1、引言

航天器的电能来源形式包括自身携带与原位提取。自身携带电能包括化学燃料发电、化学电池、核电池等,而原位利用则包括太阳能及星球资源利用等。星球原位能源利用具备规模体量大、供应时间长、原料成本低等特点,是空间领域中长期任务得以确立及执行的基本技术保证,属能源动力系统长期攻关方向。

随着航天技术的不断进步及太空探测需求的加深,人类将在月球上建造空间基地作为深空探测的出发基站及中转基地,实现航天器发射、检修和燃料补充,维持月面基本设备不间断运行及人员长期驻扎,同时在月岩、月壤采样及遥测的基础上,发展无人探矿技术,进一步发展月面电厂建设,实现月面能源的自供给[1,2]。月球可实现的发电方案包括太阳能、钍元素核裂变发电、氦-3[3]等,太阳能发电已能够实现,但其工作时间受到月夜制约,有效利用时间不足一半,而和平应用氦-3进行核聚变在技术角度还需百年之久。依据技术实现可行性、技术成熟度以及含能物质储量,月球钍基熔盐堆是极具潜力的中长期月球发电实现方案。

本文梳理月球钍元素探测进展及利用方式,并详细介绍钍基熔盐堆发电技术相关的钍基熔盐堆技术、热电转换技术、能量管理技术和电能存储技术,为后续利用月球钍元素发电提供理论支撑。

2、月球钍元素探测进展及利用方式

2.1 月球钍元素探测进展

月球土壤内富含克里普岩,主要分布在月陆中,其除具备磷、钾和稀土元素外,还具备月球核能利用中的重要资源-放射性元素铀和钍。由克莱门汀号和月球勘探者号月球资源探测结果分析可知,克里普岩中钍资源量为8.4亿吨[4],储量可观。同时,相较传统方式,采用钍进行核裂变方式运行更为安全,利用克里普岩进行核能发电,实现设备原位采能和长时间稳定供电,是解决月球活动能源供给的重要课题。

研究成果表明,风暴洋克里普地体(PKT)占据约16%的月表面积,其成分以玄武质岩石为主,具有非常高的钍和铁含量。PKT划分的主要依据就是它具有较高的钍浓度,一般浓度在3.5ppm或更高,包含了月球总钍量的40%[4,5,6,7],着重对克里普岩进行探索是月球核能应用的重要方向。

截至目前为止,人类发射的月球飞行器中,携有钍资源的伽马射线光谱仪(GRS)的主要包括美国的月球勘探者号(LunarProspectorGRS)、日本的月亮女神号(KaguyaGRS,KGRS)、中国的嫦娥一号(CE-1GRS)和嫦娥二号(CE-2GRS)。

图1、图2、图3分别为月球探测者[4]、月亮女神号[8]以及嫦娥二号[9]获得的月球表面钍分布情况,从整体上看,月球表面钍含量最高的地体是PKT,其钍浓度一般是4～7ppm[7],但有一些地方的钍浓度特别高,达到10ppm。

图1月球勘探者号遥感获得的月球表面钍分布[4]

图2月亮女神号获得的月球表面钍分布图[8]

图3嫦娥二号伽马探测器得到的月球表面钍分布图[9]

历史上,美国的6次载人登月任务和苏联的3次无人登月任务带回了月球近地表面的样品,它们在月球表面的大致位置见图4[10]。可以看到,Apollo号登陆位置都在PKT范围内,Luna号登陆位置都在PKT的边缘地带。

图4美国Apollo和苏联Luna采样点示意图(以LPGRS钍分布为背景,A代表Apollo,L代表Luna)[10]

除了遥感数据和仅有的若干采样分析数据外,人类对月球上钍的含量以及钍的具体存在形态的认识仍然非常有限。例如,根据对钍含量比例的估计,Haskin[11]推测月球平均钍浓度在0.07～0.2ppm之间。Jolliff等[4]对月球平均钍浓度作了更详细的估算,月球钍平均浓度估算结果为0.142ppm。因此,对月球平均钍浓度的评估,只能是非常粗略的,但是从钍资源的开发利用角度来说,月球平均钍浓度数值也不是最关键的,更关键的是钍元素的聚集地点和方式。因此,需要充分发展无人探矿技术,开展聚集地点和分布方式的勘探,为人类在月球能源基站选址提供强力支撑。

