独木帆 >首页 >科学 >正文

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

漫步宇宙 2017-12-06 21:56:14 阅读:

“旅行者2号”及“旅行者1号”分别于1977年8月20日和9月5日发射升空。这两个姊妹探测器沿着两条不同的轨道飞行,担负探测太阳系外围行星的任务。

“旅行者2号”及“旅行者1号”携带的钚电池(核动力电池)将持续工作到2025年左右。当电池耗尽之后,它们会停止工作。

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

携带核动力电池的“旅行者1号”探测器

钚的大规模制备是通过反应堆中的核反应进行的,由铀238 吸收中子后生成,再用溶剂萃取和离子交换纯化。钚是易裂变的放射性元素,能用作核燃料,用于制造核武器。钚用作快中子增殖反应堆燃料时,新形成的钚比消耗的钚还要多,可使铀238转变为钚而加以充分利用。钚238可用于制造同位素电池,用作宇宙飞船、人造卫星、航标灯的电源。

美国国家航空航天局(NASA)正在计划着有一天将宇航员送上火星,但是火星上没有电力供应,所以,NASA正在研发新一代的模块化核反应堆,以便人类在火星建造的前哨站点能够长时间保持稳定的电力供应。在NASA空间技术任务委员会的资助下,Kilopower(Kilopower)项目已经开展了多年,该项目正在努力研发一种结构简单、成本较低的核裂变反应堆,该反应堆将能够广泛用于各类行星及深空任务。

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

Kilopower结构示意图

研究人员估计,火星地面任务总共需要大约40kW功率的电力供应。千能这个名字的来历是,该反应堆的最低供电功率为一千瓦特。根据美国宇航局的数据,这一数量的能源可以为“地球上的八座房屋”提供动力。1.9米高的Kilopower,每个都设计为可向航天器提供1-10 kW的电力。通过核裂变,有4个或5个Kilopower,就可以为一个火星殖民地提供动力,运行所有必要的设备来生产燃料、清洁空气和,并对所有电池充电。

如何保持宇航器的长时间电力供应?这是几乎所有的空间任务都会遇到的一个主要问题。根据空间任务目标及任务时间长短的不同,有很多种电力供应解决方案。最早期的卫星在太空中是使用电池,电池在太空中能够确保卫星数天时间的电力供应。之后不久,人类就开始在太空中使用太阳能电池板,这一技术使得各类卫星或宇航器的任务时间从数天延长为数年。人类科学技术的进一步发展还给空间任务带来了燃料电池,这种新型电池能够向载人航天任务提供电力,此外,燃料电池的氢和氧在化合过程中还能够形成可饮用水,这就为太空中的宇航员提供了宝贵的水源。

遗憾的是,航天机构及宇航员在实践中发现,上述所有的这些可选择方案都有着较大的局限性。这些方案中最为成功的是太阳能电池板,但也只能在太阳光线充分照射电池板的时候才有作用。这就意味着,太阳能电池板仅能在内太阳系中应用,如果超出了木星轨道范围之外,太阳光线能量密度就会减少从而导致太阳能电池板无法充分供电,而且电池板体积巨大,非常占用发射火箭空间。到了夜里照不到阳光,或者是行星表面充斥着遮挡太阳光线的尘埃或云层时,太阳能电池板就彻底没有用了。

太阳能电池板最为实际的替代方案就是核能。七十五年前,第一个核反应堆并网发电以来,就有人考虑着,希望能够将核反应堆送入太空作为电力来源,1965年,美国将SNAP-10A太空裂变反应堆辅助动力系统送入空间轨道,以便开展相关试验。这个项目启动于20世纪60年代,目的是探索将一座核反应堆送入太空的可能性。该项目将太空飞船设计成为一座全功能的核反应堆,里面有100磅铀原料,每年产生大约600瓦特的电量。这艘飞船在1965年4月3日发射升空开始工作。但是短短一个月之后,这个项目就被停掉了。工作人员解释称卫星部件出现了异常,不得不关闭核反应堆。

