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美国的野望:瞄准空间核反应堆

日期:2021-06-07    来源:嘿嘿能源heypower

国际电力网

2021
06/07
11:52
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关键词: 核反应堆 核裂变 太阳能电池板

2018年,在内华达州国家试验场,科学家测试了40年来美国第一个新型核反应堆设计。新装置叫做Kilopower,不是一个典型的反应堆,因为它不是在地球上使用,而是用于太空中。反应堆堆芯铀-235可控链式反应总共持续了28小时。裂变产生大约3到4千瓦的热能,利用输热管道输入斯特林发动机发电。

总有一天,这样的系统可以驱动航天器,或者为月球或火星基地提供照明。这种核电源将是一个伟大的进步;但是从1965年以来,就没有人把裂变反应堆送出去过。在一系列联邦政策的扶持下,对这类装置的研究再次活跃起来,也引起了美国太空部队(USSF)的关注。

EricFelt是空军研究实验室(空军和天军的支撑组织)的空间飞行器部门主任,接受了Physics Today的采访,说明了空天军对空间核反应堆的兴趣。他说,部门正在跟进空间核反应堆的发展,但还没有为研究提供资金。这个部门最近成立,没有马上利用非陆基核反应堆的计划,也没有确定空间核裂变是否或如何成为其投资目标。他还说,技术和政策方面的障碍都变小了,但还没有找到一个需要利用核裂变的目标。

适合利用核技术的一个地方是地月间——也就是地球和月球之间的广阔空间。未来几十年该区域将更加拥挤。“如果那里什么都没有,我们也就不那么关心”,Felt说。但是,随着新的卫星、航天器和空间碎片逐步增加,USSF希望跟踪这个情况,发出威慑或应对威胁,以及应对可能出现的紧急情况,如救援宇航员。“比如,如果SpaceX星际飞船的推进系统在返程(从月球返回地球)中失效,而日本亿万富翁前泽友作(计划成为Space X首位绕月旅行的私人乘客)需要救援,USSF必须尽我们所能去提供帮助。”

Kilopower的开发者之一,洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的Patrick McClure,相信他的技术可以有助于关注地月间的进展:Kilopower 驱动的飞船可以长期监视大尺度空间,而且不依赖于太阳。Patrick McClure的同事、Kilopower 首席设计者David Poston说:“在地月间,太阳能相当好,但是反应堆不需要朝向太阳,而且它更隐蔽。太阳能板的阵列非常大,还必须在阳光下才能工作。然而,除非很靠近,人们不容易检测到反应堆的辐射。辐射体的大小可能是太阳能电池板的十分之一,也不反射光,尽管会出现相对较小的红外光。”

McClure、Poston和前洛斯阿拉莫斯副主任Andy Phelps将他们的新发明分拆出来,置于一家名为太空核能公司(或叫做SpaceNukes)的公司。这个团队认为该系统在太间里很有用,因为反应堆可以自我控制;它没有那么多易损部件,比如泵、阀门和过滤器;在没有进入太空并启动之前,它是没有多少放射性性的;并且在每一个设想到的火箭发射失败中保持亚临界。Poston说,Kilopower 在2018年的测试是“完成更大容量、更高功率系统的基础,从而达到用于物体快速移动和高功率应用的目的”。

SpaceNukes不是唯一进行地月空间核反应堆研究的团队。其中,美国国防部高级研究计划局(DARPA)正在进行一个相关的项目,即“快速地月空间操作火箭示范工程(DRACO)”。该飞船将由一个核热系统驱动,能够监视一大片区域。在地球附近,跟踪环绕轨道运行的物体很难,而且随着范围的扩大,问题也更大。DRACO 项目经理内Nathan Greiner说:“实际上,对距离有严格的限制”。他解释说,“核驱动航天器可以更好地应对如此广阔的环境,因为它们机动性更好。与化学能推进相比,热核推进会产生更高的比冲,这让热核推进能够比化学能推进更快地进行大机动”。

Felt已经与DRACO 会面,并同意去考虑和DARPA 公司开展合作,在技术成熟后将其让渡给天军部队。Felt说,和Kilopower 项目一样,天军部队必须首先找到一个“杀手应用”。

政治考量

如果这种应用终会在地月空间或其他地方实现,最近的政策发展将使其更加顺利。2019年,特朗普政府发布了《美国国家安全总统备忘录-20号》,该备忘会管理空间核系统的发射。它提出,想要批准一项任务,核能不一定要成为任务的关键。Felt说:“你不必去证明没有其他方法和得到总统的特别批准,但我和团队开玩笑说,仅仅因为有人让你这么做,并不意味着你应该这么做”。

继2019年的备忘录之后,2020年发布了一项空间政策指令,制定了空间核电源和核能推进的国家战略。2021年1月,又发布了一项推进空间小型模块化反应堆的政令。

DARPA计划在2025年进行DRACO 的第一次飞行。SpaceNukes 的工程师希望发射自己的Kilopower,但也在为DARPA计划提供支持。Poston 正在为DRACO起草参考设计,McClure则正在制定发射安全协议。

太空中的核反应堆并不是毫无危险。相比常规航天器,涉及核反应堆的事故可能使地球面临更大的风险。任何涉及铀的技术都可能面临国际社会的反对,特别是像Kilopower 那样使用高浓铀(HEU)。McClure说:“HEU的问题是它是武器级核材料。人们总是担心,如果我们在发射时丢失,坏人利用它作恶。一些决策者和非营利组织担心,生产和使用更多的HEU,会造成核扩散风险,美国几十年来努力减少它,将功亏一篑。”

这种简直准备好形成炸弹的核燃料并没有被完全禁止,但它的使用将使Kilopower被列入最严格的发射批准类别。该系统还可以使用一种争议性较低的燃料,可以被成为高浓度低浓铀(HALEU),它没有同等级的扩散风险,但使用HALEU会使反应堆质量增加700公斤。Poston说:“我们倾向于使用HEU,因为会使系统重量更小”。但使用HALEU,DRACO的发射批准将被大大简化。

ZhannaMalekos Smith是战略与国际研究中心的高级研究员,把这一刻看作是国家“在面临安全、安保和可持续性时,展示其太空战略决心和意图”的机会。“当然,榜样是两方面的,如果美国为操作这些系统缩减任何安全裕度,其他国家可能会认为这种做法可以效仿。”

美国会树立何种榜样还有待观察;新的白宫领导者也还没确定在空间核能和核推进方面的立场。Malekos Smith说:“种子已经种下了,以后将由拜登政府来决定,他们是希望培育这些种子,还是重新种植其他什么东西,还是踢出去不要。”

Felt不确定种子是否会在天军力量里开花。但是,他说,“我喜欢我有这个选择。”

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