Kilopower反應(yīng)堆

據(jù)國外媒體近日報道，美國宇航局和美國能源部合作開發(fā)出一種只有廢紙簍大小的核反應(yīng)堆，并稱其為“Kilopower”，也就是千瓦級太空反應(yīng)堆。它能在太空環(huán)境中運行，為太空基地提供電能。

“美國最近測試的這種千瓦級太空反應(yīng)堆的重要意義在于，美國在反應(yīng)堆的小微型化上取得突破性進(jìn)展，開辟了核能太空探索的新時代。”中國科學(xué)院大學(xué)教授、高能物理研究所研究員彭光雄告訴科技日報記者，核電源分為核電池和核反應(yīng)堆，核電池存在钚供應(yīng)短缺問題和功率限制，因而核反應(yīng)堆電源就具有特別的重要意義。

這個廢紙簍大小的太空核反應(yīng)堆的新穎之處是什么?發(fā)射中蘊含哪些不安全因素呢?

與地面核反應(yīng)堆原理相同，但冷卻方式有別

據(jù)悉，Kilopower反應(yīng)堆具有兩種功率設(shè)計，一種是1千瓦，另一種是10千瓦。后者每秒鐘可以產(chǎn)生一萬焦耳的電能，足以支撐兩個人進(jìn)行長時間的火星探險任務(wù)。

在太空探索中，擁有可靠電源是至關(guān)重要的，而有些科學(xué)探索任務(wù)，一定需要核能的幫助才能進(jìn)行。例如，我國的“嫦娥三號”月球探測器，面對最低溫度接近零下200攝氏度的月球，就是靠同位素衰變能源度過極其寒冷的漫漫長夜。

彭光雄表示，太空反應(yīng)堆Kilopower與上述“嫦娥三號”月球探測器使用的核電池不同，它是一個真正意義上的核反應(yīng)堆。他解釋道，核能的劇烈釋放可制成核武器威脅人類，核能的受控釋放則可以發(fā)電造福人類，而實現(xiàn)受控核反應(yīng)的裝置就是反應(yīng)堆。目前核能有三種主要的釋放方式：聚變、裂變和衰變。把衰變能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置是核電池，而核反應(yīng)堆一般指核裂變反應(yīng)堆，因為人類尚未掌握受控核聚變技術(shù)。地球上建設(shè)的核電站，其核心部分就是反應(yīng)堆。

太空反應(yīng)堆與地面上的反應(yīng)堆工作原理相同，都是利用受控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)過程是這樣的，反應(yīng)堆中的核燃料在中子轟擊下發(fā)生自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，核燃料如鈾-235吸收中子發(fā)生裂變的同時放出更多中子從而引起更多裂變，產(chǎn)生巨大能量。這些能量的一部分轉(zhuǎn)化為電能的形式對外輸出;其余的部分必須采取措施從反應(yīng)堆中排出去從而使堆芯適當(dāng)冷卻，以維持一定范圍的運轉(zhuǎn)溫度，或者主動降低功率以達(dá)到溫度平衡。否則堆芯會由于極高的溫度而熔毀或爆炸，造成災(zāi)難。

核電站中反應(yīng)堆最經(jīng)濟有效的冷卻方式是水冷。這就是地球上的核電站一般建在沿海一帶或湖泊附近的重要原因，而太空反應(yīng)堆Kilopower采用鈉管設(shè)計。

彭光雄認(rèn)為，這反映了太空堆的主要特別之處，即在航天和太空環(huán)境中，由于缺少水源和空間限制，只能采用其他方式散熱，而不是水冷散熱。“這一方面是太空反應(yīng)堆的功率目前還只有傳統(tǒng)輕水堆的約百萬分之一而不能做得更大的重要原因。另一方面，取消了水冷設(shè)計使得反應(yīng)堆小型化、微型化成為可能。”在他看來，如何保持小微型的體積優(yōu)勢同時增大功率，是太空核反應(yīng)堆未來的方向和挑戰(zhàn)。

猶如天上掉下個“福島”?沒有那么危險

許多人擔(dān)憂發(fā)射中出現(xiàn)核泄漏和太空危機。彭光雄教授告訴記者，太空核能裝置由于有放射性物質(zhì)，原則上也存在核污染風(fēng)險。這種風(fēng)險來自兩個階段，一是發(fā)射階段出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)外泄污染地球大氣環(huán)境;二是在天文距離的飛行階段反應(yīng)堆意外自行啟動可能造成太空污染。

該反應(yīng)堆項目主管帕特·麥克盧爾表示，發(fā)射階段出現(xiàn)事故影響并不大，輻射量最多‘相當(dāng)于乘坐飛機’。即使發(fā)射過程中出現(xiàn)鈾殘留物爆炸，輻射峰值劑量也遠(yuǎn)低于1毫雷姆，相比之下，美國人平均每年接受的輻射劑量為620毫雷姆。而且為防止反應(yīng)堆意外自行啟動，研究小組為該小型核反應(yīng)堆設(shè)計了“自控功能”，一旦反應(yīng)堆出現(xiàn)故障將會自動關(guān)閉。

“雖然可以在設(shè)計上盡量減小這些風(fēng)險，但不可能完全避免。”彭光雄舉例說，福島核電站出事故之前也是有自動關(guān)閉設(shè)計的，但關(guān)鍵時刻安全設(shè)計全部失靈最終導(dǎo)致災(zāi)難。如果裝有大量核材料的裝置從空中高速墜落地面，就會猶如天上掉下個“福島”，后果難以預(yù)料。

麥克盧爾宣稱，人們總認(rèn)為這會將“切爾諾貝利城”帶上太空，但實際上并沒有那么危險。彭光雄也表示，目前的太空反應(yīng)堆功率還相對較小，所攜帶的核燃料相對較少，也有一些安全方面的設(shè)計，可盡量將風(fēng)險降至最低。