北京時(shí)間12月28日消息，據國外媒體報道，核反應堆在雖然在地球上惹出很多麻煩和爭議，但它們卻可以產(chǎn)生足夠的能量和推力，快速地將大型宇宙飛船送上火星，甚至更遠的星球。事實(shí)上，核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機的想法可以追溯到上世紀四十年代。

　　至關(guān)重要的是，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機僅用于星際飛行?；鸺€在地球大氣層之內時(shí)，不會(huì )使用啟用核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機?；鸺l(fā)射階段，仍使用化學(xué)燃料。只有在火箭離開(kāi)低地球軌道之后，核動(dòng)力推進(jìn)系統才會(huì )啟動(dòng)。

　　最近，核裂變和核聚變驅動(dòng)的星際飛行計劃有了新的設計，這些新設計的成功可能性也更大。

　　核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機的設計難點(diǎn)在于如何確保該發(fā)動(dòng)機既輕便又安全。隨著(zhù)NASA正與行業(yè)合作伙伴就未來(lái)可能的核動(dòng)力載人太空飛行任務(wù)展開(kāi)合作，新的燃料和反應堆設計已成為一項重要任務(wù)。NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì )的首席工程師杰夫·希伊說(shuō)：“如果我們希望將往返火星的路程時(shí)間減少到兩年以下，核動(dòng)力推進(jìn)系統十分具有優(yōu)勢。”他還說(shuō)，若要使這樣的任務(wù)成為可能，“燃料這項關(guān)鍵技術(shù)必須要改進(jìn)”。

　　具體地說(shuō)，就是燃料必須能承受核熱力發(fā)動(dòng)機內部的超高溫環(huán)境和不穩定條件。有兩家公司已經(jīng)表示，他們的燃料足夠穩定，可以用于安全、緊湊和高性能的反應堆。事實(shí)上，其中一家公司已經(jīng)向NASA提供了詳細的概念設計方案。

　　核熱力推進(jìn)系統使用核反應釋放的能量將液態(tài)氫加熱至2430℃，這個(gè)溫度大約是核電站核心溫度的八倍之多。推進(jìn)劑隨后以極高的速度膨脹并噴射而出。與傳統的化學(xué)燃料火箭相比，對于每單位質(zhì)量的推進(jìn)劑，核熱力火箭可以產(chǎn)生兩倍的推力，從而使得核動(dòng)力飛船可以飛行得更遠更快。此外，一旦達到目的地——無(wú)論是土星的土衛六還是冥王星，核反應堆可以從推進(jìn)器變?yōu)閯?dòng)力源，允許飛船持續多年向地球送回高質(zhì)量數據。

　　以往，從核動(dòng)力火箭獲得足夠的推力需要使用武器級別的高濃度鈾。但是，商業(yè)發(fā)電站中的低濃度鈾燃料，使用起來(lái)則更加安全。唯一的問(wèn)題是，在極高溫度環(huán)境下以及在極易反應的氫帶來(lái)的化學(xué)侵蝕條件下，低濃度鈾燃料會(huì )變得十分脆弱并容易分解。

　　但是，西雅圖的Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies(USNC-Tech)公司使用的鈾燃料濃縮至20%以下。雖然比核反應堆中使用的鈾等級更高，但該鈾燃料“無(wú)法被用于邪惡目的，因此極大地降低了核擴散風(fēng)險，”USNC-Tech的工程總監邁克爾·伊德斯說(shuō)。該公司的鈾燃料包含微小的鈾燃料顆粒，這些鈾燃料顆粒帶陶瓷涂層，分散在碳化鋯基體中。微囊結構可以在困住放射性裂變副產(chǎn)物的同時(shí)，釋放出熱量。

　　弗吉尼亞州林奇堡的BWX Technologies也在與NASA合作，研究如何使用類(lèi)似的陶瓷復合燃料，同時(shí)也在探索一種包裹在金屬基體中的替代燃料形式。該公司的高級技術(shù)部門(mén)總經(jīng)理喬·米勒說(shuō)：“自2017年以來(lái)，我們一直在研究核反應堆設計。”

　　兩家公司的設計均依賴(lài)于不同類(lèi)型的緩和劑。緩和劑可以放緩裂變過(guò)程中產(chǎn)生高能量中子的速度，從而維持連鎖反應，而不是任由中子撞擊和破壞反應堆結構。BWX將燃料塊散布在氫化物元素之間，而USNC-Tech的獨特設計則將鈹金屬緩和劑集成到燃料內。伊德斯說(shuō)：“我們的燃料十分穩定，可以耐受高溫氫和輻射條件，并且不會(huì )吞噬反應堆內的所有中子。”

　　普林斯頓等離子物理實(shí)驗室的科學(xué)家正在使用實(shí)驗性反應堆嘗試將聚變等離子體加熱到一百萬(wàn)攝氏度。

　　該實(shí)驗室的研究人員塞繆爾·科恩說(shuō)，設計小型且安全的核動(dòng)力火箭，還有另一種思路：核聚變反應堆。主線(xiàn)聚變使用氫的同位素——氘和氚燃料。但科恩正在嘗試制造一種新的反應堆。該反應堆依賴(lài)高溫等離子體中氘原子和氦-3的聚變反應，這一反應產(chǎn)生的中子數非常少。他說(shuō)：“我們不喜歡中子，因為它們會(huì )把鋼鐵等結構材料變得像瑞士奶酪一樣，并且使其具有放射性。”普林斯頓實(shí)驗室的概念設計叫做“直接聚變驅動(dòng)”(Direct Fusion Drive)。該設計相比傳統的聚變，需要的燃料也更少，設備大小也只有傳統設備的千分之一左右。

　　NASA的希伊說(shuō)，理論上，聚變推進(jìn)器在性能上遠勝于裂變推進(jìn)器，因為聚變反應釋放的能量是后者的四倍多。但是，聚變推進(jìn)器這項技術(shù)還遠未成熟，同時(shí)也面臨不少挑戰，包括如何產(chǎn)生和控制等離子體，以及如何有效地將釋放的能量轉變?yōu)槎ㄏ驀娚渑艢?。希伊說(shuō)：“至少在本世紀三十年代末期，這項技術(shù)還來(lái)不及用于火星任務(wù)。”

　　相比之下，USNC-Tech已經(jīng)基于其設計的新型燃料，制造了小型硬件原型。伊德斯說(shuō)：“我們有望實(shí)現的NASA的目標，在2027年之前交付一半大小的演示系統，進(jìn)行發(fā)射試驗。”該公司的下一個(gè)目標將是打造完整規模的火星飛行系統，并且有望在2035年的火星任務(wù)中投入使用。
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