1、早期計劃：20世紀60年代至80年代
從1959-1973年，美國有一個(gè)核火箭計劃 ——火箭車(chē)應用核發(fā)動(dòng)機(NERVA)——其重點(diǎn)是在發(fā)射的后期階段用核能替代化學(xué)火箭。
NERVA使用石墨芯反應堆加熱氫氣并通過(guò)噴嘴排出。大約20臺發(fā)動(dòng)機在內華達州進(jìn)行了測試，產(chǎn)生的推力高達航天飛機發(fā)射器的一半以上。
從那時(shí)起，“核火箭”一直是打算用于太空推進(jìn)，而不是發(fā)射。NERVA的后續發(fā)展是今天的核熱火箭(NTR)。
另一個(gè)早期想法是美國的“獵戶(hù)座”計劃，該計劃將使用一系列小型核爆炸從地球發(fā)射一艘約1000噸的大型航天器。
該項目由通用原子公司于1958年啟動(dòng)，1963年因《禁止大氣試驗條約》而中止。
獵戶(hù)座項目為其他項目提供了思路，例如ICAN-Ⅱ和AIMStar，其他產(chǎn)生推進(jìn)脈沖的方法也被考慮在內。
1965年推出的美國SNAP-10A是一個(gè)45kWt的熱核裂變反應堆，使用ZrH慢化劑(或UZrH燃料)和共晶NaK冷卻劑供，給熱電轉換器面板產(chǎn)生650瓦的功率。
它在590瓦的功率下運行了43天，但由于電壓調節器(而非反應堆)故障而關(guān)閉。
這一時(shí)期，美國的最后一個(gè)太空反應堆計劃是NASA-DOE-美國國防部的一個(gè)聯(lián)合項目，該項目開(kāi)發(fā)了SP-100反應堆——一個(gè)2 MWt的快速反應堆裝置和熱電系統，功率達100kWe——作為軌道任務(wù)的多用途電源或月球/火星表面電站。
在吸收了近10億美元后，這項計劃于20世紀90年代初終止。
該反應堆使用了氮化鈾燃料，并且是鋰燃料。
在20世紀80年代末，美國國防部與能源部合作，推進(jìn)多兆瓦(MMW)空間動(dòng)力計劃。
這一能力遠遠超出了民用空間計劃的要求。
對于航天器推進(jìn)，核熱火箭(NTP或NTR)推進(jìn)系統已經(jīng)獲得了一些經(jīng)驗，據說(shuō)這些系統已經(jīng)發(fā)展成熟并得到了驗證。
核裂變加熱氫推進(jìn)劑，氫推進(jìn)劑作為液體儲存在冷卻罐中。
熱氣(約2500℃)通過(guò)噴嘴排出以產(chǎn)生推力(可通過(guò)向超音速氫氣排氣中注入液氧來(lái)增加推力)。
這比化學(xué)反應更有效。雙模態(tài)版本將在航天器上運行電氣系統，包括強大的雷達，并提供推進(jìn)。
與核電等離子體系統相比，這些系統在更短的時(shí)間內具有更大的推力，可用于發(fā)射和著(zhù)陸。
2、后項目：20世紀90年代
直到20世紀80年代末，人們的注意力轉向了核電推進(jìn)(NEP)系統，在該種設想中，核反應堆是電離子驅動(dòng)的熱源，將等離子體從噴嘴中排出，以推動(dòng)已經(jīng)在太空中的航天器。
超導磁電池電離氙(或氫)，將其加熱到極高的溫度(數百萬(wàn)℃)，并使用極高的電壓使其加速，以極高的速度(例如30 km/s)將其排出，以提供推力。
雖然相對于火箭來(lái)說(shuō)，推力很小，但它在太空中的長(cháng)期應用(例如數年)保證航天器的高速飛行。自2007年以來(lái)，NASA在火星和木星之間運行的“黎明號”飛船使用離子推進(jìn)器，100多顆地球同步軌道通信衛星也使用離子推進(jìn)器。
它們都延長(cháng)了衛星的運行壽命，降低了發(fā)射和運行成本。
氙之所以被使用，是因為它容易電離，原子質(zhì)量相對較高，而且是惰性的，儲存密度高。
1998年至2001年，NASA首次使用離子推進(jìn)器執行太空任務(wù)。
NASA太陽(yáng)能技術(shù)應用(NSTAR )離子推進(jìn)系統使深空1號任務(wù)(第一艘主要由離子推進(jìn)的航天器)得以飛行超過(guò)2.6億公里，飛越小行星布萊葉和博雷利彗星。
NASA研發(fā)的氙推進(jìn)器(NEXT)和環(huán)形發(fā)動(dòng)機就是這方面的發(fā)展。
