北京時間2月8日消息, 據國外媒體報道, 一小桶鈾相當於一個咖啡罐大小, 但是這種微型核反應堆具有屏蔽裝置和探測器, 整個設備不超過一個廢紙簍大小. 目前, 這種小型核反應堆原型將在美國內華達州沙漠進行測試, 這將為實現人類未來太空探索夢想更近一步.
圖中是藝術家描繪的布設在火星表面的 'Kilopower' 發電裝置.
太空核反應堆僅有廢紙簍大小
這個項目叫做 'Kilopower' , 是美國宇航局和美國能源部的一個合資項目, 它將成為自上世紀60年代 'SNAP 10A項目' 以來的首個太空核裂變反應堆. 目前, 這項原型仍在測試之中, 它比過去幾十年裡進行的任何太空項目都更易實現.
Kilopower反應堆從設計上具有兩個尺寸, 一種是1千瓦模型, 另一種是10千瓦模型. Kilopower反應堆項目主管帕特·麥克盧爾 (Pat McClure) 說: '人們烤麵包大概需要1千瓦電能, 在一個普通家庭中, 平均每天會使用5千瓦電能, 但是對於美國宇航局而言, 這消耗了很大的能量. 之前美國宇航局探測設備在太空環境下僅消耗幾百至幾千瓦電能, 因此在太空中1千瓦或者10千瓦是一個很大的電量單位. '
美國宇航局 '新視野號' 探測器最大功率為240瓦, '好奇號' 火星車的功率為120瓦, 以上兩個探測器都採用核動力電池, 能夠將自然衰變鈈的熱量轉換為電能. 但是鈈的供應短缺, 裝配動力為1000或者10000瓦就是較大的進步, 即使它與地球上的設備相比體積較小. 不同於那些核動力電池, Kilopower系統形成一個裂變反應, 將鈾原子快速分裂釋放能量, 之後通過連接發動機將能量轉變為電能.
麥克盧爾說: '傳統輕水冷卻反應堆能夠製造一千兆瓦電能, 它是Kilopower反應堆製造電能的100萬倍, 它的結構非常複雜, 同時, 從設計上能夠充分利用燃料. ' 對於小型火星反應堆, 燃料有效利用率會大幅降低, 但是我們需要一個易於預測結果的反應堆, 並且易於操作, 事實上這種小型火星反應堆具有自控功能. 這將降低在較大動力源上可能出現的事故可能性.
換句話講, 我們不會冒險在火星表面出現核事件. 麥克盧爾說: '對於我們當前正在做的工作而言, 融化燃料是非常困難的, 我們的物理設計方法是反應堆會釋放大量熱量, 因此我們沒有進行降溫處理, 僅是輻射少量熱量, 反應堆將功率降低進行匹配. '
同時, 這種小型核反應堆也可以在奇特的太空環境中操作, 我們認為, 太空環境非常寒冷, 但是保持一個反應堆在真空環境中降溫並非易事. 在太空中沒有空氣或者流水, 能夠將發電機的熱量進行轉移. 取而代之的是, 這個系統依賴於8根熱管, 每根熱管中盛滿大約一湯匙鈉, 其沸點非常高.
鈉會在高溫下沸騰, 當鈉沸騰時接近熱管部分, 其溫度接近於裂變鈾燃料. 蒸汽穿過熱管並逐漸冷凝, 溫度差異將有助於製造電能. 之後冷卻的物質將回到熱管溫度較高的部分, 整個系統迴圈進行. 從理論上講, 該系統能夠多年時間製造可靠高效的能量.
太空核反應堆安全性怎樣?
如果發射出現問題, 許多人會擔憂核泄漏和太空危機, 機載核動力源將潛在一定的威脅性. 麥克盧爾說: '人們總是認為你會將切爾諾貝利城帶到太空或者某個地方, 實際上並沒有那麼危險, 在進行裂變反應堆之前, 太空核反應堆中存在少量放射性物質, 因為它是鈾, 但是其數量非常少. 即使發射過程中出現某些事故, 也不會對公眾帶來麻煩. '
麥克盧爾解釋稱, 如果在發射過程中出現問題, 反應堆的標準, 非裂變狀態下鈾殘留物會爆炸, 對公眾構成非常小的危險. 其輻射峰值劑量遠低於1毫雷姆, 而現實情況下輻射峰值劑量更低, 是微雷姆等級. 相比之下, 美國人平均每年接受的輻射劑量為620毫雷姆. 這意味著, 太空核反應堆釋放的輻射遠比背景輻射要少, 或者相當於乘坐飛機.
但是發射太空核動力源僅是第一步, 它還必須在遙遠的太空距離保持安全操作, 一旦當它離開地球大氣層很長時間並啟動, 將變得更具放射性. 但是研究小組進行了特殊設計, 如果核動力源出現故障問題, 將會自動關閉. 同時, 他們計劃在下個月在內華達州進行測試, 將這個核動力源連接到兩個引擎上, 每個引擎能夠產生大約80瓦的電能, 從而使裂變反應加熱至大約800攝氏度的高溫.
太空核反應堆設計主管大衛·波斯頓 (Dave Poston) 說: '我們將關閉所有的熱排出, 表明反應堆不僅能倖存下來, 而且還會處於待機模式, 如果電力轉換系統能夠恢複並開始發電, 那麼它就會回到原處. 這將證實我們能夠處理該反應堆任何短暫或者不正常操作, 人們不必為此有任何擔憂. '
這將如何操作?
麥克盧爾說: '1千瓦核反應堆是用於深太空任務, 例如: 抵達冥王星或者木星衛星, 10千瓦核反應堆是用於深太空或者火星表面任務, 目前美國宇航局計劃發送5個10千瓦核反應堆抵達火星表面. 這將為一個火星基地提供40千瓦的電能供給. '
美國宇航局太空技術任務委員會副局長史蒂夫·尤爾奇克 (Steve Jurczyk) 在新聞發布會上說: '火星表面很難布設電力系統, 它的照射陽光比地球和月球更少, 並且夜間溫度非常低, 這裡存在非常獨特的沙塵暴, 可持續數個星期, 數月時間, 甚至肆虐吞沒整個星球. '
雖然美國宇航局已探索太陽能板作為一種潛在的動力源, 目前, 美國宇航局正在積極探索能夠持續提供必需生命支援系統的方案, 尤其是在太陽光線不充足, 無法提供太陽能動力的時候.
第一批核動力反應堆將著陸火星, 並開始為自動系統提供動力, 分離水冰形成液氧和液氫, 產生返回地球的燃料. 一旦人類登陸火星, 這些系統就可以為他們的棲息地和其他支援系統提供動力. 目前, 美國宇航局正在與其他商業機構進行商談, 提議1千瓦核反應堆用於地外太空探索任務.
美國宇航局格倫研究中心主管珍妮特·卡凡迪 (Janet Kavandi) 說: '作為一名前宇航員, 我可以向你保證, 在遠離低地球軌道的太空任務中, 擁有可靠的電源是至關重要的. 隨著我們深入太陽系, 最終將抵達其它星球的表面, 這種類型的電力系統將變得尤其重要. '
