DARPA推进太空反应堆自主运行

美国国防高级研究计划局（DARPA）已根据快速电容（Fat Cat）计划，向初创企业Space Nuclear Power Corporation（SpaceNukes）授予一份其他交易协议（OTA）。

Fat Cat计划由DARPA国防科学办公室的Dr Tabitha Dodson负责管理，重点推进用于国家安全任务的反应堆自主运行技术。其首要目标是证明核裂变反应堆能够在无需持续人工监督或地面控制干预的情况下安全地进行自我调节。这对于受到光行时通信延迟困扰的偏远基地和深空平台至关重要。

SpaceNukes此前曾与Los Alamos美国国家实验室（LANL）共同完成具有基础意义的2018年KRUSTY（采用斯特林技术的千瓦级功率反应堆）示范，该反应堆采用非能动控制。新的Fat Cat协议在此基础上更进一步，引入能动控制棒，以应对极端运行瞬态并实施动态功率管理。

该计划划分为严格的设计、采购和集成关口。部件集成将在首席工程师Marc Gibson领导下，于SpaceNukes位于俄亥俄州（Ohio）Medina的车间进行。项目最终将对新设计的硬件和自主软件逻辑开展全面的实体核地面试验。

SpaceNukes采用了执行2018年KRUSTY项目的原班工程和管理团队，其中包括首席执行官Andy Phelps、首席技术官David Poston、首席运营官Patrick McClure和首席工程师Marc Gibson。SpaceNukes总部位于新墨西哥州（New Mexico）洛斯阿拉莫斯（Los Alamos），采用最初由LANL开发并获得许可的Kilopower技术。

KRUSTY地面试验是美国40多年来首次对新型太空反应堆设计开展试验。该试验于2017年末至2018年3月在Nevada National Security Site（NNSS）进行，最后以连续满功率运行28小时结束。原型堆在堆芯运行温度为800～880摄氏度时，实现了4～5 kWt的热功率输出。

其主要突破是证明了反应堆基于固有物理特性的稳定性。当研究人员模拟失去冷却剂或斯特林发动机故障时，反应堆会自动调高或调低裂变速率。即使承受极端的175%热负荷变化，堆芯温度变化也不到4%。该系统采用两台Sunpower斯特林发动机将核热转换为电能，发电功率约为183 We，总体热电转换效率约为25%～34%。

NASA Kilopower反应堆的突出特点是极其简单。通过取消容易发生泄漏、冻结或机械故障的复杂泵送液态冷却剂回路，整个装置完全依靠非能动物理过程运行。

其核心是采用钼合金化的实心铸造铀-235堆芯，大小约如一卷厨房纸巾。插入一根碳化硼控制棒以启动核链式反应，随后再将其拉回。实心堆芯周围布置有多根钠热管。真空密封在管内的钠受到堆芯高温加热后汽化，迅速流向热管冷端，释放热能并凝结回液态，随后返回堆芯，重复这一循环。

热管冷端装有高效斯特林发动机。传递来的热量使发动机内的气体（通常为氦气）增压，驱动活塞往复运动。这种动能直接传递给交流发电机，从而持续发电。

在深空中，遥远距离会形成运行控制真空。以光速传播的无线电信号在地球和火星之间单程传输需要3～22分钟；如果航天器在土星或海王星等外行星附近航行，传输时间最长可达数小时。

如果航天器的动力装置发生严重异常，例如电网电压突然下降或出现不对称温度骤升，依靠地球上的地面控制站诊断问题并将修复指令发回可能需要数小时。等指令抵达时，反应堆可能已经遭受永久性热损伤，或者探测器可能因失去电力而停止工作。

自主控制器通过将人类排除在战术控制回路之外解决这一问题。星载自主核控制器采用集成软件，以毫秒级间隔监测内部温度、中子通量水平和机械应力。自主控制器无需等待来自地球的指令，而是在本地计算复杂的瞬态物理过程。它会立即操纵能动控制棒或动态调节斯特林发动机负荷，从而在发生不可预见的异常时稳定堆芯。

如果发动机部件发生故障，控制器会立即重新分配功率需求，确保反应堆在以异步方式向地球传输诊断更新信息的同时，继续维持太空探测器运行。

SpaceNukes首席运营官Patrick McClure表示：“此次授予协议认可了2018年设计、建造并试验KRUSTY的团队所具备的成熟度和延续性。我们很自豪能与……Los Alamos美国国家实验室合作，为美国核能交付下一个经过示范验证的发展成果。”

SpaceNukes首席执行官Andy Phelps指出：“当事关美国国家安全目标时，经过示范验证的技术是不可替代的。此次授予协议使我们能够推进始于KRUSTY计划的工作，并为国家带来另一项经过试验验证的能力。”