邱林

月壤中富含氦-3

開始征集月球核電站方案

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(zhǔn)備，正在推進(jìn)一個重要項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室和愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室等4家機(jī)構(gòu)定期召開行業(yè)技術(shù)會議，就月球核電站計劃進(jìn)行討論?？茖W(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(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部進(jìn)行評估，形成更細(xì)致的方案。最后，經(jīng)過評估具備可行性的方案交由NASA做進(jìn)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(yùn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過觀測其變化情況來收集數(shù)據(jù)，再對核反應(yīng)堆進(jìn)行改進(jìn)。

NASA太空技術(shù)局核技術(shù)部負(fù)責(zé)人安東尼·卡洛米諾表示，NASA勾畫的月球核電站藍(lán)圖如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將成為一項(xiàng)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。

月球上的核原料——氦-3

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(yùn)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(yùn)行核聚變反應(yīng)堆。它比用氫做原料進(jìn)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(rèn)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(jī)”。

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(diǎn)“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。科學(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(yùn)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(yuǎn)，但在月球上開采、加工氦-3，然后將其運(yùn)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(yùn)回地球20噸液化氦-3，即可供應(yīng)美國一年所需的電能。

安全性完全不必?fù)?dān)憂

安東尼·卡洛米諾表示，無論最終采用哪一種方案，NASA的目標(biāo)是到本世紀(jì)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(yùn)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(jìn)行安全測試，確保能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨后，可將該設(shè)施整合到月球著陸器上，由運(yùn)載工具運(yùn)送到繞月軌道。著陸器降落至月球表面，不需要再進(jìn)行組裝，這個小型核電設(shè)施即可運(yùn)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(jī)組成，發(fā)電機(jī)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(yuǎn)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(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人安德魯·克拉布特里表示，人們完全不必?fù)?dān)心地外核電設(shè)施的安全性，因?yàn)榇饲翱茖W(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(jī)供電，它標(biāo)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?yàn)榧词固峁┠茉吹暮朔磻?yīng)堆發(fā)生故障，也不會掉落到地球上。月球的運(yùn)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(jī)，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?yàn)榈厍虼髿鈱幽軐⒑溯椛渥钃踉谕鈱涌臻g。

阿波羅12號由放射性同位素?zé)犭姍C(jī)供電

阿波羅12號由放射性同位素?zé)犭姍C(jī)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(dá)月球后才被激活。在月球核電站10年的運(yùn)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。

核能系統(tǒng)不可或缺

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(fèi)用昂貴且令人擔(dān)憂的核電設(shè)施。《新科學(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(yuǎn)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(diǎn)，因?yàn)槟抢镉杏谰眯躁柟庹丈鋮^(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