中國(guó)核動(dòng)力航天器進(jìn)行時(shí)

吳銘

根據(jù)2014年中俄之間的一系列頻繁交往，并以烏克蘭等地緣爭(zhēng)端為背景，俄羅斯戰(zhàn)略和技術(shù)分析中心專家瓦西里·卡申日前發(fā)表文章認(rèn)為，中俄軍技合作方面或出現(xiàn)新的涉及更為敏感領(lǐng)域的維度與視角，比如核潛艇的設(shè)計(jì)與建造，乃至“中方感興趣的航天器核反應(yīng)堆技術(shù)”。

“核動(dòng)力航天器”這個(gè)關(guān)鍵詞，顯示了中國(guó)人對(duì)于航天探索的更遠(yuǎn)大計(jì)劃。

中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員、“嫦娥三號(hào)”總設(shè)計(jì)師孫澤洲對(duì)《瞭望東方周刊》說(shuō)：“從技術(shù)發(fā)展上來(lái)講，如果以后要對(duì)比如木星這些距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)的行星進(jìn)行探測(cè)，完全依靠太陽(yáng)能不太現(xiàn)實(shí)，這時(shí)對(duì)空間核動(dòng)力的應(yīng)用就會(huì)有比較大的需求。”

中國(guó)的核動(dòng)力航天器研發(fā)計(jì)劃，自上世紀(jì)70年代至今已超過(guò)30年。如今，它正在進(jìn)行對(duì)應(yīng)用的最后準(zhǔn)備。

中國(guó)需要核動(dòng)力飛船

此前在2013年12月初發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”，并沒(méi)有像早前人們預(yù)料的那樣使用核電池。

孫澤洲說(shuō)，在“嫦娥三號(hào)”的論證過(guò)程中，也對(duì)是否使用核電池進(jìn)行過(guò)詳細(xì)分析和論證，但最終沒(méi)有使用，“只是使用了同位素?zé)嵩矗簿褪呛藷嵩础！?/p>

所謂核電池又叫“放射性同位素電池”，它主要通過(guò)半導(dǎo)體換能器將同位素在衰變過(guò)程中不斷放出的具有熱能的射線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋６鵁嵩粗惶峁崮堋?/p>

核電池體積小，硬幣大小就可以具有比普通化學(xué)電池上百萬(wàn)倍的效能。自上世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)在“阿波羅”等計(jì)劃中就使用了核電池，2012年抵達(dá)火星的“好奇號(hào)”火星車上的核電池，據(jù)稱可以使用14年。

2004年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院正式啟動(dòng)航天用同位素電池研發(fā)，2006年研制出中國(guó)第一顆同位素電池。

不過(guò)，與真正的空間核反應(yīng)堆相比，核電池?zé)o論從技術(shù)還是應(yīng)用來(lái)講，都已經(jīng)比較成熟。

目前對(duì)于中國(guó)研發(fā)空間核反應(yīng)堆的最權(quán)威消息，來(lái)自2009年國(guó)家能源局能源節(jié)約和科技裝備司的信息：中國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始空間核反應(yīng)堆的研究工作，后一度中止。

“九五”期間，空間核反應(yīng)堆研究被列入總裝備部預(yù)先研究項(xiàng)目，由原子能院和空間技術(shù)研究院共同承擔(dān)，完成了空間核反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)。

“十五”起，中國(guó)人開(kāi)始了空間核反應(yīng)堆初步設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)以及安全研究等方面均取得一定突破。目前項(xiàng)目處于從技術(shù)設(shè)計(jì)到施工設(shè)計(jì)的過(guò)渡階段，正進(jìn)行設(shè)備和部件的研制和單項(xiàng)試驗(yàn)。

當(dāng)時(shí)公布的計(jì)劃是“2015年完成地面試驗(yàn)，2020年定型，2025年發(fā)射百千瓦級(jí)核反應(yīng)堆試驗(yàn)星”，進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證，掌握超大功率空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)。

2014年12月，作為一項(xiàng)公開(kāi)的科研成果，在中國(guó)空間技術(shù)研究院502所和北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部合作的“863”課題“核動(dòng)力航天器總體技術(shù)和安全研究”中，順利完成了“空間大功率核電推進(jìn)方案”研究工作。

這個(gè)課題組提出了載人火星飛船的核動(dòng)力系統(tǒng)方案，并對(duì)核動(dòng)力飛船在火星的起降進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

孫澤洲稱，中國(guó)目前完全具備火星探測(cè)能力，包括運(yùn)載火箭發(fā)射能力、測(cè)控能力等多個(gè)方面。

他進(jìn)一步分析說(shuō)，即將研制成功的“長(zhǎng)征五號(hào)”可以勝任近地小行星、金星、木星的環(huán)繞探測(cè)；可以支撐火星的無(wú)人著陸探測(cè)，但對(duì)于火星的采樣返回，則需要比“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載能力更大的火箭。

