美国在火星人类基地的核反应堆已准备就绪 2022年可进行地外演示任务

一个在火星表面使用四个10千瓦单位的裂变电力系统。(图片：NASA)

项目组成员说，在几年之后，能够为月球和火星前哨基地提供动力的一种新型核反应堆就可以进行首次太空试验。

飞行测试是Kilopower实验性裂变反应堆的下一个重要步骤，从2017年11月到2018年3月，该反应堆通过了一系列关键的地面测试。美国新墨西哥州能源部(DOE)洛斯阿拉莫斯国家实验室Kilopower项目负责人帕特里克·麦克卢尔(Patrick McClure)表示，目前该项目还没有在地球外进行演示的计划，但如果有需要的话，Kilopower应该可以在2022年左右进行地外演示任务。

“我认为我们可以在三年内做到这一点，为任务做好准备，”麦克卢尔在上个月底对美国宇航局未来太空行动工作组(Future in space Operations working group)的一次演示中说。

他补充说：“我认为三年是一个非常可行的时间安排，”并强调这是他的观点，NASA的观点不一定相同，后者正在与能源部一起开发Kilopower项目。

太空中的另一种核能

几十年来，宇宙飞船一直以核能为动力。NASA的旅行者1号和旅行者2号探测器、新视野号宇宙飞船、好奇号火星探测车以及其他许多机器探测车都使用放射性同位素热电发生器(RTGs)，将钚238放射性衰变释放的热量转化为电能。

RTGs的输出功率相对较低。例如，好奇号和美国宇航局即将推出的火星2020探测车所使用的RTGs，在任务开始时只产生约110瓦的电力。(这种产出会随着时间慢慢下降。)

麦克卢尔说，载人火星前哨任务对能源的需求将会大得多，这些任务将需要40千瓦的持续可用电力，即使是NASA计划在本世纪30年代末建成的小型研究站也不例外。毕竟，先驱者们需要电力来净化他们的水源，从以二氧化碳为主的火星大气中生产氧气，给他们的漫游车充电，加热他们的栖息地等等。

因此，人类对火星的探索将需要另一种不同的能源生产策略，这就轮到Kilopower发挥用场了。

就像地球的核电站一样，Kilopower也是一个裂变反应堆。它通过斯特林发动机将原子分裂产生的热量转化为电能。(相比之下，核电站通常使用这种热量来产生转动涡轮的蒸汽。)

麦克卢尔说，在2018年3月结束的地面测试系列中，该反应堆被称为KRUSTY(Kilopower Reactor Using Stirling Technology，即使用斯特林技术的Kilopower反应堆)，它将30%的裂变热转化为电能，这种效率使RTGs相形见绌，后者转换的热量约只有7%。

麦克卢尔说：“这是一次非常成功的测试。

Kilopower项目于2015年正式启动，但项目策划者早在2012年就已经通过一个名为“Demonstration Using Flattop Fissions(DUFF)”的实验证明了这个基本概念。听起来很熟悉吧?是的，工作人员是《辛普森一家》的粉丝，Kilopower 项目的工作人员都很年轻：DUFF和KRUSTY是这部动画中的啤酒名和角色名。麦克卢尔说，项目组成员戴夫·波斯顿是《辛普森一家》的超级粉丝，Duff是荷马·辛普森(Homer Simpson)喜欢喝的啤酒，小丑Krusty在《辛普森一家》中主持一档儿童电视节目。

去火星?

正如其名所示，Kilopower反应堆的设计目标是产生至少1千瓦的电力(1千瓦时)。麦克卢尔说，它的产量可扩大到10千瓦左右，并且可以运行约15年。

因此，四个扩大过的Kilopower反应堆可能就可以满足NASA探索者的能源需求，第五个反应堆可能会在着陆之后留着备用。这些设备比你想象的要小。整个10-kWe反应堆将只有11英尺(3.4米)高，反应堆组件的大小相当于一个老式金属垃圾桶。麦克卢尔说，如果不算上保护措施的话，反应堆核心就只有一卷纸巾那么大。

尽管是这样，这些部件仍然很重。加上保护装置之后，整个10-kWe反应堆可能重约2000公斤。麦克卢尔说，如果反应堆被埋在地下，反应堆的重量就可以减少，屏蔽保护装置也不需要那么多。(如果没有屏蔽装置的话，10-kWe反应堆的重量约为1500公斤。)

他强调，Kilopower反应堆将非常安全。这些设备在到达深空之前不会开启，所以即使搭载反应堆的火箭撞回地球，也不会造成辐射暴露威胁。(顺便说一句，反应堆并不一定要在月球或火星表面才可以启动;麦克卢尔说，Kilopower反应堆具有足够的灵活性，无需太多修改就能被整合到深空探测器之中，这大大有助于深空探测器的电力推进。)

此外，Kilopower还可以进行自我调节，麦克卢尔说。如果反应堆过热，它的斯特林发动机就会从铀堆芯吸收更多的热量。如果温度下降太多的话，反应对核心就会自然收缩，捕获更多的中子，导致更多的原子分裂碰撞。

拥有四座运行反应堆可能会让火星前哨站产生一种真正度假的感觉。这些设备将会向火星大气中释放大量的“额外”热量;毕竟，30%的转换效率意味着70%的裂变热量流失。所以它们会配备散热器。一个突出的设计设想在反应堆顶部安装宽而圆的散热器，这看起来就像一把沙滩伞。

快要实现了吗?

麦克卢尔说，KRUSTY 测试结束后不久，Kilopower团队就开始着手调查可以实现的示范任务。

他说：“我们首先想到的是一个潜在月球着陆器，所以我们也确实研究了一个月球系统可能的样子。”

麦克卢尔补充说，这一概念任务可能不会实现，因为它的目标是月球北极，而美国国家航空航天局(NASA)对载人登月探索的焦点目前集中在月球南极。(作为阿尔忒弥斯计划的一部分，NASA的目标是在2024年让宇航员在月球南极地区着陆。)但是麦克卢尔说，如果美国宇航局启动太空任务的话，团队也非常愿意在太空任务中尝试。

他说：“我们很兴奋，我们期待着做一些新的事情，超越过去。”

他补充说，Kilopower是美国过去40年间开发的第一个创新裂变反应堆概念。将其送入太空当然会成就一个里程碑，但这种举动也不会开辟出一个全新的领域。

毕竟，人类早就已经往太空发射过裂变反应堆。1965年4月，美国曾经向轨道发射过搭载着一个反应堆的实验卫星SNAP-10A。(在43天后，一个电气部件出现故障导致反应堆关闭。)从1967年到20世纪80年代末，苏联也通过卫星发射了30多个裂变反应堆。