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废纸篓大小的核反应堆可为火星基地提供电能

科技资讯  2018年2月8日 08:20  来源:新浪科技
摘要:新浪科技讯北京时间2月8日消息,据国外媒体报道,一小桶铀相当于一个咖啡罐大小,但是这种微型核反应堆具有屏蔽装置和探测器,整个设备不超过一个废纸篓大校目前,这种小型核反应堆原型将在美国内华达州沙漠进行测试,这将为实现人类未来太空探索梦想更近一步。
图中是艺术家描绘的布设在火星表面的“Kilopower”发电装置。图中是艺术家描绘的布设在火星表面的“Kilopower”发电装置。

  新浪科技讯 北京时间2月8日消息,据国外媒体报道,一小桶铀相当于一个咖啡罐大小,但是这种微型核反应堆具有屏蔽装置和探测器,整个设备不超过一个废纸篓大小。目前,这种小型核反应堆原型将在美国内华达州沙漠进行测试,这将为实现人类未来太空探索梦想更近一步。

  太空核反应堆仅有废纸篓大小

  这个项目叫做“Kilopower”,是美国宇航局和美国能源部的一个合资项目,它将成为自上世纪60年代“SNAP 10A项目”以来的首个太空核裂变反应堆。目前,这项原型仍在测试之中,它比过去几十年里进行的任何太空项目都更易实现。

  Kilopower反应堆从设计上具有两个尺寸,一种是1千瓦模型,另一种是10千瓦模型。Kilopower反应堆项目主管帕特·麦克卢尔(Pat McClure)说:“人们烤面包大概需要1千瓦电能,在一个普通家庭中,平均每天会使用5千瓦电能,但是对于美国宇航局而言,这消耗了很大的能量。之前美国宇航局探测设备在太空环境下仅消耗几百至几千瓦电能,因此在太空中1千瓦或者10千瓦是一个很大的电量单位。”

  美国宇航局“新视野号”探测器最大功率为240瓦,“好奇号”火星车的功率为120瓦,以上两个探测器都采用核动力电池,能够将自然衰变钚的热量转换为电能。但是钚的供应短缺,装配动力为1000或者10000瓦就是较大的进步,即使它与地球上的设备相比体积较小。不同于那些核动力电池,Kilopower系统形成一个裂变反应,将铀原子快速分裂释放能量,之后通过连接发动机将能量转变为电能。

  麦克卢尔说:“传统轻水冷却反应堆能够制造一千兆瓦电能,它是Kilopower反应堆制造电能的100万倍,它的结构非常复杂,同时,从设计上能够充分利用燃料。”对于小型火星反应堆,燃料有效利用率会大幅降低,但是我们需要一个易于预测结果的反应堆,并且易于操作,事实上这种小型火星反应堆具有自控功能。这将降低在较大动力源上可能出现的事故可能性。

  换句话讲,我们不会冒险在火星表面出现核事件。麦克卢尔说:“对于我们当前正在做的工作而言,融化燃料是非常困难的,我们的物理设计方法是反应堆会释放大量热量,因此我们没有进行降温处理,仅是辐射少量热量,反应堆将功率降低进行匹配。”

  同时,这种小型核反应堆也可以在奇特的太空环境中操作,我们认为,太空环境非常寒冷,但是保持一个反应堆在真空环境中降温并非易事。在太空中没有空气或者流水,能够将发电机的热量进行转移。取而代之的是,这个系统依赖于8根热管,每根热管中盛满大约一汤匙钠,其沸点非常高。

  钠会在高温下沸腾,当钠沸腾时接近热管部分,其温度接近于裂变铀燃料。蒸汽穿过热管并逐渐冷凝,温度差异将有助于制造电能。之后冷却的物质将回到热管温度较高的部分,整个系统循环进行。从理论上讲,该系统能够多年时间制造可靠高效的能量。

  太空核反应堆安全系数怎样?

  如果发射出现问题,许多人会担忧核泄漏和太空危机,机载核动力源将潜在一定的威胁性。麦克卢尔说:“人们总是认为你会将切尔诺贝利城带到太空或者某个地方,实际上并没有那么危险,在进行裂变反应堆之前,太空核反应堆中存在少量放射性物质,因为它是铀,但是其数量非常少。即使发射过程中出现某些事故,也不会对公众带来麻烦。”

  麦克卢尔解释称,如果在发射过程中出现问题,反应堆的标准、非裂变状态下铀残留物会爆炸,对公众构成非常小的危险。其辐射峰值剂量远低于1毫雷姆,而现实情况下辐射峰值剂量更低,是微雷姆等级。相比之下,美国人平均每年接受的辐射剂量为620毫雷姆。这意味着,太空核反应堆释放的辐射远比背景辐射要少,或者相当于乘坐飞机。

  但是发射太空核动力源仅是第一步,它还必须在遥远的太空距离保持安全操作,一旦当它离开地球大气层很长时间并启动,将变得更具放射性。但是研究小组进行了特殊设计,如果核动力源出现故障问题,将会自动关闭。同时,他们计划在下个月在内华达州进行测试,将这个核动力源连接到两个引擎上,每个引擎能够产生大约80瓦的电能,从而令裂变反应加热至大约800摄氏度的高温。

  太空核反应堆设计主管大卫·波斯顿(Dave Poston)说:“我们将关闭所有的热排出,表明反应堆不但能幸存下来,而且还会处于待机模式,如果电力转换系统能够恢复并开始发电,那么它就会回到原处。这将证实我们能够处理该反应堆任何短暂或者不正常操作,人们不必为此有任何担忧。”

  这将如何操作?

  麦克卢尔说:“1千瓦核反应堆是用于深太空任务,比如:抵达冥王星或者木星卫星,10千瓦核反应堆是用于深太空或者火星表面任务,目前美国宇航局计划发送5个10千瓦核反应堆抵达火星表面。这将为一个火星基地提供40千瓦的电能供给。”

  美国宇航局太空技术任务委员会副局长史蒂夫·尤尔奇克(Steve Jurczyk)在新闻发布会上说:“火星表面很难布设电力系统,它的照射阳光比地球和月球更少,并且夜间温度非常低,这里存在非常独特的沙尘暴,可持续数个星期,数月时间,甚至肆虐吞没整个星球。”

  虽然美国宇航局已探索太阳能板作为一种潜在的动力源,目前,美国宇航局正在积极探索能够持续提供必需生命支持系统的方案,尤其是在太阳光线不充足,无法提供太阳能动力的时候。

  第一批核动力反应堆将着陆火星,并开始为自动系统提供动力,分离水冰形成液氧和液氢,产生返回地球的燃料。一旦人类登陆火星,这些系统就可以为他们的栖息地和其他支持系统提供动力。目前,美国宇航局正在与其他商业机构进行商谈,提议1千瓦核反应堆用于地外太空探索任务。

  美国宇航局格伦研究中心主管珍妮特·卡凡迪(Janet Kavandi)说:“作为一名前宇航员,我可以向你保证,在远离低地球轨道的太空任务中,拥有可靠的电源是至关重要的。随着我们深入太阳系,最终将抵达其它星球的表面,这种类型的电力系统将变得尤其重要。”(叶倾城)