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引言——从“万户飞天”说起 1

第1章 空间核动力概述 3

1.1 空间核动力概念 3

1.1.1 地球大气及其附近的空域 4

1.1.2 核能——为“原子能”正名 5

1.1.3 关于同核异能素的研究 7

1.2 空间核动力的分类 11

1.2.1 空间核热源 12

1.2.2 空间核电源 13

1.2.3 核推进 19

1.2.4 双模式（兼具供电和推进功能）空间核动力系统 22

1.3 空间核动力的特点 25

1.3.1 空间核电源的技术特点 25

1.3.2 核推进的技术特点 39

1.3.3 双模式空间核动力的技术特点 42

1.4 空间核动力的应用 42

1.4.1 空间核热源的应用 43

1.4.2 放射性同位素电源的应用 43

1.4.3 空间核反应堆电源的应用 47

1.4.4 核推进的应用 54

参考文献 58

第2章 空间核动力发展情况及趋势 61

2.1 美国的发展概况 61

2.1.1 放射性同位素电源（RTG） 62

2.1.2 空间核反应堆电源 68

2.1.3 核热推进 81

2.1.4 核电推进 90

2.2 俄罗斯的发展情况 93

2.2.1 放射性同位素电源 93

2.2.2 空间核反应堆电源 94

2.2.3 核热推进 102

2.2.4 核电推进 111

2.3 其他国家的情况 117

2.3.1 法国的ERATO空间核反应堆电源 118

2.3.2 联邦德国的ITR空间核反应堆电源 119

2.3.3 意大利的SPOCK空间核反应堆电源 120

2.3.4 日本的RAPID星表核反应堆电源 121

2.3.5 巴西的TERRA空间核反应堆电源 121

2.4 美、苏／俄两国发展水平分析 121

2.4.1 美、苏／俄都把空间核动力视为战略核心技术 122

2.4.2 取得的重大成就 123

2.4.3 美俄两国发展水平比较 123

2.5 空间核动力的发展趋势 126

2.5.1 热源模块化、单机功率高、系统一体化的238Pu放射性同位素电源 127

2.5.2 大功率、长寿命的空间核反应堆电源 128

2.5.3 适用于月球和火星基地的星表核反应堆电站 128

2.5.4 以空间核反应堆电源为基础的核电推进系统 129

2.5.5 中小型核火箭发动机 129

2.5.6 双模式（电源／推进）空间核动力系统 130

参考文献 130

第3章 空间核动力中的热电转换 133

3.1 温差发电技术 133

3.1.1 温差发电器的原理与理论基础 134

3.1.2 温差发电器的性能参数 137

3.1.3 温差发电器电偶材料的特性参数 140

3.1.4 温差发电器设计应注意的几个问题 143

3.1.5 温差发电技术在空间的应用 146

3.2 热离子转换 148

3.2.1 热离子能量转换的原理和理论基础 148

3.2.2 热离子能量转换器的分类和特性 154

3.2.3 铯热离子能量转换器的电特性 162

3.2.4 提高热离子转换性能的途径 167

3.3 碱金属热电转换 172

3.3.1 碱金属热电转换器转换原理与运行参数 173

3.3.2 AMTEC的工作方式和工质 177

3.3.3 碱金属能量转换在空间的应用 179

3.4 磁流体发电 180

3.4.1 磁流体发电的基本原理和循环系统 181

3.4.2 磁流体发电机的组成与应用 184

3.4.3 空间电源几种静态转换的比较 186

3.5 动态循环 187

3.5.1 朗肯循环 187

3.5.2 布雷顿循环 192

3.5.3 斯特林循环 196

参考文献 199

第4章 空间核动力中的材料 203

4.1 空间核动力中的核燃料 203

4.1.1 二氧化铀 204

4.1.2 碳氮化铀 210

4.2 空间核动力中的难熔金属 215

4.2.1 难熔金属单晶 217

4.2.2 难熔金属合金单晶 219

