雖然核反應(yīng)堆在地球危機(jī)四伏，但在太空的它們可是潛力“寶藏”。

近期，NASA和多家公司進(jìn)行溝通，擬開發(fā)由核裂變及核聚變作為動力的星際飛船，目標(biāo)是在2035年前，核動力驅(qū)動的飛船可以奔赴火星。

一、核動力潛力無限，燃料瓶頸尚待攻破

核火箭發(fā)動機(jī)的想法可以追溯到上世紀(jì)四十年代，在通常的設(shè)想中，化學(xué)火箭會先將飛船發(fā)射出低地球軌道之外，然后核動力火箭會“接棒”，作為推動力送飛船在星際中穿梭。

核反應(yīng)堆釋放的能量能將液態(tài)氫加熱至2430攝氏度，約為核電站核心溫度的八倍，推進(jìn)劑也會以極快的速度噴出噴嘴。每單位質(zhì)量核燃料提供的推力是化學(xué)燃料的兩倍，從而使核動力飛船可以航行更長時間，并且在到達(dá)目的地時，核反應(yīng)堆所釋放的能量可以從推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到電力系統(tǒng)，這為飛船自身正常運(yùn)行和向地球傳輸數(shù)據(jù)都提供了更好的保障。

如NASA首席工程師Jeff Sheehy所言，核動力對于火星探測這種星際旅行是很有利的，但核燃料是我們首先要解決的問題。

具體來說，燃料需要承受發(fā)動機(jī)內(nèi)部的超高溫和揮發(fā)性環(huán)境。

武器級、高濃縮鈾的核火箭能提供足夠推力，但可能不夠安全；商業(yè)核電廠用的低濃度鈾燃料使用起來更安全，但在高溫和高濃度氫的的環(huán)境下，它們?nèi)菀追纸狻?/p>

針對這個問題，與NASA合作的兩家公司都各自提出了自己的解決方案。

位于西雅圖的核安全技術(shù)公司Ultra Safe Nuchlear Technologies（下簡稱USNC-Tech）在鈾燃料微粒上涂上一層微型陶瓷涂層，再放在碳化鋯基體中，通過這種“隔離”方式，防止放射性裂變產(chǎn)生的副產(chǎn)物擴(kuò)散的同時，也以微粒的方式加快散熱。

USNC-Tech工程總監(jiān)Michael Eades說：“因?yàn)檫@樣的方式，所以即使我們的鈾燃料濃度達(dá)到了20%，也能在保證火箭的推力的同時降低發(fā)生意外的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

位于弗吉尼亞州的BWX Technologies（下簡稱BWX）也與NASA簽訂了合約，希望設(shè)計(jì)出陶瓷復(fù)合燃料形式，或者研究可以在金屬基質(zhì)中燃燒的替代燃料。該公司技術(shù)部門總經(jīng)理Joe Miller表示，從2017年，他們就在進(jìn)行反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。

除了燃料，用于控制核裂變反應(yīng)速度、維持連鎖反應(yīng)的慢化劑也很重要。

BWX通過在燃料塊中散布在氫化物元素控制反應(yīng)速度，USNC-Tech則將鈸金屬集成到燃料中。USNC-Tech工程總監(jiān)Eades又指出，集成了鈸金屬的燃料可以經(jīng)受住氫、輻射以及高溫，且不會耗盡反應(yīng)堆中的中子。

二、為更安全的核動力火箭，普林斯頓尋覓新方法

除了上述兩家公司，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家也為核火箭推進(jìn)提出新設(shè)想，即不一樣的聚變反應(yīng)堆。

普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的Samuel Cohen表示，目前主流的聚變反應(yīng)是氫同位元素氘和氚的燃料，但它們都不夠安全。

為了設(shè)計(jì)出一種更安全的小型核動力火箭，Cohen領(lǐng)導(dǎo)的小組正在制造一種新的反應(yīng)堆，利用高溫等離子體中氘原子和氦-3之間的聚變，這樣反應(yīng)中也會產(chǎn)生較少的中子。中子容易讓鋼鐵結(jié)構(gòu)在變脆的同時具有很強(qiáng)的放射性。

▲普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在用實(shí)驗(yàn)堆將聚變等離子體加熱到一百萬攝氏度

Cohen也表示采用新的燃料融合方式后，不僅所需化學(xué)原料的量變少，反應(yīng)設(shè)備的體積也會縮小至原來的千分之一。

NASA的首席工程師Sheehy說，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)釋放的能量是裂變產(chǎn)生的能量的四倍，所以理論上聚變推進(jìn)會優(yōu)于基于裂變的推進(jìn)。但目前這項(xiàng)技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，如產(chǎn)生和容納等離子體、將釋放出的能量有效地轉(zhuǎn)化為定向射流等。

他說：“這些問題即使到2030年代后期，我們都未必能做解決。”

但USNC-Tech對這一目標(biāo)滿懷信心，工程總監(jiān)Eades說：“我們目前已經(jīng)基于新燃料制造了小型硬件原型，有望在2027年之前演示發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)NASA的目標(biāo)?！?/p>