邱林
月壤中富含氦-3
據(jù)美國《大眾科學(xué)》雜志報道,月球和火星是兩顆與地球截然不同的星體,缺少水和大氣。想在它們的表面部署能源設(shè)施,是一件非常困難的事情。NASA為了更好地開展太空探索工作,為未來建立月球和火星基地作好準備,正在推進一個重要項目:在月球和火星上部署核電站,生產(chǎn)電能,為未來的基地提供能源。
NASA、美國能源部、橡樹嶺國家實驗室和愛達荷國家實驗室等4家機構(gòu)定期召開行業(yè)技術(shù)會議,就月球核電站計劃進行討論。科學(xué)家們確定的工作流程如下:由NASA向眾多美國科技公司征集地外核電站設(shè)計方案,初步形成可行性分析報告,由愛達荷國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和美國能源部進行評估,形成更細致的方案。最后,經(jīng)過評估具備可行性的方案交由NASA做進一步研究。
《大眾科學(xué)》指出,NASA征集到的方案基本上包括兩個方面:一是根據(jù)月球和火星上的環(huán)境,設(shè)計核反應(yīng)堆,力求核反應(yīng)堆能夠在特殊的環(huán)境中運行,減小核泄漏或其他重大事故發(fā)生的可能性;二是打造一個用于測試的核反應(yīng)堆,利用火箭的飛行系統(tǒng)和著陸器,將核反應(yīng)堆帶至目的地——月球表面進行實驗,通過觀測其變化情況來收集數(shù)據(jù),再對核反應(yīng)堆進行改進。
NASA太空技術(shù)局核技術(shù)部負責(zé)人安東尼·卡洛米諾表示,NASA勾畫的月球核電站藍圖如果能夠?qū)崿F(xiàn),將成為一項具有劃時代意義的技術(shù)創(chuàng)新,對于人類探索開發(fā)太空以及未來的星際移民都具有重要意義。
美國《連線》雜志披露,在NASA征集到的方案中,有一個方案另避蹊徑,令科學(xué)家們眼前一亮。其核心是利用月球上富含的氦-3元素作為核原料,部署并運行安全高效的核電站。
氦-3是氦的同位素之一,是一種無色、無味、穩(wěn)定的元素。1996年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氦-3可以作為核聚變原料。其核聚變反應(yīng)不生成中子,所以幾乎無放射性,而且使用氦-3作為原料,核聚變反應(yīng)的發(fā)生過程更容易被掌控,從而使人類以安全、高效、環(huán)保的方式運行核聚變反應(yīng)堆。它比用氫做原料進行核聚變還要安全、清潔,能源利用率也更高。因此,有科學(xué)家認為,“即使將氦-3核電站建在地球城市中的鬧市區(qū)也是安全的。這種可控型核聚變反應(yīng),能夠確保人類在數(shù)千年內(nèi)都不會面臨能源危機”。
然而,氦-3在地球上難覓蹤影。據(jù)估算,氦-3在全世界的總儲量不超過100千克,大部分是由氚元素衰變而成的。即使算上深海氣井和火山氣體中的氚衰變而成的氦-3,全世界一年最多也只能產(chǎn)生10—20千克。這么一點“產(chǎn)量”,即使用作科研原料也顯得捉襟見肘,哪里談得上作為核聚變原料來發(fā)電呢?
值得關(guān)注的是,氦-3大量存在于月球上??茖W(xué)家估算,約有100萬噸氦-3嵌附在月球表層,只需要加熱到合適的溫度,90%以上的氦-3就會釋放出來。月球上氦-3的總儲量如果都用作核原料來發(fā)電,可供人類使用700年!
