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核輔助電力系統

核輔助電力系統（Systems Nuclear Auxiliary POWER）英文簡稱斯納普(SNAP)計畫，是20世紀60年代美國太空總署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畫。

以奇數編號的核輔助電力系統：放射性同位素熱能發電機

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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

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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[1]。

斯納普3型

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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[1]。

斯納普7型

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巴爾的摩附近的導航浮標，閃光燈由斯納普7A號供電

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[2]，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[3]耗用了225千居里(8.3拍貝克)[2](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[1]。

斯納普9型

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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[4][5][6][7]，這也導致了美國太空總署對太陽能光伏發電技術的開發[8]。

斯納普11型

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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[9][10]，但該發電機並沒有用於測量任務。

「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」。[10]

斯納普19型

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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[11]。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[12]。

斯納普19s型為先驅者10號和先驅者11號任務提供電力[13]，使用了摻有銀鍺銻碲(TAGS)的磷和氮為熱電元件[14]。

改進版的斯納普19Bs型曾用於海盜1號和海盜2號著陸器[15]

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[16]。

斯納普21及23型

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斯納普21型(SNAP-21)[17]斯納普23型均設計為水下使用[2][18]，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

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位於月球上斯納普27型發電機。

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[19]，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[20]，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)[21]。

偶數編號的核輔助電力系統：緊湊型核反應爐

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斯納普8 DR型核反應爐堆芯的組裝。

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)

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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。該項目被認為取得成功，給斯納普計畫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

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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

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斯納普8型反應爐是原子國際公司依據與美國國家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[22]

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[23]。

斯納普10A型

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主條目：斯納普10A型

斯納普10A型是1965年在「快照」計畫下發射升空的一座太空級核反應爐動力系統[24][25]，它是作為空軍的一個研究項目而建造，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[23]。 

另請參閱

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參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 应用于太空的发电厂研究 (PDF). [2021-02-17]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-23）. 
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  5. ^ Gieré, R.; Stille, Peter. 能源、废料和环境：地球化学的观点. 倫敦地質學會. 31 March 2018: 145. ISBN 978-1-86239-167-3. 
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  21. ^ Space FAQ 10/13 - 有爭議的問題 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, faq.org
  22. ^ 通用航空噴射發動機公司. 斯纳普8型发电系统开发计划. 美國太空總署劉易斯研究中心,俄亥俄州克利夫蘭. 1971年11月. NASA CR-1907. 
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  24. ^ 快照 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, 美國太空總署格倫研究中心, 2007年3月20日. 2019年4月3日檢索.
  25. ^ 快照 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, 岡瑟的太空網頁. 2019年4月3日檢索.

資料來源

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外部連結

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