日前，據(jù)國外媒體報道，核反應(yīng)堆在雖然在地球上惹出很多麻煩和爭議，但它們卻可以產(chǎn)生足夠的能量和推力，快速地將大型宇宙飛船送上火星，甚至更遠的星球。

事實上，核動力火箭發(fā)動機的想法可以追溯到上世紀四十年代。

至關(guān)重要的是，核動力發(fā)動機僅用于星際飛行。火箭還在地球大氣層之內(nèi)時，不會使用啟用核動力發(fā)動機。火箭發(fā)射階段，仍使用化學燃料。只有在火箭離開低地球軌道之后，核動力推進系統(tǒng)才會啟動。

最近，核裂變和核聚變驅(qū)動的星際飛行計劃有了新的設(shè)計，這些新設(shè)計的成功可能性也更大。

核動力發(fā)動機的設(shè)計難點在于如何確保該發(fā)動機既輕便又安全。隨著NASA正與行業(yè)合作伙伴就未來可能的核動力載人太空飛行任務(wù)展開合作，新的燃料和反應(yīng)堆設(shè)計已成為一項重要任務(wù)。

NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會的首席工程師杰夫·希伊說：“如果我們希望將往返火星的路程時間減少到兩年以下，核動力推進系統(tǒng)十分具有優(yōu)勢。”他還說，若要使這樣的任務(wù)成為可能，“燃料這項關(guān)鍵技術(shù)必須要改進”。

具體地說，就是燃料必須能承受核熱力發(fā)動機內(nèi)部的超高溫環(huán)境和不穩(wěn)定條件。有兩家公司已經(jīng)表示，他們的燃料足夠穩(wěn)定，可以用于安全、緊湊和高性能的反應(yīng)堆。事實上，其中一家公司已經(jīng)向NASA提供了詳細的概念設(shè)計方案。

核熱力推進系統(tǒng)使用核反應(yīng)釋放的能量將液態(tài)氫加熱至2430℃，這個溫度大約是核電站核心溫度的八倍之多。推進劑隨后以極高的速度膨脹并噴射而出。

與傳統(tǒng)的化學燃料火箭相比，對于每單位質(zhì)量的推進劑，核熱力火箭可以產(chǎn)生兩倍的推力，從而使得核動力飛船可以飛行得更遠更快。

此外，一旦達到目的地——無論是土星的土衛(wèi)六還是冥王星，核反應(yīng)堆可以從推進器變?yōu)閯恿υ矗试S飛船持續(xù)多年向地球送回高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

以往，從核動力火箭獲得足夠的推力需要使用武器級別的高濃度鈾。但是，商業(yè)發(fā)電站中的低濃度鈾燃料，使用起來則更加安全。

唯一的問題是，在極高溫度環(huán)境下以及在極易反應(yīng)的氫帶來的化學侵蝕條件下，低濃度鈾燃料會變得十分脆弱并容易分解。

但是，西雅圖的Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies（USNC-Tech）公司使用的鈾燃料濃縮至20%以下。雖然比核反應(yīng)堆中使用的鈾等級更高，但該鈾燃料“無法被用于邪惡目的，因此極大地降低了核擴散風險，”USNC-Tech的工程總監(jiān)邁克爾·伊德斯說。該公司的鈾燃料包含微小的鈾燃料顆粒，這些鈾燃料顆粒帶陶瓷涂層，分散在碳化鋯基體中。微囊結(jié)構(gòu)可以在困住放射性裂變副產(chǎn)物的同時，釋放出熱量。

弗吉尼亞州林奇堡的BWX Technologies也在與NASA合作，研究如何使用類似的陶瓷復合燃料，同時也在探索一種包裹在金屬基體中的替代燃料形式。該公司的高級技術(shù)部門總經(jīng)理喬·米勒說：“自2017年以來，我們一直在研究核反應(yīng)堆設(shè)計。”

兩家公司的設(shè)計均依賴于不同類型的緩和劑。緩和劑可以放緩裂變過程中產(chǎn)生高能量中子的速度，從而維持連鎖反應(yīng)，而不是任由中子撞擊和破壞反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)。

BWX將燃料塊散布在氫化物元素之間，而USNC-Tech的獨特設(shè)計則將鈹金屬緩和劑集成到燃料內(nèi)。伊德斯說：“我們的燃料十分穩(wěn)定，可以耐受高溫氫和輻射條件，并且不會吞噬反應(yīng)堆內(nèi)的所有中子。”

普林斯頓等離子物理實驗室

普林斯頓等離子物理實驗室的科學家正在使用實驗性反應(yīng)堆嘗試將聚變等離子體加熱到一百萬攝氏度。

該實驗室的研究人員塞繆爾·科恩說，設(shè)計小型且安全的核動力火箭，還有另一種思路：核聚變反應(yīng)堆。主線聚變使用氫的同位素——氘和氚燃料。但科恩正在嘗試制造一種新的反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆依賴高溫等離子體中氘原子和氦-3的聚變反應(yīng)，這一反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)非常少。他說：“我們不喜歡中子，因為它們會把鋼鐵等結(jié)構(gòu)材料變得像瑞士奶酪一樣，并且使其具有放射性。”普林斯頓實驗室的概念設(shè)計叫做“直接聚變驅(qū)動”（Direct Fusion Drive）。該設(shè)計相比傳統(tǒng)的聚變，需要的燃料也更少，設(shè)備大小也只有傳統(tǒng)設(shè)備的千分之一左右。

NASA的希伊說，理論上，聚變推進器在性能上遠勝于裂變推進器，因為聚變反應(yīng)釋放的能量是后者的四倍多。但是，聚變推進器這項技術(shù)還遠未成熟，同時也面臨不少挑戰(zhàn)，包括如何產(chǎn)生和控制等離子體，以及如何有效地將釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ驀娚渑艢狻ＯＲ琳f：“至少在本世紀三十年代末期，這項技術(shù)還來不及用于火星任務(wù)。”

相比之下，USNC-Tech已經(jīng)基于其設(shè)計的新型燃料，制造了小型硬件原型。伊德斯說：“我們有望實現(xiàn)的NASA的目標，在2027年之前交付一半大小的演示系統(tǒng)，進行發(fā)射試驗。”該公司的下一個目標將是打造完整規(guī)模的火星飛行系統(tǒng)，并且有望在2035年的火星任務(wù)中投入使用。

責任編輯：PSY