氦-3罕見于地球,卻在月球上大量存在,其主要原因在于,月球40億年來一直是太陽風(fēng)粒子的“收集器”,有2億—5億噸氦-3粒子嵌入月球表層10—50米的土層中。由于月球的磁場極弱,使氦-3粒子能夠在月壤中“安營扎寨”。相比之下,地球上的氦-3粒子在磁場的作用下,沿著磁力線運動,最終被大氣層“俘獲”。
月球也是“提煉”氦-3的合適場所。那里的環(huán)境接近真空、引力?。▋H為地球引力的1/6)、溫差大(130℃到-183℃之間),采用合適的方法,能夠?qū)⒃氯兰訜?,將?3分離出來。
上述方案還大膽設(shè)想,氦-3不僅可以作為月球核電站的原料,還能為地球所用。雖然月地距離遙遠,但在月球上開采、加工氦-3,然后將其運回地球發(fā)電,具備一定的可行性。據(jù)估算,宇航飛船從月球運回地球20噸液化氦-3,即可供應(yīng)美國一年所需的電能。
安東尼·卡洛米諾表示,無論最終采用哪一種方案,NASA的目標是到本世紀20年代末,開發(fā)出一個10千瓦級的核能電力系統(tǒng),并在月球上運行。這種核電系統(tǒng)至少能夠連續(xù)工作10年。
具體而言,該設(shè)施將在地球上制造和組裝,并進行安全測試,確保能夠正常運轉(zhuǎn)。隨后,可將該設(shè)施整合到月球著陸器上,由運載工具運送到繞月軌道。著陸器降落至月球表面,不需要再進行組裝,這個小型核電設(shè)施即可運行。它可能采取核聚變或核裂變的反應(yīng)方式,其堆芯能夠產(chǎn)生能量。能量被轉(zhuǎn)移到動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由靠反應(yīng)堆熱能工作的發(fā)電機組成,發(fā)電機將熱能轉(zhuǎn)化為電能,可用于月球上的各種設(shè)備。
4套這樣的系統(tǒng),每套提供10千瓦電力,就可以解決小型月球基地的能源供應(yīng)問題。利用核反應(yīng)堆在月球表面生產(chǎn)電能,將使設(shè)計、建立月球基地以及開發(fā)利用月球資源成為可能。
據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道,遠有切爾諾貝利核事故,近有福島核事故,很多人對于核電站的安全性感到擔(dān)憂。對此,一家美國核能領(lǐng)域就業(yè)機構(gòu)的負責(zé)人安德魯·克拉布特里表示,人們完全不必擔(dān)心地外核電設(shè)施的安全性,因為此前科學(xué)家已經(jīng)在月球上利用過核能。美國阿波羅12號探測器就由一部放射性同位素?zé)犭姍C供電,它標志著人類首次在月球上使用核電設(shè)施。
《新科學(xué)家》指出,太空開發(fā)領(lǐng)域有個術(shù)語叫“核安全軌道”,指的是在飛行軌道足夠高的衛(wèi)星等航天器上使用核能設(shè)施是安全的,因為即使提供能源的核反應(yīng)堆發(fā)生故障,也不會掉落到地球上。月球的運行軌道距地球有38萬千米之遙,已經(jīng)足夠高。從理論上說,在月球上部署核反應(yīng)堆是安全的。
目前有一些執(zhí)行太空任務(wù)的探測器采用放射性同位素?zé)犭姍C,以钚-238作為電力來源。比如著名的卡西尼號土星探測器,就使用了钚-238。美國“自由生物安全”公司首席創(chuàng)新官莫瑞博士表示,即使這類設(shè)施在月球上發(fā)生事故,給地球造成的風(fēng)險也很小,因為地球大氣層能將核輻射阻擋在外層空間。
阿波羅12號由放射性同位素?zé)犭姍C供電
阿波羅12號由放射性同位素?zé)犭姍C供電NASA設(shè)想將小型核電站部署到月球上
NASA并未忽視安全問題,在評估月球核電站方案時,很重視其對環(huán)境的影響,在設(shè)計電力系統(tǒng)時,也會確保核原料在抵達月球后才被激活。在月球核電站10年的運行期結(jié)束后,NASA計劃將該設(shè)施安全撤走?!霸撛O(shè)施最終將關(guān)閉,核輻射將降低至人類可以接觸和處理的安全水平?!?安東尼·卡洛米諾表示。
有些科學(xué)家反對在月球上部署核電站。他們的理由是,隨著基于太陽能的清潔能源成本不斷下降,沒有理由再依靠建造耗時、費用昂貴且令人擔(dān)憂的核電設(shè)施?!缎驴茖W(xué)家》雜志指出,目前各國在太空開發(fā)領(lǐng)域使用的能源主要分為三類:太陽能、化學(xué)能(燃料電池等)以及核能。隨著未來太空探索任務(wù)需求量日益增大,以及太陽能、化學(xué)能在深空探索行動(如前往火星乃至更遙遠的星體)中的局限性增大,以核反應(yīng)堆為基礎(chǔ)的核能系統(tǒng)是不可或缺的。
核反應(yīng)堆支持的電力系統(tǒng)功率大、能量密度高,相比于其他電源具有較高的功率質(zhì)量比,可在不易獲得太陽能的環(huán)境中工作。例如,火星上的周期性沙塵暴可能持續(xù)數(shù)月;月球上永久陰影處的隕石坑內(nèi)照不到陽光,在這些情況下難以利用太陽能。目前月球南極是各國的研究重點,因為那里有永久性陽光照射區(qū),可以利用太陽能。但如果科學(xué)家想在月球表面的低緯度地區(qū)建立科考站,就將面臨月夜,理想的能源解決方案之一就是建立核反應(yīng)堆供電系統(tǒng)。
編輯:姚志剛 winter-yao@163.com