NEXT是一種大功率離子推進(jìn)系統，旨在降低任務(wù)成本和飛行時(shí)間，以NSTAR的三倍功率運行。
NASA獲得專(zhuān)利的環(huán)形發(fā)動(dòng)機有可能超過(guò)NEXT和其他電力推進(jìn)器設計的性能能力，其總(環(huán)形)束面積是其兩倍。
可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)的一個(gè)版本的研究借鑒了用于發(fā)電的磁約束聚變功率(托卡馬克)，但在這里，等離子體被故意泄漏以提供推力。
該系統在低推力(可以持續)下工作效率最高，等離子體流量較小，但短時(shí)間的高推力操作是可能的。
它非常有效，99%的電能轉化為動(dòng)能，盡管短推力點(diǎn)火只有70%。
VX200是一種200kW版本，2015年正在進(jìn)行測試，以期部署在核電力推進(jìn)的太空任務(wù)中。它還可以用于清除空間碎片，推進(jìn)低軌道燃燒。
NASA已與Ad Astra火箭公司簽訂合同，開(kāi)發(fā)新版本的VX-200SS(“SS”代表“穩定狀態(tài)”)，采用新的核心設計和熱控制，在1,000,000℃的溫度下運行，同時(shí)幾乎完全消除了對大量火箭燃料的需求。
熱管動(dòng)力系統（HPS） 反應堆是一種緊湊型快速反應堆，大約十年內可產(chǎn)生100 kWe的能量，為航天器或行星表面飛行器提供動(dòng)力。
自1994年以來(lái)，他們一直在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)，作為一個(gè)強大的低技術(shù)風(fēng)險系統，強調高可靠性和安全性。
他們使用熱管從反應堆堆芯傳遞能量，使用斯特林或布雷頓循環(huán)轉換器發(fā)電。
熱管是一種將導熱性與相變相結合的傳熱裝置。在熱端，液體在低壓下蒸發(fā)，在另一端冷凝，釋放蒸發(fā)潛熱。然后，液體通過(guò)重力或毛細管作用返回熱端，重復循環(huán)。（如果使用重力，它們有時(shí)被稱(chēng)為兩相熱虹吸管，但使用表面張力的毛細管“泵送”是使用的主要機制。）
在20世紀90年代的設計中，裂變產(chǎn)生的能量從燃料管傳導到充滿(mǎn)鈉蒸汽的熱管，熱管將鈉蒸汽輸送到熱交換器，然后以熱氣體的形式輸送到斯特林或布雷頓動(dòng)力轉換系統以發(fā)電。氣體為72%的氦氣和28%的氙氣。反應堆本身包含許多帶有燃料的熱管模塊。每個(gè)模塊都有其中央熱管，其周?chē)贾糜绣n包層燃料套管。
它們的直徑相同，含有97%的濃縮氮化鈾燃料，都在模塊的包層內。模塊形成一個(gè)緊湊的六邊形芯?？刂剖峭ㄟ^(guò)六個(gè)不銹鋼包層鈹鼓進(jìn)行的，每個(gè)鼓直徑為11或13厘米，碳化硼在每個(gè)鼓上形成120度電弧。
鼓安裝在圍繞堆芯的鈹徑向中子反射器的六個(gè)部分內，并旋轉以實(shí)現控制，將碳化硼移入或移出。
屏蔽取決于任務(wù)或應用，但不銹鋼罐中的氫化鋰是主要的中子屏蔽層。
SAFE-400 空間裂變反應堆(SAFE Affordable fission Engine)是一個(gè)100kW的400kWt HPS，用于使用兩個(gè)布雷頓動(dòng)力系統(由反應堆的熱氣直接驅動(dòng)的燃氣輪機)為空間飛行器提供動(dòng)力。
熱交換器出口溫度為880℃。該反應器有127個(gè)相同的熱管模塊，由鉬或含1%鋯的鈮制成。
每一個(gè)都有三個(gè)直徑為1厘米的燃料針，嵌套在一起形成一個(gè)直徑為25厘米的緊湊六邊形芯。
燃料針長(cháng)70厘米(燃料長(cháng)度56厘米)，總熱管長(cháng)度145厘米，在堆芯上方延伸75厘米，與熱交換器相連。
帶反射器的芯的直徑為51厘米。堆芯的質(zhì)量約為512千克，每個(gè)熱交換器為72千克。
SAFE也已通過(guò)電動(dòng)離子驅動(dòng)進(jìn)行了測試。這種反應堆的一個(gè)較小版本是HOMER-15 ——熱管操作的火星探測反應堆。
