日前,据国外媒体报道,核反应堆在虽然在地球上惹出很多麻烦和争议,但它们却可以产生足够的能量和推力,快速地将大型宇宙飞船送上火星,甚至更远的星球。

事实上,核动力火箭发动机的想法可以追溯到上世纪四十年代。

至关重要的是,核动力发动机仅用于星际飞行。火箭还在地球大气层之内时,不会使用启用核动力发动机。火箭发射阶段,仍使用化学燃料。只有在火箭离开低地球轨道之后,核动力推进系统才会启动。

最近,核裂变和核聚变驱动的星际飞行计划有了新的设计,这些新设计的成功可能性也更大。

核动力发动机的设计难点在于如何确保该发动机既轻便又安全。随着NASA正与行业合作伙伴就未来可能的核动力载人太空飞行任务展开合作,新的燃料和反应堆设计已成为一项重要任务。

NASA空间技术任务理事会的首席工程师杰夫·希伊说:“如果我们希望将往返火星的路程时间减少到两年以下,核动力推进系统十分具有优势。”他还说,若要使这样的任务成为可能,“燃料这项关键技术必须要改进”。

具体地说,就是燃料必须能承受核热力发动机内部的超高温环境和不稳定条件。有两家公司已经表示,他们的燃料足够稳定,可以用于安全、紧凑和高性能的反应堆。事实上,其中一家公司已经向NASA提供了详细的概念设计方案。

核热力推进系统使用核反应释放的能量将液态氢加热至2430℃,这个温度大约是核电站核心温度的八倍之多。推进剂随后以极高的速度膨胀并喷射而出。

与传统的化学燃料火箭相比,对于每单位质量的推进剂,核热力火箭可以产生两倍的推力,从而使得核动力飞船可以飞行得更远更快。

此外,一旦达到目的地——无论是土星的土卫六还是冥王星,核反应堆可以从推进器变为动力源,允许飞船持续多年向地球送回高质量数据。

以往,从核动力火箭获得足够的推力需要使用武器级别的高浓度铀。但是,商业发电站中的低浓度铀燃料,使用起来则更加安全。

唯一的问题是,在极高温度环境下以及在极易反应的氢带来的化学侵蚀条件下,低浓度铀燃料会变得十分脆弱并容易分解。

但是,西雅图的Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies(USNC-Tech)公司使用的铀燃料浓缩至20%以下。虽然比核反应堆中使用的铀等级更高,但该铀燃料“无法被用于邪恶目的,因此极大地降低了核扩散风险,”USNC-Tech的工程总监迈克尔·伊德斯说。该公司的铀燃料包含微小的铀燃料颗粒,这些铀燃料颗粒带陶瓷涂层,分散在碳化锆基体中。微囊结构可以在困住放射性裂变副产物的同时,释放出热量。

弗吉尼亚州林奇堡的BWX Technologies也在与NASA合作,研究如何使用类似的陶瓷复合燃料,同时也在探索一种包裹在金属基体中的替代燃料形式。该公司的高级技术部门总经理乔·米勒说:“自2017年以来,我们一直在研究核反应堆设计。”

两家公司的设计均依赖于不同类型的缓和剂。缓和剂可以放缓裂变过程中产生高能量中子的速度,从而维持连锁反应,而不是任由中子撞击和破坏反应堆结构。

BWX将燃料块散布在氢化物元素之间,而USNC-Tech的独特设计则将铍金属缓和剂集成到燃料内。伊德斯说:“我们的燃料十分稳定,可以耐受高温氢和辐射条件,并且不会吞噬反应堆内的所有中子。”

普林斯顿等离子物理实验室的科学家正在使用实验性反应堆尝试将聚变等离子体加热到一百万摄氏度。

该实验室的研究人员塞缪尔·科恩说,设计小型且安全的核动力火箭,还有另一种思路:核聚变反应堆。主线聚变使用氢的同位素——氘和氚燃料。但科恩正在尝试制造一种新的反应堆。该反应堆依赖高温等离子体中氘原子和氦-3的聚变反应,这一反应产生的中子数非常少。他说:“我们不喜欢中子,因为它们会把钢铁等结构材料变得像瑞士奶酪一样,并且使其具有放射性。”普林斯顿实验室的概念设计叫做“直接聚变驱动”(Direct Fusion Drive)。该设计相比传统的聚变,需要的燃料也更少,设备大小也只有传统设备的千分之一左右。

NASA的希伊说,理论上,聚变推进器在性能上远胜于裂变推进器,因为聚变反应释放的能量是后者的四倍多。但是,聚变推进器这项技术还远未成熟,同时也面临不少挑战,包括如何产生和控制等离子体,以及如何有效地将释放的能量转变为定向喷射排气。希伊说:“至少在本世纪三十年代末期,这项技术还来不及用于火星任务。”

相比之下,USNC-Tech已经基于其设计的新型燃料,制造了小型硬件原型。伊德斯说:“我们有望实现的NASA的目标,在2027年之前交付一半大小的演示系统,进行发射试验。”该公司的下一个目标将是打造完整规模的火星飞行系统,并且有望在2035年的火星任务中投入使用。