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

SNAP-10A太空裂变反应堆辅助动力系统

目前,美国空间任务中主要使用的核动力源是放射性同位素热电机,这是一种利用放射性衰变获得能量的发电机,此装置利用热电偶阵列,应用了西贝克效应,收集放射性物质在衰变时所放出热量再将其转成电能。放射性同位素热电机是一个固态装置,装备有钚238棒,该放射性元素在衰变时会放射热量,该装置能够将钚238衰变放射的热量通过温差电偶转变为电能。

该热电机是一种较为简单的机械发电机,拥有着50多年的应用历史,曾经用于阿波罗计划登月试验舱、“维京一号”火星登陆器、“好奇号”火星探测器、“先驱者号”行星及行星际探测器、“旅行者号”外层星系空间探测器、“伽利略号”木星探测器、“卡西尼号”土星探测器、“尤利西斯号”太阳及行星际磁场探测器、“新地平线号”冥王星探测器,确保了这些空间任务探测器的电力供应。

放射性同位素热电机虽然同样可用于地球轨道,但因为政治方面的原因,该热电机主要是用于深空任务领域。这里所说的政治原因是指美苏两国签署的《外层空间条约》,该条约限制美苏两国在太空中进行冷战核军备竞赛,所以就限制了核反应堆在地球轨道的广泛应用。

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

卡西尼-惠更斯号所使用的放射性同位素热电机

放射性同位素热电机的另一个主要问题是,所产生的电力难以超过300瓦特。这一较低电力供应对于“旅行者号”外层星系空间探测器之类的空间任务已经很不错了,因为这些空间任务的电力供应重点要求是电力供应时间要长,而不是电力供应的强度,但对于在行星表面开展的空间任务来说,如果所需电力超过了“好奇号”火星探测器的要求,放射性同位素热电机就无能为力了。

更为糟糕的是,钚238是冷战武器计划的一个副产品,目前的来源已经非常短缺了,如果需要制造钚238,将不得不重新启动冷战时期的、早已关闭的生产线。

如果将放射性同位素热电机同原子电池进行比较,一个核裂变反应堆就好比是打了类固醇的工业级燃气轮机。“打了类固醇”是用来比喻核裂变反应堆功率大效率高。空间版本的核反应堆的运行原理同民用及军用核反应堆是一样的,能够用于强大的推进系统,其所产生的推进力比最先进的液体燃料火箭还要强大30%。

毫无疑问,大部分现代核反应堆都能够产生任意数量的所需能量。是否存在限制因素?确实存在限制因素,主要是成本、复杂性及安全性等。

美国仅在1965年向空间轨道发射过一个装载有核反应堆的太空飞船,该飞船已经失效停止运行,但该反应堆却仍在运行,将在空间中飘荡着继续工作4000年,苏联于冷战时期在太空中部署了40个核动力卫星,以运行高耗能的雷达侦查系统。西方国家因为掌握了更为先进的电力技术,同时也是为了避免政治对抗带来的恐怖情形,所以就没有在太空中过多使用核反应堆技术。

1978年,前苏联COSMOS 954核动力卫星在太空中失控,坠入地球时在加拿大上空分裂解体,在加拿大北部荒野地区600千米长度的地带抛洒了各种各样的放射性碎片,这一情况,在社会公众心里形成了对空间核反应堆的不良印象。这一核动力卫星失事事件还导致俄罗斯的工程师研发了一种技术机制,能够让卫星在重新返回地球之前,将核反应堆核心部件抛射到安全的地球轨道中,避免核部件在返回地球时对地面造成放射性危害。

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

前苏联COSMOS 954核动力卫星

目前,NASA正在开展着越来越雄心勃勃的深空任务,亚阿拉巴马州亨茨维尔市NASA马歇尔太空飞行中心正与美国能源部内华达国家安全区、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室携手合作,共同研发用于火星探测及其他任务的新型核反应堆。Kilopower目前正处于展示阶段,正在按照分析模型进行硬件校验及检验。

