NASA着眼将核能作为未来航天动力

编译 凌寒

美国宇航局选择将反应堆作为火星之旅推动力，同时也是红色星球上生命的能源。

工程师在Kilopower反应堆的真空室基座上对斯特林发动机进行调整

当宇航员驶往火星时，他们很可能是借助了核动力到达火星。一旦降落在那个红色星球上，宇航员们可能会依赖核能生存一段时间，在此期间他们会为返回地球制造燃料。

美国宇航局（NASA）正在开发用于航天器推进和行星动力源的反应堆，以期在21世纪30年代某个时候施行火星载人任务时，可以实现这两个目标。但是，尽管该机构正在推进使用低浓缩铀（LEU）的反应堆技术，其中仅含不到20%的用于航天器推进，但它的行星动力源（Kilopower）则使用了武器级的浓度在90%或以上的浓缩铀U235。防扩散倡议组织反对使用高浓缩铀（HEU，含有20%或更多U235的材料）；他们表示，尽管开发LEU需要更多的时间，但这是可以实现的，而且符合美国的政策。

2017年11月，在内华达州国家安全场（前身为内华达试验场）对1千瓦的原型Kilopower反应堆进行了测试，并制定了一项为期3年的发展计划。美国宇航局电力和能源储存的首席技术专家李·梅森（Lee Mason）说，Kilopower正在与太阳能竞争发电，在火星上提供电力。该机构正在从事这两种供能途径的研究。太阳能的吸引力降低了，因为到达火星的太阳辐射通量比到达地球的要小得多，而且随着季节和地理位置的不同而变化很大。此外，火星沙尘暴可能持续几个月。梅森说，核系统在负载和可操作性方面比起同等的太阳能阵列和能量存储系统可能更具优势。

梅森表示，如果特朗普政府决定重返月球，那么作为人类定居月球时的动力来源，Kilopower反应堆也可与太阳能一争高下。尽管月球上的太阳辐射通量与地球接受的太阳辐射通量相当，但太阳辐射的非极性发射将会遭遇为期半个月的漫长月夜，这将需要大量的能量储存以提供持续的能量。梅森说，核能可以在任何地点提供不间断的动力，包括可能存在月球冰且被永久遮挡的陨石坑。

核动力推进的研发

在另一个项目中，美国宇航局的马歇尔太空飞行中心正引领着核-热推进（NTP）技术的发展，并打算将人类运送到火星，美国宇航局空间技术任务委员会首席工程师杰弗里·希伊（Jeffrey Sheehy）说道。在从事了多年的NTP研究之后，该机构于1973年放弃了这一计划，当时太空项目资助在后阿波罗时代有所下降。

在NTP中，由反应堆产生的热量转化为火箭发动机中的氢燃料。它产生的推力类似于现今的常规液体燃料火箭，但有可能使燃料利用率提高一倍。这使得它对长期太空任务极具吸引力。

除了可能减少前往火星的旅行时间外，NTP还可以提供更好的任务灵活性。希伊表示，如果较短的飞行时间是一项重要需求的话，那么安装一个NTP系统，其质量以及因此所需的重型发射器数量会比传统的推进系统要少得多。比起NTP，减少传统火箭动力宇宙飞船的飞行时间需要更多的推进剂和更大的质量。

NTP系统可以将现有的“几十天”的火星之旅发射窗口时限增加一倍，希伊说道。当最优发射窗口时限相隔26个月时，这一点就显得尤为重要。此外，NTP系统的燃料利用率大幅提高，这就容许在飞船或机组人员出了任何问题的情况下，在长达7个月的时间内，飞船可以安全返回地球的时限最多3个月。他说，传统火箭的这种能力仅有几天时间。

美国宇航局继续探索火星旅行的常规与太阳能驱动。在太阳能发电系统中，由太阳能阵列产生的电能被用来在特殊设计的推进器上制造和加速等离子体。希伊说，排气速度可能比传统火箭高10倍，但比起NTP系统产生的34 000公斤潜在推力，本应与其成正比的排气量却仅有几公斤。这可能会使太阳能发电成为缓慢驶向火星的货轮的不错选择。

希伊说，在20世纪60年代的内华达州，美国宇航局和原子能委员会对几个NTP核反应堆进行了测试，并且该项目在技术上可谓“步入正轨”。尽管这些年来的大部分研发工作仍然适用，但在这几年里，新型材料、计算机技术的进步以及其他方面的发展都已出现。

NTP项目在2018财政年度的目标之一就是设计出这样的系统，在火箭发动机测试过程中，通过捕获废气来缓解环境问题，在废气中会排放少量的放射性物质。2018年的另一个项目目标是测试用铀替代材料制成的燃料元件，看看它们如何能承受高达2 500 k的反应堆运行温度。

2017年8月，美宇航局授予BWX技术公司一份1 900万美元的合同，用于NTP反应堆和燃料元件的研发。该公司表示其设计将使用低浓缩燃料。NTP项目的其他承包商包括Aerojet Rocketdyne和Analytical Mechanics Associates两家公司。

由BWX技术公司开发的核-热推进反应堆，设计将使用低浓缩铀。箭头显示的是氢气推进剂的流动路径，其相对应的温度从最冷循环到最热

关注高浓缩铀

忧思科学家联盟和防止核扩散项目反对太空任务中使用HEU，他们认为，美国应该从所有民事应用中剔除HEU，为全球树立榜样。他们指出，正在测试的1千瓦的Kilopower反应堆使用了大约30公斤的武器级铀，这足以制造一个核爆炸装置。美国宇航局表示，一个10千瓦的反应堆——计划中最大规格的反应堆——将包含50公斤的武器级材料。

