北京时间2月8日消息, 据国外媒体报道, 一小桶铀相当于一个咖啡罐大小, 但是这种微型核反应堆具有屏蔽装置和探测器, 整个设备不超过一个废纸篓大小. 目前, 这种小型核反应堆原型将在美国内华达州沙漠进行测试, 这将为实现人类未来太空探索梦想更近一步.
图中是艺术家描绘的布设在火星表面的 'Kilopower' 发电装置.
太空核反应堆仅有废纸篓大小
这个项目叫做 'Kilopower' , 是美国宇航局和美国能源部的一个合资项目, 它将成为自上世纪60年代 'SNAP 10A项目' 以来的首个太空核裂变反应堆. 目前, 这项原型仍在测试之中, 它比过去几十年里进行的任何太空项目都更易实现.
Kilopower反应堆从设计上具有两个尺寸, 一种是1千瓦模型, 另一种是10千瓦模型. Kilopower反应堆项目主管帕特·麦克卢尔 (Pat McClure) 说: '人们烤面包大概需要1千瓦电能, 在一个普通家庭中, 平均每天会使用5千瓦电能, 但是对于美国宇航局而言, 这消耗了很大的能量. 之前美国宇航局探测设备在太空环境下仅消耗几百至几千瓦电能, 因此在太空中1千瓦或者10千瓦是一个很大的电量单位. '
美国宇航局 '新视野号' 探测器最大功率为240瓦, '好奇号' 火星车的功率为120瓦, 以上两个探测器都采用核动力电池, 能够将自然衰变钚的热量转换为电能. 但是钚的供应短缺, 装配动力为1000或者10000瓦就是较大的进步, 即使它与地球上的设备相比体积较小. 不同于那些核动力电池, Kilopower系统形成一个裂变反应, 将铀原子快速分裂释放能量, 之后通过连接发动机将能量转变为电能.
麦克卢尔说: '传统轻水冷却反应堆能够制造一千兆瓦电能, 它是Kilopower反应堆制造电能的100万倍, 它的结构非常复杂, 同时, 从设计上能够充分利用燃料. ' 对于小型火星反应堆, 燃料有效利用率会大幅降低, 但是我们需要一个易于预测结果的反应堆, 并且易于操作, 事实上这种小型火星反应堆具有自控功能. 这将降低在较大动力源上可能出现的事故可能性.
换句话讲, 我们不会冒险在火星表面出现核事件. 麦克卢尔说: '对于我们当前正在做的工作而言, 融化燃料是非常困难的, 我们的物理设计方法是反应堆会释放大量热量, 因此我们没有进行降温处理, 仅是辐射少量热量, 反应堆将功率降低进行匹配. '
同时, 这种小型核反应堆也可以在奇特的太空环境中操作, 我们认为, 太空环境非常寒冷, 但是保持一个反应堆在真空环境中降温并非易事. 在太空中没有空气或者流水, 能够将发电机的热量进行转移. 取而代之的是, 这个系统依赖于8根热管, 每根热管中盛满大约一汤匙钠, 其沸点非常高.
钠会在高温下沸腾, 当钠沸腾时接近热管部分, 其温度接近于裂变铀燃料. 蒸汽穿过热管并逐渐冷凝, 温度差异将有助于制造电能. 之后冷却的物质将回到热管温度较高的部分, 整个系统循环进行. 从理论上讲, 该系统能够多年时间制造可靠高效的能量.
太空核反应堆安全性怎样?
如果发射出现问题, 许多人会担忧核泄漏和太空危机, 机载核动力源将潜在一定的威胁性. 麦克卢尔说: '人们总是认为你会将切尔诺贝利城带到太空或者某个地方, 实际上并没有那么危险, 在进行裂变反应堆之前, 太空核反应堆中存在少量放射性物质, 因为它是铀, 但是其数量非常少. 即使发射过程中出现某些事故, 也不会对公众带来麻烦. '
麦克卢尔解释称, 如果在发射过程中出现问题, 反应堆的标准, 非裂变状态下铀残留物会爆炸, 对公众构成非常小的危险. 其辐射峰值剂量远低于1毫雷姆, 而现实情况下辐射峰值剂量更低, 是微雷姆等级. 相比之下, 美国人平均每年接受的辐射剂量为620毫雷姆. 这意味着, 太空核反应堆释放的辐射远比背景辐射要少, 或者相当于乘坐飞机.
但是发射太空核动力源仅是第一步, 它还必须在遥远的太空距离保持安全操作, 一旦当它离开地球大气层很长时间并启动, 将变得更具放射性. 但是研究小组进行了特殊设计, 如果核动力源出现故障问题, 将会自动关闭. 同时, 他们计划在下个月在内华达州进行测试, 将这个核动力源连接到两个引擎上, 每个引擎能够产生大约80瓦的电能, 从而使裂变反应加热至大约800摄氏度的高温.
太空核反应堆设计主管大卫·波斯顿 (Dave Poston) 说: '我们将关闭所有的热排出, 表明反应堆不仅能幸存下来, 而且还会处于待机模式, 如果电力转换系统能够恢复并开始发电, 那么它就会回到原处. 这将证实我们能够处理该反应堆任何短暂或者不正常操作, 人们不必为此有任何担忧. '
这将如何操作?
麦克卢尔说: '1千瓦核反应堆是用于深太空任务, 例如: 抵达冥王星或者木星卫星, 10千瓦核反应堆是用于深太空或者火星表面任务, 目前美国宇航局计划发送5个10千瓦核反应堆抵达火星表面. 这将为一个火星基地提供40千瓦的电能供给. '
美国宇航局太空技术任务委员会副局长史蒂夫·尤尔奇克 (Steve Jurczyk) 在新闻发布会上说: '火星表面很难布设电力系统, 它的照射阳光比地球和月球更少, 并且夜间温度非常低, 这里存在非常独特的沙尘暴, 可持续数个星期, 数月时间, 甚至肆虐吞没整个星球. '
虽然美国宇航局已探索太阳能板作为一种潜在的动力源, 目前, 美国宇航局正在积极探索能够持续提供必需生命支持系统的方案, 尤其是在太阳光线不充足, 无法提供太阳能动力的时候.
第一批核动力反应堆将着陆火星, 并开始为自动系统提供动力, 分离水冰形成液氧和液氢, 产生返回地球的燃料. 一旦人类登陆火星, 这些系统就可以为他们的栖息地和其他支持系统提供动力. 目前, 美国宇航局正在与其他商业机构进行商谈, 提议1千瓦核反应堆用于地外太空探索任务.
美国宇航局格伦研究中心主管珍妮特·卡凡迪 (Janet Kavandi) 说: '作为一名前宇航员, 我可以向你保证, 在远离低地球轨道的太空任务中, 拥有可靠的电源是至关重要的. 随着我们深入太阳系, 最终将抵达其它星球的表面, 这种类型的电力系统将变得尤其重要. '
