空间核电力装置

特点

它具有重量轻、体积小、抗辐射能力强、寿命长及窗口利用率高等特点，且在远离太阳的星际航行中也能应用，因而除了在外空探测和月球基地活动方面是不可缺少的以外，在全球通讯、海洋军事侦察、空间激光和粒子束武器以及用电火箭推进进行转移轨道等方面都有着潜在的优越性。是用于宇航领域有发展前途的先进电力装置。

类型

空间核电力装置可分为放射性同位素和核反应堆两类。前者利用放射性同位素的射线被物质吸收产生热能，并通过热-电转换设备获得电力；后者则是利用核燃料在反应堆中裂变产生热能，并将其转换为电力。

同位素电力装置所使用的同位素要求能发射易于被物质吸收的、能量高的α射线，而贯穿性强的γ射线尽可能地少，以减少辐射屏蔽材料及其重量；同时，要具有与航天器寿命相适应的半衰期。在空间应用中常选用钚-238，它的半衰期86.4年，比热功率0.58W/g。其他放射性同位素，如钋-210、镅-242、铈-144、铯-137、锶-90等，也可做成同位素电力装置，但很少用于空间。这些放射性同位素不存在于自然界中，皆由人工生产，价格昂贵，因而功率不可能很大，单机功率水平一般在千瓦级以下。而几千瓦以上的大功率、寿命可达10年的空间核电力装置，则以核反应堆为热源的电力系统为主。

空间核反应堆电力装置是一种集热源、热电转换、排热于一体的电力装置。前苏联的TOPAZ-1装置(参见彩图插页第 页 图)是其最成功的例子。

将热能转换成电能有两种方式：动态转换和静态转换。动态转换与地面发电方式相似，如早期研制的液态金属兰金(Rankine)循环、使用惰性气体工质的布雷顿(Brayton)循环以及在70年代后更受青睐的斯特林(Stirling)循环等。这种方式转换效率高，但由于在空间机械长期高速旋转、无重力汽-液两相分离和材料高温相容性等问题难以解决，因而一直没有付之实施。静态转换没有转动机械，热能通过某种材料或器件直接转换为电能。这种转换类型有：温差热电偶转换、热离子转换以及碱金属热电(AMTE)转换等，其最大缺点是热电转换效率低，一般只有百分之几。

在宇宙真空中，余热排放只能采用热辐射的方法。排放余热的热辐射器一般是电力装置中体积最大的部件。在热源、电力转换、热辐射器之间热能的传输，对于低功率可用固体(石墨、金属等)直接进行热传导；对于几千瓦以上的电力装置，常采用液态金属强迫流动回路或“热管”传输热能。

发展概况

空间核电力装置的发展代表着一个国家的军事能力和高新技术水平。美国于1961年首先发射了一颗载有同位素核电力装置(SNAP-3B7，温差热电转换，电功率2.7W，电力装置总重2.1kg)的导航卫星(子午仪-4A)。1965年又首先发射了一颗装备了核反应堆电力装置(SNAP-10A，硅锗半导体温差热电偶转换，功率533W，电力装置总重436kg)的卫星。由于控制系统的电源故障，工作了43天就关闭了，并转移到4000年轨道寿命的高轨道，届时其放射性剂量水平将衰变到允许的安全值以下。至1999年，美国发射的核电力装置，除SNAP-10A外，其他均为放射性同位素装置。其中约9种型号38个装置，多用于导航卫星、登月、行星探测等。

前苏联着重发展空间核反应堆电源。经过约半个世纪的努力，至1989年，先后在海洋军事侦察卫星等方面使用核反应堆电源约35个，除两个热离子转换堆主要用于对其进行空间实验外，其余皆为温差热电偶转换。

安全性问题

空间核电力装置的使用安全性是人们甚为关心的问题。1964年以来，美国在空间核电力装置使用方面发生过三次事故：1964年一个SNAP-9A由于未能进入轨道而坠毁于印度洋上空，大量的钚-238散落在大气中；1968年美国的一颗气象卫星发射失败，两个装置落入美国加州沿岸的太平洋中，经打捞，同位素的包封完好，放射性物质没有外泄；1970年“阿波罗13”飞船由于操作失灵，所携带的3.6 kg的钚-238坠入斐济岛附近的南太平洋中，至今对该地域的空气和水进行监测，没有发现放射性的物质泄漏。前苏联在使用核反应堆电力装置方面，据知也曾出现过三次事故；影响最大的一次是1978年1月“宇宙-954”事故，所带的反应堆向1000年高轨道转换失败而进入大气层焚烧，坠落到加拿大的东北部，带有放射性的残骸及碎片散落在600km范围内，经收集处理后，其后果未见重大影响；1982年“宇宙-1402”装置发射失败，按预定安全措施在大西洋南部上空粉碎烧毁，反应堆的放射性物质经大气稀释后的剂量水平低于国际放射防护委员会规定的许可值；1988年“宇宙-1900”发生事故，由于改进了事故条件下反应堆电力装置的解体、分散及在大气中摩擦粉碎烧毁等技术，稀释后的大气放射性水平低于允许值，其后果没有引起人们的更多注意。1978年，联合国外空和平利用委员会(COPUOP)建立了它的科技小组，讨论国际空间核能源的发展和安全问题。1981年后，该委员会委托其法律小组制定关于空间使用核动力的条例，但联合国尚未形成法律条文。2100433B

利用核反应(目前主要是裂变或衰变)产生的能量为空间飞行器提供动力的装置。根据不同的任务需求、通过不同的方式,可以把核能转变成电能或推进动力,分别称为空间核电源或空间核推进。

用于稳定和调节一回路主系统冷却剂的工作压力,避免一回路主系统压力过高或过低,防止一回路主系统及设备超压或反应堆内冷却剂压力过低而出现容积沸腾现象，从而避免堆心燃料棒过热烧毁的事故。现代大功率压水堆核电站都采用电热式稳压器。电热式稳压器一般采用立式圆柱形结构。安置在稳压器上部蒸汽空间顶端的喷淋头用来抑制压力升高，而安置在稳压器下部水空间内的电加热器则起限制压力降低的作用。

核电站中将蒸汽的热能转化为电能的装置。它由汽轮发电机组、凝汽器、凝结水泵、给水泵、低压加热器、高压加热器、除氧器、汽水分离再热器和相应的管道阀门等组成。二回路的给水在蒸汽发生器中吸收了一回路的热量后变成蒸汽，然后进入汽轮机作功，带动发电机发电。作功后的乏汽排入凝汽器，凝结成水，再由凝结水泵送入加热器，加热后重新返回蒸汽发生器，构成二回路的密闭循环。核电站的二回路系统与普通火电站的动力回路相似。一回路系统相当于火电厂的锅炉系统，一般称做核蒸汽供应系统。但由于核反应堆是强放射源，流经反应堆的冷却剂带有一定的放射性，特别是在核燃料元件破损时放射性剂量更高。因此，从反应堆流出的冷却剂一般不宜直接进入汽轮机，所以，压水堆核电站比普通火电厂多一套动力回路。