孫澤洲認(rèn)為，未來(lái)15年內(nèi)中國(guó)會(huì)有對(duì)木星的探測(cè)規(guī)劃。而在未來(lái)10年內(nèi)，對(duì)核動(dòng)力航天技術(shù)的需求會(huì)更加迫切。

同時(shí)，他強(qiáng)調(diào)，空間核應(yīng)用的安全性應(yīng)排在第一位。“一旦發(fā)射任務(wù)出現(xiàn)問(wèn)題，要確保不出現(xiàn)核泄漏。”

核科學(xué)與技術(shù)專家、中科院院士陳達(dá)同樣認(rèn)為，空間核應(yīng)用安全問(wèn)題非常重要。“蘇聯(lián)的核能航天器就曾掉下來(lái)過(guò)，人們就遭殃了。”他對(duì)《瞭望東方周刊》說(shuō)。

諸多難題待解

美國(guó)、蘇聯(lián)的核動(dòng)力航天器曾多次發(fā)生意外，尤為著名的是蘇聯(lián)的核動(dòng)力衛(wèi)星“宇宙—954”、“宇宙—1402”的核反應(yīng)堆與母體脫離后，助推級(jí)發(fā)生故障，沒(méi)能把反應(yīng)堆送入預(yù)定軌道。

1978年1月24日，“宇宙—954”的放射性殘骸散落在加拿大北部的無(wú)人凍土帶，放射性物質(zhì)污染了地表，加拿大政府評(píng)估損失達(dá)1200萬(wàn)美元。

攜帶核動(dòng)力裝置的蘇聯(lián)雷達(dá)偵察衛(wèi)星“宇宙—1402”在1982年12月28日失去控制，好在核動(dòng)力部分后來(lái)在南大西洋中間阿森松島西南上空進(jìn)入稠密層時(shí)燒毀。

陳達(dá)說(shuō)：“國(guó)際上一些國(guó)家在做空間核動(dòng)力應(yīng)用方面的研究，也不是一帆風(fēng)順的，這比較復(fù)雜。”

空間核反應(yīng)堆帶來(lái)的大問(wèn)題體現(xiàn)在核反應(yīng)、核輻射對(duì)航天器啟動(dòng)、調(diào)控、剎車等方面的影響。

尤其對(duì)于未來(lái)的核動(dòng)力飛船而言，需要解決核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、制造、控制、冷卻、輻射屏蔽、排氣污染、高效率熱電轉(zhuǎn)換等一系列技術(shù)難題。

特別是核反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射對(duì)宇航員的健康會(huì)構(gòu)成很大威脅，這就需要飛船必須對(duì)核輻射進(jìn)行屏蔽保護(hù)，確保宇航員和船載貨物不受輻射以及來(lái)自反應(yīng)堆高熱的影響，但這樣將大大增加探測(cè)器的重量。

陳達(dá)說(shuō)，空間核應(yīng)用過(guò)程中，核反應(yīng)衰變不存在問(wèn)題，但在真空、超低溫的環(huán)境下，對(duì)核反應(yīng)材料、能量輸送材料有很高的要求。

中國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的核能研究，為航天核動(dòng)力研究作了不少鋪墊，“太空中核動(dòng)力應(yīng)用比地面上復(fù)雜很多，問(wèn)題是多方面的，主要包括材料問(wèn)題、技術(shù)問(wèn)題、轉(zhuǎn)換方式問(wèn)題、新的組建的問(wèn)題等多方面問(wèn)題。具體表現(xiàn)在比如怎樣把核能轉(zhuǎn)換為電能。”他說(shuō)。

孫澤洲則認(rèn)為，從實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，核能的效率、核能的熱排散等方面會(huì)有很大挑戰(zhàn)。在地面上核反應(yīng)冷卻較為容易解決，空間核反應(yīng)堆面臨現(xiàn)實(shí)的散熱冷卻難題。

而在繞月探測(cè)工程、“嫦娥一號(hào)”系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計(jì)、中國(guó)工程院院士葉培建看來(lái)，空間核動(dòng)力的研發(fā)和使用有很多困難。

“地面上使用核能，可以不考慮體積、能耗，冷卻也比較好辦。太空中各種條件都受限制，因此，把核能用到太空中，必須克服空間所帶來(lái)的一些問(wèn)題，比如核元素的體積、功耗等方面。要找出和地面上不同的獲取核動(dòng)力的方法。”葉培建告訴本刊，中國(guó)空間技術(shù)研究院的相關(guān)課題組正在研究這方面的問(wèn)題。

而導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)專家、中科院院士劉寶鏞對(duì)《瞭望東方周刊》稱，空間核動(dòng)力應(yīng)用“難度在于把核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)研制出來(lái)”。

但無(wú)論如何，葉培建認(rèn)為，空間核動(dòng)力應(yīng)用是中國(guó)人必須要做的研究方向。“首先，未來(lái)更深層次的深空探測(cè)，太陽(yáng)起不到作用，要靠核動(dòng)力；第二，近地軌道發(fā)射大功率火箭還是要靠核動(dòng)力。”endprint