青少年喜欢的科技前研:什么是空间核技术

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什么是空间核技术

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空间技术与核技术是现代高技术的两大重要领域,而这两门技术的完美结合则是现代人类智慧的又一结晶。

核能源可以成为航天的动力。

自从1957年前苏联发射第一颗人造卫星以来,在宇宙空间,已有来自世界各国的4500颗卫星。至20世纪90年代中约有70颗卫星采用了同位素电池和核反应堆电源。美国于1965年4月发射的SNAP-10A卫星,虽只运行43天,却是世界上第一个利用核反应堆电源的卫星,这表明核反应堆电源是可以作为空间能源而加以利用的。

空间核反应堆能源的研究起步于美苏对峙的20世纪50年代。现在,从中国航天技术发展战略考虑,也只有空间反应堆电源才能满足航天事业发展的要求。

虽然各国都在积极发展空间核反应堆能源,但反应堆在使用中或在事故条件下是否对人造成危害?对地面或近地空间是否产生污染?是否会因发射、操作失误或失控而产生爆炸?

据文献记载,在美国发射的38个空间核电源中,共发生4起事故,但没有发生人身伤害后果。

前苏联的空间核能源发生了两起较大事故,但检测表明未造成放射性污染。

首先,对空间核能源应有使用评价。

与太阳电池-蓄电池组合电源不同,空间核能源与光照无关,可在强磁场和尘埃流等等恶劣环境下工作,适合于星际和深空探测。核电源具有抗辐射能力,适合机动飞行,可用于大功率、长寿命、低轨道的航天器。例如可作为多功能军用卫星和空间站电源。

空间核电源具有结构紧凑,造价低,寿命长的优点:一个电功率为100千瓦的空间核反应堆,堆的本体积仅为20余升。在造价方面,美国在大量试验的基础上估计,一个100千瓦的电力系统,采用核反应堆将比用太阳能节省约4/5的费用;法国曾对200千瓦系统进行比较,初次生产(包括研究开发费用)价格与太阳能系统相当,若重复生产,其价格只相当于大阳能系统的1/100空间核反应堆能源目前使用寿命目标为3-5年,计划21世纪初达到7~10年。

其次,再谈安全评价问题。

联合国和平利用空间科学技术委员会在1978年“字宙-954事故”后,对原子能在空间的和平利用作过多次讨论。那次事故发生在1978年1月24日,前苏联军用卫星“宇宙-954号,因控制机构失灵坠人大气层,变成许多小碎片,散落在加拿大。

1992年,又进行了专门讨论,专家们认为只要采取下列措施,空间使用核能是安全的:

  • (1)卫星进入工作轨道前,反应堆不能启动;
  • (2)带核反应堆电源系统的卫星在低轨道使用时,必须有两套独立系统保证核电安全;
  • (3)反应堆的燃料除不能用钚-239外,其他浓度的核燃料未受限制。

前苏联在“宇宙-954事故”后进行了两年的研究,制定出一整套确保反应堆系统安全的措施:

  • (1)发射前任何情况下保证反应堆处于次临界(包括掉入水中、石油和沙漠中)状态;
  • (2)有两套独立的安全的工作系统保证核安全:当停堆(事故停堆或任务完成后停堆),能用电火箭将核电源推人高轨道;当此计划失败后,卫星掉到110-100公里时,由地面或仪表库单独发出指令,引爆核电源,使核电源系统粉化,其可靠性为0.99995;当再一次失败时,卫星降到90公里时,空气的摩擦力将使核电源系统解体,燃料元件弹出,烧毁。保证掉到地球上粉尘的放射性活度极小,与地面本底差不多。

无论是美国还是俄罗斯,对反应堆的控制系统的设计都增加了安全性。据美国和俄罗斯空间核反应堆的运行状况和安全分析结果,反应堆的主要危险来自于运载工具的飞行器本身非核电部分及反应堆冷却剂丧失事故。但即使发生事故,空间核反应堆的放射性污染不大,不会对环境造成超过允许剂量的污染。
有关空间核能源的另一个设想是,在月球建立能源基地。

美国科学家曾于1968年提出,在地球轨道上,发射巨大的太阳能电池卫星,利用它再将太空中获得的电力用微波送回地球。这一设想将在21世纪初成为现实。
日本材料科学技术振兴财团进一步提出了月面能源基地构思。根据这一设想,日本将在月球表面上设置大型日镜对太阳光进行聚光,再由发电装置转换成电力,把所得电力变换成激光返回地球的输电装置。发电规模为500千瓦,地面接受其电力约1/10的50千瓦,这是第一阶段。

2020年以后为第二阶段,计划在月面设置发电规模为400000千瓦的原子反应堆,以静止轨道上的长中继卫星为中介,向具有150米抛物线聚光镜的地面接受电力基地供应激光,激光强度设想为3-5千瓦/平方米,可获得约6000千瓦电力,届时还将验证太空发电对环境和氧气的影响。

第三阶段定于2050年时实施,届时将在月面建立1000个100000千瓦的长期反应堆,可利用月球上的铀资源,实行发电,地面可获得20000千瓦/个的电力,共计20000000瓦总电力。

第四阶段为2100年以后,再由核发电向太阳能发电转移,从而建立永久性的能源供应基地。

人类的智慧是无穷的,核能的前景永远是光明的。

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