1、早期計劃：20世紀60年代至80年代

從1959-1973年，美國有一個核火箭計劃 ——火箭車應用核發動機(NERVA)——其重點是在發射的后期階段用核能替代化學火箭。

NERVA使用石墨芯反應堆加熱氫氣并通過噴嘴排出。大約20臺發動機在內華達州進行了測試，產生的推力高達航天飛機發射器的一半以上。

從那時起，“核火箭”一直是打算用于太空推進，而不是發射。NERVA的后續發展是今天的核熱火箭(NTR)。

另一個早期想法是美國的“獵戶座”計劃，該計劃將使用一系列小型核爆炸從地球發射一艘約1000噸的大型航天器。

該項目由通用原子公司于1958年啟動，1963年因《禁止大氣試驗條約》而中止。

獵戶座項目為其他項目提供了思路，例如ICAN-Ⅱ和AIMStar，其他產生推進脈沖的方法也被考慮在內。

1965年推出的美國SNAP-10A是一個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)故障而關閉。

這一時期，美國的最后一個太空反應堆計劃是NASA-DOE-美國國防部的一個聯合項目，該項目開發了SP-100反應堆——一個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，推進多兆瓦(MMW)空間動力計劃。

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，核熱火箭(NTP或NTR)推進系統已經獲得了一些經驗，據說這些系統已經發展成熟并得到了驗證。

核裂變加熱氫推進劑，氫推進劑作為液體儲存在冷卻罐中。

熱氣(約2500℃)通過噴嘴排出以產生推力(可通過向超音速氫氣排氣中注入液氧來增加推力)。

這比化學反應更有效。雙模態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。

與核電等離子體系統相比，這些系統在更短的時間內具有更大的推力，可用于發射和著陸。

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(NEP)系統，在該種設想中，核反應堆是電離子驅動的熱源，將等離子體從噴嘴中排出，以推動已經在太空中的航天器。

超導磁電池電離氙(或氫)，將其加熱到極高的溫度(數百萬℃)，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。

雖然相對于火箭來說，推力很小，但它在太空中的長期應用(例如數年)保證航天器的高速飛行。自2007年以來，NASA在火星和木星之間運行的“黎明號”飛船使用離子推進器，100多顆地球同步軌道通信衛星也使用離子推進器。

它們都延長了衛星的運行壽命，降低了發射和運行成本。

氙之所以被使用，是因為它容易電離，原子質量相對較高，而且是惰性的，儲存密度高。

1998年至2001年，NASA首次使用離子推進器執行太空任務。

NASA太陽能技術應用(NSTAR )離子推進系統使深空1號任務(第一艘主要由離子推進的航天器)得以飛行超過2.6億公里，飛越小行星布萊葉和博雷利彗星。

NASA研發的氙推進器(NEXT)和環形發動機就是這方面的發展。

NEXT是一種大功率離子推進系統，旨在降低任務成本和飛行時間，以NSTAR的三倍功率運行。

NASA獲得專利的環形發動機有可能超過NEXT和其他電力推進器設計的性能能力，其總(環形)束面積是其兩倍。

可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)的一個版本的研究借鑒了用于發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，但短時間的高推力操作是可能的。

它非常有效，99%的電能轉化為動能，盡管短推力點火只有70%。

VX200是一種200kW版本，2015年正在進行測試，以期部署在核電力推進的太空任務中。它還可以用于清除空間碎片，推進低軌道燃燒。

NASA已與Ad Astra火箭公司簽訂合同，開發新版本的VX-200SS(“SS”代表“穩定狀態”)，采用新的核心設計和熱控制，在1,000,000℃的溫度下運行，同時幾乎完全消除了對大量火箭燃料的需求。

熱管動力系統（HPS） 反應堆是一種緊湊型快速反應堆，大約十年內可產生100 kWe的能量，為航天器或行星表面飛行器提供動力。

自1994年以來，他們一直在洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發，作為一個強大的低技術風險系統，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轉換器發電。

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，在另一端冷凝，釋放蒸發潛熱。然后，液體通過重力或毛細管作用返回熱端，重復循環。（如果使用重力，它們有時被稱為兩相熱虹吸管，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，裂變產生的能量從燃料管傳導到充滿鈉蒸汽的熱管，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力轉換系統以發電。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。每個模塊都有其中央熱管，其周圍布置有錸包層燃料套管。

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。模塊形成一個緊湊的六邊形芯。控制是通過六個不銹鋼包層鈹鼓進行的，每個鼓直徑為11或13厘米，碳化硼在每個鼓上形成120度電弧。

鼓安裝在圍繞堆芯的鈹徑向中子反射器的六個部分內，并旋轉以實現控制，將碳化硼移入或移出。

屏蔽取決于任務或應用，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100kW的400kWt HPS，用于使用兩個布雷頓動力系統(由反應堆的熱氣直接驅動的燃氣輪機)為空間飛行器提供動力。

