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堆作為火星之旅推動力，同時也是紅色星球上生命的能源。

工程師在Kilopower反應堆的真空室基座上對斯特林發動機進行調整

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

美國宇航局（NASA）正在開發用于航天器推進和行星動力源的反應堆，以期在21世紀30年代某個時候施行火星載人任務時，可以實現這兩個目標。但是，盡管該機構正在推進使用低濃縮鈾（LEU）的反應堆技術，其中僅含不到20%的用于航天器推進，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LEU需要更多的時間，但這是可以實現的，而且符合美國的政策。

2017年11月，在內華達州國家安全場（前身為內華達試驗場）對1千瓦的原型Kilopower反應堆進行了測試，并制定了一項為期3年的發展計劃。美國宇航局電力和能源儲存的首席技術專家李·梅森（Lee Mason）說，Kilopower正在與太陽能競爭發電，在火星上提供電力。該機構正在從事這兩種供能途徑的研究。太陽能的吸引力降低了，因為到達火星的太陽輻射通量比到達地球的要小得多，而且隨著季節和地理位置的不同而變化很大。此外，火星沙塵暴可能持續幾個月。梅森說，核系統在負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可能更具優勢。

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的動力來源，Kilopower反應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，但太陽輻射的非極性發射將會遭遇為期半個月的漫長月夜，這將需要大量的能量儲存以提供持續的能量。梅森說，核能可以在任何地點提供不間斷的動力，包括可能存在月球冰且被永久遮擋的隕石坑。

核動力推進的研發

在另一個項目中，美國宇航局的馬歇爾太空飛行中心正引領著核-熱推進（NTP）技術的發展，并打算將人類運送到火星，美國宇航局空間技術任務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，該機構于1973年放棄了這一計劃，當時太空項目資助在后阿波羅時代有所下降。

在NTP中，由反應堆產生的熱量轉化為火箭發動機中的氫燃料。它產生的推力類似于現今的常規液體燃料火箭，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極具吸引力。

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

NTP系統可以將現有的“幾十天”的火星之旅發射窗口時限增加一倍，希伊說道。當最優發射窗口時限相隔26個月時，這一點就顯得尤為重要。此外，NTP系統的燃料利用率大幅提高，這就容許在飛船或機組人員出了任何問題的情況下，在長達7個月的時間內，飛船可以安全返回地球的時限最多3個月。他說，傳統火箭的這種能力僅有幾天時間。

美國宇航局繼續探索火星旅行的常規與太陽能驅動。在太陽能發電系統中，由太陽能陣列產生的電能被用來在特殊設計的推進器上制造和加速等離子體。希伊說，排氣速度可能比傳統火箭高10倍，但比起NTP系統產生的34 000公斤潛在推力，本應與其成正比的排氣量卻僅有幾公斤。這可能會使太陽能發電成為緩慢駛向火星的貨輪的不錯選擇。

希伊說，在20世紀60年代的內華達州，美國宇航局和原子能委員會對幾個NTP核反應堆進行了測試，并且該項目在技術上可謂“步入正軌”。盡管這些年來的大部分研發工作仍然適用，但在這幾年里，新型材料、計算機技術的進步以及其他方面的發展都已出現。

NTP項目在2018財政年度的目標之一就是設計出這樣的系統，在火箭發動機測試過程中，通過捕獲廢氣來緩解環境問題，在廢氣中會排放少量的放射性物質。2018年的另一個項目目標是測試用鈾替代材料制成的燃料元件，看看它們如何能承受高達2 500 k的反應堆運行溫度。

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

由BWX技術公司開發的核-熱推進反應堆，設計將使用低濃縮鈾。箭頭顯示的是氫氣推進劑的流動路徑，其相對應的溫度從最冷循環到最熱

關注高濃縮鈾

憂思科學家聯盟和防止核擴散項目反對太空任務中使用HEU，他們認為，美國應該從所有民事應用中剔除HEU，為全球樹立榜樣。他們指出，正在測試的1千瓦的Kilopower反應堆使用了大約30公斤的武器級鈾，這足以制造一個核爆炸裝置。美國宇航局表示，一個10千瓦的反應堆——計劃中最大規格的反應堆——將包含50公斤的武器級材料。

