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太空核能

太空核能(Nuclear power in space)是在外層空間使用核動力，通常是小型裂變系統或放射性衰變產生的電或熱。另一種用途是用於科學觀察，如穆斯堡爾光譜儀。最常見的類型是放射性同位素熱電發電機，它已被用於許多太空探測器和載人登月任務。用於地球觀測衛星的小型裂變反應堆，如托帕茲核反應堆(TOPAZ)，也已投入使用[1]。放射性同位素加熱器裝置由放射性衰變提供動力，可有效防止部件因過冷而無法工作，能維持數十年時間[2]。

幾維號(KIWI)核熱火箭發動機
由一台放射性同位素熱能發電機供電的火星好奇號探測車，在火星車的遠側可以看到帶白色散熱片的放射性同位素熱能發電機。

1965年，美國在太空中對斯納普10A型核反應堆進行了43天的試驗 [3]，而下一個擬用於太空的核反應堆動力系統試驗則於2012年9月13日進行，並演示了使用平頂裂變(DUFF)的千瓦級反應堆試驗[4]。

1965年，在完成使用鈾和直接熱電轉換的實驗性羅馬什卡反應堆後[5]，蘇聯向太空發射了約40顆核電衛星，大部分由貝斯5型(BES-5)反應堆提供動力，而更強大的托帕茲II型(TOPAZ-II )反應堆則產生了10千瓦的電力[3]。

將核能用於太空推進系統的概念示例包括核電力火箭(核動力離子推進器)、放射性同位素火箭和放射性同位素電力推進(REP)[6]，其中一種更值得探索的是核熱火箭，曾在運載火箭用核能發動機計劃中進行過地面測試，而核脈衝推進則是獵戶座計劃的主題[7]。

優點

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海盜1號和海盜2號着陸器都在火星表面使用放射性同位素熱能發電機供電(海盜號運載火箭照片)

雖然太陽能的使用更為普遍，但核能在某些領域具有優勢。太陽能電池雖然效率很高，但只能在太陽通量足夠高的軌道上為航天器提供能量，例如近地軌道和離太陽足夠近的行星際目的地。與太陽能電池不同的是，核電系統的功能可不依賴於深空探索所必需的太陽光。與同等功率的太陽能電池相比，核電系統質量更小，從而使航天器更緊湊，更容易在太空中定向和指導。以載人航天為例，核動力概念既能為生命維持系統提供動力，也能為推進系統提供動力，如此就可大幅減少成本和飛行時間[8]。

已選擇的太空應用和/或技術包括：

類型

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放射性同位素系統

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位於月球上的斯納普27型放射性同位素熱能發電機

五十多年來，放射性同位素熱能發電機(RTG)一直是美國在太空的主要核動力源。放射性同位素熱能發電機具備許多優點，它們相對安全、無需維護，有較強的環境適應能力，可運行數十年，特別適合在太陽能不足地區的使用。數十台該種發電機已被應用在25艘不同的美國航天器，其中一些已經運行了20多年。全球(主要是美國和蘇聯)在太空任務中已使用了40多台放射性同位素熱電發電機[9]。

先進斯特林放射性同位素發電機(ASRG，斯特林放射性同位素發電機(SRG)的一種)每單位核燃料產生的電能大約是放射性同位素熱能發電機的四倍，但是，基於斯特林技術的航天發電裝置預計要到2028年才能實現[10]。美國宇航局計劃在遙遠的未來利用兩台先進斯特林放射性同位素發電機來探索土衛六。

 
先進斯特林放射性同位素發電機剖面圖

放射性同位素發電機包括：

放射性同位素加熱器(RHU)也被用於航天器上，將科學儀器加熱到合適的溫度，使其高效運行。一種更大的同位素加熱器稱為通用熱源(GPHS)，用於為放射性同位素熱能發電機和先進斯特林放射性同位素發電機提供熱能。

極慢衰變放射性同位素也被提議用於具有數十年壽命周期的星際探測器上[11]。

截至2011年，另一個發展方向是亞臨界核反應輔助的放射性同位素熱能發電機[12]。

核裂變系統

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核裂變動力系統可用來為航天器的供熱或推進系統提供動力，在供熱要求方面，當航天器所需電力超過100千瓦時，裂變系統將比放射性同位素熱能發電機更具成本效益。

在過去的幾十年裡，美蘇都分別提出了各自的裂變反應堆。蘇聯在1967年至1988年間發射了31台安裝在羅薩特衛星(RORSAT)，採用熱電轉換的貝斯5型低功率裂變反應堆。

在20世紀60年代和70年代，前蘇聯開發了使用熱離子轉換器的托帕茲核反應堆，儘管到1987年才進行了第一次試飛。

1965年，美國發射了一座太空反應堆斯納普10A型，它是由原子國際公司研發，當時屬於北美航空的一個部門[13].