2.2 钍元素能量转换原理

钍元素为天然放射性核素,在各类地质环境中均有所分布。232Th是钍放射性衰变链中的初始核素,半衰期为1.4×1010年。图5表示钍的增殖过程,232Th通过慢中子的轰击,形成可裂变233U,鉴于233U中子产额更高,由此可以建立效率更高的增殖循环,实现核能的利用。

图5232Th的增殖过程

钍相对于铀,具有多个突出优势[12]:

1)233Th具有更好的中子性质,在各类中子条件下都可能得到较好的利用,其转化难度要低于238U,转化效率要高于238U。

2)铀钚循环会产生大量239Pu等重核素,它们不仅放射性强而且有剧毒,处理和处置难度极大。与235U、239Pu相比,233U吸收中子产生更高质量核素的概率要小,因此钍铀循环产生的次锕系核素要少很多,从而更容易得到处理。

3)钍资源的地球储藏量估计为铀的3～4倍,钍矿品位普遍要高于铀矿,从而开采成本要低。而且,进堆钍燃料的生产流程要比铀燃料简单,特别是不需要235U浓缩过程。ThO2比UO2的化学稳定性更好,热导率更高,热膨胀系数更低。因此钍燃料比铀燃料更安全,经济性也更好。

2.3 月球钍元素资源的开采及提取

由于钍与稀土离子的半径相近,它们的某些性质也比较相近。在自然界中,钍与稀土经常伴生存在[13],这主要是因为半径相近的钍与稀土离子在一定条件下可以互换晶格中的位置。在已经分析过的克里普岩中,钍和稀土也是伴生的。因此,可以推断月球上的钍矿也会是与稀土伴生的,其开采和提取流程与地球上的流程也应是相近的,其流程一般如下[14]:

1)矿石预处理。由于钍矿石常含其他杂质矿石,需通过物理或化学的预处理手段,使钍矿石与其他成分分开,以提高钍含量,得到含钍精矿,方法包括选矿、焙烧和磨粉等。

2)浸取分解。选择合适的化学试剂,将矿石分解,使矿石中的钍以某种化合物的形式富集,通常的方法是酸分解或碱分解。通常情况下,稀土元素、铀元素会与钍元素一起浸出。

3)钍元素与稀土元素、铀元素的分离。利用化学手段,将钍与其他元素分离,如离子交换和螯合树脂技术、离子液体萃取技术等。

4)钍的精制。上述分离产物中,虽然钍的纯度已经比较高,但是仍然达不到反应堆利用钍的要求,尤其需要降低中子毒物钐、铕等的含量。中国科学院先导专项“钍基熔盐堆核能系统”的技术人员采用P503为萃取剂,在硝酸介质中分离钍和铀,取得了非常好的效果[15],并得到核纯极的钍产品(钍金属、硝酸钍、二氧化钍、四氟化钍等)。

5)对于粉末化合物,如二氧化钍、四氟化钍等,为了在反应堆中得到利用,需要进一步制成反应堆燃料,如燃料芯块/燃料棒、燃料球或熔融燃料盐,才能进堆使用。

3、空间钍基熔盐堆发电技术

空间核裂变反应堆可以用作核动力、核电源、核热源和星表核电站等。到目前为止,美国和俄罗斯发射了用于卫星的空间核裂变堆,星表核电站则仍处于研发阶段[16],核电具有更紧凑的结构和更高的能量密度,是建立月球基地不可或缺的能源供应形式。熔盐堆作为第4代堆型,具有突出的安全性和核废料后处理能力,首次提出于1947年美国空间核动力计划。在该项目中,美国橡树岭国家实验室于1965年建成了8MW试验堆。之后,美国橡树岭国家实验室(ORNL)对熔盐堆的研究转为民用核反应堆,于1966年建成8MWthMSRE试验堆[17],并成功运行将近5年,而后由于政治、经济原因,熔盐堆项目暂时搁置。

