NASA拟2026年在月球上建立核电站!可行吗安全吗

2020-11-17 15:03:36 来源: 知否 网易号 举报
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作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

美国宇航局(NASA)和美国能源部将征求行业建议,以便在月球火星上建造核电站以支持其长期太空探索计划。该提案旨在建立核裂变动力系统,目标在2026年之前让飞行系统、月球着陆器以及核反应堆就位。

图:月球上核裂变能源系统概念渲染图

NASA空间技术任务局核技术组合负责人安东尼·卡洛米诺(Anthony Calomino)表示,该计划是在本世纪20年代末之前开发10千瓦级的核裂变动力系统,在月球上进行演示。NASA将在地球上进行制造组装,然后进行安全测试,以确保其正常运行。

该核裂变动力系统将与月球着陆器结合,然后被运载火箭送到绕月轨道上。着陆器会将该系统送到月球表面,并可以立即运行,不需要额外的组装。这次演示预计将持续一年时间,最终可能支持在月球、火星、甚至在更遥远的太空进行更长时间的任务。

卡洛米诺说:“一旦这项技术通过演示得到认证,未来的系统就可以扩大规模,或者多个装置可以共同用于月球和火星的长期任务。四个机组,每个机组提供10千瓦电力,足以满足月球或火星前哨基地的需求。核裂变动力系统在行星表面产生大量电力,这将使大规模勘探、建立人类前哨基地和就地利用资源成为可能,同时也为商业化提供了机会。”

NASA正在与核研究机构爱达荷州国家实验室(INL)合作。但这个计划现实吗?六年后交付是否可能?INL太空核能和同位素技术部主任史蒂夫·约翰逊(Steve Johnson)认为完全可行。他说:“我们能够利用多年来在先进燃料和材料方面的研发成果,以及最近的太空商业化运输的进展来降低延迟完工的风险,以实现2026年的预定目标。”

核电站将如何运作?

卡洛米诺说,确保这个项目成功的关键技术是核反应堆、电力转换、散热和太空飞行技术。他表示:“低浓缩度的核燃料将为核芯提供动力。小型核反应堆会产生热量,这些热量会通过电力转换系统变为电能,经调节后分配给月球和火星表面的用户设备。散热技术对于保持设备正常运行的温度也很重要。”

约翰逊称,除了过去几十年的研发外,致力于创建核反应堆、电力转换、散热和太空飞行技术的现有物理基础设施,将使2026年的目标成为可能。他说:“我们可以利用国家实验室现有的设施和技术专长来支持这一重要方案,以实现最终目标。在INL,我们支持未来几个月的行业和伙伴的努力,以设计这个演示反应堆,将航空航天、核能和电力公司联合起来,共同实现里程碑式的成就。”

图:SpaceIL的Beresheet探测器在轨道上拍摄的月球照片

卡洛米诺说,NASA已经与美国能源部合作,他们将共同制定任务和系统要求。INL将管理核裂变动力系统的研发合同,包括反应堆和防护系统、电力转换系统、散热系统以及电力管理和分配系统。他说:“核裂变动力系统将以每年提供10千瓦电力的能力运行10年左右。”他补充说,10千瓦电力大致相当于为3到4个大家庭供电。

卡洛米诺表示,为了衡量行业的兴趣并征求该项目的设计方案,INL向行业征集信息,并且已经收到了22份书面回复,这些回复的公司都来自航空航天、核能和电力转换行业。

虽然卡洛米诺没有透露这些公司的名字,但他称这些公司在制造核反应堆、开发航天技术以及制造业拥有丰富经验,而这些行业正是这个特殊项目所需的专门设备行业。他补充说,NASA和美国能源部计划在2021年初发布初步设计合同建议书,特别是与核裂变有关的建议书。未来的合同授予价值仍有待确定。

卡洛米诺说:“政府计划授予多个短期合同,以开发初步设计,然后再授予最终飞行硬件开发的大合同。”该项目预计各公司将组建专门团队,开发动力系统所需的所有技术。这个项目非常复杂,因为它需要整合不同的工程技能。毕竟,专门从事核反应堆开发的公司,可能没有开发航天设备或电力转换系统的企业知识或经验。”此外,可能还需要其他专门的通信设备、传感器、电力转换技术和热传递技术,这些技术通过建立合作伙伴关系而获得最为有效。

月球核反应堆安全吗?