内华达国家安全区位于内华达州奈郡西南部,建立于1951年1月11日,用于核装置试验,面积覆盖约3500平方公里的沙漠和山地,包括28个区域、1100栋建筑、10个直升飞机场和2个简易机场。该安全区在冷战时期多次进行大气层内核试验及地下核试验,目前该场依然进行次临界试验,用于确定美国核武库的生存能力。另外,该安全区设有放射性废物管理设施,放射性/核武器事件训练场,模拟多种放射性恐怖事件。

类似于放射性同位素热电机的核反应堆结构紧密、独立于任何外部能量来源、能够在极端严酷环境下运行,具备这些特性的核反应堆对NASA来说是非常具有吸引力的。同放射性同位素热电机相比,核反应堆的重量单位能量输出有着显著的提高。

“我们正在测试的核反应堆技术能够用于很多NASA空间任务,我们最终的希望是,目前正在开展的核反应堆第一步测试工作,将能够为更具野心、更激动人心的空间探测任务带来全新的范式和前景,”洛斯阿拉莫斯国家实验室首席核反应堆设计师大卫·波斯顿说:“对空间核反应堆工程项目来说,简洁极为关键,这并不是说设计一定会简单,而是要找到最间接的途径来完成设计、研发、制造、安全保障及测试等工作。”

Kilopower的功率为1-10千瓦,能够输出足够的能量来保障两个普通美国家庭的日常生活需要,加注一次核燃料就能够连续运行10年。Kilopower不使用钚元素,而是使用直径15厘米的固体铸造铀235堆芯。核反应堆堆芯环绕着氧化铍反射器,堆芯底端安装有机械装置,以便移除和插入碳化硼棒。碳化硼棒用于启动和停止核反应堆,氧化铍反射器能够捕捉逃逸的中子,并将中子反射回堆芯,从而提高自调节裂变反应的效率。在激活并开始裂变之前,铀235堆芯只有轻微的放射性。

被动式钠热管能够收集并传递反应堆释放的热能,然后将热能输入到一组斯特林发动机中。这是一种依靠传热温差运行的高效率闭环发动机,该发动机能够进行类似于内燃机一样的活塞运动,但也有所不同,斯特林发动机活塞是在可压缩气体介质作用下进行运动,而不是依靠油气混合物爆炸进行驱动。活塞在运动过程中推动发电机产生电力,并通过散热伞来对核反应堆进行降温。

Kilopower使用模块化、独立式设计,能够进行组装以提供所需数量的电力供应,能够用于深空探测器,也能够用于人类在火星建立的前哨基地。NASA总部空间技术任务委员会能量及能源存储首席技术师李·梅森说,Kilopower所采用的技术和该反应堆使用的具

火星及其他宇宙空间:模块化核反应堆将驱动人类下一波深空探测浪潮

Kilopower可以在火星上代替一个大型发电厂使用

Kilopower目前的工作目标是,实现持续28小时的全动力测试运行。如果测试成功,NASA希望将测试地点改在太空中进行,目前在美国能源部内华达国家安全区进行的测试工作是在实验室真空中进行,主要是测试该技术是否具有可行性。

“我们正在努力工作着,试图在仅能提供几百瓦特电力的放射性同位素热电机之外,为空间任务提供一个更好的电力供应解决方案,”梅森说:“我们在火星任务方面已经完成了很多了不起的工作,但要想最终实现人类登陆火星计划,还需要进行很多的工作,在这两者之间存在着一个巨大的障碍,这就是电力。”

“Kilopower能够提供千瓦级别的电力供应,经过演变研发,最终将能够提供几十万瓦、甚至是兆瓦级别的电力供应。我们之所以将该项新型技术系统称之为Kilopower,就是因为该系统能够在近期就为人类的空间任务计划提供千瓦级别的电力供应,在此之前,我们还不得不在太空中为了节约用电而战战兢兢。令人高兴的是,人类的新型太空核反应堆测试计划已在进行之中。”

相关推荐

独木帆(www.xieshudeng.com)版权所有 桂ICP备17010736号-1 关于我们 | 广告服务 | 诚聘英才 | 联系我们 | 免责申明 | 举报投诉须知