反应堆

如果一切顺利，美国登陆器将在未来十年的某个时候带着一个小型核反应堆抵达月球基地。在反应堆内部，硼控制棒将延伸到铀堆中，引发核链式反应，分裂铀原子并释放热量。接下来，热量将被传递到一个发电机，它将把光带到月球基地。

美国国家航空航天局经过半个世纪的努力，建造了一个能够在太空使用的核反应堆，并且刚刚完成了一个新设计的测试。新的反应堆被称为千功率反应堆，它的下一个里程碑可能是在21世纪20年代的某个时候太空飞行的开始。千功率是在美国能源部的帮助下开发的。它标志着美国40年来建造的第一个全新的核反应堆。这可能会改变太空探索的方式，尤其是太阳系中永久人类前哨基地的能源生产。

目前的太空任务使用燃料电池、核电池或太阳能。但是月亮的夜晚持续两周，火星上的阳光强度只有地球的40%。美国宇航局太空技术部副行政助理吉姆·路透说:“当我们去月球或最终去火星时，我们可能需要大量不依赖太阳的能源，尤其是如果我们想在那里生活的话。”

千瓦时是一种小型轻质裂变反应堆，能够提供高达10千瓦的电力。美国宇航局表示，四个10千瓦的反应堆可以为火星或月球上的人类基地提供足够的电力。康涅狄格大学的工程教授、核能研究专家克劳迪奥·布鲁诺说，40千瓦的电力足以满足3到8个普通美国家庭的需求。

在太空探索中，使用核能有两种主要方式:发电或产生推进力。千瓦时将被用来发电，就像地球上的发电站一样。它产生的电力可能超过一个航天器的需求，这使得它更适合更大的行星前哨站。千功率也将用于驱动宇宙飞船，主要是为离子发动机提供能量，但是美国宇航局还没有决定使用这项技术。

自2012年以来，人们已经开发了千功率，但其效果远远超过了美国宇航局在20世纪60年代的辅助核能系统项目(SNAP)。SNAP开发了两个核能系统，一个是放射性同位素热电发电机(RTG)，它可以从放射性衰变中获取能量，提供热能和电能。数十艘深空飞船已经使用了RTG系统，包括火星上的好奇号探测器和探索太阳系外矮行星的新视野冥王星探测器。

SNAP项目的另一个动力系统是裂变反应堆系统，它通过原子分裂产生能量。这项技术与核潜艇使用的动力系统相同。美国宇航局在1965年4月发射了一座名为SNAP-10A的核电站。核电站运行了43天，在故障前产生了500瓦的电力。它现在还在地球轨道上，现在已经变成了太空垃圾。

在20世纪60年代和70年代，美国航天局还在火箭核动力应用项目中研究了核动力火箭的推进技术。这项技术利用核反应堆通过喷嘴加热氢气和废气，类似于传统火箭燃烧燃料产生的推力。但是这个项目在1973年结束了。

根据世界核能委员会，俄罗斯已经向太空发射了30多个裂变反应堆。1973年，美国总统尼克松取消了美国宇航局的核动力推进技术研究后，俄罗斯也放弃了自己的计划。布鲁诺说:“所有的研究都在1973年停止。到2018年，大多数参与该项目的人要么退休，要么死去。尽管我们还有一份报告，但报告不会说，研究人员会说。”

这项研究于2012年解冻。美国国家航空航天局和美国能源部对千动力的前身(达夫实验)进行了初步测试，产生了24瓦的电能。达夫使用热管冷却反应堆，并首次演示了斯特林发动机将反应堆热量转化为电能的应用。在达夫试验之后，美国宇航局授权启动千动力项目，该项目在2014年首次获得研究经费。

美国国家航空航天局和美国能源部最近一次千瓦时测试始于2017年11月，并将持续到今年3月。在测试过程中，千功率反应堆在全功率下测试28小时，然后关闭并冷却。马克·吉布森是美国宇航局格伦研究中心千功率项目的总工程师，他说该反应堆在800摄氏度下运行，产生超过4千瓦的电能。

美国国家航空航天局和美国能源部表示，千瓦时反应堆比以前的版本更安全，因为它运行方式不同。借助硼控制棒和铍反射器，裂变链式反应可以被控制甚至停止。美国能源部洛斯阿尔马斯国家实验室的帕特里克·麦克卢尔负责千功率项目，他说，“如果一个反应堆或火箭在发射台爆炸，堆芯中的铀235不会对一公里以外的人产生比自然环境更多的辐射。这只是最糟糕的计划。我们认为，一旦发生发射事故，反应堆不会发生故障。”

洛斯阿尔马斯国家实验室的首席反应堆设计师大卫·波斯顿说，类似的反应堆可以为离子推进器提供电力，从而为航天器提供飞行动力。但布鲁诺认为，引发裂变链式反应所需的原材料数量可能意味着反应堆太大太重，无法在实践中使用。美国宇航局提出了一个全新的铀核热机概念，类似于目前化学燃料火箭中使用的技术。然而，2017年8月启动的核热推进系统项目并没有取得与千动力相同的进展。

大多数核动力航天器使用RTG系统通过收集钚衰变产生的热量来发电。然而，RTG的能源效率极低。此外，二氧化钚原材料短缺。经过30年的间隔，美国能源部在2015年恢复了钚238的生产，但美国目前的库存仅够为美国宇航局的2020火星探测器提供动力，并且可能能够支持一两次潜在的外太阳系任务。

