科學也可以如此靠近

航天局將為什麼要建太空核反應堆,僅僅為了給衛星供電?


2017年12月23日21時 今日科學 旁眼冷觀看科技
旁眼冷觀看科技

俄羅斯衛星通訊社北京10月30日電 據俄羅斯《消息報》報導,俄羅斯航天國家集團公司啟動軌道核電站的研製工作,核電站可在太空提供電力,並通過雷射束為其他衛星充電。伏龍芝兵工設計局獲得了研究工作的任務。

1年前,另一家俄羅斯企業科羅廖夫能源火箭航天公司成功進行了地面試驗,距離1.5公里通過雷射傳輸能量。

根據俄羅斯航天國家集團公司的技術要求,伏龍芝兵工設計局應研製用於雷射定向傳輸能量的太空裝置。俄羅斯自2010年以來進行開發計劃在該軌道電站使用的的核能。核反應堆的功率將為100至1000千瓦。

據《消息報》的消息,研究人員應在2018年11月底前向俄羅斯航天國家集團公司提供可能的衛星外形與主要特徵、在不同軌道的布置方案、太空發射方案、緊急情況下安全保障措施。

《消息報》指出,相關技術早在蘇聯時期就行了研究。蘇聯共建造了30個太空核電站裝置。它們正是由伏龍芝兵工設計局研製的,而核裝置由今天俄羅斯國家原子能公司所屬的「紅星」公司(Krasnaya Zvezda State Enterprise) 。

太空核電站已經開發已久

早在1978年1月24日,前蘇聯軍用衛星「宇宙954」號因控制機構失靈而墜入大氣層,變成許多小碎片,散落在加拿大的西北部地區。加拿大政府就此向前蘇聯提出抗議,並要求賠償損失。國外一些報刊也就此紛紛發表評論。

怎麼衛星墜毀於他國,竟引起抗議和糾紛呢?原來在前蘇聯這顆軍用衛星上裝有核反應堆,衛星失事後變成碎片散落在地面上,就會產生污染。人們由此知道,核反應堆已被搬上太空,成為當時超級大國爭奪空間的重要工具。

其實,美國在這方面也毫不示弱。早在1965年,它就發射了一顆裝有核反應堆的衛星。將核反應堆裝在衛星上,主要是用它提供重量輕、性能可靠、使用壽命長和成本較低的電能。

在衛星上裝有各種電子設備,包括電子計算機、自動控制裝置、通信聯絡機構、電視攝像和發送系統等,都需要使用大量可靠的電能。對於用來探測火星、木星等星體的行星際飛行器,配備的電子設備就更多更複雜,而且來回航程就要數年至十幾年。在此期間,還要與地球保持不斷的聯繫,因此,這種太空飛行器上所用的電源,就要求容量更大,性能更加可靠。

為了滿足太空衛星和飛行器的用電要求,人們進行了各種試驗研究。

60年代初期,首先在衛星和太空飛行器上使用了燃料電池。這種電池和普通化學電池(即乾電池)不同,它實際上是一種發電設備。只要向電池中不斷地注入反應物質(流體)。排出反應的產物,燃料電池就能長期連續地進行工作。

通常廣泛採用的是氫-氧燃料電池。由於這種燃料電池是一種把燃料具有的化學能,也就是氫-氧燃料的燃燒熱能連續而直接地轉變成電能,沒有作機械運動的零部件,所以它的工作穩定可靠。不僅如此,它除了能得到需要的電能外,還可以得到與燃料的消耗量相同的水。這種水經過凈化以後就可供人飲用。這對太空飛行器來說,是一種寶貴的副產品。美國的「阿波羅」飛船登上月球,就採用了氫-氧燃料電池。但是,燃料電池的成本高,使用壽命最長為幾十天,不能滿足長期使用的要求。

堪稱空間電源大力士的核反應堆,其電容量從500瓦至幾千瓦,甚至可高達百萬瓦。在這種情況下,對於要求電源容量越來越大的一些太空飛行器來說,就理所當然地選用核反應堆作電源了。

太空核反應堆在工作原理上與陸地上的核反應堆基本一樣,只是前者由於在太空飛行中使用,要求反應堆體積小,輕便實用。為此,太空核反應堆所用的燃料是純鈾-235。這種核反應堆連同控制裝置,大約像2千克重的小西瓜那麼大。反應堆運行時產生的熱量,一般用以下兩種辦法轉換成電能:一種辦法是,將裝有液態金屬(如水銀或鉀鈉合金)的管子從反應堆中通過,液態金屬就吸收熱量變成蒸氣,來推動汽輪發電機發電。它的優點是,能量轉換效率高,可達30%。缺點是,汽輪機的轉速很高,達到每分鐘1萬轉,這在空間飛行無人維修的情況下,很難做到長期安全運行。因此,這種辦法未能得到實際使用。另一種方法是,以熱電偶或熱離子方式發電。它不需要轉速很高的汽輪機,所以使用簡便,可以長期穩定地發電。但熱電偶的轉換效率只有2%,絕大多數熱量都浪費掉了。而熱離子轉換效率比熱電偶高得多,是很有發展前途的一種換能方法。

熱離子換能是利用熱離子二極體來完成。它是將熱離子二極體的發射極(陰極)緊靠著反應堆中的燃料元件。當核裂變產生的熱量將發射極加熱到1500~2000℃的高溫時,發射極中的自由電子就得到足夠的能量而飛出。這時二極體的收集極(陽極)就將電子收集起來,結果在陽極和陰極之間形成通路,產生了電流。

太空核反應堆不僅用作空間飛行器和衛星的主要能源,而且還是未來用於考察和開採月球礦藏的理想電源。在人類征服宇宙空間的偉大事業中,空間核反應堆無疑將是最得力的助手之一。


延伸閱讀

我國第一顆暗物質粒子探測衛星悟空號「取經」記

如何快速驅散一個屁?憋回去的屁去了哪?原來真有「

《自然》《科學》一周(11.27-12.3)材料

一個5維黑洞揭示愛因斯坦理論的黑暗處,未探索角落

轉基因技術究竟是科學碩果還是基因災難? 看看我們


熱門內容

友善連結



APP