在普通人看来,在月球上建造核反应堆的想法可能不同寻常,甚至觉得极其危险。就业机构Get Into Nuclear的创始人安德鲁·克拉布特里(Andrew Crabtree)表示,虽然这项工程有很多因素需要考虑,但并不需要考虑在太空使用核能是否安全的问题。

克拉布特里说:“核能以前在太空中使用过无数次。自1969年11月阿波罗12号成功经受住巨大的温度变化以来,原子能一直在月球上运行。阿波罗12号标志着首次在月球上使用核电系统。”他还说,担心太空受到污染纯属杞人忧天。

但环保企业的盈利和营销顾问谢尔·霍洛维茨(Shel Horowitz)表示,在月球上建造核电站将是徒劳的,而且完全没有必要。 他说:“随着太阳能、风能和小型水电系统提供的清洁能源的成本迅速下降,再加上我们通过节约能源实现的效率不断提高,没有理由建立耗时、昂贵且令人担忧的核电站。没有它,我们也可以满足能源需求。”

作为回应,卡洛米诺说,这个项目很可能需要使用霍洛维茨引用的诸多可再生能源。未来执行的其他任务可能也需要它们,但在太空运行的挑战是独特的,这可能会使利用可再生能源变得不切实际。

他说:“这些任务可能需要各种各样的太阳能、电池、放射性同位素以及核裂变动力系统,以满足广泛的苛刻要求。在太阳能、风能和水力发电不容易获得的地方,核电是必要的。例如,在火星上,太阳的能量在不同季节变化很大,沙尘暴可能会持续几个月。在月球上,寒冷的月球夜晚持续14天,而两极附近的光照变化很大,永久阴影下的陨石坑里根本没有阳光。在这些具有挑战性的环境中,利用阳光发电是困难的,燃料供应也很有限。而核电提供了一种轻便、可靠和高效的解决方案。”

为商业建筑行业推广可再生能源的梅林克公司创始人兼首席执行官,史蒂夫·梅林克(Steve Melink)说,还有其他因素需要考虑。他问道:“当出问题时,尤其是紧急问题,我们将如何解决?”

梅林克建议NASA使用太阳能光伏发电,他说这种技术已经被用于太空发电,并称这是个更实用的解决方案。梅林克表示:“在过去的10年里,太阳能光伏的成本下降了很多,以至于地球上各地的公共设施、企业和学校都在安装太阳能光伏,它不存在熔毁、放射性污染和完全断电等灾难性风险。随着时间推移,太阳能是确保冗余性和可扩充性的最终解决方案。”

尽管存在这些担忧,卡洛米诺表示,确保安全始终是NASA的首要任务。该项目仍需通过国家环境政策法案的审批程序,其中包括评估该项目的环境影响,动力系统的设计将使核燃料在到达月球表面之前不会被激活。卡洛米诺说:“与地面反应堆不同的是,太空没有移除或更换核燃料的打算。”

卡洛米诺说,在其为期10年的任务结束时,还有一项安全退役该设施的计划。他表示:“在任务结束时,系统将关闭,辐射水平将逐渐降低到人类接触和处理的安全水平。使用过的系统可以转移到一个远程存储位置,在那里它们不会对宇航员或环境构成任何威胁。”

图:艺术家对人类火星基地的构思,其剖切面揭示了内部园艺区

Liberty BioSecurity首席医疗创新官何塞·莫雷博士(Jose Morey)说,即使月球上的核电设施发生事故,也不会对地球构成什么风险。这是因为地球受到大气层的保护,阻挡了外层空间产生的致命辐射。他说:“辐射的形式多种多样,宇宙射线是其中伤害最强的一种,宇宙中充斥着这种辐射。其他形式的辐射也随处可见。”

莫雷博士补充说,有些表示有兴趣参与的公司包括蓝色起源公司和BWXT。虽然这一努力还在起步阶段,但它表明核能行业仍在探索新的领域。他表示:“核能一直是一种非常清洁、有效的能源。从现实角度来看,这将是太空探索的关键。更重要的是,这对于人类成为一种多行星物种至关重要。在发现下一种高效、清洁的能源之前,太空探索的新曙光将使核工业复苏。“

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