NASA勾畫月球核電站藍圖

邱林

月壤中富含氦-3

開始征集月球核電站方案

據美國《大眾科學》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家機構定期召開行業(yè)技術會議，就月球核電站計劃進行討論?？茖W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，經過評估具備可行性的方案交由NASA做進一步研究。

《大眾科學》指出，NASA征集到的方案基本上包括兩個方面：一是根據月球和火星上的環(huán)境，設計核反應堆，力求核反應堆能夠在特殊的環(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堆，利用火箭的飛行系統和著陸器，將核反應堆帶至目的地——月球表面進行實驗，通過觀測其變化情況來收集數據，再對核反應堆進行改進。

NASA太空技術局核技術部負責人安東尼·卡洛米諾表示，NASA勾畫的月球核電站藍圖如果能夠實現，將成為一項具有劃時代意義的技術創(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，科學家發(fā)現氦-3可以作為核聚變原料。其核聚變反應不生成中子，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，能夠確保人類在數千年內都不會面臨能源危機”。

然而，氦-3在地球上難覓蹤影。據估算，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生10—20千克。這么一點“產量”，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？

值得關注的是，氦-3大量存在于月球上?？茖W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、引力小（僅為地球引力的1/6）、溫差大（130℃到-183℃之間），采用合適的方法，能夠將月壤加熱，將氦-3分離出來。

上述方案還大膽設想，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。據估算，宇航飛船從月球運回地球20噸液化氦-3，即可供應美國一年所需的電能。

安全性完全不必擔憂

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，并在月球上運行。這種核電系統至少能夠連續(xù)工作10年。

具體而言，該設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。隨后，可將該設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，這個小型核電設施即可運行。它可能采取核聚變或核裂變的反應方式，其堆芯能夠產生能量。能量被轉移到動力轉換系統中。該系統由靠反應堆熱能工作的發(fā)電機組成，發(fā)電機將熱能轉化為電能，可用于月球上的各種設備。

4套這樣的系統，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問題。利用核反應堆在月球表面生產電能，將使設計、建立月球基地以及開發(fā)利用月球資源成為可能。

據英國《新科學家》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憂。對此，一家美國核能領域就業(yè)機構的負責人安德魯·克拉布特里表示，人們完全不必擔心地外核電設施的安全性，因為此前科學家已經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熱電機供電，它標志著人類首次在月球上使用核電設施。

《新科學家》指出，太空開發(fā)領域有個術語叫“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施是安全的，因為即使提供能源的核反應堆發(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，已經足夠高。從理論上說，在月球上部署核反應堆是安全的。

目前有一些執(zhí)行太空任務的探測器采用放射性同位素熱電機，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，即使這類設施在月球上發(fā)生事故，給地球造成的風險也很小，因為地球大氣層能將核輻射阻擋在外層空間。

阿波羅12號由放射性同位素熱電機供電

阿波羅12號由放射性同位素熱電機供電NASA設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，在設計電力系統時，也會確保核原料在抵達月球后才被激活。在月球核電站10年的運行期結束后，NASA計劃將該設施安全撤走?！霸撛O施最終將關閉，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。

核能系統不可或缺

有些科學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、費用昂貴且令人擔憂的核電設施?！缎驴茖W家》雜志指出，目前各國在太空開發(fā)領域使用的能源主要分為三類：太陽能、化學能（燃料電池等）以及核能。隨著未來太空探索任務需求量日益增大，以及太陽能、化學能在深空探索行動（如前往火星乃至更遙遠的星體）中的局限性增大，以核反應堆為基礎的核能系統是不可或缺的。

核反應堆支持的電力系統功率大、能量密度高，相比于其他電源具有較高的功率質量比，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)數月;月球上永久陰影處的隕石坑內照不到陽光，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堆供電系統。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com