美國研究更酷核反應(yīng)堆：廢紙簍大小供火星基地電能

2018-02-25 09:39:24 新浪科技　點擊量：評論 (0)

一小桶鈾相當(dāng)于一個咖啡罐大小，但是這種微型核反應(yīng)堆具有屏蔽裝置和探測器，整個設(shè)備不超過一個廢紙簍大小。目前，這種小型核反應(yīng)堆原型將

一小桶鈾相當(dāng)于一個咖啡罐大小，但是這種微型核反應(yīng)堆具有屏蔽裝置和探測器，整個設(shè)備不超過一個廢紙簍大小。目前，這種小型核反應(yīng)堆原型將在美國內(nèi)華達州沙漠進行測試，這將為實現(xiàn)人類未來太空探索夢想更近一步。

太空核反應(yīng)堆僅有廢紙簍大小

這個項目叫做“Kilopower”，是美國宇航局和美國能源部的一個合資項目，它將成為自上世紀60年代“SNAP 10A項目”以來的首個太空核裂變反應(yīng)堆。目前，這項原型仍在測試之中，它比過去幾十年里進行的任何太空項目都更易實現(xiàn)。

Kilopower反應(yīng)堆從設(shè)計上具有兩個尺寸，一種是1千瓦模型，另一種是10千瓦模型。Kilopower反應(yīng)堆項目主管帕特·麥克盧爾說：“人們烤面包大概需要1千瓦電能，在一個普通家庭中，平均每天會使用5千瓦電能，但是對于美國宇航局而言，這消耗了很大的能量。之前美國宇航局探測設(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10千瓦是一個很大的電量單位。”

美國宇航局“新視野號”探測器最大功率為240瓦，“好奇號”火星車的功率為120瓦，以上兩個探測器都采用核動力電池，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，裝配動力為1000或者10000瓦就是較大的進步，即使它與地球上的設(shè)備相比體積較小。不同于那些核動力電池，Kilopower系統(tǒng)形成一個裂變反應(yīng)，將鈾原子快速分裂釋放能量，之后通過連接發(fā)動機將能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/span>

麥克盧爾說：“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100萬倍，它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時，從設(shè)計上能夠充分利用燃料。”對于小型火星反應(yīng)堆，燃料有效利用率會大幅降低，但是我們需要一個易于預(yù)測結(jié)果的反應(yīng)堆，并且易于操作，事實上這種小型火星反應(yīng)堆具有自控功能。這將降低在較大動力源上可能出現(xiàn)的事故可能性。

換句話講，我們不會冒險在火星表面出現(xiàn)核事件。麥克盧爾說：“對于我們當(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)計方法是反應(yīng)堆會釋放大量熱量，因此我們沒有進行降溫處理，僅是輻射少量熱量，反應(yīng)堆將功率降低進行匹配。”

同時，這種小型核反應(yīng)堆也可以在奇特的太空環(huán)境中操作，我們認為，太空環(huán)境非常寒冷，但是保持一個反應(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)電機的熱量進行轉(zhuǎn)移。取而代之的是，這個系統(tǒng)依賴于8根熱管，每根熱管中盛滿大約一湯匙鈉，其沸點非常高。

鈉會在高溫下沸騰，當(dāng)鈉沸騰時接近熱管部分，其溫度接近于裂變鈾燃料。蒸汽穿過熱管并逐漸冷凝，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，整個系統(tǒng)循環(huán)進行。從理論上講，該系統(tǒng)能夠多年時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，許多人會擔(dān)憂核泄漏和太空危機，機載核動力源將潛在一定的威脅性。麥克盧爾說：“人們總是認為你會將切爾諾貝利城帶到太空或者某個地方，實際上并沒有那么危險，在進行裂變反應(yīng)堆之前，太空核反應(yīng)堆中存在少量放射性物質(zhì)，因為它是鈾，但是其數(shù)量非常少。即使發(fā)射過程中出現(xiàn)某些事故，也不會對公眾帶來麻煩。”

麥克盧爾解釋稱，如果在發(fā)射過程中出現(xiàn)問題，反應(yīng)堆的標準、非裂變狀態(tài)下鈾殘留物會爆炸，對公眾構(gòu)成非常小的危險。其輻射峰值劑量遠低于1毫雷姆，而現(xiàn)實情況下輻射峰值劑量更低，是微雷姆等級。相比之下，美國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)堆釋放的輻射遠比背景輻射要少，或者相當(dāng)于乘坐飛機。

但是發(fā)射太空核動力源僅是第一步，它還必須在遙遠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時間并啟動，將變得更具放射性。但是研究小組進行了特殊設(shè)計，如果核動力源出現(xiàn)故障問題，將會自動關(guān)閉。同時，他們計劃在下個月在內(nèi)華達州進行測試，將這個核動力源連接到兩個引擎上，每個引擎能夠產(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)計主管大衛(wèi)·波斯頓說：“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，而且還會處于待機模式，如果電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠恢復(fù)并開始發(fā)電，那么它就會回到原處。這將證實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：“1千瓦核反應(yīng)堆是用于深太空任務(wù)，例如：抵達冥王星或者木星衛(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)，目前美國宇航局計劃發(fā)送5個10千瓦核反應(yīng)堆抵達火星表面。這將為一個火星基地提供40千瓦的電能供給。”

美國宇航局太空技術(shù)任務(wù)委員會副局長史蒂夫·尤爾奇克在新聞發(fā)布會上說：“火星表面很難布設(shè)電力系統(tǒng)，它的照射陽光比地球和月球更少，并且夜間溫度非常低，這里存在非常獨特的沙塵暴，可持續(xù)數(shù)個星期，數(shù)月時間，甚至肆虐吞沒整個星球。”

雖然美國宇航局已探索太陽能板作為一種潛在的動力源，目前，美國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，尤其是在太陽光線不充足，無法提供太陽能動力的時候。

第一批核動力反應(yīng)堆將著陸火星，并開始為自動系統(tǒng)提供動力，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)提供動力。目前，美國宇航局正在與其他商業(yè)機構(gòu)進行商談，提議1千瓦核反應(yīng)堆用于地外太空探索任務(wù)。

美國宇航局格倫研究中心主管珍妮特·卡凡迪說：“作為一名前宇航員，我可以向你保證，在遠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。隨著我們深入太陽系，最終將抵達其它星球的表面，這種類型的電力系統(tǒng)將變得尤其重要。”

責(zé)任編輯：lixin

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