国内熔盐堆研究开始于上世纪60～70年代。1970年,在上海开展“728”工程,选择了当时世界上最为先进的高温气冷熔盐堆核电方案,主要开展了包括钍铀转换比实验等4类临界试验,取得了一定的科学成果[18],但限于当时的科技水平和工业能力,于1973年终止。民用核能转向了轻水堆,熔盐堆在国内的研究处于停滞状态。

在核能应用中,基于民用的钍基核能应用长期处于从属地位,但依旧取得了较为丰富的研究结果。目前全世界运行过的加钍反应堆超过10座,如美国希平港建成的轻水增殖堆,首次实现钍的反应堆级增值反应[19]。2011年,中国科学院正式启动战略先导专项“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”,计划于2020年底在甘肃武威建成,将是世界上唯一运行的熔盐堆,熔盐堆核能系统如图6所示。TMSR推动了中国熔盐堆和钍燃料利用的发展,近年来在研究进展和成果上走在了国际前列[20]。

图6熔盐堆核能系统示意图[20]

空间熔盐堆主要有以下优点:

1)固有安全性。燃料负反应性温度系数较高,空泡系数较大[20],利于反应堆实时调节和堆芯安全运行;同时其燃料本身处于熔化状态,堆芯较为安全;熔盐堆工作时熔盐饱和蒸汽压力低,其运行过程近似于常压,不会引起压力容器等循环管路的爆裂;熔盐常温时凝为固态,核燃料脱离高温环境后无法泄露,能够建设于地下等扩散环境较为苛刻的场合。

2)熔盐堆循环过程热功率密度高,更易实现小型化[19]。由于一次回路具有高温低压特性,热能品质高,循环压力小,可以提升能量转换效率、简化堆芯结构,易于小型化并实现高功率密度。

3)可在线补给燃料和后处理。燃料和需要焚烧的废料无需组件制备,节省了加工费用[18]。当采用连续燃料在线后处理时,可进一步提高堆内中子利用率。由于熔盐堆能够在线处理以及较好的增殖性能,以钍为燃料的增殖闭合燃料循环反应堆具有突出优势;同时由于核废物放射水平较低,对环境更为友好。

4、空间钍基熔盐堆热电转换技术

钍基熔盐堆经过自身裂变反应,向外释放热能,并经过热电转换,实现电能输出。能用于空间钍基熔盐堆中的热电转换技术分为静态转换技术和动态循环技术2大类,静态转换技术主要有温差发电、热离子转换、碱金属热电转换和磁流体发电等,如NASA的先驱者号、旅行者号等采用同位素温差发电系统[21]。动态循环技术包括斯特林循环、朗肯循环、布雷顿循环等热力循环,通过旋转机械做功实现热能到机械能的转换,如Kilopower空间核反应堆,采用斯特林循环发电机进行发电;JIMO飞船则采用布雷顿循环[22]。静态转换技术中没有运动组件,动态转换则相反,图7为若干空间堆的热电转换效率和比功率对比图[23]。

图7若干空间堆的热电转换效率和比功率[23]

静态转换技术的热电转换效率虽然在理论上比较高,理论值达到40%,但在工程实践中一般不高于10%,因此静态转换技术不适合在高功率空间堆中使用。动态转换技术的效率一般可以达到10%～30%[24],布雷顿循环是美俄发展大功率空间核动力的主要研究方向。有学者指出,对于超过100kWe的空间堆,闭式布雷顿循环是最可能的选项[25]。2002年,NASA开始实施太空核能倡议计划,计划中确定了输出功率为200kW的布雷顿循环核反应堆系统方案,并建造了布雷顿发电样机。2009年,俄罗斯实施兆瓦级空间核动力飞船研发计划,采用核电推进,气体布雷顿循环发电,现已完成兆瓦级空间核反应堆电源初步设计[26]。但是到目前为止,尚未报道有1MW级别的空间堆布雷顿循环装置。因此,这是未来需要重点开发的设备之一。

5、空间钍基熔盐堆能量管理技术

航天电力系统要求强分散性、高可靠性及灵活的配置方式,以钍基熔盐堆发电系统为主导的微电网的组成结构和分布特点对于航天供电系统较为适宜[27]。分布式发电则以分散的方式为航天各型负载进行供配电,以满足小型或小区域的供电需求范围。因此需开展分布式发电,充分利用月面上的各类能源,实现月面航天供配电的均衡应用。

