智東西 12 月 24 日消息，雖然核反應(yīng)堆在地球危機(jī)四伏，但在太空的它們可是潛力 “寶藏”。
近期，NASA 和多家公司進(jìn)行溝通，擬開(kāi)發(fā)由核裂變及核聚變作為動(dòng)力的星際飛船，目標(biāo)是在 2035 年前，核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的飛船可以奔赴火星。
一、核動(dòng)力潛力無(wú)限，燃料瓶頸尚待攻破
核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的想法可以追溯到上世紀(jì)四十年代，在通常的設(shè)想中，化學(xué)火箭會(huì)先將飛船發(fā)射出低地球軌道之外，然后核動(dòng)力火箭會(huì) “接棒”，作為推動(dòng)力送飛船在星際中穿梭。
核反應(yīng)堆釋放的能量能將液態(tài)氫加熱至 2430 攝氏度，約為核電站核心溫度的八倍，推進(jìn)劑也會(huì)以極快的速度噴出噴嘴。每單位質(zhì)量核燃料提供的推力是化學(xué)燃料的兩倍，從而使核動(dòng)力飛船可以航行更長(zhǎng)時(shí)間，并且在到達(dá)目的地時(shí)，核反應(yīng)堆所釋放的能量可以從推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到電力系統(tǒng)，這為飛船自身正常運(yùn)行和向地球傳輸數(shù)據(jù)都提供了更好的保障。
如 NASA 首席工程師 Jeff Sheehy 所言，核動(dòng)力對(duì)于火星探測(cè)這種星際旅行是很有利的，但核燃料是我們首先要解決的問(wèn)題。
具體來(lái)說(shuō)，燃料需要承受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的超高溫和揮發(fā)性環(huán)境。
武器級(jí)、高濃縮鈾的核火箭能提供足夠推力，但可能不夠安全；商業(yè)核電廠用的低濃度鈾燃料使用起來(lái)更安全，但在高溫和高濃度氫的的環(huán)境下，它們?nèi)菀追纸狻?/p>
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，與 NASA 合作的兩家公司都各自提出了自己的解決方案。
位于西雅圖的核安全技術(shù)公司 Ultra Safe Nuchlear Technologies（下簡(jiǎn)稱 USNC-Tech）在鈾燃料微粒上涂上一層微型陶瓷涂層，再放在碳化鋯基體中，通過(guò)這種 “隔離”方式，防止放射性裂變產(chǎn)生的副產(chǎn)物擴(kuò)散的同時(shí)，也以微粒的方式加快散熱。
USNC-Tech 工程總監(jiān) Michael Eades 說(shuō)：“因?yàn)檫@樣的方式，所以即使我們的鈾燃料濃度達(dá)到了 20%，也能在保證火箭的推力的同時(shí)降低發(fā)生意外的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>
位于弗吉尼亞州的 BWX Technologies（下簡(jiǎn)稱 BWX）也與 NASA 簽訂了合約，希望設(shè)計(jì)出陶瓷復(fù)合燃料形式，或者研究可以在金屬基質(zhì)中燃燒的替代燃料。該公司技術(shù)部門總經(jīng)理 Joe Miller 表示，從 2017 年，他們就在進(jìn)行反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。
除了燃料，用于控制核裂變反應(yīng)速度、維持連鎖反應(yīng)的慢化劑也很重要。
BWX 通過(guò)在燃料塊中散布在氫化物元素控制反應(yīng)速度，USNC-Tech 則將鈸金屬集成到燃料中。USNC-Tech 工程總監(jiān) Eades 又指出，集成了鈸金屬的燃料可以經(jīng)受住氫、輻射以及高溫，且不會(huì)耗盡反應(yīng)堆中的中子。
二、為更安全的核動(dòng)力火箭，普林斯頓尋覓新方法
除了上述兩家公司，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家也為核火箭推進(jìn)提出新設(shè)想，即不一樣的聚變反應(yīng)堆。
普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的 Samuel Cohen 表示，目前主流的聚變反應(yīng)是氫同位元素氘和氚的燃料，但它們都不夠安全。
為了設(shè)計(jì)出一種更安全的小型核動(dòng)力火箭，Cohen 領(lǐng)導(dǎo)的小組正在制造一種新的反應(yīng)堆，利用高溫等離子體中氘原子和氦 - 3 之間的聚變，這樣反應(yīng)中也會(huì)產(chǎn)生較少的中子。中子容易讓鋼鐵結(jié)構(gòu)在變脆的同時(shí)具有很強(qiáng)的放射性。
▲ 普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在用實(shí)驗(yàn)堆將聚變等離子體加熱到一百萬(wàn)攝氏度
Cohen 也表示采用新的燃料融合方式后，不僅所需化學(xué)原料的量變少，反應(yīng)設(shè)備的體積也會(huì)縮小至原來(lái)的千分之一。
NASA 的首席工程師 Sheehy 說(shuō)，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)釋放的能量是裂變產(chǎn)生的能量的四倍，所以理論上聚變推進(jìn)會(huì)優(yōu)于基于裂變的推進(jìn)。但目前這項(xiàng)技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，如產(chǎn)生和容納等離子體、將釋放出的能量有效地轉(zhuǎn)化為定向射流等。
他說(shuō)：“這些問(wèn)題即使到 2030 年代后期，我們都未必能做解決?！?/p>
但 USNC-Tech 對(duì)這一目標(biāo)滿懷信心，工程總監(jiān) Eades 說(shuō)：“我們目前已經(jīng)基于新燃料制造了小型硬件原型，有望在 2027 年之前演示發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) NASA 的目標(biāo)?！?/p>
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