NASA十年后或?qū)⒎磻?yīng)堆送上月球 為人類基地供電

美國(guó)宇航局耗費(fèi)40年研制的能在太空環(huán)境工作的核反應(yīng)堆，可能會(huì)在十年后登陸月球，為生活在那里的人類基地供電。

如果一切順利的話，未來十年里的某個(gè)時(shí)間一艘美國(guó)登陸器將攜帶一個(gè)小型核反應(yīng)堆抵達(dá)月球基地。在這種反應(yīng)堆內(nèi)部，一根硼控制棒將伸入一堆鈾中開啟核連鎖反應(yīng)，分裂鈾原子并且釋放熱量。接下來，這些熱量將傳輸?shù)揭慌_(tái)發(fā)電機(jī)中，這樣就會(huì)給月球基地帶來光明。

美國(guó)宇航局經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的努力來打造一種能夠在太空中使用的核反應(yīng)堆，而且剛剛完成了一次新設(shè)計(jì)的測(cè)試。這臺(tái)新反應(yīng)堆名為Kilopower，它的下一個(gè)里程碑有可能是在2020年代的某個(gè)時(shí)間開啟太空飛行。Kilopower是由美國(guó)能源部協(xié)助研發(fā)的，它標(biāo)志著美國(guó)40年來打造的第一個(gè)全新的核反應(yīng)堆。它有可能改變太空探索，尤其是太陽系中永久性人類前哨基地的能源制造方式。

目前的太空任務(wù)使用的是燃料電池、核電池或者太陽能。但是月球的夜晚持續(xù)兩個(gè)周時(shí)間，而且火星上的陽光強(qiáng)度只有地球上的40%。美國(guó)宇航局太空技術(shù)部門的副行政助理Jim Reuter稱：“當(dāng)我們前往月球或者最終前往火星時(shí)，我們很可能需要大量無法依賴于太陽的能源，特別是如果我們想要生活在那里。”

Kilopower是一種小型的輕量級(jí)裂變反應(yīng)堆，能夠提供多達(dá)10千瓦的電量。美國(guó)宇航局稱，4臺(tái)10千瓦的Kilopower反應(yīng)堆就能夠?yàn)榛鹦腔蛘咴虑蛏系囊蛔祟惢靥峁┳銐虻碾娔?。核能研究領(lǐng)域?qū)＜?，美?guó)康涅狄格大學(xué)工程學(xué)教授Claudio Bruno稱，40千瓦電足能夠滿足3到8戶美國(guó)正常家庭的使用。

他補(bǔ)充道：“40千瓦電大約相當(dāng)于60馬力，你或許會(huì)認(rèn)為有點(diǎn)不夠用。事實(shí)上，如果你想要做什么有用的事情，特別是如果月球或者火星任務(wù)是載人任務(wù)時(shí)，你需要的能量會(huì)更多。但是過去每一次研究都會(huì)有人抗議核動(dòng)力存在致命危險(xiǎn)。這是人們數(shù)十年來首次談?wù)摻柚朔磻?yīng)堆為發(fā)電機(jī)提供能量，因此這也是首次出現(xiàn)的積極信號(hào)。”

在太空探索中，核能的使用主要有兩種方式：制造電能或者產(chǎn)生推進(jìn)力。Kilopower將用于產(chǎn)生電能，就像地球上的發(fā)電站一樣。它所產(chǎn)生的電能很可能要超過單艘太空飛船的需要，這就使它更適合于更大的星球前哨。Kilopower也將用于驅(qū)動(dòng)飛船，主要為離子發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，但是美國(guó)宇航局目前還沒有決定這樣利用這項(xiàng)技術(shù)。

Kilopower自2012年就開始研發(fā)，但是它的效果遠(yuǎn)超過美國(guó)宇航局上世紀(jì)60年代的輔助核動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱SNAP）。SNAP項(xiàng)目研發(fā)出了兩種核動(dòng)力系統(tǒng)，一種是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（簡(jiǎn)稱RTG），它能夠從放射性衰變中捕獲能量提供熱能和電力。數(shù)十艘深太空飛船已經(jīng)使用了RTG系統(tǒng)，其中包含火星上的好奇號(hào)漫游車和正在外太陽系探索矮行星的新視野號(hào)冥王星探測(cè)器。

SNAP項(xiàng)目的另外一種動(dòng)力系統(tǒng)就是裂變反應(yīng)堆系統(tǒng)，通過原子分裂產(chǎn)生能量。這項(xiàng)技術(shù)與核潛艇使用的動(dòng)力系統(tǒng)相同。美國(guó)宇航局在1965年4月發(fā)射了一臺(tái)名為SNAP-10A的核電站。這座核電站工作了43天時(shí)間，并且在出現(xiàn)故障前產(chǎn)生了500瓦的電量。它現(xiàn)在仍然在地球軌道中，而現(xiàn)在變成了太空垃圾。

在上世紀(jì)60年代和70年代，美國(guó)宇航局也在火箭核動(dòng)力應(yīng)用（NERVA）項(xiàng)目中對(duì)核動(dòng)力火箭推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究。這項(xiàng)技術(shù)使用核反應(yīng)堆對(duì)氫氣進(jìn)行加熱，并且通過噴嘴排出氣體，與常規(guī)火箭燃燒燃料產(chǎn)生推力相似。但是這個(gè)項(xiàng)目在1973年結(jié)束。