月面微电源类型主要包括钍基熔盐堆核能发电、太阳能发电等,一类为交流电源,如汽轮机等,其高频交流电,需AC-DC-AC变换后方可并网使用;另一类为直流电源,如光伏发电等,其发出的是直流电,需要DC-AC变换后并网。为向月面直流负载进行供电,需将发电系统内的直流输出端进行DC-DC变换以得到需求的电压,这就需要多个电压等级的直流模块进行供电。为了匹配多个直流模块的输出特性,需进行直流模块间的并联均流,必须通过均衡各模块电流减少不均衡对于各单元的冲击,增加使用寿命,减少轻、重载差异[28]。目前常用的均流方案主要包括器件级并联均流、线路级并联均流、系统级并联均流。

6、空间钍基熔盐堆电能存储技术

钍基熔盐堆发电系统可在一定范围内进行发电功率调节,但其调节速度、调节频率与航天微电网的负荷匹配存在一定差异,即负载功率需求变化要快于熔盐堆的功率输出变化。储能的加入,可对微电网电能进行存储与释放,匹配发电与用电关系[29],提升微电网的整体性能指标,为分布式电网带来实际效益。储能环节具备削峰填谷、电能质量控制、断电保护、改善电能质量能功能。

常用的储能方式包括机械储能、电化学储能、电磁储能等,如表1所示[30]。鉴于月球特殊的光照、温度环境条件以及真空、低重力等太空因素,具有突出月面环境适应能力的飞轮储能更为适宜。

飞轮储能为机械贮能技术,结构如图8所示,储能时通过高速电机旋转带动飞轮将能量以动能形式进行存储,释能时通过降低飞轮转速,利用飞轮同轴电机将动能进行电能转换,实现能量的迁移。如今,复合材料、电磁悬浮轴承、高性能功率器件均得到了迅猛发展[31],飞轮贮能可实现较高转化效率和充放电次数及突出环境实用性,在航天领域具有突出优势。

图8飞轮储能结构示意图

NASA在电磁悬浮贮能飞轮领域具有强大研发实力,为国际空间站研制了飞轮储能系统以替代传统的蓄电池组[32]。贮能飞轮体积与蓄电池储能系统相同,但重量方面更具优势,循环寿命为电池系统的3倍,容量为蓄电池系统的2倍。容量超过3.5kWh,峰值功率超过3.5kW。NASA计划用48个小型飞轮储能系统成组后替代蓄电池,以替代原有的蓄电池系统,可减少约2亿美元的开支。在国内,北京航空航天大学开展了储能/姿态双模的飞轮系统研究,可替代传统的化学电池+飞轮姿态控制系统[33]。

对于在月面使用的飞轮储能系统而言,月球表面的真空、低重力环境以及恶劣温度环境对于飞轮储能系统的应用具有积极意义。

1)真空环境。

飞轮储能系统工作过程中,需将飞轮的轴承、电机、飞轮、机械轴等放置于真空环境中,以减少高速转动过程中空气对飞轮的空气摩擦的风阻损耗,提高效率。目前,人造的真空度一般可达到10-5Pa数量级,而月球表面的真空环境,只需设立简单的结构外壳,防止碎片飞出损伤外围设备即可。因此,飞轮的外壳更倾向于选择低密度小、高强度的复合材料,而对真空设备及气体防漏均无要求,可以有效减少附属设备的重量。

2)低重力环境。

摩擦力损耗是飞轮储能系统在空闲运转时能量损耗的最主要原因,而摩擦力主要产生于轴承系统。目前的飞轮支撑方式主要包含接触式机械支撑以及悬浮式超导磁悬浮支撑。为了最大幅度减少飞轮储能设备的旋转摩擦损耗,提升转换效率,在实际使用过程中较多采用非接触式轴承,使飞轮浮于轴上,以减少机械摩擦。现在的磁悬浮轴承技术已经广泛应用,可以大大降低系统的机械摩擦,使飞轮运转的稳定性和安全性得到很大提高。而月球的低重力环境,可以降低磁悬浮轴承的磁力支撑重量,降低维持飞轮运转的能量供给,对于提升整体能量密度具有十分重要的意义。

