如果一切按计划进行，在未来十年中的某个时候，一艘美国机器人着陆器将抵达一个蓬勃发展的月球基地，携带一个小型核反应堆。在反应堆内部，一根硼控制棒将滑入一堆铀中，并启动核链式反应，将铀原子分裂并释放热量。接下来，热量将被输送到发电机。然后灯就会亮起——并且会一直亮着，即使在漫长而寒冷的月夜也是如此。
在为太空用途开发核电站的半个世纪的努力之后，美国宇航局刚刚成功完成了一项全新设计的测试。新型反应堆 Kilopower 的下一个里程碑可能是 2020 年代左右的首次太空飞行。Kilopower 与能源部 (DoE) 共同开发，标志着美国 40 年来首个新型核反应堆的诞生。它可能会改变太空探索的能源生产，特别是对于太阳系其他地方的永久性人类前哨站而言。
当前的太空任务使用燃料电池、核电池或太阳能。但是月球上的一个夜晚持续两周，而火星上的阳光强度仅约为地球的 40%。美国宇航局代理副局长吉姆·路透 (Jim Reuter) 表示：“当我们前往月球并最终前往火星时，我们很可能需要不依赖太阳的大型动力源，特别是如果我们想就地取材的话。”
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Kilopower 是一种小型轻型裂变反应堆，可提供高达 10 千瓦的电力。美国宇航局表示，四个 10 千瓦的 Kilopower 装置将提供足够的电力来为一个火星或月球的人类前哨站供电。康涅狄格大学研究核能的工程学教授克劳迪奥·布鲁诺 (Claudio Bruno) 表示，作为比较，40 千瓦足以为一个典型的美国家庭供电。他补充说，40 千瓦大约相当于 60 马力。“你会感觉到它的功率非常小。事实上，如果你想做任何有用的事情，特别是如果登月或火星任务是载人任务，你需要比这多得多的功率，”他说。“但话虽如此，每次过去进行这项研究时，都会出现关于核能致命危险的叫嚣。这是[几十年来]他们第一次谈论用核反应堆为发电机供电，所以这是一个首次积极的信号。”
在太空探索中，核能主要有两种用途：发电或推进。Kilopower 将用于发电，很像地球上的发电厂。它可能会产生比单个航天器所需的更多的电力，使其更适合更大的地面前哨站。Kilopower 也可用于驱动航天器，主要是通过为离子发动机供电，尽管美国宇航局目前没有明确计划以这种方式使用它。
Kilopower 自 2012 年以来一直在开发中，但其历史可以追溯到更久远的美国宇航局 1960 年代的核辅助动力系统 (SNAP) 计划。
SNAP 项目开发了两种类型的核动力系统：第一种是放射性同位素温差发电机 (RTG)，它利用放射性衰变产生的热量来提供热量和电力。数十个深空航天器使用了 RTG，包括火星上的好奇号探测车和目前正在探索外太阳系矮行星的新视野号冥王星探测器。第二个 SNAP 项目是裂变反应堆，它分裂原子以产生能量。这与核潜艇使用的技术类型相同。美国宇航局于 1965 年 4 月发射了一座核电站，名为 SNAP-10A。它工作了 43 天，产生了 500 瓦的电力，然后一个部件发生故障；它今天仍然在地球轨道上，被认为是太空垃圾。
在 1960 年代和 70 年代，美国宇航局还在火箭飞行器核发动机应用 (NERVA) 计划下研究用于火箭推进的核动力。这将使用核反应堆加热氢气并将其通过喷嘴排出，很像化学火箭燃烧燃料以推动火箭前进。但该计划于 1973 年结束。
世界核协会称，俄罗斯已在太空飞行了 30 多个裂变反应堆。但布鲁诺说，在尼克松总统于 1973 年取消了美国宇航局的核推进研究后，俄罗斯也退出了其计划。“到 1973 年，一切基本上都搁置了或被冻结了，”他补充道。“到 2018 年，从事这项工作的大多数人要么退休了，要么去世了。我们没有关于他们做了什么的第一手知识。我们有报告，当然，但报告不会跟你说话。人会跟你说话。”