1983年，美國航天局和其他美國政府機構開始研發下一代太空反應堆SP100型並與通用電氣和其他公司簽訂了合同。1994年，SP-100項目被取消，主要原因出於政治考慮，當時是想從俄羅斯引進托帕茲-II型反應堆系統。儘管一些托托帕茲II型原型機進行了地面測試，但該系統從未用於美國的太空任務[14]。

2008年，美國宇航局宣布計劃在月球和火星表面使用一台小型裂變電力系統，並開始測試實現它所需的「關鍵」技術[15]。

提出的裂變動力系統航天器和探測系統包括SP100型、木星冰質衛星軌道飛行器核電推進和表面裂變能源[9]。

一些用作太空用途的已開發或正在開發的微型核反應堆：[16]

  • 快速L型(RAPID-L)，未來月球和火星定居點發電站，基於快速系列(Refueling by All Pins Integrated Design)，採用液態鋰-6的快中子增殖反應堆所設計。
  • 閉式循環磁流體(CCMHD)發電系統
  • SP100型，一種用熱管將熱能輸送到熱離子轉換器的反應堆，採用鋰冷卻，該項目從未發展到樣機階段，並於1994年終止。
  • 鹼性金屬熱電轉換器(AMTEC)
  • 千瓦級反應堆，計劃分為四種尺寸，能夠連續12到15年產生1到10千瓦的電力，裂變反應堆使用鈾-235產生熱量，通過被動鈉熱管輸送到斯特林轉換器。

核熱推進系統(NTR)是以裂變反應堆的熱功率為基礎的，它提供了一種比化學反應更有效的推進系統。目前的研究更主要集中在以核電系統作為動力來源，為已經在太空中的航天器提供推力。

 
安全30型小型實驗反應堆

其他為太空飛行器提供動力的太空裂變反應堆包括安全400型(SAFE-400)反應堆和荷馬15型(HOMER-15)。2020年，俄羅斯聯邦航天局計劃發射一艘利用核動力推進系統(由凱爾迪什研究中心開發)的航天器，其中包括一座1兆瓦的小型氣冷裂變反應堆.[17][18]。

2020年9月，美國航天局和美國能源部(DOE)發布了一份有關月球核動力系統的正式招標書，規定在2021年底前完成初步設計的將會獲得多項獎勵。而在第二階段，即2022年初，他們將選擇一家公司開發一座10千瓦的裂變發電系統，並將於2027年發射到月球[19]。

普羅米修斯計劃

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執行普羅米修斯任務的木星冰衛星軌道器構想圖，它由一座小型裂變反應堆為離子發動機和電子設備提供電力，一根長吊杆將反應堆與航天器其餘部分拉開距離，散熱片將廢熱輻射到太空中。

2002年，美國宇航局宣布了一項核系統開發計劃，後來被稱為「普羅米修斯計劃」。普羅米修斯項目的一個主要部分是開發先進斯特林放射性同位素發電機和多任務放射性同位素熱電發生器，兩種類型的放射性同位素熱能發電機。該項目還旨在製造一座安全持久的太空裂變反應堆系統，用於航天器的動力和推進，取代長期使用的同位素熱能發電機。預算限制導致了項目有效期的中止，但普羅米修斯項目在測試新系統方面取得了成功[20]。該項目創建後，科學家們成功地測試了高功率電力推進(HiPEP)的離子發動機，該發動機在燃料效率、運行壽命以及推進效率上都超過其他的動力源[21]。

視覺資料

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火星科學實驗室多任務放射性同位素熱電發生器內，包裹着衰變中的鈈的紅熱外殼[22]。火星科學實驗室於2011年發射，2012年8月登陸火星。
 