它是一個(gè)15 kW的熱機組，類(lèi)似于更大的SAFE型號，高2.4米，包括熱交換器和3kWe斯特林發(fā)動(dòng)機。
它的工作溫度僅為600℃，因此能夠使用不銹鋼直徑為1.6 cm的燃料管和加熱管。
它有19個(gè)鈉熱管模塊，102個(gè)燃料針連接上，每個(gè)管道4個(gè)或6個(gè)，總共容納72千克燃料。
熱管長(cháng)106厘米，燃料高度36厘米。核是六邊形的(18厘米寬)，角上有六個(gè)BeO銷(xiāo)。
反應堆系統的總質(zhì)量為214千克，直徑為41厘米。
NASA于2008年宣布了另一個(gè)用于月球和火星的小型裂變表面動(dòng)力系統。40kWe系統可利用兩種設計理念之一進(jìn)行功率轉換。
第一種由俄亥俄州的Sunpower公司制造的，它使用兩個(gè)對置的活塞發(fā)動(dòng)機與交流發(fā)電機相連，每臺發(fā)電機產(chǎn)生6千瓦的功率，即總共12千瓦的功率。
第二種由科羅拉多州阿爾瓦達市的巴伯·尼科爾斯(Barber Nichols)負責開(kāi)發(fā)封閉式布雷頓循環(huán)發(fā)動(dòng)機，該發(fā)動(dòng)機使用高速渦輪和壓縮機，并與旋轉交流發(fā)電機相連，該發(fā)電機也能產(chǎn)生12千瓦的電能。NASA自己將開(kāi)發(fā)散熱系統并提供太空模擬設施。
2012年年中，NASA報告成功測試了這一40 kWe系統的功率轉換和散熱器組件，該系統基于一個(gè)小型裂變反應堆，加熱并循環(huán)鈉和鉀的液態(tài)金屬冷卻劑混合物。
這與外界溫度之間的熱差，將驅動(dòng)兩臺互補的斯特林發(fā)動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)一臺40kWe發(fā)電機。
3、普羅米修斯項目：2003-2007
2002年，NASA宣布了其太空項目的核系統計劃，2003年更名為普羅米修斯計劃，并增加了資金。其目的是使空間任務(wù)的能力發(fā)生重大變化。
核動(dòng)力太空旅行將比現在可能的速度快得多，并將實(shí)現載人火星任務(wù)。
普羅米修斯號是NASA的一個(gè)項目，DOE在核領(lǐng)域有大量參與。
普羅米修斯號的一個(gè)更為激進(jìn)的目標是生產(chǎn)一種太空裂變動(dòng)力系統(FPS)，如上文所述，用于動(dòng)力和推進(jìn)，發(fā)射安全，運行多年，功率比RTG大得多。
預計等離子體驅動(dòng)的核電推進(jìn)系統的功率為100 kW。2004財年預算提案為2.79億美元，五年內將花費30億美元。
這其中包括1.86億美元(五年內10億美元)的撥款，外加9300萬(wàn)美元(五年間20億美元)用于首次飛往木星的飛行任務(wù)——預計將于2017年發(fā)射的木星冰月軌道飛行器(JIMO)，并將進(jìn)行十年的探索。
然而，普羅米修斯項目在2005年的預算中只獲得了4.3億美元，而在2006年，這一數字縮水到了1億美元，其中大部分是為了補償取消的合同，因此它實(shí)際上陷入了停滯。
一個(gè)類(lèi)似的項目已經(jīng)啟動(dòng)并計劃于2022年發(fā)射，名為JUpiter ICy衛星探測器(JUICE)，作為ESA正在開(kāi)發(fā)的行星際航天器。
2003年，普羅米修斯項目成功地測試了一臺高功率電力推進(jìn)(HiPEP)離子發(fā)動(dòng)機。
這是通過(guò)微波電離氙來(lái)實(shí)現的。在發(fā)動(dòng)機的后部是一對矩形金屬格柵，其充電電壓為6,000伏。
這種電場(chǎng)的力量對氙離子施加強大的靜電拉力，加速它們并產(chǎn)生推動(dòng)航天器的推力。
測試功率高達12 kW，但預計為兩倍。該推進(jìn)器的設計壽命為7至10年，燃料效率高，并由小型核反應堆提供動(dòng)力。
4、目前的計劃
