NASA为何要在月球和火星上建立核电站?是否安全听听专家怎么说

36氪的朋友们 · 2020-11-20
美国国家航空航天局(NASA)和美国能源部将征求相关行业提案,以便在月球和火星上建造核电站,旨在支持该国长期太空探索计划。

编者按:本文来自微信公众号“财看见-腾讯新闻”(ID:tmoneyplus),作者:米娜,36氪经授权发布。

美国国家航空航天局(NASA)和美国能源部将征求相关行业提案,以便在月球和火星上建造核电站,旨在支持该国长期太空探索计划。提案内容为建立核裂变动力系统,目标是在2026年之前让飞行系统、月球着陆器以及核反应堆就位。

NASA空间技术任务局核技术组合负责人安东尼-卡洛米诺指出,这项计划是为了能在本世纪20年代末之前研发出10千瓦级的核裂变动力系统,并在月球上进行演示。核裂变动力系统将在地球上完成全部制造和组装,然后NASA将对该系统进行安全测试,以确保它能够正确运行。

月球上核裂变动力系统概念渲染图

安全测试完成后,核裂变动力系统将与月球着陆器结合在一起,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,一旦抵达月球表面,系统便可以立即运行,不需要额外的组装。此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持续时间更长的任务。

“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,”卡洛米诺说,“4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,助推大规模勘探、建立人类前哨基地以及就地利用资源成为可能,同时也为商业化提供了机会。”

当前,NASA已经与核研究机构爱达荷州国家实验室(INL)展开相关合作。但是,NASA的这项计划现实吗?是否有可能在短短六年之后实现交付?

INL太空核能和同位素技术部主任史蒂夫-约翰逊给出的答案是,“是的!计划是完全可行的。”

他解释称,“我们能够利用多年来在先进燃料和材料方面所取得的研发成果,以及近来的太空商业化运输突破来降低延迟交付的风险,以实现2026年的预定目标。我们和NASA真的在努力把商业核工业的创新带到公众面前,航空航天行业可以充分利用现有技术。”

核电站将如何运转

卡洛米诺声称,确保这项计划取得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。“低浓缩度的核燃料将为核芯提供动力,”他说,“小型核反应堆会产生热量,然后将热量传递给电力转换系统。电力转换系统将由发动机组成,这些发动机将根据核反应堆的热量而不是可燃燃料运转,将热量转化为电能,经过调节后,再分配到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。”

约翰逊指出,除了过去数十年的研发之外,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年的预定目标成为可能。

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提案,以便实现最终的目标。在INL,我们支持未来几个月里行业机构和合作伙伴和我们一起努力设计出这个演示核反应堆,将航空航天、核能和电力公司联合起来,共同取得里程碑式的成就。”

卡洛米诺表示,NASA已经与美国能源部达成合作关系,将共同制定任务和系统要求。另一方面,INL将管理核裂变动力系统的研发合同,其中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:“核裂变动力系统每年将提供10千瓦的电力,运行时间约为10年。”他补充称,10千瓦电力大致相当于为5至8个大家庭的用电需求。

卡洛米诺透露,为了衡量行业的兴趣并征求该计划的设计方案,INL已向行业征集信息,并且收到了22份书面回复。给出回复的公司都来自航空航天、核能和电力转换行业。

SpaceIL的Beresheet探测器在轨道上拍摄的月球照片

虽然卡洛米诺并没有透露这些公司的名字,但是强调称这些公司在制造核反应堆、开发航天技术以及制造这个特殊项目所需专用设备等方面拥有丰富经验。他还表示,NASA和美国能源部计划在2021年初征求一系列提案,具体涉及到核裂变能源。未来的合同授予价值仍有待商榷。

“政府计划授予多份短期合同,以便开发初步设计,然后再授予最终飞行硬件研制的大合同。参与这个项目的公司料将组建专门团队,合力开发这个独一无二且复杂的核裂变动力系统所需的所有技术。这个项目非常复杂,因为它需要把不同的工程技能整合在一起。毕竟,专门从事核反应堆开发的公司,有可能不具备研制过航天设备或电力转换系统的企业知识或实际操作经验,”这位负责人说,“此外,该项目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,创建合作伙伴关系是获得这些技术的最有效途径。”

在月球上建核反应堆安全吗

对于普通人来说,在月球上建造核反应堆的想法听起来可能不同寻常,甚至其中一些人会觉得极其危险。但是,一些专业人士却不这么认为,就业机构Get Into Nuclear创始人安德鲁-克拉布特里就是其中一位。

