核辅助电力系统

**核輔助電力系統**（Systems Nuclear Auxiliary POWER）英文簡稱**斯納普**(**SNAP**) 計劃，是 20 世紀 60 年代美國宇航局啟動的一項實驗性放射性同位素熱能發電機和太空核反應爐航太計劃。

## 以奇數編號的核輔助電力系統：放射性同位素熱能發電機

利用放射性衰變熱能發電的放射性同位素熱能發電機。

### 斯納普 1 型

斯納普 1 型 (SNAP-1) 是從未部署的測試樣機，它在朗肯循環中使用鈰 144 與汞作為傳熱流體，成功運行了 2500 小時。

### 斯納普 3 型

斯納普 3 型 (SNAP-3) 是首款用於太空任務的放射性同位素熱能發電機 (1961 年)，被搭載在美國海軍的子午儀 4A 和 4B 號導航衛星上發射升空，該台發電機的輸出電力為 2.5 瓦。

### 斯納普 7 型

核輔助電力系統 7 型 (SNAP-7) 是為燈塔和浮標等海洋應用而設計，在 20 世紀 60 年代中期，至少部署了 6 台，分別命名為「斯納普 7A 號」(SNAP-7A) 到「斯納普 7F 號」(SNAP-7F)，其中斯納普 7F 號製造出 30 瓦的電力耗用了 225 千居里 (8.3 拍貝克)(約 4 千克) 的鍶 - 90，相當於 1870 到 6000 磅 (850 到 2720 公斤) 的鈦酸鍶，這是非常大的量。

### 斯納普 9 型

繼子午儀 4A/B 衛星上的 3 型發電機後，斯納普 9 型 (SNAP-9) 在子午儀系列衛星上服役。1964 年 4 月，斯納普 - 9A 號所搭載的衛星未能進入軌道並解體，大約 1 千克 (2.2 磅) 的鈽 - 238 散布在所有大陸上，大部分的鈽落在了南半球，估計共釋放了 6300 吉貝克或相當於人均 2100 希沃特的輻射劑量，這也導致了美國宇航局對太陽能光伏發電技術的開發。

### 斯納普 11 型

斯納普 11 型 (SNAP-11) 是一種實驗性的放射性同位素熱能發電機主要是在月球夜晚期間為勘測者號探測器供電。鋦 242 放射性同位素熱能發電機可利用 900 瓦的熱能在 130 天內持續提供 25 瓦的電力。熱接頭的溫度為華氏 925°(攝氏 496°；769K)，冷接頭的溫度為華氏 350°(攝氏 177°；450K)，它們之間有一套液態鈉鉀合金熱控制系統和一隻活動閥門來釋放多餘的熱量，但該發電機並沒有用於測量任務。

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> 「一般來說，斯納普 11 型的燃料塊是一個圓柱形多元材料單元，位於發電機內的鉬合金燃料艙 (TZM) 中，燃料塊中央為鋦 242 (包覆著一層金屬銥的三氧化二鋦)。整個容器被包裹在一個直徑約 2-1/4 英寸的金屬鉑球中，它提供了一層保護屏障，考慮作為發生撞擊時的能量吸收層。該組件又被封裝在石墨和鈹的子組件中，以提供適當的熱分布和燒蝕保護」。
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### 斯納普 19 型

斯納普 19B 型 (SNAP-19B) 發電機是為「雨雲 B 號」氣象衛星研發的，以鈽 - 238 為燃料，帶有兩隻並列碲化鉛熱電偶，初始最大發電功率約為 30 瓦。雨雲 3 號使用的斯納普 19B 型發電機利用了從雨雲 B1 號衛星中回收的燃料。

斯納普 19s 型為先驅者 10 號和先驅者 11 號任務提供電力，使用了摻有銀鍺銻碲 (TAGS) 的磷和氮為熱電元件。

改進版的斯納普 19Bs 型曾用於海盜 1 號和海盜 2 號著陸器

一台斯納普 19C 型發電機曾用於為中情局設在北阿坎德邦楠達德維山上的遙測陣列供電，以追蹤中國的飛彈發射。

### 斯納普 21 及 23 型

斯納普 21 型 (SNAP-21) 斯納普 23 型均設計為水下使用，使用鍶 - 90 作為放射源，封裝為氧化鍶或鈦酸鍶，它們大約能發出 10 瓦電力。

### 斯納普 27 型

五台斯納普 27 型 (SNAP-27) 裝置為阿波羅 12、14、15、16 和 17 留在月球上的阿波羅月球表面實驗包提供電力。斯納普 27 型電源重約 20 公斤，長 46 厘米，直徑 40.6 厘米。它由一隻被同心熱電偶環包圍的中央燃料筒組成，熱電偶外部有一組從冷側向外散熱的散熱片。每台斯納普裝置在 30 伏額定電壓下產生約 75 瓦的電力，它的熱源是一根鈽 - 238 棒，提供約 1250 瓦的熱功率，中央燃料艙中裝有 3.8 千克 (8.4 磅) 的氧化鈽 - 238 (44500 居里或 1.65 拍貝克)，登月前，燃料艙裝在一個單獨的燃料桶中，附著在登月艙的側面。燃料桶為燃料艙提供了隔熱和結構支撐。登月後，登月艙太空人將燃料艙從燃料桶中取出，並插入放射性同位素熱能發電機 (RTG) 中。

這些探測站點在登月後的數年中，發回了有關月震和流星撞擊、月球磁場和重力場、月球內部溫度和大氣層等資訊。十年後，一台斯納普 27 型發電機的輸出功率仍超出初始 70 瓦的 90%。

