NASA著眼將核能作為未來航天動力

編譯 凌寒

美國宇航局選擇將反應(yīng)堆作為火星之旅推動力，同時(shí)也是紅色星球上生命的能源。

工程師在Kilopower反應(yīng)堆的真空室基座上對斯特林發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)整

當(dāng)宇航員駛往火星時(shí)，他們很可能是借助了核動力到達(dá)火星。一旦降落在那個(gè)紅色星球上，宇航員們可能會依賴核能生存一段時(shí)間，在此期間他們會為返回地球制造燃料。

美國宇航局（NASA）正在開發(fā)用于航天器推進(jìn)和行星動力源的反應(yīng)堆，以期在21世紀(jì)30年代某個(gè)時(shí)候施行火星載人任務(wù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。但是，盡管該機(jī)構(gòu)正在推進(jìn)使用低濃縮鈾（LEU）的反應(yīng)堆技術(shù)，其中僅含不到20%的用于航天器推進(jìn)，但它的行星動力源（Kilopower）則使用了武器級的濃度在90%或以上的濃縮鈾U235。防擴(kuò)散倡議組織反對使用高濃縮鈾（HEU，含有20%或更多U235的材料）；他們表示，盡管開發(fā)LEU需要更多的時(shí)間，但這是可以實(shí)現(xiàn)的，而且符合美國的政策。

2017年11月，在內(nèi)華達(dá)州國家安全場（前身為內(nèi)華達(dá)試驗(yàn)場）對1千瓦的原型Kilopower反應(yīng)堆進(jìn)行了測試，并制定了一項(xiàng)為期3年的發(fā)展計(jì)劃。美國宇航局電力和能源儲存的首席技術(shù)專家李·梅森（Lee Mason）說，Kilopower正在與太陽能競爭發(fā)電，在火星上提供電力。該機(jī)構(gòu)正在從事這兩種供能途徑的研究。太陽能的吸引力降低了，因?yàn)榈竭_(dá)火星的太陽輻射通量比到達(dá)地球的要小得多，而且隨著季節(jié)和地理位置的不同而變化很大。此外，火星沙塵暴可能持續(xù)幾個(gè)月。梅森說，核系統(tǒng)在負(fù)載和可操作性方面比起同等的太陽能陣列和能量存儲系統(tǒng)可能更具優(yōu)勢。

梅森表示，如果特朗普政府決定重返月球，那么作為人類定居月球時(shí)的動力來源，Kilopower反應(yīng)堆也可與太陽能一爭高下。盡管月球上的太陽輻射通量與地球接受的太陽輻射通量相當(dāng)，但太陽輻射的非極性發(fā)射將會遭遇為期半個(gè)月的漫長月夜，這將需要大量的能量儲存以提供持續(xù)的能量。梅森說，核能可以在任何地點(diǎn)提供不間斷的動力，包括可能存在月球冰且被永久遮擋的隕石坑。

核動力推進(jìn)的研發(fā)

在另一個(gè)項(xiàng)目中，美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心正引領(lǐng)著核-熱推進(jìn)（NTP）技術(shù)的發(fā)展，并打算將人類運(yùn)送到火星，美國宇航局空間技術(shù)任務(wù)委員會首席工程師杰弗里·希伊（Jeffrey Sheehy）說道。在從事了多年的NTP研究之后，該機(jī)構(gòu)于1973年放棄了這一計(jì)劃，當(dāng)時(shí)太空項(xiàng)目資助在后阿波羅時(shí)代有所下降。

在NTP中，由反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為火箭發(fā)動機(jī)中的氫燃料。它產(chǎn)生的推力類似于現(xiàn)今的常規(guī)液體燃料火箭，但有可能使燃料利用率提高一倍。這使得它對長期太空任務(wù)極具吸引力。

除了可能減少前往火星的旅行時(shí)間外，NTP還可以提供更好的任務(wù)靈活性。希伊表示，如果較短的飛行時(shí)間是一項(xiàng)重要需求的話，那么安裝一個(gè)NTP系統(tǒng)，其質(zhì)量以及因此所需的重型發(fā)射器數(shù)量會比傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)要少得多。比起NTP，減少傳統(tǒng)火箭動力宇宙飛船的飛行時(shí)間需要更多的推進(jìn)劑和更大的質(zhì)量。

NTP系統(tǒng)可以將現(xiàn)有的“幾十天”的火星之旅發(fā)射窗口時(shí)限增加一倍，希伊說道。當(dāng)最優(yōu)發(fā)射窗口時(shí)限相隔26個(gè)月時(shí)，這一點(diǎn)就顯得尤為重要。此外，NTP系統(tǒng)的燃料利用率大幅提高，這就容許在飛船或機(jī)組人員出了任何問題的情況下，在長達(dá)7個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，飛船可以安全返回地球的時(shí)限最多3個(gè)月。他說，傳統(tǒng)火箭的這種能力僅有幾天時(shí)間。

