近期，羅羅公司(Rolls-Royce)獲得英國航天局(UK Space Agency)的進一步資助，用于支持研究將模塊化核反應堆應用于太空探索項目，實際上，從20世紀60年代開始，美國已持續(xù)多年探索將核能技術用于太空應用。

太空用核能技術超出了常規(guī)小堆的范疇，但是考慮其主要功率范圍，勉強可以算作小堆吧。

SNAP-10A

SNAP計劃的目標是提供一個緊湊反應堆，能夠滿足太空旅行的需求和限制。主承包商Atomics International是North American Aviation Inc.的一個部門，負責SNAP項目的許多關鍵方面。時任美國原子能委員會主席的Glenn T.Seaborg指出，“核反應堆是滿足太空探索和旅行電力需求的唯一實用設備。”。

SNAP-10A是首個在軌測試的核反應堆。發(fā)射前，安全系統(tǒng)在Rocketdyne Santa Susana現(xiàn)場實驗室通過試驗進行了嚴格審查。它由一個34 kW的反應堆和一個功率轉換裝置組成，可以產(chǎn)生500 W以上的電力。

反應堆堆芯由37根鈾鋯氫化物制成的燃料棒組成。徑向反射器中的四個控制鼓用于控制反應性。反射器由一根綁有爆炸螺栓的帶子固定在反應堆上。如果在緊急情況下需要關閉反應堆，可以啟動爆炸螺栓，反射器將從反應堆中彈出。一旦反射器被彈出，中子將不再被反射回堆芯，因此裂變無法持續(xù)。

SNAP-10A反應堆使用液態(tài)金屬冷卻劑共晶鈉鉀(也稱為NaK)進行冷卻。使用液態(tài)金屬冷卻劑可以在較低的系統(tǒng)壓力下獲得更高的堆芯溫度，從而促進更安全的運行。熱電泵足以使NaK循環(huán)，為反應堆提供必要的冷卻。

SNAP-10A于1965年4月從美國Vandenberg空軍基地由Atlas-Agena D火箭搭載進入700英里(約1120公里)的環(huán)形極地地球軌道，隨后遠程啟動。同年5月，Agena航天器發(fā)生電氣系統(tǒng)故障，導致反應堆在軌道上僅運行了43天后自動關閉。雖然反應堆運行良好，但航天器的錯誤信號指令控制或航天器(非核系統(tǒng))電壓調(diào)節(jié)器的故障被認為是任務終止的原因。不幸的是，自動關閉系統(tǒng)被設計為在任何異常和事故情況下將反射器彈出反應堆。因此，自動反射器彈出使系統(tǒng)無法重新啟動，從而結束了任務。

事后看來，Seaborg的說法是正確的，事實上，核能是推動太空探索的唯一實用手段。深空探索的未來取決于通過核能為推進系統(tǒng)和電力系統(tǒng)提供燃料的能力。

Rover/NERVA (1955–1973)

另一個核熱推進項目名為Rover/NERVA，時間跨度從1955年到1973年。Rover計劃最初是1955年美國空軍的一個項目，1958年移交給美國國家航空航天局(NASA)，成為核能火箭發(fā)動機應用(NERVA)項目的一部分。Rover主要專注于核能火箭反應堆設計的開發(fā)，而NERVA則專注于核能發(fā)動機的開發(fā)和部署。當該項目首次啟動時，主流觀點是將核裂變推進用作洲際彈道導彈的備用方案。項目還對核能推進可用于月球飛行第二階段和火星任務的理論進行了評估。

該項目位于當時被稱為Los Alamos Scientific Laboratory(LASL)的地方，證明了核動力推進系統(tǒng)可以頻繁啟動和關閉，而不會產(chǎn)生不利影響。Rover開發(fā)的反應堆采用高富集度固體鈾作為燃料，石墨作為慢化劑，液態(tài)氫作為冷卻劑。反應堆在LASL建造，并運往Nevada州的Nuclear Rocket Development Station進行試驗。Rover/NERVA計劃于1972年停止，1973年，就在飛行發(fā)動機開發(fā)即將開始時，該項目被取消，沒有任何反應堆離開地面。當時的分析指出，化學火箭更經(jīng)濟。Rover/NERVA的研發(fā)無疑為未來在太空中使用裂變反應堆提供了必要的經(jīng)驗教訓。最終，項目開發(fā)和試驗了三個核能推進反應堆，包括KIWI-A和KIWI-B、PHOEBUS和PEWEE。

