小型核反應(yīng)堆產(chǎn)熱發(fā)電
來(lái)自這2個(gè)部門(mén)的研究人員此次測(cè)試的主要是在地球以外的天體上建立核裂變反應(yīng)堆的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)有望為將來(lái)人類(lèi)在月球、火星上的“太空站”提供電力。美國(guó)宇航局計(jì)劃在2020年讓人類(lèi)重返月球。此次實(shí)驗(yàn)證明，在2020年前人類(lèi)能夠在月球上建立“安全、可靠、高效”的核反應(yīng)堆系統(tǒng)。
一個(gè)核分裂反應(yīng)堆通過(guò)分裂原子產(chǎn)生熱能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電力。在太空使用核能的點(diǎn)子可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局想通過(guò)核能為“獵戶(hù)座計(jì)劃”提供推動(dòng)力。到20世紀(jì)60年代，美國(guó)宇航局啟動(dòng)“核輔助動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目”，在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)了一系列太空核反應(yīng)堆。然而由于后來(lái)人們對(duì)核能威脅公共安全的擔(dān)憂(yōu)日益增漲以及國(guó)際條約明令禁止發(fā)展太空核動(dòng)力，這一計(jì)劃被迫流產(chǎn)。
為何選用核燃料
如今，美國(guó)的月球及火星計(jì)劃將核燃料重新納入“動(dòng)力來(lái)源”考慮范圍，主要原因是與其他可替代能源（如太陽(yáng)能）相比，核能的優(yōu)勢(shì)有三。其一，核能能夠提供穩(wěn)定的能量來(lái)源。這一點(diǎn)對(duì)處在外太空的生命維持系統(tǒng)是不可或缺的；同時(shí)太空漫游機(jī)器人充電、開(kāi)采外太空礦物也需要穩(wěn)定的能量來(lái)源。其二，核動(dòng)力系統(tǒng)輕便、簡(jiǎn)潔。相比而言，太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)需要蓄電池或燃料電池等能量?jī)?chǔ)存裝置，從而為航天飛機(jī)或太空機(jī)器人增加許多不必要的負(fù)擔(dān)。其三，月球、火星等天體受日照的時(shí)間有限。月球上持續(xù)黑暗的最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)14天，火星距離太陽(yáng)的距離比地球和月球都遠(yuǎn)，因此陽(yáng)光的采集會(huì)更加困難。除此之外，這些天體上地形條件復(fù)雜，大量極深的火山口會(huì)進(jìn)一步阻止在其內(nèi)工作的機(jī)器人捕獲太陽(yáng)能。
最新核動(dòng)力系統(tǒng)是美國(guó)宇航局2006年啟動(dòng)的名為“核裂變表面能量項(xiàng)目”的一部分。該項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)考核用于其他外太空星球的小型核反應(yīng)堆。盡管核能目前仍飽受爭(zhēng)議，但研究人員說(shuō)，在外太空使用核能將會(huì)百分之百安全，而且核廢料將掩埋在離宇航員很遠(yuǎn)的地方，讓他們免受核輻射的危害。
斯特林發(fā)電機(jī)讓系統(tǒng)更高效
在最近的測(cè)試中，研究人員將模擬核反應(yīng)堆與斯特林發(fā)電機(jī)放在一起進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生40千瓦的電力，足夠支持一個(gè)未來(lái)位于月球或火星上的人類(lèi)“太空站”。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由倫敦牧師羅巴特·斯特林（Robert Stirling）于1816年發(fā)明。它是獨(dú)特的熱機(jī)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。
位于俄亥俄州克利夫蘭市的美國(guó)宇航局格倫研究中心項(xiàng)目經(jīng)理唐·帕拉克說(shuō)：“我們的目標(biāo)并不是建立能夠產(chǎn)電數(shù)百億千瓦的大型核電站，因?yàn)槲覀兊淖罱K目的不是為大都市供電。我們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)有其他的標(biāo)準(zhǔn)：必須安全、廉價(jià)、耐用。而最近的測(cè)試結(jié)果表明，我們能夠成功地做到這一點(diǎn)。”
