NASA：2035年，將核動力火箭送往火星

2020-12-24 智東西

智東西（公眾號：zhidxcom）

編譯 | 子佩

編輯 | Panken

智東西12月24日消息，雖然核反應堆在地球危機四伏，但在太空的它們可是潛力「寶藏」。

近期，NASA和多家公司進行溝通，擬開發由核裂變及核聚變作為動力的星際飛船，目標是在2035年前，核動力驅動的飛船可以奔赴火星。

一、核動力潛力無限，燃料瓶頸尚待攻破

核火箭發動機的想法可以追溯到上世紀四十年代，在通常的設想中，化學火箭會先將飛船發射出低地球軌道之外，然後核動力火箭會「接棒」，作為推動力送飛船在星際中穿梭。

核反應堆釋放的能量能將液態氫加熱至2430攝氏度，約為核電站核心溫度的八倍，推進劑也會以極快的速度噴出噴嘴。每單位質量核燃料提供的推力是化學燃料的兩倍，從而使核動力飛船可以航行更長時間，並且在到達目的地時，核反應堆所釋放的能量可以從推進系統轉換到電力系統，這為飛船自身正常運行和向地球傳輸數據都提供了更好的保障。

如NASA首席工程師Jeff Sheehy所言，核動力對於火星探測這種星際旅行是很有利的，但核燃料是我們首先要解決的問題。

具體來說，燃料需要承受發動機內部的超高溫和揮發性環境。

武器級、高濃縮鈾的核火箭能提供足夠推力，但可能不夠安全；商業核電廠用的低濃度鈾燃料使用起來更安全，但在高溫和高濃度氫的的環境下，它們容易分解。

針對這個問題，與NASA合作的兩家公司都各自提出了自己的解決方案。

位於西雅圖的核安全技術公司Ultra Safe Nuchlear Technologies（下簡稱USNC-Tech）在鈾燃料微粒上塗上一層微型陶瓷塗層，再放在碳化鋯基體中，通過這種「隔離」方式，防止放射性裂變產生的副產物擴散的同時，也以微粒的方式加快散熱。

USNC-Tech工程總監Michael Eades說：「因為這樣的方式，所以即使我們的鈾燃料濃度達到了20%，也能在保證火箭的推力的同時降低發生意外的風險。」

位於維吉尼亞州的BWX Technologies（下簡稱BWX）也與NASA籤訂了合約，希望設計出陶瓷複合燃料形式，或者研究可以在金屬基質中燃燒的替代燃料。該公司技術部門總經理Joe Miller表示，從2017年，他們就在進行反應堆的設計。

除了燃料，用於控制核裂變反應速度、維持連鎖反應的慢化劑也很重要。

BWX通過在燃料塊中散布在氫化物元素控制反應速度，USNC-Tech則將鈸金屬集成到燃料中。USNC-Tech工程總監Eades又指出，集成了鈸金屬的燃料可以經受住氫、輻射以及高溫，且不會耗盡反應堆中的中子。

二、為更安全的核動力火箭，普林斯頓尋覓新方法

除了上述兩家公司，普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家也為核火箭推進提出新設想，即不一樣的聚變反應堆。

普林斯頓等離子體物理實驗室的Samuel Cohen表示，目前主流的聚變反應是氫同位元素氘和氚的燃料，但它們都不夠安全。

為了設計出一種更安全的小型核動力火箭，Cohen領導的小組正在製造一種新的反應堆，利用高溫等離子體中氘原子和氦-3之間的聚變，這樣反應中也會產生較少的中子。中子容易讓鋼鐵結構在變脆的同時具有很強的放射性。

普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家正在用實驗堆將聚變等離子體加熱到一百萬攝氏度

Cohen也表示採用新的燃料融合方式後，不僅所需化學原料的量變少，反應設備的體積也會縮小至原來的千分之一。

NASA的首席工程師Sheehy說，因為聚變反應釋放的能量是裂變產生的能量的四倍，所以理論上聚變推進會優於基於裂變的推進。但目前這項技術還面臨一些挑戰，如產生和容納等離子體、將釋放出的能量有效地轉化為定向射流等。

他說：「這些問題即使到2030年代後期，我們都未必能做解決。」

但USNC-Tech對這一目標滿懷信心，工程總監Eades說：「我們目前已經基於新燃料製造了小型硬體原型，有望在2027年之前演示發射系統，實現NASA的目標。」

來源：IEEE Spectrum

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