在解放軍的公示網(wǎng)站“全軍武器裝備采購(gòu)信息網(wǎng)”上，最新刊發(fā)了一則消息：中國(guó)航天科技集團(tuán)，正在推進(jìn)一個(gè)名為“斯特林一體化微型反應(yīng)堆方案優(yōu)化設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目。

很多人推測(cè)這個(gè)項(xiàng)目是準(zhǔn)備安裝在空間站、深空探測(cè)器、或者深潛器上的，但筆者覺(jué)得這些猜測(cè)都不靠譜。它最實(shí)際的用途，其實(shí)是作為相關(guān)機(jī)構(gòu)的地面固定設(shè)施，用于研究如何改善材料/部件/設(shè)備的可靠性。

圖：月球上的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)高于地面

要特別注意，軍網(wǎng)的公示中，明確注明了最終用戶是“北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所”。這個(gè)研究所的業(yè)務(wù)范圍看名字就能知道，尤其關(guān)注各種材料、部件、設(shè)備，在太空等惡劣環(huán)境中遭受高能量輻射以后，會(huì)產(chǎn)生什么后果、并如何進(jìn)行預(yù)防。

毫不夸張的說(shuō)，中國(guó)的航天器在太空中的可靠性好壞、壽命長(zhǎng)短，直接取決于這個(gè)研究所的工作是否扎實(shí)。

圖：反應(yīng)堆的核裂變反應(yīng)中，中子撞擊原子核，釋放大量的能量和更多的中子

圖：中子穿透力比其它類型的輻射都更強(qiáng)

圖：X光成像（左）與中子成像（右），這也是X光探傷為什么不能取代中子探傷的原因

在宇宙空間中，由于缺乏大氣層的阻礙消耗，包括中子在內(nèi)的高能粒子輻射，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面。這種輻射的長(zhǎng)期積累，會(huì)使各種材料的特性出現(xiàn)明顯的變化——比如發(fā)脆等等。非常高比例的衛(wèi)星、深空探測(cè)器等等，都是因?yàn)檫@些原因而產(chǎn)生設(shè)備故障、結(jié)構(gòu)破損失效的。

而微型反應(yīng)堆的作用，一方面，既為分析檢驗(yàn)的相關(guān)能力提供中子源，為各種材料/部件/設(shè)備進(jìn)行包括中子活化、中子探傷在內(nèi)的各種試驗(yàn)提供基礎(chǔ)；另一方面，它又能作為研究所的獨(dú)立能源，可以在脫離外部電網(wǎng)的情況下、有限的功率范圍內(nèi)，獨(dú)立保障研究所的關(guān)鍵供電需求保障。

圖：加拿大與中國(guó)的微型反應(yīng)堆，資料出處為東華理工大學(xué)的核能科學(xué)工程論文《微型反應(yīng)堆低濃鈾堆芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)》

國(guó)內(nèi)對(duì)于微型反應(yīng)堆的研究始于80年代初期，到現(xiàn)在已經(jīng)建造并投入使用的微堆，公開(kāi)信息中一共有9座。國(guó)內(nèi)微堆的技術(shù)，是引進(jìn)加拿大的SLOWPOKE（可意譯為“慢懶漢”，233）反應(yīng)堆，該堆全稱Safe Low Power Critical Experiment，意為“安全低功率關(guān)鍵試驗(yàn)”。

圖：加拿大slowpoke的蒙特利爾反應(yīng)堆實(shí)物（上），與結(jié)構(gòu)示意圖（下）

加拿大原子能有限公司研制SLOWPOKE反應(yīng)堆的最初目的，主要也是為了提供一種比粒子加速器、其它放射源更強(qiáng)有力而又相對(duì)廉價(jià)安全的中子源；它的最主要業(yè)務(wù)，同樣是中子活化分析、中子放射成像等用途。

目前尚不清楚國(guó)內(nèi)這個(gè)新的微型反應(yīng)堆的具體規(guī)格，包括功率、尺寸等。但按照SLOWPOKE的規(guī)格，至少可以提供20KW的電力輸出功率。