KIWI-A的設計目標是產(chǎn)生約100 MW的電力，最終試驗功率僅為70 MW。KIWI-A是一個高溫氣冷反應堆，證明氫氣在經(jīng)過核反應堆加熱后可以用于太空推進。KIWI-A系列進行了多個反應堆試驗，包括KIWI-A(1959年7月)、KIWI-A'(1960年7月)和KIWI-A3(1960年10月)。KIWI-A'試驗中達到88 MW并持續(xù)了6分鐘，KIWI-A3試驗中達到112.5 MW并持續(xù)超過4分鐘。

KIWI-B試驗系列中也有多個反應堆設計。KIWI-B1A是1961年12月進行的反應堆試驗，試驗最大功率僅達到225 MW(未達到預期的1125 MW)，并在運行36秒后被終止。KIWI-B4A試驗于1962年11月進行，最大功率達到450 MW，KIWI-B4D試驗于1964年5月進行，最大功率達到990 MW，KIWI-B4E試驗于1964年8月進行，并于1964年9月重新進行。1964年8月的試驗最大功率達到937 MW，而1964年9月的試驗達到882 MW功率。1964年9月，還將兩個KIWI反應堆放在一起，以驗證反應堆能以集群形式安全運行。

PHOEBUS的設計功率為5000 MW，并于1968年6月在PHOEBUS-2A全功率運行期間以4082 MW的功率進行了試驗。試驗在該功率下終止，因為反應堆的夾持帶溫度達到417 K的極限(即，問題不是壓力容器過熱)。在試驗期間，還發(fā)現(xiàn)控制鼓反應性差異、氫氣流量振蕩和堆芯溫度刻度不一致等問題。

PEWEE的設計輸出功率為500 MW，并證明小型反應堆可以在火箭發(fā)動機環(huán)境中的高溫下運行。

Kilopower project (2015–2018)

Kilopower項目始于2015年10月，旨在為行星任務和深空旅行提供動力。Kilopower被用來展示核反應堆的潛在用途，包括核能動力推進和任務電力供應。

原型反應堆被稱為采用斯特林技術的Kilopower反應堆(KRUSTY)，是使用碳化硼控制棒的5 kWt固體燃料鈾-235反應堆。KRUSTY的堆芯大小與卷紙差不多。反應堆由液態(tài)鈉冷卻，最終將熱量傳遞給斯特林發(fā)動機。

KRUSTY試驗于2017年11月至2018年3月分階段進行，包括以下內(nèi)容：

設備臨界：以不同配置方式組裝反應堆燃料、中子反射器屏蔽、和啟動棒，并測量總反應性。

冷態(tài)臨界：添加熱管、夾具、絕緣材料和真空容器時進行零功率臨界試驗。

熱態(tài)臨界：堆芯利用裂變能量逐漸加熱。

試驗表明，系統(tǒng)能按預期運行，反應堆對可能的故障條件和瞬態(tài)具有很高的耐受性。所展示的關鍵特征是反應堆能夠跟隨電力轉換系統(tǒng)的需求進行負荷調(diào)節(jié)。試驗的熱功率范圍為1.5至5.0 kWt，燃料溫度高達880°C。每臺額定功率為80 We的斯特林轉換器產(chǎn)生約90 We電力，設備效率約為35%，整個系統(tǒng)效率約為25%。

Kilopower項目及由此產(chǎn)生的KRUSTY反應堆證明了可以設計、建造并成功試驗新的反應堆。2018年，該項目被認為是成功的，并為下一個項目鋪平了道路：裂變核能地表能源。

NASA裂變核能項目現(xiàn)狀

目前有兩個項目正在進行中，涉及在太空中使用核裂變技術。第一個項目是裂變核能地表能源(FSP)設計。第二個是核熱推進(NTP)系統(tǒng)研發(fā)。這兩個項目可以提供必要的動力和推進力，使深空探索成為可能。

裂變核能地表能源(FSP)

目前，NASA正在與美國能源部和工業(yè)合作伙伴合作，設計和建造一個能夠發(fā)電40 kW的反應堆動力系統(tǒng)，最短持續(xù)時間為10年。FSP將使月球和火星任務能夠在不受這兩個地點惡劣環(huán)境條件影響的情況下獲得動力。最終目標是在2029年年底前將一個可發(fā)射的FSP運送到發(fā)射場。

FSP項目的幾個關鍵參數(shù)包括：

• 以120 V直流方式輸出40 kWe功率;

• 6000 kg的重量限制;

• FSP適合安裝在著陸器上;

• 離開著陸器的運輸方便性以實現(xiàn)最佳應用;

