如果一切順利的話, 未來十年裡的某個時間一艘美國登陸器將攜帶一個小型核反應堆抵達月球基地. 在這種反應堆內部, 一根硼控制棒將伸入一堆鈾中開啟核連鎖反應, 分裂鈾原子並且釋放熱量. 接下來, 這些熱量將傳輸到一台發電機中, 這樣就會給月球基地帶來光明.
美國宇航局經曆了半個世紀的努力來打造一種能夠在太空中使用的核反應堆, 而且剛剛完成了一次新設計的測試. 這台新反應堆名為Kilopower, 它的下一個裡程碑有可能是在2020年代的某個時間開啟太空飛行. Kilopower是由美國能源部協助研發的, 它標誌著美國40年來打造的第一個全新的核反應堆. 它有可能改變太空探索, 尤其是太陽系中永久性人類前哨基地的能源製造方式.
目前的太空任務使用的是燃料電池, 核電池或者太陽能. 但是月球的夜晚持續兩個周時間, 而且火星上的陽光強度只有地球上的40%. 美國宇航局太空技術部門的副行政助理Jim Reuter稱: '當我們前往月球或者最終前往火星時, 我們很可能需要大量無法依賴於太陽的能源, 特別是如果我們想要生活在那裡. '
Kilopower是一種小型的輕量級裂變反應堆, 能夠提供多達10千瓦的電量. 美國宇航局稱, 4台10千瓦的Kilopower反應堆就能夠為火星或者月球上的一座人類基地提供足夠的電能. 核能研究領域專家, 美國康乃狄克大學工程學教授Claudio Bruno稱, 40千瓦電足能夠滿足3到8戶美國正常家庭的使用.
他補充道: '40千瓦電大約相當於60馬力, 你或許會認為有點不夠用. 事實上, 如果你想要做什麼有用的事情, 特別是如果月球或者火星任務是載人任務時, 你需要的能量會更多. 但是過去每一次研究都會有人抗議核動力存在致命危險. 這是人們數十年來首次談論藉助核反應堆為發電機提供能量, 因此這也是首次出現的積極訊號. '
在太空探索中, 核能的使用主要有兩種方式: 製造電能或者產生推進力. Kilopower將用於產生電能, 就像地球上的發電站一樣. 它所產生的電能很可能要超過單艘太空飛船的需要, 這就使它更適合於更大的星球前哨. Kilopower也將用於驅動飛船, 主要為離子發動機提供能量, 但是美國宇航局目前還沒有決定這樣利用這項技術.
Kilopower自2012年就開始研發, 但是它的效果遠超過美國宇航局上世紀60年代的輔助核動力系統項目 (簡稱SNAP) . SNAP項目研發出了兩種核動力系統, 一種是放射性同位素熱電發生器 (簡稱RTG) , 它能夠從放射性衰變中捕獲能量提供熱能和電力. 數十艘深太空飛船已經使用了RTG系統, 其中包含火星上的好奇號漫遊車和正在外太陽系探索矮行星的新視野號冥王星探測器.
SNAP項目的另外一種動力系統就是裂變反應堆系統, 通過原子分裂產生能量. 這項技術與核潛艇使用的動力系統相同. 美國宇航局在1965年4月發射了一台名為SNAP-10A的核電站. 這座核電站工作了43天時間, 並且在出現故障前產生了500瓦的電量. 它現在仍然在地球軌道中, 而現在變成了太空垃圾.
在上世紀60年代和70年代, 美國宇航局也在火箭核動力應用 (NERVA) 項目中對核動力火箭推進技術進行了研究. 這項技術使用核反應堆對氫氣進行加熱, 並且通過噴嘴排出氣體, 與常規火箭燃燒燃料產生推力相似. 但是這個項目在1973年結束.
