太空燃料（太空燃料）

概述

太空燃料，氦3是地球上極為稀有的同位素，它可以激發(fā)出極高的能量。在聚變反應(yīng)堆中，投入1公斤這種物質(zhì)，可以產(chǎn)生10兆瓦的電力。投入33公斤，便可滿足整個(gè)美國(guó)1年所需的電能。因此氦3有“太空燃料”之稱。由于地球十分缺乏這種燃料，科學(xué)家的腦筋便轉(zhuǎn)向天外。他們發(fā)現(xiàn)月球竟是“太空燃料”的寶庫(kù)。月球地表的泥土蘊(yùn)含著極豐富的氦3。

科學(xué)研究

美國(guó)威斯康辛州立大學(xué)的科學(xué)家，正著手設(shè)計(jì)登月采集氦3的裝置。他們計(jì)劃發(fā)射一艘?guī)в胁杉b置的宇宙飛船飛至月球，放出挖土機(jī)挖取泥土，然后利用另外的裝置從泥土中提煉出氦3來(lái)，再用太陽(yáng)能反射器將氦3加熱至700℃，液化濃縮到適當(dāng)?shù)拿芏?，然后運(yùn)回地球。

在距離地球 180 億公里之外，旅行者 1 號(hào)正穿越太陽(yáng)系的外沿，如果它的設(shè)備沒(méi)有出錯(cuò)，那么這個(gè)探測(cè)器終于將要進(jìn)入未知領(lǐng)域———寒冷廣袤的星際空間。這場(chǎng)旅程已經(jīng)持續(xù)了 35 年。旅行者 1 號(hào)之所以能有如此長(zhǎng)的壽命，要感謝它的溫暖的心臟钚-238.這種放射性材料是核武生產(chǎn)的一個(gè)副產(chǎn)品，在衰變的過(guò)程中釋放熱能，熱能又被轉(zhuǎn)化為電力用于驅(qū)動(dòng)旅行者 1 號(hào)上的設(shè)備。在接下來(lái) 10 年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間里，這個(gè)探測(cè)器將繼續(xù)將信號(hào)傳回地球，直到消失在無(wú)盡的宇宙空間中。

提供能源

自上世紀(jì)60 年代以來(lái)，钚的同位素在遠(yuǎn)距離太空任務(wù)中扮演了關(guān)鍵角色，主要被用在執(zhí)行遠(yuǎn)程太空任務(wù)的探測(cè)器上。由于遠(yuǎn)離太陽(yáng)，這些探測(cè)器無(wú)法使用太陽(yáng)能電池板提供動(dòng)力。比如木星探測(cè)器伽利略號(hào)、先驅(qū)者號(hào)行星探測(cè)器、旅行者號(hào)探測(cè)器，還有土星探測(cè)器卡西尼號(hào)都依靠钚同位素提供動(dòng)力。

按照CSNR 的建議，將钚-238投入商業(yè)化生產(chǎn)可以減輕稅收負(fù)擔(dān)，但是這樣做可能帶來(lái)安全隱患。钚是已知最危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)之一，它的同位素可釋放強(qiáng)大的阿爾法粒子，如果吸入將會(huì)致命。還不如將重啟生產(chǎn)線需要的時(shí)間和金錢(qián)用于研究更安全的替代燃料。

钚-238在所有的 NASA 遠(yuǎn)距離太空任務(wù)中都扮演了關(guān)鍵角色，這不是沒(méi)有原因的：這種材料在釋放阿爾法粒子時(shí)產(chǎn)生熱能，半衰期長(zhǎng)達(dá) 87 年，衰變速度極慢。封閉在放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器中，衰變的钚讓熱電偶升溫，創(chuàng)造電力。每克钚- 238可產(chǎn)生約0 .5瓦電力。每年，NASA 平均要使用 2000 克左右的這種材料用于驅(qū)動(dòng)各種探測(cè)器。

钚- 238生產(chǎn)起來(lái)非常昂貴。傳統(tǒng)的方法是將一堆镎-237放在一個(gè)強(qiáng)大的核反應(yīng)堆中，用中子對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)達(dá) 1 年的輻射。然后還需要經(jīng)過(guò)一系列的提純步驟，才能將钚-238從其他的裂變產(chǎn)物中分離出來(lái)。

提取方式

有一種更簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方式。關(guān)鍵在于采用機(jī)械補(bǔ)料生產(chǎn)線，圍繞反應(yīng)堆芯建一條環(huán)形管道。包含少量镎-237的膠囊被不斷地沿著管道向前推進(jìn)，每個(gè)膠囊在反應(yīng)堆中停留數(shù)天。當(dāng)它們從另一端出來(lái)時(shí)，钚-238被提取出來(lái)，剩下的镎-237再被送回生產(chǎn)線。每一次僅有約0 .01% 的镎被轉(zhuǎn)換成钚。因此要得到 NASA 所需的上千克的數(shù)量，這個(gè)過(guò)程需要重復(fù)幾千次。

這一技術(shù)具有一些顯著優(yōu)勢(shì)，包括縮短輻射時(shí)間，使裂變產(chǎn)物減少，從而讓之后的化學(xué)分離過(guò)程簡(jiǎn)化，并可減少放射性垃圾的產(chǎn)生。此外這種方法可以采用運(yùn)作成本要小得多的小型反應(yīng)堆。豪甚至提議讓生產(chǎn)商業(yè)化，NASA 和國(guó)防部只需要購(gòu)買(mǎi)最終成品，無(wú)需為生產(chǎn)過(guò)程投入資金。

遵循牛頓的平方反比定律，陽(yáng)光強(qiáng)度隨著和太陽(yáng)的距離加大而降低。如此看來(lái)太陽(yáng)能似乎不適合遠(yuǎn)離太陽(yáng)的空間任務(wù)。比如在冥王星的軌道上，2000平方米的陽(yáng)光所產(chǎn)生的能量?jī)H僅相當(dāng)于地球軌道上 1 平方米的陽(yáng)光。然而2011年，NASA 發(fā)射了第一個(gè)采用太陽(yáng)能的木星探測(cè)器朱諾號(hào)。朱諾號(hào)依靠 3 個(gè) 10 米長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生動(dòng)力。據(jù)2007 年的一份 NASA 報(bào)告，即使在比木星更遠(yuǎn)的地方，探測(cè)器依然可以使用太陽(yáng)能。