千瓦級太空反應堆項目被NASA稱(chēng)為KiloPower ，可能包括各種與RTG功率和質(zhì)量相當的設計。
他們使用液態(tài)金屬熱管將裂變熱傳遞到熱電或斯特林動(dòng)力轉換。
洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室和NASA格倫研究中心于2012年在內華達州國家安全中心完成了一項概念驗證測試，使用Flattop反應堆和兩個(gè)小型斯特林轉換器，產(chǎn)生24瓦功率。
2014年12月，NASA格倫中心宣布其4kWt/1kWe的KiloPower項目取得進(jìn)展，使用高濃縮鈾為熱管系統和斯特林發(fā)動(dòng)機提供動(dòng)力以發(fā)電——使用斯特林技術(shù)的千瓦反應堆(KRUSTY)。
這是一個(gè)完全依靠負熱反饋進(jìn)行控制的快堆，其目標是將自我調節設計為主要特征，并證明其可靠性。該設計可擴展至10kWe。
2018年4月，NASA的洛斯阿拉莫斯核實(shí)驗室(LANL)宣布完成KRUSTY原型裝置的全功率測試。
測試于2017年11月至2018年3月進(jìn)行，在此期間，機組成功處理了多個(gè)模擬故障，包括功率降低、發(fā)動(dòng)機故障和熱管故障。
這是幾十年來(lái)美國首次在太空核反應堆上進(jìn)行核動(dòng)力地面試驗。在試驗之前，NASA曾呼吁美國國家核安全局(NNSA)允許其進(jìn)行。
這項測試是在能源部的臨界安全計劃下與NASA合作進(jìn)行的。
快堆的最佳燃料為HEU(93%濃縮)合金，含7%鉬，固體鑄件，直徑129 mm，長(cháng)度300 mm。
一個(gè)直徑250毫米的氧化鈹反射器將圍繞著(zhù)這一點(diǎn)，在燃料和反射器之間有18個(gè)鈉熱管。
通過(guò)升高BeO反射體在反應堆堆芯中產(chǎn)生裂變來(lái)實(shí)現臨界性。
一旦裂變開(kāi)始，BeO反射器將緩慢升高，以將系統中的溫度提高到800℃。
有一個(gè)單一的中心碳化硼控制棒。熱管將從核心向八臺自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機輸送13 kWt的熱量，每臺發(fā)動(dòng)機可產(chǎn)生約125瓦的電力。
斯特林發(fā)動(dòng)機將有一個(gè)近10平方米的圓柱形散熱器。系統質(zhì)量約750千克，長(cháng)度約5米。
假設科學(xué)有效載荷距離堆芯約10米，并由45千克貧鈾和40千克氫化鋰屏蔽。
據報道，2017年11月的1 kWe試驗反應堆使用92%鈾、8%鉬的合金，濃縮度達95%，直徑11厘米，中心孔4厘米，8根熱管。
有兩個(gè)軸向中子反射器和一個(gè)徑向中子反射器，總重量為70.5千克鈹。
NASA估計，使用10個(gè)4kWe的KiloPower機組，火星上需要大約40kWe的能量。
KiloPower項目的經(jīng)驗將被用于一個(gè)2 MWe機組的MegaPower項目。其特點(diǎn)包括反應堆自我調節、低堆芯功率密度和使用熱管去除堆芯熱量。
該反應堆將連接到一個(gè)露天布雷頓循環(huán)動(dòng)力轉換系統，該系統使用空氣作為工作流體，并作為最終排熱的手段。
該反應堆重約40噸，包括3噸LEU燃料(16-19%濃縮)，長(cháng)4米，直徑2米。它可以擴展到10 MWe，也可以用于軍事基地，72小時(shí)安裝。
2021 年4月，美國國防高級研究計劃署(DARPA)授予了其敏捷滑翔作戰示范火箭(DRACO)項目第一階段的合同，以在2025年演示低地球軌道上的核熱推進(jìn)(NTP)系統。
通用原子公司(General Atomics)將開(kāi)展反應堆開(kāi)發(fā)工作，而藍色起源公司(Blue Origin)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)將開(kāi)發(fā)航天器概念設計。
(本文編譯《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)
