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在解放军的公示网站“全军武器装备采购信息网”上，最新刊发了一则消息：中国航天科技集团，正在推进一个名为“斯特林一体化微型反应堆方案优化设计”的项目。

很多人推测这个项目是准备安装在空间站、深空探测器、或者深潜器上的，但笔者觉得这些猜测都不靠谱。它最实际的用途，其实是作为相关机构的地面固定设施，用于研究如何改善材料/部件/设备的可靠性。


图：月球上的辐射强度远高于地面

要特别注意，军-网的公示中，明确注明了最终用户是“北京卫星环境工程研究所”。这个研究所的业务范围看名字就能知道，尤其关注各种材料、部件、设备，在太空等恶劣环境中遭受高能量辐射以后，会产生什么后果、并如何进行预防。

毫不夸张的说，中国的航天器在太空中的可靠性好坏、寿命长短，直接取决于这个研究所的工作是否扎实。


图：反应堆的核裂变反应中，中子撞击原子核，释放大量的能量和更多的中子


图：中子穿透和破坏力比其它类型的辐射都更强


图：X光成像（左）与中子成像（右），这也是X光探伤为什么不能取代中子探伤的原因

在宇宙空间中，由于缺乏大气层的阻碍消耗，包括中子在内的高能粒子辐射，强度远远高于地面。这种辐射的长期积累，会使各种材料的特性出现明显的变化——比如发脆等等。非常高比例的卫星、深空探测器等等，都是因为这些原因而产生设备故障、结构破损失效的。

而微型反应堆的作用，一方面，既为分析检验的相关能力提供中子源，为各种材料/部件/设备进行包括中子活化、中子探伤在内的各种试验提供基础；另一方面，它又能作为研究所的独立能源，可以在脱离外部电网的情况下、有限的功率范围内，独立保障研究所的关键供电需求保障。



图：加拿大与中国的微型反应堆，资料出处为东华理工大学的核能科学工程论文《微型反应堆低浓铀堆芯的优化设计》

国内对于微型反应堆的研究始于80年代初期，到现在已经建造并投入使用的微堆，公开信息中一共有9座。国内微堆的技术，是引进加拿大的SLOWPOKE（可意译为“慢懒汉”，233）反应堆，该堆全称Safe Low Power Critical Experiment，意为“安全低功率关键试验”。



图：加拿大slowpoke的蒙特利尔反应堆实物（上），与结构示意图（下）

加拿大原子能有限公司研制SLOWPOKE反应堆的最初目的，主要也是为了提供一种比粒子加速器、其它放射源更强有力而又相对廉价安全的中子源；它的最主要业务，同样是中子活化分析、中子放射成像等用途。

目前尚不清楚国内这个新的微型反应堆的具体规格，包括功率、尺寸等。但按照SLOWPOKE的规格，至少可以提供20KW的电力输出功率。


图：slowpoke反应堆的堆芯模型

按照国内的公开论文《微型反应堆加工》，国内的微堆中，至少有一座堆的本体是一个高5米、直径0.61米的筒体，并安置在37立方米容积的水池中，其它的反应堆尺寸，大致上应该相去不远。

说完反应堆本身，再说一下斯特林机的问题。对于那些有兴趣深入探究的读者，在此特别推荐哈尔滨工程大学的《船舶与海洋工程——斯特林发动机技术》。

斯特林机不是新东西，它由英国人罗伯特·斯特林发明于1816年并用于煤矿抽水，但是因为效率不高而未成主流。



图：斯特林机的原理动图，通过外部加热，迫使“热腔/膨胀腔”内的气体膨胀，推动活塞向“冷腔/压缩腔”运动。活塞的往复循环最终转化为旋转，带动电机发电。

现代斯特林机从一开始也不是给给潜艇作为军事用途的，而是荷兰飞利浦公司开发给边远地区、缺乏电网支持的发电装置。事实上直到今天，欧美很多家庭住宅、或者商业楼宇的热电联供都是由斯特林机为核心的系统提供的。

针对航天领域，斯特林机理论上可以也可以应用在大型卫星、空间站上，利用温差（比如正对阳光/背对阳光的区域）进行发电，又或者是利用它的压缩/膨胀循环，反过来作为制冷之用，满足红外成像等特殊部件的低温冷却需求。


图：日本在1995年发射的红外天文卫星IRTS，4种焦平面仪器全部要求冷却到2K（-271.15摄氏度）温度以下；FIRP探头更是要求0.25K（-272.9摄氏度）以下温度才能正常工作，这都是必须采用超流氦冷却系统才能达到的工作环境。这是斯特林机制冷目前无法达到的水平。

但是上述两种特殊的斯特林机技术，目前均停留理论或者极为有限的试验阶段，远未到真正能实用的地步。

就目前国内的这个微堆项目来看，斯特林机的用途还是把反应堆释放的热量拿来发电。其“一体化”的要求，主要是为了简化安装和维护工作等方面的目的。


当然理论上这个技术也可以作为它用——事实上“小堆AIP潜艇”这个概念，最早就是加拿大原子能公司为了更多的推销slowpoke而推出的方案。国内后来一直在体制内有呼声要发展小堆AIP潜艇，也是从加拿大获得微型反应堆技术之后的必然结果。

结语：

在国内公示的这个新型微堆项目中，真正的关键并不在于斯特林机，而在于微型反应堆本身所提供的中子源照射能力。

它能在相关单位的日常研究中，提供远比以往更强烈的中子辐射。如果这个项目能顺利完成，国内相关单位，就能更好的在地面上模拟/测试/分析各种材料和部件，在太空环境是如何失效的。

这种基础能力的提升，是中国航天力量要在星辰大海中走的更远的关键保障。