“我們真正需要這些反應堆的時間尺度是什么?我們是否有時間投資研發以確保不需要HEU？”來自憂思科學家聯盟的埃德溫·萊曼（Edwin Lyman）說道，“我們無需如此倉促。”

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

BWX技術公司

萊曼指出，美國已經花了幾十年的時間，將國內和國外用于研究反應堆的燃料和醫用同位素生產從HEU轉為LEU。這個進程仍未完善。他說，美國宇航局應該從零開始重新設計Kilopower項目，直接使用LEU燃料，“而不是等到許多國家進入該領域市場，并想要使用HEU開發自己的太空反應堆這一天，我們才需要去處理這樣一件棘手的事情?！?/p>

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

Kilopower反應堆的堆芯是由高濃縮鈾金屬構成的。圖中顯示了核心的三個構成部分的其中之一

Y-12國家安全復合體

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，因為它給我們提供了最緊湊的反應堆，這使得它成為行星體著陸電力系統的最佳選擇?！薄皩τ贜TP來說，因為需求上大相徑庭，所以看起來LEU這一選項更受青睞?！?/p>

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的兩位關鍵Kilopower科學家在2017年8月11日的白皮書中對LEU和HEU燃料反應堆之間的權衡取舍進行了討論。項目經理帕特里克·麥克盧爾（Patrick McClure）和首席反應堆設計師大衛·波斯頓（David Poston）說，一個LEU燃料型火星表面反應堆的主要缺點是：它的重量是HEU燃料型的兩到三倍。但是，開發一個LEU型反應堆的額外成本，大部分都會被HEU型反應堆每月約為1 000萬美元的高安全成本所抵消。

由于其U235濃度更高，HEU燃料型反應堆會比LEU型反應堆更持久，他們補充說道。

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

麥克盧爾和波斯頓說，LEU反應堆可以解決在發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燃料型反應堆的建造和測試很簡單，它的核心由三塊固態HEU金屬組成。但他們也承認，擁有類似設計的LEU燃料型反應堆也可以建立。

風險最小化

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

即使是最小規模的Kilopower反應堆，也會產生比放射性同位素熱電發生器（RTGs）更多的電能。自20世紀60年代以來，RTGs已經為二十多個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）產生了300瓦功率，而好奇號火星探測器上的RTG則產生了110瓦功率。伴隨著RTG燃料驅動型航天器潛在的發射失敗而給人類帶來的健康危害（盡管危害極?。?，在換成鈾燃料后就不復存在了。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反應堆在著陸后才會開始產生裂變產物。

在內華達州進行測試的Kilopower設計方案擁有8個斯特林發動機，用來將反應堆的熱量轉化為電能。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，從而產生機械能。為了節省成本，僅有從NASA的另一個開發項目中借用的兩臺斯特林發動機會被納入內華達州的測試中。將反應堆熱量轉化為電能的其他參考選項包括熱電裝置和小型渦輪機。但是，斯特林發動機這一途徑因為其效率而極具吸引力，它適用于簡單的反應堆設計，麥克盧爾說。

盡管早些時候美國開發NTP的計劃制造了多個經過地面試驗的原型機，但美國部署的唯一的太空反應堆是在1965年發射的熱電HEU燃料驅動型SNAP-10A衛星。該反應堆的設計目的是為早期的軍事偵察衛星提供大約500瓦的電力。由于電子故障，飛船在太空飛行了43天后即宣告報廢，但它仍在軌道上運行著。

蘇聯從1970年到1988年發射了33顆核反應堆供能的海洋雷達偵察衛星。這些軍用衛星被部署到近地軌道，在生命結束時被送入棄星軌道。

美國在核動力近地軌道衛星上所做的最后一項努力是“SP-100”計劃，用于開發熱電反應堆。該項目旨在制造出高達兆瓦級別的反應堆，項目實施時間為1983年到1994年。在國防部戰略防御計劃和美國宇航局縮減了他們預計的空間電力需求之后，該項目終止了。