為了生產(chǎn)所需電力，研究人員使用了一種液態(tài)金屬將模擬核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳輸至斯特林發(fā)電機(jī)之上。發(fā)電機(jī)利用氣壓將熱能轉(zhuǎn)化成發(fā)電所需要的能量。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用的并非真正的核能，而是其他的熱量來(lái)源。用于導(dǎo)熱的液態(tài)金屬是一種鈉鉀混合物。帕拉克說(shuō)，這種混合金屬在過(guò)去一直被用于核反應(yīng)堆的熱量傳導(dǎo)，不過(guò)將它應(yīng)用于斯特林發(fā)電機(jī)尚屬首次。
格倫研究中心首席研究員李·梅森說(shuō)：“這套系統(tǒng)非常高效、耐用。我們相信，在無(wú)人照料的情況下，它能正常工作80年。”在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)的表現(xiàn)好于預(yù)期，能穩(wěn)定提供2.3兆瓦的電力。
散熱器、發(fā)電機(jī)耐極端環(huán)境測(cè)試
除了發(fā)明發(fā)電裝置外，研究人員同時(shí)還研發(fā)了嵌入式散熱器，為發(fā)電機(jī)及核反應(yīng)堆降溫。在實(shí)驗(yàn)中，工作人員制作的散熱器模型大小約為真實(shí)散熱器的1/20。由斯特林發(fā)電機(jī)及核反應(yīng)堆組成的發(fā)電系統(tǒng)中裝有水內(nèi)冷裝置，將多余熱量傳導(dǎo)至散熱器后驅(qū)散。另外，為了盡可能真實(shí)地模擬太空中的工作環(huán)境，研究中心的工作人員選擇在真空室中測(cè)試散熱器，并將室內(nèi)的溫度上調(diào)至100℃（月球白天的表面溫度），下調(diào)至零下100℃（月球晚上的表面溫度）。帕拉克說(shuō)，實(shí)驗(yàn)中，散熱器一共驅(qū)散相當(dāng)于6千瓦電力的熱量。這一結(jié)果比想象中的更好。不過(guò)在真實(shí)的月球上，散熱器的工作環(huán)境將更加艱難，因?yàn)樗€要忍受由月球表面風(fēng)化層引起的灰塵彌漫的環(huán)境。
與此同時(shí)，研究人員還在新墨西哥州中部城市阿爾布開(kāi)克的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了斯特林交流發(fā)電機(jī)在輻射環(huán)境下的工作性能。此次測(cè)試的目的是確保發(fā)動(dòng)機(jī)材料不會(huì)被核輻射損壞。在實(shí)驗(yàn)中，交流發(fā)電機(jī)承受的核輻射量是正常工作時(shí)的20倍，但結(jié)果并未對(duì)發(fā)電機(jī)造成重大損壞。
太空核能利用前途光明
梅森表示，這些測(cè)試非常重要，因?yàn)樗C明了核電力系統(tǒng)在外星球應(yīng)用的可行性；下一步，研究人員會(huì)將這些分開(kāi)的測(cè)試結(jié)合起來(lái)，開(kāi)展整體性測(cè)試：即同時(shí)測(cè)試模擬核反應(yīng)堆、斯特林發(fā)電機(jī)以及嵌入式散熱器。他預(yù)計(jì)該測(cè)試將于2014年完成。
同時(shí)，工作人員也在從事電子學(xué)上的研究，并致力改進(jìn)系統(tǒng)的電力傳輸能力。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)技術(shù)人員羅斯·拉度爾說(shuō)：“月球基地將會(huì)耗費(fèi)巨大能量，確保計(jì)算機(jī)、生命維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并用于加熱巖石以獲得氧氣、氫氣等。”他所在的工作小組正在進(jìn)行該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，使用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)核反應(yīng)堆在測(cè)試時(shí)的性能。拉度爾對(duì)在太空使用核能十分有信心，他說(shuō)：“核動(dòng)力將是載人航空探索的跳板。”
不過(guò)，核裂變并不是為人類(lèi)月球及火星計(jì)劃提供能源的唯一選擇。目前，還有其他一些想法也正在接受測(cè)試。但若核裂變最終入選，該技術(shù)有望在2020年正式投入使用。
背景鏈接
美國(guó)“獵戶(hù)座計(jì)劃”：這是一項(xiàng)于1958年開(kāi)始的核動(dòng)力火箭計(jì)劃，主要用于發(fā)射大型載人星際探索船。計(jì)劃預(yù)測(cè)核動(dòng)力火箭飛抵火星需要125天，而飛抵土星需要3年。
獵戶(hù)座火箭使用核裂變脈沖推進(jìn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用一連串核彈爆炸來(lái)推進(jìn)。獵戶(hù)座計(jì)劃幾乎沒(méi)有任何明顯的技術(shù)缺陷。它最大的弱點(diǎn)在于利用核裂變做動(dòng)力。人們擔(dān)心當(dāng)核動(dòng)力火箭飛出地球大氣層時(shí)，必將釋放出核輻射塵污染地球環(huán)境。這也正是“獵戶(hù)座計(jì)劃”后來(lái)胎死腹中的原因之一。1965年，獵戶(hù)座計(jì)劃研究終止。
