美國研究更酷核反應堆：廢紙簍大小供火星基地電能

2018-02-25 09:39:24 新浪科技　點擊量：評論 (0)

一小桶鈾相當于一個咖啡罐大小，但是這種微型核反應堆具有屏蔽裝置和探測器，整個設備不超過一個廢紙簍大小。目前，這種小型核反應堆原型將

一小桶鈾相當于一個咖啡罐大小，但是這種微型核反應堆具有屏蔽裝置和探測器，整個設備不超過一個廢紙簍大小。目前，這種小型核反應堆原型將在美國內華達州沙漠進行測試，這將為實現人類未來太空探索夢想更近一步。

太空核反應堆僅有廢紙簍大小

這個項目叫做“Kilopower”，是美國宇航局和美國能源部的一個合資項目，它將成為自上世紀60年代“SNAP 10A項目”以來的首個太空核裂變反應堆。目前，這項原型仍在測試之中，它比過去幾十年里進行的任何太空項目都更易實現。

Kilopower反應堆從設計上具有兩個尺寸，一種是1千瓦模型，另一種是10千瓦模型。Kilopower反應堆項目主管帕特·麥克盧爾說：“人們烤面包大概需要1千瓦電能，在一個普通家庭中，平均每天會使用5千瓦電能，但是對于美國宇航局而言，這消耗了很大的能量。之前美國宇航局探測設備在太空環境下僅消耗幾百至幾千瓦電能，因此在太空中1千瓦或者10千瓦是一個很大的電量單位。”

美國宇航局“新視野號”探測器最大功率為240瓦，“好奇號”火星車的功率為120瓦，以上兩個探測器都采用核動力電池，能夠將自然衰變钚的熱量轉換為電能。但是钚的供應短缺，裝配動力為1000或者10000瓦就是較大的進步，即使它與地球上的設備相比體積較小。不同于那些核動力電池，Kilopower系統形成一個裂變反應，將鈾原子快速分裂釋放能量，之后通過連接發動機將能量轉變為電能。

麥克盧爾說：“傳統輕水冷卻反應堆能夠制造一千兆瓦電能，它是Kilopower反應堆制造電能的100萬倍，它的結構非常復雜，同時，從設計上能夠充分利用燃料。”對于小型火星反應堆，燃料有效利用率會大幅降低，但是我們需要一個易于預測結果的反應堆，并且易于操作，事實上這種小型火星反應堆具有自控功能。這將降低在較大動力源上可能出現的事故可能性。

換句話講，我們不會冒險在火星表面出現核事件。麥克盧爾說：“對于我們當前正在做的工作而言，融化燃料是非常困難的，我們的物理設計方法是反應堆會釋放大量熱量，因此我們沒有進行降溫處理，僅是輻射少量熱量，反應堆將功率降低進行匹配。”

同時，這種小型核反應堆也可以在奇特的太空環境中操作，我們認為，太空環境非常寒冷，但是保持一個反應堆在真空環境中降溫并非易事。在太空中沒有空氣或者流水，能夠將發電機的熱量進行轉移。取而代之的是，這個系統依賴于8根熱管，每根熱管中盛滿大約一湯匙鈉，其沸點非常高。

鈉會在高溫下沸騰，當鈉沸騰時接近熱管部分，其溫度接近于裂變鈾燃料。蒸汽穿過熱管并逐漸冷凝，溫度差異將有助于制造電能。之后冷卻的物質將回到熱管溫度較高的部分，整個系統循環進行。從理論上講，該系統能夠多年時間制造可靠高效的能量。

太空核反應堆安全性怎樣？

如果發射出現問題，許多人會擔憂核泄漏和太空危機，機載核動力源將潛在一定的威脅性。麥克盧爾說：“人們總是認為你會將切爾諾貝利城帶到太空或者某個地方，實際上并沒有那么危險，在進行裂變反應堆之前，太空核反應堆中存在少量放射性物質，因為它是鈾，但是其數量非常少。即使發射過程中出現某些事故，也不會對公眾帶來麻煩。”

麥克盧爾解釋稱，如果在發射過程中出現問題，反應堆的標準、非裂變狀態下鈾殘留物會爆炸，對公眾構成非常小的危險。其輻射峰值劑量遠低于1毫雷姆，而現實情況下輻射峰值劑量更低，是微雷姆等級。相比之下，美國人平均每年接受的輻射劑量為620毫雷姆。這意味著，太空核反應堆釋放的輻射遠比背景輻射要少，或者相當于乘坐飛機。

但是發射太空核動力源僅是第一步，它還必須在遙遠的太空距離保持安全操作，一旦當它離開地球大氣層很長時間并啟動，將變得更具放射性。但是研究小組進行了特殊設計，如果核動力源出現故障問題，將會自動關閉。同時，他們計劃在下個月在內華達州進行測試，將這個核動力源連接到兩個引擎上，每個引擎能夠產生大約80瓦的電能，從而使裂變反應加熱至大約800攝氏度的高溫。

太空核反應堆設計主管大衛·波斯頓說：“我們將關閉所有的熱排出，表明反應堆不僅能幸存下來，而且還會處于待機模式，如果電力轉換系統能夠恢復并開始發電，那么它就會回到原處。這將證實我們能夠處理該反應堆任何短暫或者不正常操作，人們不必為此有任何擔憂。”

這將如何操作？

麥克盧爾說：“1千瓦核反應堆是用于深太空任務，例如：抵達冥王星或者木星衛星，10千瓦核反應堆是用于深太空或者火星表面任務，目前美國宇航局計劃發送5個10千瓦核反應堆抵達火星表面。這將為一個火星基地提供40千瓦的電能供給。”

美國宇航局太空技術任務委員會副局長史蒂夫·尤爾奇克在新聞發布會上說：“火星表面很難布設電力系統，它的照射陽光比地球和月球更少，并且夜間溫度非常低，這里存在非常獨特的沙塵暴，可持續數個星期，數月時間，甚至肆虐吞沒整個星球。”

雖然美國宇航局已探索太陽能板作為一種潛在的動力源，目前，美國宇航局正在積極探索能夠持續提供必需生命支持系統的方案，尤其是在太陽光線不充足，無法提供太陽能動力的時候。

第一批核動力反應堆將著陸火星，并開始為自動系統提供動力，分離水冰形成液氧和液氫，產生返回地球的燃料。一旦人類登陸火星，這些系統就可以為他們的棲息地和其他支持系統提供動力。目前，美國宇航局正在與其他商業機構進行商談，提議1千瓦核反應堆用于地外太空探索任務。

美國宇航局格倫研究中心主管珍妮特·卡凡迪說：“作為一名前宇航員，我可以向你保證，在遠離低地球軌道的太空任務中，擁有可靠的電源是至關重要的。隨著我們深入太陽系，最終將抵達其它星球的表面，這種類型的電力系統將變得尤其重要。”