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小型核反應堆產熱發電

　　近日，美國國家航空與航天管理局（美國宇航局）與美國能源部聯合進行了一系列測試，證明了在月球、火星等天體上使用核反應堆發電的可行性。

　　來自這2個部門的研究人員此次測試的主要是在地球以外的天體上建立核裂變反應堆的關鍵技術。該技術有望為將來人類在月球、火星上的“太空站”提供電力。美國宇航局計劃在2020年讓人類重返月球。此次實驗證明，在2020年前人類能夠在月球上建立“安全、可靠、高效”的核反應堆系統。

　　一個核分裂反應堆通過分裂原子產生熱能，再通過發電機轉化成電力。在太空使用核能的點子可以追溯到20世紀50年代，當時美國宇航局想通過核能為“獵戶座計劃”提供推動力。到20世紀60年代，美國宇航局啟動“核輔助動力系統項目”，在實驗室中開發了一系列太空核反應堆。然而由于后來人們對核能威脅公共安全的擔憂日益增漲以及國際條約明令禁止發展太空核動力，這一計劃被迫流產。

　　為何選用核燃料

　　如今，美國的月球及火星計劃將核燃料重新納入“動力來源”考慮范圍，主要原因是與其他可替代能源（如太陽能）相比，核能的優勢有三。其一，核能能夠提供穩定的能量來源。這一點對處在外太空的生命維持系統是不可或缺的；同時太空漫游機器人充電、開采外太空礦物也需要穩定的能量來源。其二，核動力系統輕便、簡潔。相比而言，太陽能動力系統需要蓄電池或燃料電池等能量儲存裝置，從而為航天飛機或太空機器人增加許多不必要的負擔。其三，月球、火星等天體受日照的時間有限。月球上持續黑暗的最長時間可達14天，火星距離太陽的距離比地球和月球都遠，因此陽光的采集會更加困難。除此之外，這些天體上地形條件復雜，大量極深的火山口會進一步阻止在其內工作的機器人捕獲太陽能。

　　最新核動力系統是美國宇航局2006年啟動的名為“核裂變表面能量項目”的一部分。該項目專門考核用于其他外太空星球的小型核反應堆。盡管核能目前仍飽受爭議，但研究人員說，在外太空使用核能將會百分之百安全，而且核廢料將掩埋在離宇航員很遠的地方，讓他們免受核輻射的危害。

　　斯特林發電機讓系統更高效

　　在最近的測試中，研究人員將模擬核反應堆與斯特林發電機放在一起進行了試驗，發現該系統能夠產生40千瓦的電力，足夠支持一個未來位于月球或火星上的人類“太空站”。斯特林發動機由倫敦牧師羅巴特·斯特林（Robert Stirling）于1816年發明。它是獨特的熱機，實現了機器高效率、低噪音、低污染和低運行成本。

　　位于俄亥俄州克利夫蘭市的美國宇航局格倫研究中心項目經理唐·帕拉克說：“我們的目標并不是建立能夠產電數百億千瓦的大型核電站，因為我們的最終目的不是為大都市供電。我們開發的系統有其他的標準：必須安全、廉價、耐用。而最近的測試結果表明，我們能夠成功地做到這一點。”

　　為了生產所需電力，研究人員使用了一種液態金屬將模擬核反應堆產生的熱量傳輸至斯特林發電機之上。發電機利用氣壓將熱能轉化成發電所需要的能量。在實驗中，研究人員使用的并非真正的核能，而是其他的熱量來源。用于導熱的液態金屬是一種鈉鉀混合物。帕拉克說，這種混合金屬在過去一直被用于核反應堆的熱量傳導，不過將它應用于斯特林發電機尚屬首次。

　　格倫研究中心首席研究員李·梅森說：“這套系統非常高效、耐用。我們相信，在無人照料的情況下，它能正常工作80年。”在實驗中，系統的表現好于預期，能穩定提供2.3兆瓦的電力。

　　散熱器、發電機耐極端環境測試

　　除了發明發電裝置外，研究人員同時還研發了嵌入式散熱器，為發電機及核反應堆降溫。在實驗中，工作人員制作的散熱器模型大小約為真實散熱器的1/20。由斯特林發電機及核反應堆組成的發電系統中裝有水內冷裝置，將多余熱量傳導至散熱器后驅散。另外，為了盡可能真實地模擬太空中的工作環境，研究中心的工作人員選擇在真空室中測試散熱器，并將室內的溫度上調至100℃（月球白天的表面溫度），下調至零下100℃（月球晚上的表面溫度）。帕拉克說，實驗中，散熱器一共驅散相當于6千瓦電力的熱量。這一結果比想象中的更好。不過在真實的月球上，散熱器的工作環境將更加艱難，因為它還要忍受由月球表面風化層引起的灰塵彌漫的環境。

　　與此同時，研究人員還在新墨西哥州中部城市阿爾布開克的桑迪亞國家實驗室測試了斯特林交流發電機在輻射環境下的工作性能。此次測試的目的是確保發動機材料不會被核輻射損壞。在實驗中，交流發電機承受的核輻射量是正常工作時的20倍，但結果并未對發電機造成重大損壞。

　　太空核能利用前途光明

　　梅森表示，這些測試非常重要，因為它證明了核電力系統在外星球應用的可行性；下一步，研究人員會將這些分開的測試結合起來，開展整體性測試：即同時測試模擬核反應堆、斯特林發電機以及嵌入式散熱器。他預計該測試將于2014年完成。

　　同時，工作人員也在從事電子學上的研究，并致力改進系統的電力傳輸能力。

　　桑迪亞國家實驗室的高級技術人員羅斯·拉度爾說：“月球基地將會耗費巨大能量，確保計算機、生命維持系統的正常運行，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行該系統的動力學分析，使用計算機預測核反應堆在測試時的性能。拉度爾對在太空使用核能十分有信心，他說：“核動力將是載人航空探索的跳板。”

　　不過，核裂變并不是為人類月球及火星計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試。但若核裂變最終入選，該技術有望在2020年正式投入使用。

　　背景鏈接

　　美國“獵戶座計劃”：這是一項于1958年開始的核動力火箭計劃，主要用于發射大型載人星際探索船。計劃預測核動力火箭飛抵火星需要125天，而飛抵土星需要3年。

　　獵戶座火箭使用核裂變脈沖推進，簡單來說就是用一連串核彈爆炸來推進。獵戶座計劃幾乎沒有任何明顯的技術缺陷。它最大的弱點在于利用核裂變做動力。人們擔心當核動力火箭飛出地球大氣層時，必將釋放出核輻射塵污染地球環境。這也正是“獵戶座計劃”后來胎死腹中的原因之一。1965年，獵戶座計劃研究終止。