美國宇航局繼續(xù)探索火星旅行的常規(guī)與太陽能驅(qū)動。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，由太陽能陣列產(chǎn)生的電能被用來在特殊設(shè)計(jì)的推進(jìn)器上制造和加速等離子體。希伊說，排氣速度可能比傳統(tǒng)火箭高10倍，但比起NTP系統(tǒng)產(chǎn)生的34 000公斤潛在推力，本應(yīng)與其成正比的排氣量卻僅有幾公斤。這可能會使太陽能發(fā)電成為緩慢駛向火星的貨輪的不錯(cuò)選擇。

希伊說，在20世紀(jì)60年代的內(nèi)華達(dá)州，美國宇航局和原子能委員會對幾個(gè)NTP核反應(yīng)堆進(jìn)行了測試，并且該項(xiàng)目在技術(shù)上可謂“步入正軌”。盡管這些年來的大部分研發(fā)工作仍然適用，但在這幾年里，新型材料、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及其他方面的發(fā)展都已出現(xiàn)。

NTP項(xiàng)目在2018財(cái)政年度的目標(biāo)之一就是設(shè)計(jì)出這樣的系統(tǒng)，在火箭發(fā)動機(jī)測試過程中，通過捕獲廢氣來緩解環(huán)境問題，在廢氣中會排放少量的放射性物質(zhì)。2018年的另一個(gè)項(xiàng)目目標(biāo)是測試用鈾替代材料制成的燃料元件，看看它們?nèi)绾文艹惺芨哌_(dá)2 500 k的反應(yīng)堆運(yùn)行溫度。

2017年8月，美宇航局授予BWX技術(shù)公司一份1 900萬美元的合同，用于NTP反應(yīng)堆和燃料元件的研發(fā)。該公司表示其設(shè)計(jì)將使用低濃縮燃料。NTP項(xiàng)目的其他承包商包括Aerojet Rocketdyne和Analytical Mechanics Associates兩家公司。

由BWX技術(shù)公司開發(fā)的核-熱推進(jìn)反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)將使用低濃縮鈾。箭頭顯示的是氫氣推進(jìn)劑的流動路徑，其相對應(yīng)的溫度從最冷循環(huán)到最熱

關(guān)注高濃縮鈾

憂思科學(xué)家聯(lián)盟和防止核擴(kuò)散項(xiàng)目反對太空任務(wù)中使用HEU，他們認(rèn)為，美國應(yīng)該從所有民事應(yīng)用中剔除HEU，為全球樹立榜樣。他們指出，正在測試的1千瓦的Kilopower反應(yīng)堆使用了大約30公斤的武器級鈾，這足以制造一個(gè)核爆炸裝置。美國宇航局表示，一個(gè)10千瓦的反應(yīng)堆——計(jì)劃中最大規(guī)格的反應(yīng)堆——將包含50公斤的武器級材料。

“我們真正需要這些反應(yīng)堆的時(shí)間尺度是什么?我們是否有時(shí)間投資研發(fā)以確保不需要HEU？”來自憂思科學(xué)家聯(lián)盟的埃德溫·萊曼（Edwin Lyman）說道，“我們無需如此倉促?！?/p>

奧巴馬政府設(shè)定了一個(gè)21世紀(jì)30年代中期人類前往火星的目標(biāo)。特朗普政府并沒有調(diào)整這一時(shí)間表，但官員們表示，特朗普總統(tǒng)可能會推翻奧巴馬放棄人類重返月球的決定。

BWX技術(shù)公司

萊曼指出，美國已經(jīng)花了幾十年的時(shí)間，將國內(nèi)和國外用于研究反應(yīng)堆的燃料和醫(yī)用同位素生產(chǎn)從HEU轉(zhuǎn)為LEU。這個(gè)進(jìn)程仍未完善。他說，美國宇航局應(yīng)該從零開始重新設(shè)計(jì)Kilopower項(xiàng)目，直接使用LEU燃料，“而不是等到許多國家進(jìn)入該領(lǐng)域市場，并想要使用HEU開發(fā)自己的太空反應(yīng)堆這一天，我們才需要去處理這樣一件棘手的事情。”

美國宇航局和美國能源部的發(fā)言人在一份聲明中稱，他們“對待恐怖主義的威脅態(tài)度非常嚴(yán)肅”。國家采取各種措施保護(hù)人員及公眾安全，核材料的運(yùn)輸和儲存也處在嚴(yán)密的安全保護(hù)下。聲明中還說，這些措施將繼續(xù)應(yīng)用于可能隨著Kilopower測試而產(chǎn)生的任何飛行器開發(fā)活動。在聲明中未提及美國是否應(yīng)該在非軍事應(yīng)用中使用HEU的原則。

Kilopower反應(yīng)堆的堆芯是由高濃縮鈾金屬構(gòu)成的。圖中顯示了核心的三個(gè)構(gòu)成部分的其中之一

Y-12國家安全復(fù)合體

梅森表示，NASA選擇使用HEU還是LEU將取決于其用途。他說:“在Kilopower的例子中，最受青睞的方法是使用HEU，因?yàn)樗o我們提供了最緊湊的反應(yīng)堆，這使得它成為行星體著陸電力系統(tǒng)的最佳選擇?！薄皩τ贜TP來說，因?yàn)樾枨笊洗笙鄰酵?，所以看起來LEU這一選項(xiàng)更受青睞?！?/p>