阿波羅 13 號任務所攜帶的斯納普 27 型發電機燃料桶目前沉沒在太平洋湯加海溝 20000 英尺 (6100 米) 深的海底。這次任務未能在月球著陸，運載發電機的登月艙在重返地球大氣層時燒毀，並調整好軌道讓燃料桶落入到海溝中。燃料桶在重返大氣層時一如事先的設計，完整地倖存下來，沒有發現鈽的釋放。燃料桶耐腐蝕的材料預計可安全保存這些放射性燃料達 10 倍的半衰期 (870 年)。

## 偶數編號的核輔助電力系統：緊湊型核反應爐

一系列用於太空用途的緊湊型核反應爐，偶數編號的核輔助電力系統是由北美航空的原子能國際部門為美國政府開發的。

### 斯納普實驗堆 (SER)

斯納普實驗反應爐 (SER) 是第一座按照太空衛星應用規範建造的反應爐，它使用鈾氫鋯為燃料，共晶鈉鉀合金作為冷卻劑，並以大約 50 千瓦的熱功率運行。該系統沒有能量轉換，但採用了一套將熱量散發到大氣中的輔助熱風系統。應用了與斯納普 10A 型類似的反射慢化劑裝置反應爐，但只有一個反射面。1959 年 9 月達到臨界狀態，1961 年 12 月完成最終停堆。該計畫被認為取得成功，給斯納普計劃的開發帶來了長久的信心，也導致了更深入的研究和組件開發。

### 斯納普 2 型

斯納普 2 號開發型反應爐是建造的第二座斯納普反應爐，該裝置使用氫化鈾鋯燃料，設計功率為 55 千瓦，為第一座使用飛行控制組件的型號，並於 1961 年 4 月至 1962 年 12 月進行了測試。其基本理念是，核動力將成為載人太空艙的長期能源，但必須保護乘員艙免遭來自核反應爐致命輻射的影響。用輻射屏蔽罩包圍反應爐並不可行，這對當時可發射的火箭來說太重。為保護「機組乘員」和「酬載」，斯納普 2 型系統採用了一種「遮蔽護盾」，該護盾是一截含氫化鋰的截角圓錐體，反應爐在上端，乘員艙 / 酬載則位於底端遮敝下。

研究人員對反應爐、單個組件和支持系統進行了研究，北美航空的原子能國際部完成了開發和測試工作。斯納普 2 型防護罩研製單位則負責研發輻射防護罩，製造防護罩意味著要熔化氫化鋰並將它鑄造成所需的形狀：一截大圓錐台。熔融的鋰氫化物必須一次一點地倒入鑄模，否則在冷卻和固化時會破裂。屏蔽材料中的裂紋對所有依賴它的太空乘員或酬載都是致命的，因為這會讓輻射穿過乘員 / 酬載艙。隨著材料的冷卻，它會在裡面形成一種空心漩渦，開發工程師必須設法填補這種漩渦，同時保持屏蔽層的完整性。而且，在進行所有這些操作時，還必須時刻記住，他們正在使用的這種材料在潮濕富氧環境中極不穩定，可能會易爆。分析還顯示，在熱量和輻射梯度下，氫化鋰可能會分解，氫離子可通過屏蔽層遷移，導致屏蔽功效的弱化，並使酬載遭受到強烈輻射。研製團隊進行了不懈的努力，以克服和減輕這些影響。

斯納普 2DR 型使用了與斯納普 10A 型類似的反射慢化劑裝置，但有兩個可移動和內部固定的反射體。設計該系統的目的是讓反應爐與朗肯汞循環集成在一起，以產生 3.5 千瓦的電能。

### 斯納普 8 型

斯納普 8 型反應爐是原子國際公司依據與美國航空暨太空總署簽訂的合同而設計、建造和運行，共製造了兩座斯納普 8 型反應器：斯納普 8 型實驗反應器和斯納普 8 型開發反應器。兩座反應爐都使用了與斯納普 2 型和 10A 型相同的高濃縮氫化鈾鋯燃料。斯納普 8 型設計包括了用於將熱能傳輸至水銀朗肯動力轉換系統的一級和二級鈉鉀合金迴路，斯納普 8 型反應爐的發電系統由洛克達因航太控股公司提供

斯納普 8 型實驗反應爐是一座從 1963 年到 1965 年期間進行了測試的 600 千瓦反應爐。

斯納普 8 型開發反應爐的堆芯尺寸為 9.5×33 英寸 (24×84 厘米)，共含有 18 磅 (8.2 千克) 燃料，額定功率為 1 兆瓦。1969 年，該反應爐在聖蘇珊娜野外實驗室 (Santa Susana Field Laboratory) 進行了試驗。

### 斯納普 10A 型

斯納普 10A 型是 1965 年在「快照」計劃下發射升空的一座太空級核反應爐動力系統，它是作為空軍的一個研究計畫而建造，目的是證明具有比放射性同位素熱能發電機更高的發電能力。反應爐採用了兩個可移動的鈹反射體進行控制，並在使用初期產生出 35 千瓦的能量。為減輕發射風險，反應爐直到抵達安全軌道後才啟動。

斯納普 10A 型在 1965 年 4 月被發射到地球軌道，用於為洛克希德・馬丁公司製造的「阿金納 - D」科學衛星提供動力。該系統在 43 天的飛行試驗中產生了 500 瓦的電力，但由於接收到一條錯誤指令，反應爐被提前關閉，據預測，它將在軌道上存在 4000 年。

## 另請參閱

* 太空核能
* 太空中的核動力系統清列表

## 參考文獻

## 資料來源

* 太空核能 美國能源部核能科學技術辦公室

## 外部連結