智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 |? 子佩
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智東西(xi)12月24日消(xiao)息，雖然核反應堆在地(di)球危機四伏，但在太空(kong)的(de)它們可是(shi)潛力“寶(bao)藏”。
近期，NASA和多家公司進(jin)行溝通，擬開(kai)發由核裂(lie)變(bian)及核聚變(bian)作為動(dong)力(li)的星(xing)際飛船，目標是在2035年前(qian)，核動(dong)力(li)驅動(dong)的飛船可以奔(ben)赴(fu)火(huo)星(xing)。
一、核動力潛力無限，燃料瓶頸尚待攻破
核火箭(jian)發動機的想法可以(yi)追溯到上世紀四十年(nian)代，在通常的設(she)想中，化學(xue)火箭(jian)會(hui)先將飛(fei)船發射出(chu)低(di)地球軌道之外，然后(hou)核動力火箭(jian)會(hui)“接棒”，作為(wei)推動力送飛(fei)船在星(xing)際中穿(chuan)梭(suo)。
核(he)(he)反應堆(dui)釋放的(de)(de)(de)能(neng)量能(neng)將液態氫(qing)加熱至2430攝氏度(du)，約為核(he)(he)電(dian)站核(he)(he)心溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)八倍，推進(jin)劑也(ye)會以(yi)極(ji)快的(de)(de)(de)速(su)度(du)噴出噴嘴。每單(dan)位質(zhi)量核(he)(he)燃(ran)料(liao)提供的(de)(de)(de)推力是化學燃(ran)料(liao)的(de)(de)(de)兩(liang)倍，從(cong)而(er)使核(he)(he)動(dong)力飛船可(ke)以(yi)航行(xing)更(geng)(geng)長時間，并且在到(dao)達目的(de)(de)(de)地(di)時，核(he)(he)反應堆(dui)所釋放的(de)(de)(de)能(neng)量可(ke)以(yi)從(cong)推進(jin)系統轉(zhuan)換(huan)到(dao)電(dian)力系統，這為飛船自身正常運(yun)行(xing)和向地(di)球(qiu)傳輸數據都提供了更(geng)(geng)好的(de)(de)(de)保障。
如NASA首(shou)席工程(cheng)師Jeff Sheehy所言，核(he)動力對于火(huo)星探測這種星際旅行是很有利的，但(dan)核(he)燃料是我們首(shou)先要解決(jue)的問題。
具(ju)體來(lai)說，燃料需要(yao)承(cheng)受發動機內部的超高溫和(he)揮發性環境。
武(wu)器(qi)級、高濃(nong)(nong)縮(suo)鈾(you)的(de)核火箭能提(ti)供足(zu)夠(gou)推力(li)，但可能不夠(gou)安全；商業(ye)核電廠用(yong)的(de)低濃(nong)(nong)度鈾(you)燃料使用(yong)起來更安全，但在高溫和高濃(nong)(nong)度氫的(de)的(de)環境下(xia)，它(ta)們容(rong)易分(fen)解。
針對這個(ge)問題，與NASA合作的(de)兩家公司都各自提(ti)出了(le)自己的(de)解決方案。
位于西雅圖的(de)核安全(quan)技術公司Ultra Safe Nuchlear Technologies（下(xia)簡稱USNC-Tech）在鈾燃料(liao)微粒上涂上一(yi)層(ceng)(ceng)微型陶瓷涂層(ceng)(ceng)，再(zai)放在碳化鋯(gao)基體中，通過這種“隔離(li)”方(fang)式，防止放射(she)性裂變產(chan)生的(de)副產(chan)物擴散的(de)同時，也以微粒的(de)方(fang)式加快散熱。
USNC-Tech工(gong)程(cheng)總監Michael Eades說：“因為這樣的(de)(de)方(fang)式(shi)，所以(yi)即(ji)使我們的(de)(de)鈾燃(ran)料濃度達到了20%，也能在(zai)保證火(huo)箭的(de)(de)推力的(de)(de)同時降(jiang)低發生意外(wai)的(de)(de)風險。”