熱交換器出口溫度為880℃。該反應器有127個相同的熱管模塊，由鉬或含1%鋯的鈮制成。

每一個都有三個直徑為1厘米的燃料針，嵌套在一起形成一個直徑為25厘米的緊湊六邊形芯。

燃料針長70厘米(燃料長度56厘米)，總熱管長度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。堆芯的質量約為512千克，每個熱交換器為72千克。

SAFE也已通過電動離子驅動進行了測試。這種反應堆的一個較小版本是HOMER-15 ——熱管操作的火星探測反應堆。

它是一個15 kW的熱機組，類似于更大的SAFE型號，高2.4米，包括熱交換器和3kWe斯特林發動機。

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個鈉熱管模塊，102個燃料針連接上，每個管道4個或6個，總共容納72千克燃料。

熱管長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BeO銷。

反應堆系統的總質量為214千克，直徑為41厘米。

NASA于2008年宣布了另一個用于月球和火星的小型裂變表面動力系統。40kWe系統可利用兩種設計理念之一進行功率轉換。

第一種由俄亥俄州的Sunpower公司制造的，它使用兩個對置的活塞發動機與交流發電機相連，每臺發電機產生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)負責開發封閉式布雷頓循環發動機，該發動機使用高速渦輪和壓縮機，并與旋轉交流發電機相連，該發電機也能產生12千瓦的電能。NASA自己將開發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，該系統基于一個小型裂變反應堆，加熱并循環鈉和鉀的液態金屬冷卻劑混合物。

這與外界溫度之間的熱差，將驅動兩臺互補的斯特林發動機來驅動一臺40kWe發電機。

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的能力發生重大變化。

核動力太空旅行將比現在可能的速度快得多，并將實現載人火星任務。

普羅米修斯號是NASA的一個項目，DOE在核領域有大量參與。

普羅米修斯號的一個更為激進的目標是生產一種太空裂變動力系統(FPS)，如上文所述，用于動力和推進，發射安全，運行多年，功率比RTG大得多。

預計等離子體驅動的核電推進系統的功率為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9300萬美元(五年間20億美元)用于首次飛往木星的飛行任務——預計將于2017年發射的木星冰月軌道飛行器(JIMO)，并將進行十年的探索。

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，因此它實際上陷入了停滯。

一個類似的項目已經啟動并計劃于2022年發射，名為JUpiter ICy衛星探測器(JUICE)，作為ESA正在開發的行星際航天器。

2003年，普羅米修斯項目成功地測試了一臺高功率電力推進(HiPEP)離子發動機。

這是通過微波電離氙來實現的。在發動機的后部是一對矩形金屬格柵，其充電電壓為6,000伏。

這種電場的力量對氙離子施加強大的靜電拉力，加速它們并產生推動航天器的推力。

測試功率高達12 kW，但預計為兩倍。該推進器的設計壽命為7至10年，燃料效率高，并由小型核反應堆提供動力。

4、目前的計劃

千瓦級太空反應堆項目被NASA稱為KiloPower ，可能包括各種與RTG功率和質量相當的設計。

他們使用液態金屬熱管將裂變熱傳遞到熱電或斯特林動力轉換。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室和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反應堆和兩個小型斯特林轉換器，產生24瓦功率。

2014年12月，NASA格倫中心宣布其4kWt/1kWe的KiloPower項目取得進展，使用高濃縮鈾為熱管系統和斯特林發動機提供動力以發電——使用斯特林技術的千瓦反應堆(KRUSTY)。

這是一個完全依靠負熱反饋進行控制的快堆，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月進行，在此期間，機組成功處理了多個模擬故障，包括功率降低、發動機故障和熱管故障。

這是幾十年來美國首次在太空核反應堆上進行核動力地面試驗。在試驗之前，NASA曾呼吁美國國家核安全局(NNSA)允許其進行。

這項測試是在能源部的臨界安全計劃下與NASA合作進行的。

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，長度300 mm。

一個直徑250毫米的氧化鈹反射器將圍繞著這一點，在燃料和反射器之間有18個鈉熱管。

通過升高BeO反射體在反應堆堆芯中產生裂變來實現臨界性。

一旦裂變開始，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動機輸送13 kWt的熱量，每臺發動機可產生約125瓦的電力。

斯特林發動機將有一個近10平方米的圓柱形散熱器。系統質量約750千克，長度約5米。

假設科學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。

有兩個軸向中子反射器和一個徑向中子反射器，總重量為70.5千克鈹。

NASA估計，使用10個4kWe的KiloPower機組，火星上需要大約40kWe的能量。

KiloPower項目的經驗將被用于一個2 MWe機組的MegaPower項目。其特點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露天布雷頓循環動力轉換系統，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(NTP)系統。

通用原子公司(General Atomics)將開展反應堆開發工作，而藍色起源公司(Blue Origin)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)將開發航天器概念設計。

(本文編譯《Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space》)