4.2.3 难熔金属的中子辐照 224

4.3 空间核动力中的绝缘材料 229

4.3.1 陶瓷单晶的性能 230

4.3.2 中子辐照性能 234

4.4 空间核动力的慢化剂材料 242

4.4.1 氢化锆 243

4.4.2 氢化钇 248

4.5 屏蔽材料 249

4.5.1 轻屏蔽材料 249

4.5.2 重屏蔽材料 255

4.6 热电直接转换中的功能材料 256

4.6.1 温差电偶材料 257

4.6.2 固体电解质材料 259

参考文献 261

第5章 空间核动力的关键部件和实验设施 265

5.1 放射性同位素电源的关键部件 265

5.2 空间核反应堆电源的关键部件 267

5.2.1 热离子燃料元件（TFE） 267

5.2.2 铯蒸气供给系统 274

5.2.3 辐射屏蔽 278

5.2.4 转动控制鼓 282

5.2.5 热管（式）辐射冷却器 284

5.2.6 液滴（式）辐射冷却器 287

5.3 核火箭发动机的最核心部件——燃料元件 294

5.3.1 俄罗斯核火箭发动机的燃料元件 294

5.3.2 美国今后着重发展的CERMET金属陶瓷燃料元件 297

5.4 核电推进系统的关键部件 299

5.4.1 电子轰击式离子发动机（900系列，美国） 300

5.4.2 静态等离子体发动机（SPT-70，苏联） 303

5.5 热离子空间核反应堆电源的主要试验设施 306

5.5.1 “里克（Rig）”台架 306

5.5.2 “第一核电站”的堆内回路考验装置 308

5.5.3 “贝加尔”（Baikal）电加热综合试验台架 312

5.6 俄罗斯专门用于核热推进试验的反应堆 315

5.6.1 IGR石墨脉冲堆 315

5.6.2 IVG-1实验堆 317

5.6.3 IRGIT试验原型堆 320

5.7 用于核火箭发动机及其主要部件实物试验的“贝加尔”台架 321

5.7.1 “贝加尔”台架综合体的布置 322

5.7.2 “贝加尔”试验台架综合体的主试验楼 323

5.7.3 “贝加尔”试验台架综合体的功能特性 325

参考文献 326

第6章 空间核动力的安全与可靠性 327

6.1 空间核动力的安全 327

6.1.1 空间核动力安全概念 327

6.1.2 历史上空间核动力的主要事故 328

6.1.3 国际上关于和平利用空间核动力的一些法规／规范／建议 331

6.1.4 空间核动力安全的特殊性 334

6.1.5 空间核动力安全的有关考虑 337

6.1.6 美国的空间核动力安全管理程序 347

6.2 空间核动力的可靠性 349

6.2.1 空间核动力可靠性概念 349

6.2.2 可靠性设计 350

6.2.3 可靠性评价 355

6.2.4 使用可靠性评价与改进 357

6.2.5 结论 368

参考文献 370

第7章 空间核动力装置举要 371

7.1 最具代表性的空间核反应堆电源 371

7.1.1 ROMASHKA空间核反应堆电源 371

7.1.2 BUK空间核反应堆电源 373

7.1.3 TOPAZ空间核反应堆电源 375

7.1.4 ENISEY（TOPAZ-2）空间核电源系统 378

7.1.5 SNAP-10A空间核反应堆电源 383

7.1.6 SP-100空间核反应堆电源 389

7.1.7 SPACE-R热离子空间核反应堆电源 399

7.1.8 热管式火星／月球表面核反应堆电站（HOMER） 408

7.2 最具代表性的核火箭发动机 412

7.2.1 俄罗斯的RD-0410核火箭发动机实验样机 412

7.2.2 小型核反应堆发动机（MITEE-Minature Reactor Engine） 416

7.3 最具代表性的双模式空间核动力系统 419

7.3.1 美国的NEBA-3双模式核火箭发动机 419

7.3.2 俄罗斯的兆瓦级空间核动力飞船 423

参考文献 431

结束语——人间正道是沧桑 433

索引 435

致谢 442