“我们真正需要这些反应堆的时间尺度是什么?我们是否有时间投资研发以确保不需要HEU？”来自忧思科学家联盟的埃德温·莱曼（Edwin Lyman）说道，“我们无需如此仓促。”

奥巴马政府设定了一个21世纪30年代中期人类前往火星的目标。特朗普政府并没有调整这一时间表，但官员们表示，特朗普总统可能会推翻奥巴马放弃人类重返月球的决定。

BWX技术公司

莱曼指出，美国已经花了几十年的时间，将国内和国外用于研究反应堆的燃料和医用同位素生产从HEU转为LEU。这个进程仍未完善。他说，美国宇航局应该从零开始重新设计Kilopower项目，直接使用LEU燃料，“而不是等到许多国家进入该领域市场，并想要使用HEU开发自己的太空反应堆这一天，我们才需要去处理这样一件棘手的事情。”

美国宇航局和美国能源部的发言人在一份声明中称，他们“对待恐怖主义的威胁态度非常严肃”。国家采取各种措施保护人员及公众安全，核材料的运输和储存也处在严密的安全保护下。声明中还说，这些措施将继续应用于可能随着Kilopower测试而产生的任何飞行器开发活动。在声明中未提及美国是否应该在非军事应用中使用HEU的原则。

Kilopower反应堆的堆芯是由高浓缩铀金属构成的。图中显示了核心的三个构成部分的其中之一

Y-12国家安全复合体

梅森表示，NASA选择使用HEU还是LEU将取决于其用途。他说:“在Kilopower的例子中，最受青睐的方法是使用HEU，因为它给我们提供了最紧凑的反应堆，这使得它成为行星体着陆电力系统的最佳选择。”“对于NTP来说，因为需求上大相径庭，所以看起来LEU这一选项更受青睐。”

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的两位关键Kilopower科学家在2017年8月11日的白皮书中对LEU和HEU燃料反应堆之间的权衡取舍进行了讨论。项目经理帕特里克·麦克卢尔（Patrick McClure）和首席反应堆设计师大卫·波斯顿（David Poston）说，一个LEU燃料型火星表面反应堆的主要缺点是：它的重量是HEU燃料型的两到三倍。但是，开发一个LEU型反应堆的额外成本，大部分都会被HEU型反应堆每月约为1 000万美元的高安全成本所抵消。

由于其U235浓度更高，HEU燃料型反应堆会比LEU型反应堆更持久，他们补充说道。

麦克卢尔表示，容许质量和所需寿命“可能使HEU的应用成为必要，我们不应只考虑成本。”

麦克卢尔和波斯顿说，LEU反应堆可以解决在发射失败或中止的情况下，可裂变材料落入别有用心之人手中的困扰。HEU燃料型反应堆的建造和测试很简单，它的核心由三块固态HEU金属组成。但他们也承认，拥有类似设计的LEU燃料型反应堆也可以建立。

风险最小化

美国宇航局的工程师估计，一个载人火星表面基地需要40千瓦能量的支持。一种可行的任务方案是将5个10千瓦的Kilopower反应堆运送至火星，提供备用机组以提高可靠性。

即使是最小规模的Kilopower反应堆，也会产生比放射性同位素热电发生器（RTGs）更多的电能。自20世纪60年代以来，RTGs已经为二十多个NASA航天器提供了动力。最大的RTGs（其部署包括卡西尼号、伽利略号和新视野号）产生了300瓦功率，而好奇号火星探测器上的RTG则产生了110瓦功率。伴随着RTG燃料驱动型航天器潜在的发射失败而给人类带来的健康危害（尽管危害极小），在换成铀燃料后就不复存在了。与为RTG提供燃料的高放射性的钚-238不同，U235仅释放微量的辐射，并且Kilopower反应堆在着陆后才会开始产生裂变产物。

在内华达州进行测试的Kilopower设计方案拥有8个斯特林发动机，用来将反应堆的热量转化为电能。它们利用热冷端的温差将气体交替加热和膨胀，然后冷却并压缩，从而产生机械能。为了节省成本，仅有从NASA的另一个开发项目中借用的两台斯特林发动机会被纳入内华达州的测试中。将反应堆热量转化为电能的其他参考选项包括热电装置和小型涡轮机。但是，斯特林发动机这一途径因为其效率而极具吸引力，它适用于简单的反应堆设计，麦克卢尔说。

尽管早些时候美国开发NTP的计划制造了多个经过地面试验的原型机，但美国部署的唯一的太空反应堆是在1965年发射的热电HEU燃料驱动型SNAP-10A卫星。该反应堆的设计目的是为早期的军事侦察卫星提供大约500瓦的电力。由于电子故障，飞船在太空飞行了43天后即宣告报废，但它仍在轨道上运行着。

苏联从1970年到1988年发射了33颗核反应堆供能的海洋雷达侦察卫星。这些军用卫星被部署到近地轨道，在生命结束时被送入弃星轨道。

美国在核动力近地轨道卫星上所做的最后一项努力是“SP-100”计划，用于开发热电反应堆。该项目旨在制造出高达兆瓦级别的反应堆，项目实施时间为1983年到1994年。在国防部战略防御计划和美国宇航局缩减了他们预计的空间电力需求之后，该项目终止了。