一小桶鈾相當(dāng)于一個(gè)咖啡罐大小，但是這種微型核反應(yīng)堆具有屏蔽裝置和探測(cè)器，整個(gè)設(shè)備不超過(guò)一個(gè)廢紙簍大小。目前，這種小型核反應(yīng)堆原型將在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州沙漠進(jìn)行測(cè)試，這將為實(shí)現(xiàn)人類未來(lái)太空探索夢(mèng)想更近一步。
太空核反應(yīng)堆僅有廢紙簍大小
這個(gè)項(xiàng)目叫做“Kilopower”，是美國(guó)宇航局和美國(guó)能源部的一個(gè)合資項(xiàng)目，它將成為自上世紀(jì)60年代“SNAP 10A項(xiàng)目”以來(lái)的首個(gè)太空核裂變反應(yīng)堆。目前，這項(xiàng)原型仍在測(cè)試之中，它比過(guò)去幾十年里進(jìn)行的任何太空項(xiàng)目都更易實(shí)現(xiàn)。
Kilopower反應(yīng)堆從設(shè)計(jì)上具有兩個(gè)尺寸，一種是1千瓦模型，另一種是10千瓦模型。Kilopower反應(yīng)堆項(xiàng)目主管帕特·麥克盧爾說(shuō)：“人們烤面包大概需要1千瓦電能，在一個(gè)普通家庭中，平均每天會(huì)使用5千瓦電能，但是對(duì)于美國(guó)宇航局而言，這消耗了很大的能量。之前美國(guó)宇航局探測(cè)設(shè)備在太空環(huán)境下僅消耗幾百至幾千瓦電能，因此在太空中1千瓦或者10千瓦是一個(gè)很大的電量單位。”
美國(guó)宇航局“新視野號(hào)”探測(cè)器最大功率為240瓦，“好奇號(hào)”火星車的功率為120瓦，以上兩個(gè)探測(cè)器都采用核動(dòng)力電池，能夠?qū)⒆匀凰プ冾械臒崃哭D(zhuǎn)換為電能。但是钚的供應(yīng)短缺，裝配動(dòng)力為1000或者10000瓦就是較大的進(jìn)步，即使它與地球上的設(shè)備相比體積較小。不同于那些核動(dòng)力電池，Kilopower系統(tǒng)形成一個(gè)裂變反應(yīng)，將鈾原子快速分裂釋放能量，之后通過(guò)連接發(fā)動(dòng)機(jī)將能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?
麥克盧爾說(shuō)：“傳統(tǒng)輕水冷卻反應(yīng)堆能夠制造一千兆瓦電能，它是Kilopower反應(yīng)堆制造電能的100萬(wàn)倍，它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時(shí)，從設(shè)計(jì)上能夠充分利用燃料。”對(duì)于小型火星反應(yīng)堆，燃料有效利用率會(huì)大幅降低，但是我們需要一個(gè)易于預(yù)測(cè)結(jié)果的反應(yīng)堆，并且易于操作，事實(shí)上這種小型火星反應(yīng)堆具有自控功能。這將降低在較大動(dòng)力源上可能出現(xiàn)的事故可能性。
換句話講，我們不會(huì)冒險(xiǎn)在火星表面出現(xiàn)核事件。麥克盧爾說(shuō)：“對(duì)于我們當(dāng)前正在做的工作而言，融化燃料是非常困難的，我們的物理設(shè)計(jì)方法是反應(yīng)堆會(huì)釋放大量熱量，因此我們沒有進(jìn)行降溫處理，僅是輻射少量熱量，反應(yīng)堆將功率降低進(jìn)行匹配。”
同時(shí)，這種小型核反應(yīng)堆也可以在奇特的太空環(huán)境中操作，我們認(rèn)為，太空環(huán)境非常寒冷，但是保持一個(gè)反應(yīng)堆在真空環(huán)境中降溫并非易事。在太空中沒有空氣或者流水，能夠?qū)l(fā)電機(jī)的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。取而代之的是，這個(gè)系統(tǒng)依賴于8根熱管，每根熱管中盛滿大約一湯匙鈉，其沸點(diǎn)非常高。
鈉會(huì)在高溫下沸騰，當(dāng)鈉沸騰時(shí)接近熱管部分，其溫度接近于裂變鈾燃料。蒸汽穿過(guò)熱管并逐漸冷凝，溫度差異將有助于制造電能。之后冷卻的物質(zhì)將回到熱管溫度較高的部分，整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行。從理論上講，該系統(tǒng)能夠多年時(shí)間制造可靠高效的能量。
太空核反應(yīng)堆安全性怎樣？