克拉布特里指出,虽然这个项目仍有很多因素需要考虑,但是不需要考虑在太空使用核能是否安全的问题。他说:“在此之前,在太空中已经使用过无数次核能。自1969年11月阿波罗12号成功经受住巨大的温差以来,原子能一直在月球上运行。阿波罗12号标志着人类首次在月球上使用核电系统。”

在克拉布特里看来,担心太空会受到核能污染的人,简直就是在杞人忧天。“在你说出‘我们不应该让核废料来污染太空’这样的话之前,你清楚一点,你听说过的几乎每一次太空任务都使用过放射性同位素热电发电机。”

艺术家对人类火星基地的构想

图为内部园艺区的剖切面

为环保企业提供盈利和营销咨询服务的谢尔-霍洛维茨考虑的不是安不安全的问题,而是有没有这么做的必要。

霍洛维茨认为,在月球上建造核电站将是徒劳且完全没有必要。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滑,再加上我们节约能源的方式越来越有效,没有理由在太空创建既耗时、昂贵,又让很多人感到不安的核电站。没有它,我们同样可以满足能源需求。”

卡洛米诺回应称,这个项目很可能需要利用霍洛维茨提到的诸多可再生能源,未来执行的其他任务可能也需要用到这些能源,但是在太空使用这些资源面临与众不同的挑战,这些挑战可能会使利用可再生能源变得不切实际。

他解释称,“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,以满足一系列苛刻要求。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。比如说,在火星上,太阳的能量随着季节的变化而发生很大的变化,沙尘暴可能会持续数月。在月球上,寒冷的夜晚持续14天,而两极附近的光照变化很大,长期处在阴影之下的陨石坑里根本享受不到阳光。在这些急剧挑战性的环境中,利用太阳能绝非易事,同时燃料供应也很有限。相比之下,核电提供了一种便捷、可靠和高效的解决方案。”

贝佐斯旗下的商业太空公司蓝色起源

《融合资本主义:保守派的清洁能源愿景》一书的作者、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-梅林克指出,还有其他因素需要考虑。

“出问题时,尤其是紧急问题,我们将如何解决?”他问道,“核能是如此复杂以至于我们要预测到每一个可预见的问题将需要什么零部件、哪种技术人员以及哪些供应品来解决。未来几十年里,我们不可能做到这一点。”

他给出的建议是,NASA应该使用太阳能光伏发电,这种技术已经被用于太空发电,是个更实用的解决方案。

梅林克说:“在过去的10年里,太阳能光伏的成本大幅降低,当前地球上很多地方的公共设施、企业和学校都在安装太阳能光伏。这种技术不会催生熔毁、放射性污染和完全断电等灾难性风险。随着时间的推移,太阳能是确保冗余性和可扩充性的最终解决方案。”

卡洛米诺声称,确保项目的安全性始终是NASA的首要任务。这个项目仍需要通过《美国国家环境政策法案》的审批程序,其中包括对该项目所造成环境影响的评估。此外,设计人员在设计动力系统的时候,会确保核燃料在抵达月球表面之前不会被激活。卡洛米诺说:“与地面核反应堆不同的是,太空里的核反应堆不会移除或更换核燃料。”

卡洛米诺说,结束为期10年的任务时,NASA还有一项相关设施安全退役的计划。他表示:“在任务结束时,系统将关闭,辐射水平将逐渐降低至人类可接受和处理的安全水平。使用过的系统可能会被转移到一个远程存储位置,在那里它不会对宇航员或环境构成任何威胁。”

Liberty BioSecurity首席医疗创新官何塞-莫雷博士指出,即使月球上的核电设施发生事故,也不会对地球构成威胁。原因在于,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。”

这位博士补充称,有些公司已经表现出想要参与NASA核裂变动力系统项目的兴趣,其中包括全球首富姐夫-贝佐斯旗下商业太空公司蓝色起源,和美国BWX技术公司。目前,这两家公司均未就此事发表置评。

莫雷表示,“这个项目需要通用能源工程企业、传统航空航天企业,以及新兴航空航天企业的共同参与。”

虽然核裂变动力系统项目还在起步阶段,但是足以表明核能行业仍在探索新的阵地。莫雷认为,尽管核能问题涉及到复杂的政治性,但是核能所具备的优势使其成为美国太空努力的理想动力。

“核能一直是一种非常清洁且极其有效的能源,”他说,“从现实角度来看,这种能源将是太空探索的关键。更为重要的是,它对于人类成为一种多行星物种来说至关重要。在发现下一种高效清洁能源之前,太空探索的新曙光将会见证核工业复苏。”

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