，前苏联和美国就竞相把核技术应用于宇宙空间，他们各自均发射了近30颗核动力卫星， 想在宇宙空间压倒对方按理，像宇宙-954、1402 这样的核动力卫星，在其发展过程中遭到暂时的失败并 不奇怪，但它们的那次失事影响为什么如此之大，究其原因，尚有人为的政治因素在起作用在冷战年代 美苏互相攻击对方，渲染、夸大对方的失利已司空见惯美国的核潜艇是游弋于海底潜在的巨大攻击力量， 前苏联的核动力卫星正是前苏联用于侦察、跟踪美国核潜艇的锐利武器。

它长时间飞行于近地轨道上，必 要时还可以实施机动飞行到更低的轨道这样的性能是任何太阳电池翼，大功率卫星难以实现的美国人 当然知道这种核动力卫星的军用目的所以，对前苏联核动力卫星的失事，美国人必然要拍手称快，并借 机大做文章目的是想让前苏联停止使用此类卫星，而让他们自己的载有核导弹的核动力潜艇自由航行于 各大洋2 空间核动力电源的优点其实，空间核电源还是具有很多优点的，这些优点不容忽视，更应充分利用比如说大功率低轨道卫 星，尤其是需要有机动变轨能力的卫星就应采用核电源若一个一次电源需2kw的卫星，其太阳电池敷片 面积就要 20 多平方米这样大面积太阳电池翼的卫星是无法长期维持于低轨道的，若想保持就必须增加轨 道保持系统如果这样的卫星还要完成其目的任务，向更低轨道做机动飞行，就会带来更多的困难因此 在大功率、低轨道的空间飞行器上采用核电源是合理的进行月球探测时，在月球表面建立工作站采用核电源是唯一可靠的途径月面夜间时间是 14 个地球日，若不采用核电源而采用太阳电池，则在14 个地球日期间月球工作站将没有电能和热能这 是不可想象的，月球站会因此被冻毁，人将无法生存我们知道，太阳电池为主的供电系统是利用阳光的，若进行行星际的飞行时，就要考虑由 于飞行器的远离太阳，日照强度的下降问题。

火星附近的日照强度已经是地球轨道附近强度的 50%，如果 继续远离太阳到土星、木星、天王星、海王星、冥王星去探测，那里的日照强度更将大大减弱显然，此 时太阳电池供电系统就完全失去了它存在的意义对此，核电源就显现出它的突出优点：功率大、不受环 境影响、工作寿命长等美俄现正在加紧实施的一种新方案，即把需要电功率较大的电火箭发动机与空间核电源结 合起来应用现代的地球同步轨道卫星发射的变轨方案所用的无论是固体发动机燃料或是液体发动机燃料， 还是低温液氢液氧燃料，卫星总体的部分质量将被燃料及其系统占用在1颗2t多重的通信卫星中，就有 It多被远地点变轨发动机及其燃料占用但如果我们把化学燃料的火箭发动机换为电火箭发动机，它可以 使星上燃料及其贮存系统质量下降，使星上有效载荷质量成二三倍的增长这样的增长无疑会使卫星的效 益大大提高此种方案的缺点是由于电火箭推力小，使得完成变轨任务的时间由原来的几天变为 1 至2个 月3 空间核动力电源的种类现存的核电源有两种：一种是同位素电源，另一种是核反应堆电源它们各自有其优缺点同位素电源一般功率不大，其原因是同位素始终在不断放热，若用于发电时，热能将转变 为电能，从而无须考虑大的散热面。

