NASA技术开发部门三年来一直在资助一个名为“千瓦级动力”（Kilopower）的小型核裂变发电项目，计划2017年9月~2018年1月对该系统进行测试。

一、原理

千瓦级动力”小型核裂变电源系统利用裂变反应堆产生的热能带动“斯特林”引擎产生电能。反应堆相当于热源，利用热管将反应堆产生的热能传输给小型“斯特林”发动机，并将其转换为电能输出。

测试反应堆高约1.9米，可产生高达1千瓦的电力，但测试装置并未包含“斯特林”引擎，引擎方面使用了热模拟机来验证核反应堆的输出功率。

二、目标及需求

NASA最近已经完成了“小型核裂变电源系统”（FPS）的可行性研究。该机构目前正在寻求获得改变游戏规则的技术来提高美国的航天能力，FPS可减少NASA对钚的依赖，千瓦级的FPS将对NASA未来的最重要的太空探索任务产生重要影响。

该项目的目标是将应用于航天的1~10kWe（千瓦电能）小型裂变电源系统的技术成熟度从2~3级提高到5级。试验要求在热真空环境下，反应堆产生的800瓦热能可通过热管传递给“斯特林”发动机，进而产生150瓦电力（至少90瓦）。

该项目将面向两种任务需求：一是面向勘探前哨和核动力推进系统的10~100kWe电力需求；二是用于机器人科学和小型勘探系统的1~10kWe电力需求。

三、项目内容

该项目包含三部分：首先是千瓦级系统原型试验，其中包括建立在800瓦标准太空科学电力需求基础上的小型裂变电源系统电能输出和全热能地面技术演示验证；第二部分是火星千瓦级动力系统概念，其中包括针对3~10kWe火星表面电力需求对放大800瓦标准系统进行分析和设计；第三部分是设计并开发一款千瓦级高温热管散热器试验原型，为国际空间站2019财年或晚些时候进行的飞行试验开发及测试做准备。

第一部分是该计划的核心。一套800瓦的千瓦级系统将采用四对“斯特林”发动机，每对发动机可生成200瓦电力。所有技术目标都可利用一对全尺寸发动机实现。演示验证试验包括反应堆堆芯、从堆芯传递热能到电力转换系统的热管、电力转换系统和排放电力转换废热的散热器。反应堆的设计将由洛斯阿拉莫斯国家实验室主导；Y-12国家安全综合体负责制造部分；NASA格伦研究中心（GRC）将设计、建造并验证千瓦级原型的设备热转换，负责电力转换和散热部分设计的权衡；NASA马歇尔航天中心将开发用于无核试验和核试验防护的电反应堆模拟器；最后，钠热管传热、“斯特林”发动机电力转换和散热的非核电热演示验证将在格伦研究中心进行。一旦设备权衡试验结束，反应堆堆芯制造完成，设备系统将针对核地面试验进行重新配置。

四、应用前景

目前，放射性同位素电源在行星际探索中已经得到非常广泛地应用。但放射性同位素电源的热电转换效率低，输出电功率最大也仅能达到百瓦级。美国单个放射性同位素电源的功率水平达到了300瓦左右。然而，大多数深空探测器需要600~700瓦的电力，千瓦级的小型FPS或将使未来的重大科学任务和勘探先期任务成为可能。

来源：美国NextBigFuture网站/图片来自互联网

中国国防科技信息中心 袁政英 侯勤

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