據(jù)世界核能委員會(huì)的數(shù)據(jù)，俄羅斯已經(jīng)向太空發(fā)射了超過30個(gè)裂變反應(yīng)堆。在美國(guó)總統(tǒng)尼克松1973年取消美國(guó)宇航局的核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)研究之后，俄羅斯也放棄了自己的項(xiàng)目。Bruno稱：“所有的研究在1973年都被叫停。到2018年，曾經(jīng)參與那個(gè)項(xiàng)目的大多數(shù)人或者退休或者離世。雖然我們還有報(bào)告，但是報(bào)告不會(huì)講話，研究人員才會(huì)。”

這項(xiàng)研究在2012年解凍，美國(guó)宇航局和美國(guó)能源部對(duì)Kilopower的前身（DUFF實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行了初步測(cè)試，并且產(chǎn)生了24瓦的電能。DUFF借助一根熱導(dǎo)管來為反應(yīng)堆降溫，并且首次展示了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將反應(yīng)堆熱量轉(zhuǎn)變成電能的應(yīng)用。在DUFF測(cè)試之后，NASA授權(quán)開始進(jìn)行Kilopower項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目在2014年首次獲得研究資金。

美國(guó)宇航局和能源部對(duì)Kilopower進(jìn)行的最新測(cè)試開始于2017年11月，并且一直持續(xù)到今年3月。測(cè)試中，Kilopower反應(yīng)堆進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)28小時(shí)的全功率測(cè)試，隨后關(guān)閉并且進(jìn)行了降溫。美國(guó)宇航局格倫研究中心Kilopower項(xiàng)目首席工程師Marc Gibson稱，反應(yīng)堆在800攝氏度的溫度中運(yùn)行，并且產(chǎn)生了超過4千瓦的電能。

美國(guó)宇航局和能源部稱，Kilopower反應(yīng)堆比之前的版本更安全，因?yàn)樗牟僮鞣绞讲煌＝柚鸩倏匕艉外敺瓷潴w，裂變連鎖反應(yīng)得到控制，甚至能夠停止。據(jù)Kilopower項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，美國(guó)能源部洛斯阿爾莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Patrick McClure稱：“如果反應(yīng)堆或者火箭在發(fā)射臺(tái)上發(fā)生爆炸，核心中的鈾235對(duì)一公里外的人產(chǎn)生的輻射不會(huì)超過自然環(huán)境輻射。這只是最壞的打算，我們不認(rèn)為在出現(xiàn)發(fā)射事故時(shí)，反應(yīng)堆有機(jī)會(huì)出現(xiàn)故障。”

洛斯阿爾莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的首席反應(yīng)堆設(shè)計(jì)師David Poston稱，一種類似的反應(yīng)堆能夠?yàn)殡x子推進(jìn)器提供電能，從而為飛船提供飛行動(dòng)力。但是據(jù)Bruno稱，啟動(dòng)裂變連鎖反應(yīng)所需要的原料量很可能意味著反應(yīng)堆會(huì)很大而且很重，無法得到實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)宇航局單獨(dú)提出了一種全新的鈾核熱力發(fā)動(dòng)機(jī)概念，它與目前的化學(xué)燃料火箭所使用的技術(shù)相似。但是2017年8月啟動(dòng)的核熱力推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目并未像Kilopower一樣獲得這樣的進(jìn)步。

大多數(shù)核動(dòng)力飛船使用了RTG系統(tǒng)，通過收集钚衰變產(chǎn)生的熱量來產(chǎn)生電能。但是RTG的能效極低，此外，二氧化钚原料供應(yīng)不足。在經(jīng)歷了30年的空白之后，美國(guó)能源部從2015年開始恢復(fù)钚238的生產(chǎn)，但是目前美國(guó)的庫存只足夠?yàn)槊绹?guó)宇航局的2020火星漫游車提供能量，而且或許能夠支持一到兩個(gè)前往外太陽系的潛在任務(wù)。

Kilopower能夠作為一種替代品，但是政府官員和專家們都認(rèn)為可能性很大。Gibson稱：“從能量的角度來看，我們是從RTG項(xiàng)目開始的。我們希望這個(gè)項(xiàng)目能夠讓我們實(shí)現(xiàn)更多的用途，比如說深太空探索，那樣你就需要成千上萬瓦的電能供應(yīng)。”換句話說，人類在月球或者火星上活動(dòng)所需要的能量要超過單臺(tái)Kilopower反應(yīng)堆產(chǎn)生量的十到百倍。但是Poston稱，反應(yīng)堆的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)能夠輕易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化來滿足那些需要。

Bruno補(bǔ)充道，Kilopower反應(yīng)堆是打造太空中可用核電站的重要一步。接下來很可能是在太空中對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行測(cè)試。美國(guó)宇航局尚未許可進(jìn)行這樣的項(xiàng)目，但是在本月月初的一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上，路透社稱未來18個(gè)月時(shí)間里將致力于如何進(jìn)行這樣的測(cè)試飛行。其中一種可能性是，使用登月飛行器運(yùn)送一臺(tái)小型Kilopower反應(yīng)堆，而這種小型反應(yīng)堆或許將在美國(guó)宇航局最新的月球探索任務(wù)中研發(fā)出來。

Poston稱：“成功的地面測(cè)試對(duì)于未來的人類太空探索階段有著重要意義。我們驗(yàn)證了這個(gè)技術(shù)概念是美國(guó)宇航局現(xiàn)在能夠利用的。對(duì)于我來說，最令我激動(dòng)的事情是它的潛在應(yīng)用。從真正意義上將，這是我們?cè)谔湛捎昧炎兡芗夹g(shù)的研究領(lǐng)域跨出的第一步。”