近日，美国国家航空与航天管理局（美国宇航局）与美国能源部联合进行了一系列测试，证明了在月球、火星等天体上使用核反应堆发电的可行性。

    来自这2个部门的研究人员此次测试的主要是在地球以外的天体上建立核裂变反应堆的关键技术。该技术有望为将来人类在月球、火星上的“太空站”提供电力。美国宇航局计划在2020年让人类重返月球。此次实验证明，在2020年前人类能够在月球上建立“安全、可靠、高效”的核反应堆系统。

    一个核分裂反应堆通过分裂原子产生热能，再通过发电机转化成电力。在太空使用核能的点子可以追溯到20世纪50年代，当时美国宇航局想通过核能为“猎户座计划”提供推动力。到20世纪60年代，美国宇航局启动“核辅助动力系统项目”，在实验室中开发了一系列太空核反应堆。然而由于后来人们对核能威胁公共安全的担忧日益增涨以及国际条约明令禁止发展太空核动力，这一计划被迫流产。

    为何选用核燃料

    如今，美国的月球及火星计划将核燃料重新纳入“动力来源”考虑范围，主要原因是与其他可替代能源（如太阳能）相比，核能的优势有三。其一，核能能够提供稳定的能量来源。这一点对处在外太空的生命维持系统是不可或缺的；同时太空漫游机器人充电、开采外太空矿物也需要稳定的能量来源。其二，核动力系统轻便、简洁。相比而言，太阳能动力系统需要蓄电池或燃料电池等能量储存装置，从而为航天飞机或太空机器人增加许多不必要的负担。其三，月球、火星等天体受日照的时间有限。月球上持续黑暗的最长时间可达14天，火星距离太阳的距离比地球和月球都远，因此阳光的采集会更加困难。除此之外，这些天体上地形条件复杂，大量极深的火山口会进一步阻止在其内工作的机器人捕获太阳能。

    最新核动力系统是美国宇航局2006年启动的名为“核裂变表面能量项目”的一部分。该项目专门考核用于其他外太空星球的小型核反应堆。尽管核能目前仍饱受争议，但研究人员说，在外太空使用核能将会百分之百安全，而且核废料将掩埋在离宇航员很远的地方，让他们免受核辐射的危害。

    斯特林发电机让系统更高效

    在最近的测试中，研究人员将模拟核反应堆与斯特林发电机放在一起进行了试验，发现该系统能够产生40千瓦的电力，足够支持一个未来位于月球或火星上的人类“太空站”。斯特林发动机由伦敦牧师罗巴特·斯特林（Robert Stirling）于1816年发明。它是独特的热机，实现了机器高效率、低噪音、低污染和低运行成本。

    位于俄亥俄州克利夫兰市的美国宇航局格伦研究中心项目经理唐·帕拉克说：“我们的目标并不是建立能够产电数百亿千瓦的大型核电站，因为我们的最终目的不是为大都市供电。我们开发的系统有其他的标准：必须安全、廉价、耐用。而最近的测试结果表明，我们能够成功地做到这一点。”

    为了生产所需电力，研究人员使用了一种液态金属将模拟核反应堆产生的热量传输至斯特林发电机之上。发电机利用气压将热能转化成发电所需要的能量。在实验中，研究人员使用的并非真正的核能，而是其他的热量来源。用于导热的液态金属是一种钠钾混合物。帕拉克说，这种混合金属在过去一直被用于核反应堆的热量传导，不过将它应用于斯特林发电机尚属首次。

    格伦研究中心首席研究员李·梅森说：“这套系统非常高效、耐用。我们相信，在无人照料的情况下，它能正常工作80年。”在实验中，系统的表现好于预期，能稳定提供2.3兆瓦的电力。

    散热器、发电机耐极端环境测试

    除了发明发电装置外，研究人员同时还研发了嵌入式散热器，为发电机及核反应堆降温。在实验中，工作人员制作的散热器模型大小约为真实散热器的1/20。由斯特林发电机及核反应堆组成的发电系统中装有水内冷装置，将多余热量传导至散热器后驱散。另外，为了尽可能真实地模拟太空中的工作环境，研究中心的工作人员选择在真空室中测试散热器，并将室内的温度上调至100℃（月球白天的表面温度），下调至零下100℃（月球晚上的表面温度）。帕拉克说，实验中，散热器一共驱散相当于6千瓦电力的热量。这一结果比想象中的更好。不过在真实的月球上，散热器的工作环境将更加艰难，因为它还要忍受由月球表面风化层引起的灰尘弥漫的环境。

    与此同时，研究人员还在新墨西哥州中部城市阿尔布开克的桑迪亚国家实验室测试了斯特林交流发电机在辐射环境下的工作性能。此次测试的目的是确保发动机材料不会被核辐射损坏。在实验中，交流发电机承受的核辐射量是正常工作时的20倍，但结果并未对发电机造成重大损坏。

    太空核能利用前途光明

    梅森表示，这些测试非常重要，因为它证明了核电力系统在外星球应用的可行性；下一步，研究人员会将这些分开的测试结合起来，开展整体性测试：即同时测试模拟核反应堆、斯特林发电机以及嵌入式散热器。他预计该测试将于2014年完成。

    同时，工作人员也在从事电子学上的研究，并致力改进系统的电力传输能力。

    桑迪亚国家实验室的高级技术人员罗斯·拉度尔说：“月球基地将会耗费巨大能量，确保计算机、生命维持系统的正常运行，并用于加热岩石以获得氧气、氢气等。”他所在的工作小组正在进行该系统的动力学分析，使用计算机预测核反应堆在测试时的性能。拉度尔对在太空使用核能十分有信心，他说：“核动力将是载人航空探索的跳板。”

    不过，核裂变并不是为人类月球及火星计划提供能源的唯一选择。目前，还有其他一些想法也正在接受测试。但若核裂变最终入选，该技术有望在2020年正式投入使用。

    背景链接

    美国“猎户座计划”：这是一项于1958年开始的核动力火箭计划，主要用于发射大型载人星际探索船。计划预测核动力火箭飞抵火星需要125天，而飞抵土星需要3年。

    猎户座火箭使用核裂变脉冲推进，简单来说就是用一连串核弹爆炸来推进。猎户座计划几乎没有任何明显的技术缺陷。它最大的弱点在于利用核裂变做动力。人们担心当核动力火箭飞出地球大气层时，必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是“猎户座计划”后来胎死腹中的原因之一。1965年，猎户座计划研究终止。

来源：中国能源报