3)交变温度环境。

月球表面昼夜温差可达300℃,且具备强磁场、高辐射特性。对于飞轮储能系统,由于其对自身工作环境要求低、对温度变化不敏感,非常适用于空间领域的使用。因此,对于月面环境,环境因素对飞轮储能系统使用影响较小。

目前,比较先进的飞轮储能充放电系统其单位储能达20～60Wh/kg,功率质量比大于5000W/kg,加之其对环境的高度适应性,采用飞轮储能,在重量要求苛刻的环境下仍具有一定优势。

7、结束语

随着航天技术的不断进步及各国重型运载火箭进入实际应用阶段,人类未来将在月球上建造空间实验基地,并将月球作为探测其它星球甚至寻找人类居住地的中间站,能源供给问题将是人类首先突破的关键技术。通过对月球环境能量及含能物质的勘探、处理以及钍基熔盐堆发电技术等的全面梳理,可以获悉:月球钍元素发电技术具备成为中长期可用月球原位能量发电技术潜质;月面钍元素储量丰富,相关联的钍基熔盐堆设计、钍元素处理、热电转换、能量管理、能量存储等相关技术在地面已具备较好的研制基础且已通过充分的地面验证,能够在短期内实现技术迁移。本文对该技术方案优势及可实现性进行论述,能够为后续月球基地建设和深空探测提供更多可选能源方案。

参考文献：

[1]欧阳自远.月球探测进展与我国的探月行动(上)[J].自然杂志,2005,27(4):187-198.

[2]欧阳自远.月球探测进展与我国的探月行动(下)[J].自然杂志,2005,27(5):253-258.

[3]欧阳自远,邹永廖,李春来,等.月球某些资源的开发利用前景[J].中国地质大学学报,2002,27(5):499-501.

[5]刘建忠,欧阳自远,张福勤,等.月球的地体构造与起源模式[J].岩石学报,2009,25(8):2012-2013.

[13]侯周森,周涛,陈娟,等.钍铀自持循环物理热工特性研究[J].核技术,2012,35(10):795-796.

[14]刘徽平,胡咏梅,钟明龙.我国稀土放射性核素研究进展[J].有色金属科学与工程,2013,4(4):103-104.

[15]刘建亮,罗明标,平爱东,等.稀土精矿中钍的提取工艺研究进展[J].稀有金属,2012,36(4):652-656.

[18]孙国民.基于MCNP5和ORIGEN2.1的熔盐堆燃料管理程序开发与应用研究[D].上海:上海应用物理研究所,2016.

[20]蔡翔舟,戴志敏,徐洪杰.钍基熔盐堆核能系统[J].物理,2016,45(9):582-586.

[21]杨紫光,叶芳,郭航,等.航天电源技术研究进展[J].化工进展,2012,31(6):1235-1236.

[22]朱安文,刘飞标,杜辉,等.核动力深空探测器现状及发展研究[J].深空探测学报,2017,4(5):408-409.

[24]周成,张笃周,李永,等.空间核电推进技术发展研究[J].空间控制技术与应用,2013,35(5):2-3.

[26]胡古,赵守智.空间核反应堆电源技术概览[J].深空探测学报,2017,4(5):435-438.

[27]梁化成,赵轶峰,赵京勇.徽电网技术在航天供电系统中的应用[J].军民两用技术与产品,2016,(05):53-54.

[28]杜少武,金波,葛锁良.带自动均流的DC/DC变换器并联模块的研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2004,27(8):936-937.

[29]丁志龙.含蓄电池储能的光伏发电系统研究[D].济南:山东大学,2013.

[30]俞恩科,陈梁金.大规模电力储能技术的特性与比较[J].浙江电力,2011(12):4-8.

[31]许加凯.应用于轮胎吊的飞轮储能控制系统的研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[32]刘任先,陈定宙.飞轮储能电池的发展与应用[J].电池工业,2003,8(5):223-224.

[33]白越,吴一辉,韩邦成.飞轮单轴姿态控制及储能系统光学精密工程[J].光学精密工程,2008,16(8):1446-1447.

杨斌,杨磊,郑再平,王开春,李月.月球钍元素发电技术研究综述[J].载人航天,2020,26(03):374-380.