圖：slowpoke反應(yīng)堆的堆芯模型

按照國(guó)內(nèi)的公開(kāi)論文《微型反應(yīng)堆加工》，國(guó)內(nèi)的微堆中，至少有一座堆的本體是一個(gè)高5米、直徑0.61米的筒體，并安置在37立方米容積的水池中，其它的反應(yīng)堆應(yīng)尺寸，大致上應(yīng)該相去不遠(yuǎn)。

說(shuō)完反應(yīng)堆本身，再說(shuō)一下斯特林機(jī)的問(wèn)題。對(duì)于那些有興趣深入探究的讀者，在此特別推薦哈爾濱工程大學(xué)的《船舶與海洋工程——斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)》。

斯特林機(jī)不是新東西，它由英國(guó)人羅伯特·斯特林發(fā)明于1816年并用于煤礦抽水，但是因?yàn)樾什桓叨闯芍髁鳌?/span>

圖：斯特林機(jī)的原理動(dòng)圖，通過(guò)外部加熱，迫使“熱腔/膨脹腔”內(nèi)的氣體膨脹，推動(dòng)活塞向“冷腔/壓縮腔”運(yùn)動(dòng)。活塞的往復(fù)循環(huán)最終轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電。

現(xiàn)代斯特林機(jī)從一開(kāi)始也不是給潛艇作為軍事用途的，而是荷蘭飛利浦公司開(kāi)發(fā)給邊遠(yuǎn)地區(qū)、缺乏電網(wǎng)支持的發(fā)電裝置。事實(shí)上直到今天，歐美很多家庭住宅、或者商業(yè)樓宇的熱電聯(lián)供都是由斯特林機(jī)為核心的系統(tǒng)提供的。

針對(duì)航天領(lǐng)域，斯特林機(jī)理論上可以也可以應(yīng)用在大型衛(wèi)星、空間站上，利用溫差（比如正對(duì)陽(yáng)光/背對(duì)陽(yáng)光的區(qū)域）進(jìn)行發(fā)電，又或者是利用它的壓縮/膨脹循環(huán)，反過(guò)來(lái)作為制冷之用，滿足紅外成像等特殊部件的低溫冷卻需求。

圖：日本在1995年發(fā)射的紅外天文衛(wèi)星IRTS，4種焦平面儀器全部要求冷卻到2K（-271.15攝氏度）溫度以下；FIRP探頭更是要求0.25K（-272.9攝氏度）以下溫度才能正常工作，這都是必須采用超流氦冷卻系統(tǒng)才能達(dá)到的工作環(huán)境。這是斯特林機(jī)制冷目前無(wú)法達(dá)到的水平。

但是上述兩種特殊的斯特林機(jī)技術(shù)，目前均停留理論或者極為有限的試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)未到真正能實(shí)用的地步。

就目前國(guó)內(nèi)的這個(gè)微堆項(xiàng)目來(lái)看，斯特林機(jī)的用途還是把反應(yīng)堆釋放的熱量拿來(lái)發(fā)電。其“一體化”的要求，主要是為了簡(jiǎn)化安裝和維護(hù)工作等方面的目的。

當(dāng)然理論上這個(gè)技術(shù)也可以作為它用——事實(shí)上“小堆AIP潛艇”這個(gè)概念，最早就是加拿大原子能公司為了更多的推銷slowpoke而推出的方案。國(guó)內(nèi)后來(lái)一直在體制內(nèi)有呼聲要發(fā)展小堆AIP潛艇，也是從加拿大獲得微型反應(yīng)堆技術(shù)之后的必然結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)：

在國(guó)內(nèi)公示的這個(gè)新型微堆項(xiàng)目中，真正的關(guān)鍵并不在于斯特林機(jī)，而在于微型反應(yīng)堆本身所提供的中子源照射能力。

它能在相關(guān)單位的日常研究中，提供遠(yuǎn)比以往更強(qiáng)烈的中子輻射。如果這個(gè)項(xiàng)目能順利完成，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位，就能更好的在地面上模擬/測(cè)試/分析各種材料和部件，在太空環(huán)境是如何失效的。

這種基礎(chǔ)能力的提升，是中國(guó)航天力量要在星辰大海中走的更遠(yuǎn)的關(guān)鍵保障。