據世界核能委員會的數據, 俄羅斯已經向太空發射了超過30個裂變反應堆. 在美國總統尼克森1973年取消美國宇航局的核動力推進技術研究之後, 俄羅斯也放棄了自己的項目. Bruno稱: '所有的研究在1973年都被叫停. 到2018年, 曾經參與那個項目的大多數人或者退休或者離世. 雖然我們還有報告, 但是報告不會講話, 研究人員才會. '
這項研究在2012年解凍, 美國宇航局和美國能源部對Kilopower的前身 (DUFF實驗) 進行了初步測試, 並且產生了24瓦的電能. DUFF藉助一根熱導管來為反應堆降溫, 並且首次展示了斯特林發動機將反應堆熱量轉變成電能的應用. 在DUFF測試之後, NASA授權開始進行Kilopower項目, 這個項目在2014年首次獲得研究資金.
美國宇航局和能源部對Kilopower進行的最新測試開始於2017年11月, 並且一直持續到今年3月. 測試中, Kilopower反應堆進行了長達28小時的全功率測試, 隨後關閉並且進行了降溫. 美國宇航局格倫研究中心Kilopower項目首席工程師Marc Gibson稱, 反應堆在800攝氏度的溫度中運行, 並且產生了超過4千瓦的電能.
美國宇航局和能源部稱, Kilopower反應堆比之前的版本更安全, 因為它的操作方式不同. 藉助硼操控棒和鈹反射體, 裂變連鎖反應得到控制, 甚至能夠停止. 據Kilopower項目負責人, 美國能源部洛斯阿爾莫斯國家實驗室的Patrick McClure稱: '如果反應堆或者火箭在發射台上發生爆炸, 核心中的鈾235對一公裡外的人產生的輻射不會超過自然環境輻射. 這隻是最壞的打算, 我們不認為在出現發射事故時, 反應堆有機會出現故障. '
洛斯阿爾莫斯國家實驗室的首席反應堆設計師David Poston稱, 一種類似的反應堆能夠為離子推進器提供電能, 從而為飛船提供飛行動力. 但是據Bruno稱, 啟動裂變連鎖反應所需要的原料量很可能意味著反應堆會很大而且很重, 無法得到實際應用. 美國宇航局單獨提出了一種全新的鈾核熱力發動機概念, 它與目前的化學燃料火箭所使用的技術相似. 但是2017年8月啟動的核熱力推進系統項目並未像Kilopower一樣獲得這樣的進步.
大多數核動力飛船使用了RTG系統, 通過收集鈈衰變產生的熱量來產生電能. 但是RTG的能效極低, 此外, 二氧化鈈原料供應不足. 在經曆了30年的空白之後, 美國能源部從2015年開始恢複鈈238的生產, 但是目前美國的庫存只足夠為美國宇航局的2020火星漫遊車提供能量, 而且或許能夠支援一到兩個前往外太陽系的潛在任務.
Kilopower能夠作為一種替代品, 但是政府官員和專家們都認為可能性很大. Gibson稱: '從能量的角度來看, 我們是從RTG項目開始的. 我們希望這個項目能夠讓我們實現更多的用途, 比如說深太空探索, 那樣你就需要成千上萬瓦的電能供應. ' 換句話說, 人類在月球或者火星上活動所需要的能量要超過單台Kilopower反應堆產生量的十到百倍. 但是Poston稱, 反應堆的標準化設計能夠輕易實現規模化來滿足那些需要.
Bruno補充道, Kilopower反應堆是打造太空中可用核電站的重要一步. 接下來很可能是在太空中對反應堆進行測試. 美國宇航局尚未許可進行這樣的項目, 但是在本月月初的一場新聞發布會上, 路透社稱未來18個月時間裡將致力於如何進行這樣的測試飛行. 其中一種可能性是, 使用登月飛行器運送一台小型Kilopower反應堆, 而這種小型反應堆或許將在美國宇航局最新的月球探索任務中研發出來.
Poston稱: '成功的地面測試對於未來的人類太空探索階段有著重要意義. 我們驗證了這個技術概念是美國宇航局現在能夠利用的. 對於我來說, 最令我激動的事情是它的潛在應用. 從真正意義上將, 這是我們在太空可用裂變能技術的研究領域跨出的第一步. '
