只有废纸篓大小,微型核电站要上太空

 Kilopower反应堆

第二看台

据国外媒体近日报道,美国宇航局和美国能源部合作开发出一种只有废纸篓大小的核反应堆,并称其为“Kilopower”,也就是千瓦级太空反应堆。它能在太空环境中运行,为太空基地提供电能。

“美国最近测试的这种千瓦级太空反应堆的重要意义在于,美国在反应堆的小微型化上取得突破性进展,开辟了核能太空探索的新时代。”中国科学院大学教授、高能物理研究所研究员彭光雄告诉科技日报记者,核电源分为核电池和核反应堆,核电池存在钚供应短缺问题和功率限制,因而核反应堆电源就具有特别的重要意义。

这个废纸篓大小的太空核反应堆的新颖之处是什么?发射中蕴含哪些不安全因素呢?

与地面核反应堆原理相同,但冷却方式有别

据悉,Kilopower反应堆具有两种功率设计,一种是1千瓦,另一种是10千瓦。后者每秒钟可以产生一万焦耳的电能,足以支撑两个人进行长时间的火星探险任务。

在太空探索中,拥有可靠电源是至关重要的,而有些科学探索任务,一定需要核能的帮助才能进行。例如,我国的“嫦娥三号”月球探测器,面对最低温度接近零下200摄氏度的月球,就是靠同位素衰变能源度过极其寒冷的漫漫长夜。

彭光雄表示,太空反应堆Kilopower与上述“嫦娥三号”月球探测器使用的核电池不同,它是一个真正意义上的核反应堆。他解释道,核能的剧烈释放可制成核武器威胁人类,核能的受控释放则可以发电造福人类,而实现受控核反应的装置就是反应堆。目前核能有三种主要的释放方式:聚变、裂变和衰变。把衰变能转变为电能的装置是核电池,而核反应堆一般指核裂变反应堆,因为人类尚未掌握受控核聚变技术。地球上建设的核电站,其核心部分就是反应堆。

太空反应堆与地面上的反应堆工作原理相同,都是利用受控链式反应。反应过程是这样的,反应堆中的核燃料在中子轰击下发生自持链式反应,核燃料如铀-235吸收中子发生裂变的同时放出更多中子从而引起更多裂变,产生巨大能量。这些能量的一部分转化为电能的形式对外输出;其余的部分必须采取措施从反应堆中排出去从而使堆芯适当冷却,以维持一定范围的运转温度,或者主动降低功率以达到温度平衡。否则堆芯会由于极高的温度而熔毁或爆炸,造成灾难。

核电站中反应堆最经济有效的冷却方式是水冷。这就是地球上的核电站一般建在沿海一带或湖泊附近的重要原因,而太空反应堆Kilopower采用钠管设计。

彭光雄认为,这反映了太空堆的主要特别之处,即在航天和太空环境中,由于缺少水源和空间限制,只能采用其他方式散热,而不是水冷散热。“这一方面是太空反应堆的功率目前还只有传统轻水堆的约百万分之一而不能做得更大的重要原因。另一方面,取消了水冷设计使得反应堆小型化、微型化成为可能。”在他看来,如何保持小微型的体积优势同时增大功率,是太空核反应堆未来的方向和挑战。

犹如天上掉下个“福岛”?没有那么危险

许多人担忧发射中出现核泄漏和太空危机。彭光雄教授告诉记者,太空核能装置由于有放射性物质,原则上也存在核污染风险。这种风险来自两个阶段,一是发射阶段出现问题可能导致放射性物质外泄污染地球大气环境;二是在天文距离的飞行阶段反应堆意外自行启动可能造成太空污染。

该反应堆项目主管帕特·麦克卢尔表示,发射阶段出现事故影响并不大,辐射量最多‘相当于乘坐飞机’。即使发射过程中出现铀残留物爆炸,辐射峰值剂量也远低于1毫雷姆,相比之下,美国人平均每年接受的辐射剂量为620毫雷姆。而且为防止反应堆意外自行启动,研究小组为该小型核反应堆设计了“自控功能”,一旦反应堆出现故障将会自动关闭。

“虽然可以在设计上尽量减小这些风险,但不可能完全避免。”彭光雄举例说,福岛核电站出事故之前也是有自动关闭设计的,但关键时刻安全设计全部失灵最终导致灾难。如果装有大量核材料的装置从空中高速坠落地面,就会犹如天上掉下个“福岛”,后果难以预料。

麦克卢尔宣称,人们总认为这会将“切尔诺贝利城”带上太空,但实际上并没有那么危险。彭光雄也表示,目前的太空反应堆功率还相对较小,所携带的核燃料相对较少,也有一些安全方面的设计,可尽量将风险降至最低。

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责任编辑:符雪苑
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