位于弗(fu)吉尼(ni)亞州(zhou)的(de)BWX Technologies（下簡(jian)稱BWX）也與NASA簽訂了合(he)約，希(xi)望(wang)設計出(chu)陶瓷(ci)復合(he)燃(ran)料形式，或(huo)者研究可以(yi)在金(jin)屬基質中燃(ran)燒的(de)替代燃(ran)料。該公司(si)技術部門總經理Joe Miller表示(shi)，從2017年，他們(men)就在進行反應堆的(de)設計。
除了燃(ran)料，用于控制核(he)裂變反應速度、維持連(lian)鎖反應的慢化劑(ji)也很重要。
BWX通過(guo)在燃料(liao)(liao)塊中(zhong)散布在氫化物元素(su)控制反應速度，USNC-Tech則將鈸金(jin)屬(shu)集成到(dao)燃料(liao)(liao)中(zhong)。USNC-Tech工程總監(jian)Eades又指(zhi)出，集成了(le)鈸金(jin)屬(shu)的燃料(liao)(liao)可以(yi)經受住氫、輻射以(yi)及高溫(wen)，且不會耗(hao)盡反應堆(dui)中(zhong)的中(zhong)子。
二、為更安全的核動力火箭，普林斯頓尋覓新方法
除了(le)上述(shu)兩家公司，普林(lin)斯(si)頓等離(li)子體物理實(shi)驗(yan)室(shi)的(de)(de)科學家也為核火箭推進提(ti)出新設想，即不一樣的(de)(de)聚變反應堆。
普林斯頓等(deng)離子體物理(li)實(shi)驗(yan)室的(de)(de)Samuel Cohen表(biao)示，目前主流的(de)(de)聚變反應是氫(qing)同位(wei)元素(su)氘和氚的(de)(de)燃料，但它們都不夠安全。
為(wei)了設計(ji)出一種更安(an)全的(de)(de)(de)小型(xing)核(he)動力火(huo)箭，Cohen領導的(de)(de)(de)小組正在制造一種新的(de)(de)(de)反應堆，利用高溫等(deng)離子體中(zhong)(zhong)氘原子和氦-3之(zhi)間的(de)(de)(de)聚(ju)變，這樣反應中(zhong)(zhong)也會產生較少(shao)的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)子。中(zhong)(zhong)子容易讓鋼(gang)鐵結構在變脆的(de)(de)(de)同時(shi)具(ju)有很強(qiang)的(de)(de)(de)放(fang)射(she)性(xing)。
▲普林(lin)斯(si)頓等離(li)子(zi)體物(wu)理實驗室的科學家(jia)正在用實驗堆將聚變等離(li)子(zi)體加熱到一百萬(wan)攝(she)氏度(du)
Cohen也表示采用新的燃料融合方式(shi)后，不僅所(suo)需化學原(yuan)(yuan)料的量變少(shao)，反應設備(bei)的體積也會縮小(xiao)至原(yuan)(yuan)來(lai)的千(qian)分之一(yi)。
NASA的(de)(de)首席(xi)工程(cheng)師Sheehy說(shuo)，因為聚(ju)變(bian)(bian)反應釋(shi)放的(de)(de)能(neng)(neng)量是裂變(bian)(bian)產(chan)生(sheng)的(de)(de)能(neng)(neng)量的(de)(de)四倍，所以理論上聚(ju)變(bian)(bian)推進會優(you)于(yu)(yu)基于(yu)(yu)裂變(bian)(bian)的(de)(de)推進。但目前(qian)這項(xiang)技術(shu)還面臨(lin)一些挑戰，如(ru)產(chan)生(sheng)和容納等離子體、將釋(shi)放出的(de)(de)能(neng)(neng)量有(you)效地轉化為定向射(she)流等。
他說(shuo)：“這些問題即使到2030年(nian)代后(hou)期，我們都未(wei)必能做解決。”
但USNC-Tech對這一目(mu)(mu)(mu)標滿懷信心，工程總(zong)監Eades說：“我們目(mu)(mu)(mu)前已經基于新(xin)燃料(liao)制造了小型硬件原型，有望在2027年之前演示發射系統(tong)，實(shi)現NASA的目(mu)(mu)(mu)標。”
來(lai)源(yuan)：IEEE Spectrum