美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的兩位關(guān)鍵Kilopower科學(xué)家在2017年8月11日的白皮書中對LEU和HEU燃料反應(yīng)堆之間的權(quán)衡取舍進(jìn)行了討論。項(xiàng)目經(jīng)理帕特里克·麥克盧爾（Patrick McClure）和首席反應(yīng)堆設(shè)計(jì)師大衛(wèi)·波斯頓（David Poston）說，一個(gè)LEU燃料型火星表面反應(yīng)堆的主要缺點(diǎn)是：它的重量是HEU燃料型的兩到三倍。但是，開發(fā)一個(gè)LEU型反應(yīng)堆的額外成本，大部分都會被HEU型反應(yīng)堆每月約為1 000萬美元的高安全成本所抵消。

由于其U235濃度更高，HEU燃料型反應(yīng)堆會比LEU型反應(yīng)堆更持久，他們補(bǔ)充說道。

麥克盧爾表示，容許質(zhì)量和所需壽命“可能使HEU的應(yīng)用成為必要，我們不應(yīng)只考慮成本?！?/p>

麥克盧爾和波斯頓說，LEU反應(yīng)堆可以解決在發(fā)射失敗或中止的情況下，可裂變材料落入別有用心之人手中的困擾。HEU燃料型反應(yīng)堆的建造和測試很簡單，它的核心由三塊固態(tài)HEU金屬組成。但他們也承認(rèn)，擁有類似設(shè)計(jì)的LEU燃料型反應(yīng)堆也可以建立。

風(fēng)險(xiǎn)最小化

美國宇航局的工程師估計(jì)，一個(gè)載人火星表面基地需要40千瓦能量的支持。一種可行的任務(wù)方案是將5個(gè)10千瓦的Kilopower反應(yīng)堆運(yùn)送至火星，提供備用機(jī)組以提高可靠性。

即使是最小規(guī)模的Kilopower反應(yīng)堆，也會產(chǎn)生比放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTGs）更多的電能。自20世紀(jì)60年代以來，RTGs已經(jīng)為二十多個(gè)NASA航天器提供了動力。最大的RTGs（其部署包括卡西尼號、伽利略號和新視野號）產(chǎn)生了300瓦功率，而好奇號火星探測器上的RTG則產(chǎn)生了110瓦功率。伴隨著RTG燃料驅(qū)動型航天器潛在的發(fā)射失敗而給人類帶來的健康危害（盡管危害極小），在換成鈾燃料后就不復(fù)存在了。與為RTG提供燃料的高放射性的钚-238不同，U235僅釋放微量的輻射，并且Kilopower反應(yīng)堆在著陸后才會開始產(chǎn)生裂變產(chǎn)物。

在內(nèi)華達(dá)州進(jìn)行測試的Kilopower設(shè)計(jì)方案擁有8個(gè)斯特林發(fā)動機(jī)，用來將反應(yīng)堆的熱量轉(zhuǎn)化為電能。它們利用熱冷端的溫差將氣體交替加熱和膨脹，然后冷卻并壓縮，從而產(chǎn)生機(jī)械能。為了節(jié)省成本，僅有從NASA的另一個(gè)開發(fā)項(xiàng)目中借用的兩臺斯特林發(fā)動機(jī)會被納入內(nèi)華達(dá)州的測試中。將反應(yīng)堆熱量轉(zhuǎn)化為電能的其他參考選項(xiàng)包括熱電裝置和小型渦輪機(jī)。但是，斯特林發(fā)動機(jī)這一途徑因?yàn)槠湫识鴺O具吸引力，它適用于簡單的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，麥克盧爾說。

盡管早些時(shí)候美國開發(fā)NTP的計(jì)劃制造了多個(gè)經(jīng)過地面試驗(yàn)的原型機(jī)，但美國部署的唯一的太空反應(yīng)堆是在1965年發(fā)射的熱電HEU燃料驅(qū)動型SNAP-10A衛(wèi)星。該反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)目的是為早期的軍事偵察衛(wèi)星提供大約500瓦的電力。由于電子故障，飛船在太空飛行了43天后即宣告報(bào)廢，但它仍在軌道上運(yùn)行著。

蘇聯(lián)從1970年到1988年發(fā)射了33顆核反應(yīng)堆供能的海洋雷達(dá)偵察衛(wèi)星。這些軍用衛(wèi)星被部署到近地軌道，在生命結(jié)束時(shí)被送入棄星軌道。

美國在核動力近地軌道衛(wèi)星上所做的最后一項(xiàng)努力是“SP-100”計(jì)劃，用于開發(fā)熱電反應(yīng)堆。該項(xiàng)目旨在制造出高達(dá)兆瓦級別的反應(yīng)堆，項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間為1983年到1994年。在國防部戰(zhàn)略防御計(jì)劃和美國宇航局縮減了他們預(yù)計(jì)的空間電力需求之后，該項(xiàng)目終止了。