但当卫星尚在发射塔架，处于待发状态时，同位素就应预先置于电源 中，然而此时卫星或不需核电源供电或需少量的电源这样就必须把大量的余热散发掉若同位素电源的 功率很大，散热面积也就要很大，这样就必须限制它的功率值得指出的是，为散热而放出的水及其处理 必须遵循对核放射废料处理的一切规定核反应堆电源则与之相反，它的启动是在卫星入轨后，因此在地 面无须解决它的排热、散热问题然而核反应堆型电源的功率却不能做到任意小，这是受到核反应堆临界 体积的限制由于这两种核电源各有利弊，采用哪一种核电源将取决于所需功率及其各种使用条件在同位素电源中，首先采用的同位素是钋-210,它的放热量为141w/g,它的半衰变周期为4.5个月，此后的放热量将是开始时的1/2这样的工作周期显然是不能满足长期航天飞行的需要的，于是 核电源工作者们又选用了钚-238钚-238的半衰变周期为89年但此种同位素燃料较昂贵，发热量为0.55w/g比它们较廉价的同位素有锶-90,其半衰变周期为18年，发热量为0.93w/g但锶-90的辐射危害 性较之其他更大一些采用钚做为同位素电池的热源比较安全，因为这些同位素在其衰变的过程中只放射 出“ a”粒子并没有硬“Y ”射线放射。

在使用这些同位素做电源时，一般把它们的合金、氧化物或炭化物，很 好地密封于金属管子中这里介绍一下俄罗斯的同位素核电源，它装有同位素燃料的密封管，该管置于石墨层中， 石墨圆柱体外壁紧密地与热—电变换系列组接触热—电变换组的工作机理与测温热电偶完全一样，只是 热电偶产生的电动势是用于推动二次仪表或某个控制器，其产生的电压、电流正比于变换器两端的温差 根据选用的不同的同位素，一般变换器的热端温度适于350°C〜650°C,冷端适于100°C〜250°C同位素核 电源现达到的转换效率为4%〜6%,当代较先进的同位素核温差电源的比质量仅达到200kg/kw在 60年代〜80年代，人们对另一种核动力空间电源做了不少研究工作，其方案的实质就是把地面的核电站搬到空间飞行器上应用；其不同点只在于把地面一般采用的双回路工质循环改为单回路 工质循环由于这种技术方案中存在着透平转子与发电机转子的回转部件，给惯性空间飞行器的控制带来 很多问题，没能得到应用热离子发射型的核动力电源在空间电源中得到了长足的发展在这方面俄罗斯的技术大大领先于美国这种核动力电源的工作机理是把40年代〜50年代的电子管技术应用于空间核电源。

该电源 中的阴极用高级不锈钢制成，内部装填uo2(u-235)的浓缩核燃料，借以代替电子管阴极的电加热源这样 的发射极将被加热到1 500C，表面涂以高电子发射涂料，从而达到电流密度为几十安培每平方厘米这里的接收极是与发射极具有同心的套管，但其温度只保持在500C〜600C对工艺略有所知的 人，从上述的技术状态就可判断出，这里面有很多的工艺难点：如何保障发射极与集电极之间1 ooo°c的温差；如何保障发射极与集电极之间仅十至几十微米的间隙，使它们之间不短接；电流导出的金属—陶瓷接头的实施；冷却用金属液体是如何把热送到空间辐射器的；启动和停机过程中复 杂的变工况问题是如何解决的；功率是如何控制的等这些问题的解决将铺平制造热离子发射型核电源的 道路口4 美苏空间核电源的发展空间核电源的发展在美国和前苏联均起步于同位素核电源美国的此种电源多用于通信卫星及行星际 探测器，它们的一次输出功率不等，在3w〜300w之间美国于50年代末60年代初开始从事核反应堆式 的空间核电源的研究其中有snap-2，它的功率是5kw;snap-8，它具有两个核反应堆，每个功率为30kw； snap-50,其反应堆功率为lOOkw等。

