美國研究更酷核反應(yīng)堆:廢紙簍大小供火星基地電能
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。”

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