• 除了這些要求外，還必須滿足嚴格的輻射防護要求。根據(jù)FSP的提案要求，“FSP的設計應將1公里外用戶界面位置的輻射暴露限制在月球背景以上每年5雷姆的基線值”。

NASA表示，該項目將分兩個階段進行。在第一階段，NASA和美國能源部聯(lián)系了三個行業(yè)合作伙伴，尋求FSP系統(tǒng)的初步設計概念。美國Idaho國家實驗室(INL)正在領導這項工作，將審查每一項設計并反饋給NASA。第一階段的三個行業(yè)合作伙伴分別是：

• IX(Intuitive Machines和X-energy的合資企業(yè))，與Maxar和波音公司合作;

• Lockheed Martin公司，與BWX Technologies和Creare公司合作;

• 西屋公司，與Aerojet Rocketdyne公司合作。

第二階段將主要由INL負責，NASA將參與其中，包括“一個獨立的提案征集、評估和選擇過程，涵蓋設計開發(fā)試驗和評估(DDT&E)、一個單獨的核地面試驗裝置和2029年12月前的有效載荷交付”，NASA表示，“最終將飛行系統(tǒng)交付至發(fā)射場”。

核熱推進(NTP)

NASA在開發(fā)NTP系統(tǒng)方面有著悠久的歷史，包括1955年至1973年間為Rover/NERVA進行的設計、建造和試驗。該項目生產(chǎn)了許多反應堆推進系統(tǒng)，然而，他們都沒有被帶到發(fā)射臺。盡管如此，為Rover/NERVA開發(fā)的NTP系統(tǒng)為目前正在開發(fā)的NTP提供了支撐。

NTP系統(tǒng)將在未來的深空任務中發(fā)揮關鍵作用，包括火星之旅。NTP為太空任務提供了比傳統(tǒng)化學推進系統(tǒng)更有效的推進手段。目前的NTP系統(tǒng)設計不要求具備產(chǎn)生發(fā)射所需推力的能力。發(fā)射將使用更傳統(tǒng)的化學火箭推進系統(tǒng)，此后，機組人員將開始使用NTP。

NTP系統(tǒng)的使用也將使NASA能夠縮短前往火星的往返時間。由于這是一種更有效的推動宇航員的方式，它可以通過將飛行時間縮短近25%，從而有效地減少機組人員的宇宙輻射暴露。一個更重要的好處是能夠在宇航員到達火星之前中止任務并將其送回地球?；瘜W火箭系統(tǒng)需要燃燒燃料才能離開地球軌道，并在火星上獲取更多燃料才能返回地球。在任務中途沒有可行的方法在地球和火星之間的某個地方分階段補充燃料。NTP系統(tǒng)自帶燃料，因此只要不耗盡氫推進劑，它們的機動能力就不受限制。

NTP系統(tǒng)被設計為以低富集度鈾為燃料。多個地方正在與INL合作開發(fā)新的NTP燃料，包括INL、Oak Ridge國家實驗室(ORNL)、Los Alamos國家實驗室(LANL)、NASA Marshall太空飛行中心(MSFC)、BWXT、Ultra Safe Nuclear Corporation(USNC)和X-energy。燃料的輻照試驗正在Transient Reactor Test Facility(TREAT)中進行，盡管TREAT在技術上并不用于開發(fā)燃料。上述所有地點以及麻省理工學院也正在進行其他重要的試驗。

NTP利用裂變產(chǎn)生的熱量，通過反應堆芯加熱低分子量推進劑(例如氫)來工作。氫氣被加熱后，在通過噴嘴時的膨脹實際上是NTP系統(tǒng)產(chǎn)生推力的原因。

美國能源部已經(jīng)授予了三個反應堆設計方案的設計合同，以支持NTP計劃。INL代表NASA發(fā)布了設計合同，但包括INL、LANL、ORNL、MSFC、NASA總部和Glenn研究中心在內(nèi)的許多組織都將參與審查根據(jù)合同形成的設計。

三個反應堆設計行業(yè)合作伙伴是：

• BWXT，與Lockheed Martin公司合作;

• General Atomics公司，與X-energy和Aerojet Rocketdyne合作;

• USNC，與Blue Origin、GE Hitachi Nuclear Energy、GE Research、Framatome和Materion合作。

在太空中使用裂變能源的歷史主要受SNAP、Rover/NERVA和Kilopower計劃的影響。NASA、美國能源部和行業(yè)合作伙伴有很多經(jīng)驗可以借鑒，以指導工程師和設計師創(chuàng)建裂變動力推進系統(tǒng)和裂變動力系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對登月、登陸火星甚至未來的深空探索都至關重要。