它们中间只有snap-10a被送入轨道，它的功率为0.5kw，它的质量为 500kg，其填加的uo2重4.8kg，由于它的能量转换采用的是热电偶型，所以热—电转换效率仅3%该核电 源装置于1965年1月被送入轨道，在轨工作了43天，后因故障而停止了工作前苏联于 50年代开始了同位素核电源的研究，其主要目的是用于自动空间站、星际旅行 及火星车当研制出的产品功率为3kw〜6kw时，已不能满足上述目的要求为了充分利用成果，他们把 它装在了北极区的灯塔上，电源工作了10年（所用灯备了12支、自动更换）以此证明了此类核电源的性 能是良好的前苏联在 50年代末就开始了对核反应堆式空间电源的研究第一台核反应堆式空间电源 命名为"拉曼什卡"（lamashca），它于1964年8月在库尔恰托夫原子能研究所完成了地面试验，运行了15 OOOh它的电功率为0.5kw（与美国的snap-10a相当），总重为508kg（略重于snap-10a）有趣的是，此消息很快传到了美国，为了争夺宇宙空间的第一使用权，美国人决定1965年1月把它的snap-10a 先送上天结果由于准备的不充分，上天后才43天，snap-10a便结束了它的工作。

前苏联看到了美国的失 败，采取了明智的办法：先在地面做充分的试验，借以暴露问题、改进设计o 1964年〜1965年，对3-3 0 做了 50kw 功率的试验，但该核电源没有被送入宇宙空间前苏联于80年代才开始成批生产核反应堆式热电变换空间电源它的电功率为3kw〜 5kw,这样的电功率适应了初始的海洋侦察卫星的要求，它被置于“宇宙”系列，如宇宙-954真正的热离子辐射式核电源的研制在前苏联起步于60年代末经过了近20年的努力，前 苏联于1987年发射了载有热离子辐射式核电源的宇宙-1818和宇宙-1867,其轨道高度为800km,在轨工作 了近一年这第一个被送上天的热离子辐射式核电源被命名为塔巴斯-1（tapas-1）它的电功率为7kw（自身 消耗2kw）,热电转换效率为5.8%，总质量为1t,比功率为0.6kw/kg〜1kw/100kg其他参数与塔巴斯-1 一 样的塔巴斯-2（又称“叶尼塞”）电源中装填了重11.5kg的浓缩uo2,它与塔巴斯-1的主要区别在于结构较简单, 发电用的加热阴极是由单一元件组成,而不像塔巴斯-1 那样由多个串联而成因此,它易于拆卸、更换简 单这样，在地面做试验时，就可把uo2抽出代之以电加热，增加了地面试验的安全性。

正是出于上述的 原因,美国人选中了塔巴斯-2,并购买了它美国在前苏联起步研制热离子辐射式核电源的同时,也开始 了该项工作的研究除美苏两国外,尚有法国、德国也开展了对此项工作的研究5 空间核动力电源的防护措施综上所述,空间核动力电源,尤其是热离子辐射式核电源有很多优点,在大功率下它的比功率远远大 于太阳能电池系统,有许多用途是太阳能电池供电系统所不能取代的然而,使用此种电源确实给地面和 空间带来一系列的问题,如地面试验、调试、发射时必须采取核防护措施；在轨道上要防止类似宇宙-1402 的故障等时至今日,地面的一套防护办法从核电站的操作中,理应已经成熟在空间的防护问题上,俄 罗斯人在接受了宇宙-954和宇宙-1402的教训后，除采取把用过的核反应堆推到800km以上的轨道高度， 使其在轨期间放射性物质全部衰变完外,又采取了第二道防护措施,即当把用过的反应堆推到高轨道的系 统出现类似于宇宙-954、宇宙-1402的故障时，安全自毁系统将启动，把核反应堆炸成粉末，使其放射剂量 低于太阳自然光的辐射安全值，从而确保空间核电源事故不再重现6 对使用空间核动力电源的设想世界上的事物是一分为二的，对空间核电源的应用也要一分为二。

对它采取全盘否定、拒而不用的态度是不客观的；对它采取全面肯定、一切都好的态度也是不对的我们应该结合我国的国情，结合我国航 天事业发展的需要对空间核电源做一全面的认真分析，从而作出实事求是的结论，作出合理的规划和安排使空间核电源能够应用到我国的航天技术中，推进我国的航天事业。