如果發(fā)射出現(xiàn)問題，許多人會(huì)擔(dān)憂核泄漏和太空危機(jī)，機(jī)載核動(dòng)力源將潛在一定的威脅性。麥克盧爾說(shuō)：“人們總是認(rèn)為你會(huì)將切爾諾貝利城帶到太空或者某個(gè)地方，實(shí)際上并沒有那么危險(xiǎn)，在進(jìn)行裂變反應(yīng)堆之前，太空核反應(yīng)堆中存在少量放射性物質(zhì)，因?yàn)樗氢櫍瞧鋽?shù)量非常少。即使發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)某些事故，也不會(huì)對(duì)公眾帶來(lái)麻煩。”
麥克盧爾解釋稱，如果在發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)問題，反應(yīng)堆的標(biāo)準(zhǔn)、非裂變狀態(tài)下鈾殘留物會(huì)爆炸，對(duì)公眾構(gòu)成非常小的危險(xiǎn)。其輻射峰值劑量遠(yuǎn)低于1毫雷姆，而現(xiàn)實(shí)情況下輻射峰值劑量更低，是微雷姆等級(jí)。相比之下，美國(guó)人平均每年接受的輻射劑量為620毫雷姆。這意味著，太空核反應(yīng)堆釋放的輻射遠(yuǎn)比背景輻射要少，或者相當(dāng)于乘坐飛機(jī)。
但是發(fā)射太空核動(dòng)力源僅是第一步，它還必須在遙遠(yuǎn)的太空距離保持安全操作，一旦當(dāng)它離開地球大氣層很長(zhǎng)時(shí)間并啟動(dòng)，將變得更具放射性。但是研究小組進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，如果核動(dòng)力源出現(xiàn)故障問題，將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)，他們計(jì)劃在下個(gè)月在內(nèi)華達(dá)州進(jìn)行測(cè)試，將這個(gè)核動(dòng)力源連接到兩個(gè)引擎上，每個(gè)引擎能夠產(chǎn)生大約80瓦的電能，從而使裂變反應(yīng)加熱至大約800攝氏度的高溫。
太空核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)主管大衛(wèi)·波斯頓說(shuō)：“我們將關(guān)閉所有的熱排出，表明反應(yīng)堆不僅能幸存下來(lái)，而且還會(huì)處于待機(jī)模式，如果電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠恢復(fù)并開始發(fā)電，那么它就會(huì)回到原處。這將證實(shí)我們能夠處理該反應(yīng)堆任何短暫或者不正常操作，人們不必為此有任何擔(dān)憂。”
這將如何操作？
麥克盧爾說(shuō)：“1千瓦核反應(yīng)堆是用于深太空任務(wù)，例如：抵達(dá)冥王星或者木星衛(wèi)星，10千瓦核反應(yīng)堆是用于深太空或者火星表面任務(wù)，目前美國(guó)宇航局計(jì)劃發(fā)送5個(gè)10千瓦核反應(yīng)堆抵達(dá)火星表面。這將為一個(gè)火星基地提供40千瓦的電能供給。”
美國(guó)宇航局太空技術(shù)任務(wù)委員會(huì)副局長(zhǎng)史蒂夫·尤爾奇克在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“火星表面很難布設(shè)電力系統(tǒng)，它的照射陽(yáng)光比地球和月球更少，并且夜間溫度非常低，這里存在非常獨(dú)特的沙塵暴，可持續(xù)數(shù)個(gè)星期，數(shù)月時(shí)間，甚至肆虐吞沒整個(gè)星球。”
雖然美國(guó)宇航局已探索太陽(yáng)能板作為一種潛在的動(dòng)力源，目前，美國(guó)宇航局正在積極探索能夠持續(xù)提供必需生命支持系統(tǒng)的方案，尤其是在太陽(yáng)光線不充足，無(wú)法提供太陽(yáng)能動(dòng)力的時(shí)候。
第一批核動(dòng)力反應(yīng)堆將著陸火星，并開始為自動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，分離水冰形成液氧和液氫，產(chǎn)生返回地球的燃料。一旦人類登陸火星，這些系統(tǒng)就可以為他們的棲息地和其他支持系統(tǒng)提供動(dòng)力。目前，美國(guó)宇航局正在與其他商業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行商談，提議1千瓦核反應(yīng)堆用于地外太空探索任務(wù)。
美國(guó)宇航局格倫研究中心主管珍妮特·卡凡迪說(shuō)：“作為一名前宇航員，我可以向你保證，在遠(yuǎn)離低地球軌道的太空任務(wù)中，擁有可靠的電源是至關(guān)重要的。隨著我們深入太陽(yáng)系，最終將抵達(dá)其它星球的表面，這種類型的電力系統(tǒng)將變得尤其重要。”
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