火星科學實驗室的多任務放射性同位素熱電發生器外觀
 
正在地面做測試的斯納普10A型太空核電站，20世紀60年代發射升空。

另請參閱

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參考文獻

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  1. ^ Hyder, Anthony K.; R. L. Wiley; G. Halpert; S. Sabripour; D. J. Flood  . Spacecraft Power Technologies. Imperial College Press. 2000: 256. ISBN 1-86094-117-6. 
  2. ^ Department of Energy Facts: Radioisotope Heater Units (PDF). U.S. Department of Energy, Office of Space and Defense Power Systems. December 1998 [March 24, 2010]. （原始內容 (PDF)存檔於2010-05-27）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Nuclear Power In Space. Spacedaily.com. [2016-02-23]. （原始內容存檔於2020-02-01）. 
  4. ^ NASA - Researchers Test Novel Power System for Space Travel - Joint NASA and DOE team demonstrates simple, robust fission reactor prototype. Nasa.gov. 2012-11-26 [2016-02-23]. （原始內容存檔於2016-03-05）. 
  5. ^ Ponomarev-Stepnoi, N. N.; Kukharkin, N. E.; Usov, V. A. "Romashka" reactor-converter. Atomic Energy (New York: Springer). March 2000, 88 (3): 178–183. ISSN 1063-4258. S2CID 94174828. doi:10.1007/BF02673156. 
  6. ^ Radioisotope Electric Propulsion : Enabling the Decadal Survey Science Goals for Primitive Bodies (PDF). Lpi.usra.edu. [2016-02-23]. （原始內容存檔 (PDF)於2017-02-02）. 
  7. ^ Everett, C.J.; Ulam S.M. On a Method of Propulsion of Projectiles by Means of External Nuclear Explosions. Part I (PDF). Los Alamos Scientific Laboratory: 5. August 1955 [2021-02-17]. （原始內容存檔於2010-12-15）. 
  8. ^ Zaitsev, Yury. Nuclear Power In Space. Spacedaily. [22 November 2013]. （原始內容存檔於2020-02-01）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Mason, Lee; Sterling Bailey; Ryan Bechtel; John Elliott; Mike Houts; Rick Kapernick; Ron Lipinski; Duncan MacPherson; Tom Moreno; Bill Nesmith; Dave Poston; Lou Qualls; Ross Radel; Abraham Weitzberg; Jim Werner; Jean-Pierre Fleurial. Small Fission Power System Feasibility Study — Final Report. NASA/DOE. 18 November 2010 [3 October 2015]. （原始內容存檔於2020-08-01）. Space Nuclear Power: Since 1961 the U.S. has flown more than 40 Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) with an essentially perfect operational record. The specifics of these RTGs and the missions they have powered have been thoroughly reviewed in the open literature. The U.S. has flown only one reactor, which is described below. The Soviet Union has flown only 2 RTGs and had shown a preference to use small fission power systems instead of RTGs. The USSR had a more aggressive space fission power program than the U.S. and flew more than 30 reactors. Although these were designed for short lifetime, the program demonstrated the successful use of common designs and technology. 
  10. ^ Stirling Technical Interchange Meeting (PDF). [2016-04-08]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-04-20）. 
  11. ^ Innovative Interstellar Probe. JHU/APL. [22 October 2010]. （原始內容存檔於2018-08-08）. 
  12. ^ Arias, F. J. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator: An Imperative Solution for the Future of NASA Exploration. Journal of the British Interplanetary Society. 2011, 64: 314–318 [2021-02-17]. Bibcode:2011JBIS...64..314A. （原始內容存檔於2020-08-06）. 
  13. ^ A.A.P.-Reuter (1965-04-05). "Reactor goes into space". The Canberra Times. 39 (11, 122). Australian Capital Territory, Australia. 5 April 1965. p. 1. Via National Library of Australia. Retrieved on 2017-08-12 from https://trove.nla.gov.au/newspaper/article/131765167 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
  14. ^ National Research Council. Priorities in Space Science Enabled by Nuclear Power and Propulsion. National Academies. 2006: 114. ISBN 0-309-10011-9. 
  15. ^ A Lunar Nuclear Reactor | Solar System Exploration Research Virtual Institute. Sservi.nasa.gov. [2016-02-23]. （原始內容存檔於2021-02-21）. 
  16. ^ Nuclear Reactors for Space - World Nuclear Association. World-nuclear.org. [2016-02-23]. （原始內容存檔於2020-12-21）. 
  17. ^ Page, Lewis. Russia, NASA to hold talks on nuclear-powered spacecraft Muscovites have the balls but not the money. The Register. 5 April 2011 [26 December 2013]. （原始內容存檔於2019-12-09）. 
  18. ^ Breakthrough in quest for nuclear-powered spacecraft. Rossiiskaya Gazeta. October 25, 2012 [26 December 2013]. 
  19. ^ NASA  to seek proposals for lunar nuclear power system. Space News. 2 September 2020. 
  20. ^ Nuclear Reactors for Space. World Nuclear Association. [22 November 2013]. [失效連結]
  21. ^ NASA Successfully Tests Ion Engine. ScienceDaily. [22 November 2013]. （原始內容存檔於2021-01-25）. 
  22. ^ Technologies of Broad Benefit: Power. [2008-09-20]. （原始內容存檔於2008-06-14）. 

外部連結

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