解冻始于 2012 年，当时美国宇航局和能源部对 Kilopower 的前身——平顶裂变演示 (DUFF) 实验进行了初步测试，产生了 24 瓦的电力。DUFF 使用热管来冷却其反应堆，并演示了首次使用斯特林发动机将反应堆热量转化为电力。（斯特林发动机使用外部热量驱动活塞，活塞转动曲轴以产生动力。）在 DUFF 测试之后，美国宇航局的变革性发展计划认可了 Kilopower，该项目在 2014 年获得了第一笔资金。
美国宇航局和能源部最新的 Kilopower 测试发生在 2017 年 11 月至今年 3 月。这些测试被称为千瓦级反应堆使用斯特林技术 (KRUSTY)，它像 DUFF 一样向辛普森一家致敬——这些测试让 Kilopower 反应堆经历了全面运行，最终进行了 28 小时的运行，在此期间，反应堆被启动、以全功率运行，然后冷却并关闭。KRUSTY 测试地点美国宇航局格伦研究中心的 Kilopower 首席工程师马克·吉布森 (Marc Gibson) 表示，反应堆在 800 摄氏度的温度下运行，产生了超过 4 千瓦的电力。
美国宇航局和能源部官员表示，由于其工作方式，该反应堆比前几代更安全。裂变链式反应是被动控制的，甚至可以使用硼控制棒和铍反射器来停止。原子分裂不会在反应堆远离地球后才开始。能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的 Kilopower 项目负责人帕特里克·麦克卢尔 (Patrick McClure) 表示，如果反应堆或其火箭在发射台上爆炸，核心中的铀 235 会使一公里外的人们暴露在不超过自然背景水平的辐射水平下。“在所有最坏的情况下，我们都不相信反应堆会在发射事故中意外启动，”他说。
洛斯阿拉莫斯首席反应堆设计师大卫·波斯顿 (David Poston) 表示，类似的反应堆可以为离子推进器提供电力，离子推进器反过来可以推进航天器。但布鲁诺表示，启动链式反应所需的材料量可能意味着反应堆太大太重，无法实际使用。美国宇航局正在单独开发一种新的铀基核热发动机概念，它的工作原理很像当前的化学火箭，将燃料加速喷射到推进器的后端。但 核热推进项目于 2017 年 8 月启动，其进展不如 Kilopower。
大多数核动力航天器都使用 RTG，它只是利用钚衰变产生的热量来发电。但 RTG 的效率极低——而且更重要的是，二氧化钚燃料供应短缺。在中断 30 年后，能源部于 2015 年恢复了钚 238 燃料的生产，但目前该国库存中只有足够的燃料来为美国宇航局的 2020 年火星探测车以及可能的一两个其他潜在的外太阳系任务提供动力。
Kilopower 可以作为替代方案——但官员和专家警告说，这可能是一个很大的问题。“从功率的角度来看，我们有点像从 RTG 停止的地方开始。我们有点像从他们离开的地方[开始]，试图为人类探索等需要数十到数百千瓦功率的事物提供一个功率范围，”吉布森说。换句话说，月球或火星上的人类活动将需要比单个 Kilopower 反应堆甚至少量反应堆预计产生的功率高 10 到 100 倍。但波斯顿表示，反应堆的模块化设计可以轻松扩展以满足这些需求。
尽管如此，布鲁诺补充说，Kilopower 是朝着在太空使用的可行核电站迈出的重要一步。下一步很可能是在太空测试反应堆。美国宇航局尚未批准此类任务，但在本月早些时候的新闻发布会上，路透表示，未来 18 个月将致力于弄清楚如何进行此类试飞。一种可能性是在月球着陆器上飞行一个小型 Kilopower 反应堆，这可能会在美国宇航局新近以月球为中心的探索任务下开发。
波斯顿说，成功的地面测试是人类太空探索下一阶段的重要一步。“我们展示了美国宇航局现在可以使用的概念。对我来说，最令人兴奋的是潜力。这真的是在太空中使用裂变能的第一步，”他说。