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廢紙簍大小的核反應堆可為火星基地提供電能

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發表於 2018-2-10 04:28:15 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源: 新浪科技

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圖中是藝術家描繪的布設在火星表面的“Kilopower”發電裝置。

  新浪科技訊 北京時間2月8日消息,據國外媒體報道,一小桶鈾相當於一個咖啡罐大小,但是這種微型核反應堆具有屏蔽裝置和探測器,整個設備不超過一個廢紙簍大小。目前,這種小型核反應堆原型將在美國內華達州沙漠進行測試,這將為實現人類未來太空探索夢想更近一步。
  太空核反應堆僅有廢紙簍大小
  這個項目叫做“Kilopower”,是美國宇航局和美國能源部的一個合資項目,它將成為自上世紀60年代“SNAP 10A項目”以來的首個太空核裂變反應堆。目前,這項原型仍在測試之中,它比過去幾十年裡進行的任何太空項目都更易實現。
  Kilopower反應堆從設計上具有兩個尺寸,一種是1千瓦模型,另一種是10千瓦模型。Kilopower反應堆項目主管帕特·麥克盧爾(Pat McClure)說:“人們烤麵包大概需要1千瓦電能,在一個普通家庭中,平均每天會使用5千瓦電能,但是對於美國宇航局而言,這消耗了很大的能量。之前美國宇航局探測設備在太空環境下僅消耗幾百至幾千瓦電能,因此在太空中1千瓦或者10千瓦是一個很大的電量單位。”
  美國宇航局“新視野號”探測器最大功率為240瓦,“好奇號”火星車的功率為120瓦,以上兩個探測器都採用核動力電池,能夠將自然衰變鈈的熱量轉換為電能。但是鈈的供應短缺,裝配動力為1000或者10000瓦就是較大的進步,即使它與地球上的設備相比體積較小。不同於那些核動力電池,Kilopower系統形成一個裂變反應,將鈾原子快速分裂釋放能量,之後通過連接發動機將能量轉變為電能。
  麥克盧爾說:“傳統輕水冷卻反應堆能夠製造一千兆瓦電能,它是Kilopower反應堆製造電能的100萬倍,它的結構非常復雜,同時,從設計上能夠充分利用燃料。”對於小型火星反應堆,燃料有效利用率會大幅降低,但是我們需要一個易於預測結果的反應堆,並且易於操作,事實上這種小型火星反應堆具有自控功能。這將降低在較大動力源上可能出現的事故可能性。
  換句話講,我們不會冒險在火星表面出現核事件。麥克盧爾說:“對於我們當前正在做的工作而言,融化燃料是非常困難的,我們的物理設計方法是反應堆會釋放大量熱量,因此我們沒有進行降溫處理,僅是輻射少量熱量,反應堆將功率降低進行匹配。”
  同時,這種小型核反應堆也可以在奇特的太空環境中操作,我們認為,太空環境非常寒冷,但是保持一個反應堆在真空環境中降溫並非易事。在太空中沒有空氣或者流水,能夠將發電機的熱量進行轉移。取而代之的是,這個系統依賴於8根熱管,每根熱管中盛滿大約一湯匙鈉,其沸點非常高。
  鈉會在高溫下沸騰,當鈉沸騰時接近熱管部分,其溫度接近於裂變鈾燃料。蒸汽穿過熱管並逐漸冷凝,溫度差異將有助於製造電能。之後冷卻的物質將回到熱管溫度較高的部分,整個系統循環進行。從理論上講,該系統能夠多年時間製造可靠高效的能量。
  太空核反應堆安全性怎樣?
  如果發射出現問題,許多人會擔憂核泄漏和太空危機,機載核動力源將潛在一定的威脅性。麥克盧爾說:“人們總是認為你會將切爾諾貝利城帶到太空或者某個地方,實際上並沒有那麼危險,在進行裂變反應堆之前,太空核反應堆中存在少量放射性物質,因為它是鈾,但是其數量非常少。即使發射過程中出現某些事故,也不會對公眾帶來麻煩。”
  麥克盧爾解釋稱,如果在發射過程中出現問題,反應堆的標准、非裂變狀態下鈾殘留物會爆炸,對公眾構成非常小的危險。其輻射峰值劑量遠低於1毫雷姆,而現實情況下輻射峰值劑量更低,是微雷姆等級。相比之下,美國人平均每年接受的輻射劑量為620毫雷姆。這意味着,太空核反應堆釋放的輻射遠比背景輻射要少,或者相當於乘坐飛機。
  但是發射太空核動力源僅是第一步,它還必須在遙遠的太空距離保持安全操作,一旦當它離開地球大氣層很長時間並啟動,將變得更具放射性。但是研究小組進行了特殊設計,如果核動力源出現故障問題,將會自動關閉。同時,他們計劃在下個月在內華達州進行測試,將這個核動力源連接到兩個引擎上,每個引擎能夠產生大約80瓦的電能,從而使裂變反應加熱至大約800攝氏度的高溫。
  太空核反應堆設計主管大衛·波斯頓(Dave Poston)說:“我們將關閉所有的熱排出,表明反應堆不僅能倖存下來,而且還會處於待機模式,如果電力轉換系統能夠恢復並開始發電,那麼它就會回到原處。這將證實我們能夠處理該反應堆任何短暫或者不正常操作,人們不必為此有任何擔憂。”
  這將如何操作?
  麥克盧爾說:“1千瓦核反應堆是用於深太空任務,例如:抵達冥王星或者木星衛星,10千瓦核反應堆是用於深太空或者火星表面任務,目前美國宇航局計劃發送5個10千瓦核反應堆抵達火星表面。這將為一個火星基地提供40千瓦的電能供給。”
美國宇航局太空技術任務委員會副局長史蒂夫·尤爾奇克(Steve Jurczyk)在新聞發布會上說:“火星表面很難布設電力系統,它的照射陽光比地球和月球更少,並且夜間溫度非常低,這里存在非常獨特的沙塵暴,可持續數個星期,數月時間,甚至肆虐吞沒整個星球。”
  雖然美國宇航局已探索太陽能板作為一種潛在的動力源,目前,美國宇航局正在積極探索能夠持續提供必需生命支持系統的方案,尤其是在太陽光線不充足,無法提供太陽能動力的時候。
  第一批核動力反應堆將着陸火星,並開始為自動系統提供動力,分離水冰形成液氧和液氫,產生返回地球的燃料。一旦人類登陸火星,這些系統就可以為他們的棲息地和其他支持系統提供動力。目前,美國宇航局正在與其他商業機構進行商談,提議1千瓦核反應堆用於地外太空探索任務。
  美國宇航局格倫研究中心主管珍妮特·卡凡迪(Janet Kavandi)說:“作為一名前宇航員,我可以向你保證,在遠離低地球軌道的太空任務中,擁有可靠的電源是至關重要的。隨着我們深入太陽系,最終將抵達其它星球的表面,這種類型的電力系統將變得尤其重要。”

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