Kilopower反應堆。 科技日報 圖
據國外媒體近日報導,美國宇航局和美國能源部合作開發出一種只有廢紙簍大小的核反應堆,並稱其為「Kilopower」,也就是千瓦級太空反應堆。它能在太空環境中運行,為太空基地提供電能。
「美國最近測試的這種千瓦級太空反應堆的重要意義在於,美國在反應堆的小微型化上取得突破性進展,開闢了核能太空探索的新時代。」中國科學院大學教授、高能物理研究所研究員彭光雄告訴科技日報記者,核電源分為核電池和核反應堆,核電池存在鈽供應短缺問題和功率限制,因而核反應堆電源就具有特別的重要意義。
這個廢紙簍大小的太空核反應堆的新穎之處是什麼?發射中蘊含哪些不安全因素呢?
與地面核反應堆原理相同,但冷卻方式有別
據悉,Kilopower反應堆具有兩種功率設計,一種是1千瓦,另一種是10千瓦。後者每秒鐘可以產生一萬焦耳的電能,足以支撐兩個人進行長時間的火星探險任務。
在太空探索中,擁有可靠電源是至關重要的,而有些科學探索任務,一定需要核能的幫助才能進行。例如,我國的「嫦娥三號」月球探測器,面對最低溫度接近零下200攝氏度的月球,就是靠同位素衰變能源度過極其寒冷的漫漫長夜。
彭光雄表示,太空反應堆Kilopower與上述「嫦娥三號」月球探測器使用的核電池不同,它是一個真正意義上的核反應堆。他解釋道,核能的劇烈釋放可製成核武器威脅人類,核能的受控釋放則可以發電造福人類,而實現受控核反應的裝置就是反應堆。目前核能有三種主要的釋放方式:聚變、裂變和衰變。把衰變能轉變為電能的裝置是核電池,而核反應堆一般指核裂變反應堆,因為人類尚未掌握受控核聚變技術。地球上建設的核電站,其核心部分就是反應堆。
太空反應堆與地面上的反應堆工作原理相同,都是利用受控鏈式反應。反應過程是這樣的,反應堆中的核燃料在中子轟擊下發生自持鏈式反應,核燃料如鈾-235吸收中子發生裂變的同時放出更多中子從而引起更多裂變,產生巨大能量。這些能量的一部分轉化為電能的形式對外輸出;其餘的部分必須採取措施從反應堆中排出去從而使堆芯適當冷卻,以維持一定範圍的運轉溫度,或者主動降低功率以達到溫度平衡。否則堆芯會由於極高的溫度而熔毀或爆炸,造成災難。
核電站中反應堆最經濟有效的冷卻方式是水冷。這就是地球上的核電站一般建在沿海一帶或湖泊附近的重要原因,而太空反應堆Kilopower採用鈉管設計。
彭光雄認為,這反映了太空堆的主要特別之處,即在航天和太空環境中,由於缺少水源和空間限制,只能採用其他方式散熱,而不是水冷散熱。「這一方面是太空反應堆的功率目前還只有傳統輕水堆的約百萬分之一而不能做得更大的重要原因。另一方面,取消了水冷設計使得反應堆小型化、微型化成為可能。」在他看來,如何保持小微型的體積優勢同時增大功率,是太空核反應堆未來的方向和挑戰。
猶如天上掉下個「福島」?沒有那麼危險
許多人擔憂發射中出現核洩漏和太空危機。彭光雄教授告訴記者,太空核能裝置由於有放射性物質,原則上也存在核汙染風險。這種風險來自兩個階段,一是發射階段出現問題可能導致放射性物質外洩汙染地球大氣環境;二是在天文距離的飛行階段反應堆意外自行啟動可能造成太空汙染。
該反應堆項目主管帕特·麥克盧爾表示,發射階段出現事故影響並不大,輻射量最多『相當於乘坐飛機』。即使發射過程中出現鈾殘留物爆炸,輻射峰值劑量也遠低於1毫雷姆,相比之下,美國人平均每年接受的輻射劑量為620毫雷姆。而且為防止反應堆意外自行啟動,研究小組為該小型核反應堆設計了「自控功能」,一旦反應堆出現故障將會自動關閉。
「雖然可以在設計上儘量減小這些風險,但不可能完全避免。」彭光雄舉例說,福島核電站出事故之前也是有自動關閉設計的,但關鍵時刻安全設計全部失靈最終導致災難。如果裝有大量核材料的裝置從空中高速墜落地面,就會猶如天上掉下個「福島」,後果難以預料。
麥克盧爾宣稱,人們總認為這會將「車諾比城」帶上太空,但實際上並沒有那麼危險。彭光雄也表示,目前的太空反應堆功率還相對較小,所攜帶的核燃料相對較少,也有一些安全方面的設計,可儘量將風險降至最低。