千瓦时可以用作替代品，但是政府官员和专家都认为这是非常可能的。吉布森说:“从能源的角度来看，我们从RTG项目开始。我们希望这个项目能让我们实现更多的用途，比如深空探测，所以你需要几千瓦的电力供应。”换句话说，人类在月球或火星上的活动需要的能量是单个千功率反应堆的10到100倍。但波斯顿说，反应堆的标准化设计可以很容易地扩大规模，以满足这些需求。

布鲁诺补充道，千功率反应堆是建造可用于太空的核电站的重要一步。下一步可能是在太空测试反应堆。美国宇航局尚未批准这样一个项目，但在本月早些时候的新闻发布会上，路透社表示，他将致力于在未来18个月内如何进行这样一次试飞。一种可能性是使用月球着陆器来运输一个小型千功率反应堆，这可能是美国宇航局在最近的月球探测任务中开发的。

波斯顿说:“成功的地面试验对未来人类太空探索阶段具有重要意义。我们已经证实，这一技术概念现在已经可以用于美国航天局。对我来说，最令人兴奋的是它的潜在应用。从真正意义上说，这是我们在太空裂变能技术研究领域迈出的第一步。”

展望未来载人航天探索，美国航天局和其他空间机构非常清楚，一些技术要求需要得到满足。

不仅需要新一代运载火箭和太空舱(如SLS和猎户座飞船)，还需要新形式的能源生产，以确保在月球、火星和太阳系其他部分的正常长期任务。

解决这些问题的一种可能性是一个小型核反应堆千功率，这是一个轻型裂变动力系统，可以为机器探索任务、基地和探索任务提供动力。

美国国家航空航天局和NNSA(国家核安全局)最近成功演示了一种新的核反应堆动力系统，该系统可以确保航天器在月球、火星或更远的地方执行相关任务。

5月2日，美国宇航局格伦研究中心在最近的新闻发布会上宣布了千功率。据美国国家航空航天局称，该电力系统可以产生高达10千瓦的电力，足以满足许多家庭连续10年的需求，或者使航天器能够到达月球或火星上的前沿站。

美国国家航空航天局航天技术任务委员会(STMD)代理副主任吉姆·路透在美国国家航空航天局的新闻稿中解释道:

“安全、高效和充足的能源将是未来机器和人类探索的关键。我预计千动力将成为月球和火星动力结构的重要组成部分。”动力系统的原型使用一个小型固体铀-235反应堆堆芯和一个被动式钠热管将反应堆热量传递给一个高效的斯特林发动机，从而将热能转化为电能。

这种电力系统非常适合像月球这样的地方，因为月球上的夜晚相当于地球上的14天，在那里很难用太阳能发电。

此外，许多月球探测项目包括月球南极的永久阴影区，如沙克尔顿环形山，或者在稳定的地下熔岩管道中建造前哨基地。

在火星上，太阳更丰富，但它受制于其日周期和天气(如沙尘暴)。

因此，这项技术可以确保稳定的电源，而不是依赖间歇光源，如阳光。马克·吉布森，格伦的首席千功率工程师说:

“千功率使我们能够完成更高层次的任务，探索月球上阴暗的环形山。当我们开始将宇航员送上月球和其他星球时，我们需要一种前所未有的新能源来支持这项任务。”

2017年11月至3月，在NNSA内华达国家安全网站(NNSS)上进行了千功率实验。

除了证明该系统可以通过裂变发电之外，实验的目的还在于证明它在任何环境下都是稳定和安全的。

为此，千力团队进行了四个阶段的实验。

前两个阶段是在没有电力的情况下进行的，这证实了系统中的每个组件都在正常运行。

在第三阶段，团队增加了逐渐加热核心的功率，包括28小时全功率试运行。实验的第三阶段模拟了任务的所有阶段，包括反应堆启动、升压到最大功率、稳定运行和最终关闭。

在整个实验过程中，该团队模拟了各种系统故障，以确保系统能够连续工作，包括电源故障、发动机故障和热管故障。在整个过程中，KRUSTY发动机一直在提供动力，这证明它可以经受任何太空探索任务。

正如吉布森所说:

“我们让这个系统完成整个过程。我们对反应堆有很好的理解，并且这个测试证明了系统以我们设计的方式工作。不管我们把它暴露在什么样的环境中，反应堆都运行良好。”

展望未来，千功率仍将是美国宇航局改变游戏发展计划的一部分。

作为STMD的一部分，该项目的目标是促进空间技术，这可能为该机构未来的空间任务带来新的方法。最后，该团队希望到2020年实现向技术演示任务(TDM)的过渡。

如果一切顺利，克鲁斯蒂反应堆将允许人类永久留在月球和火星上。它还可以帮助那些依赖当地资源开采(ISRU)的任务，从当地的水冰资源中生产肼燃料，并使用当地的泥土和岩石来建造材料。

基本上，当机器人任务到达月球表面土壤上的3D打印基地时，宇航员开始定期去月球进行研究和实验，KRUSTY反应堆可以为他们提供所有的动力需求。

在未来几十年，火星甚至太阳系以外的其他地方都将是一样的。

这个反应堆系统也可以为依靠核热能或核能推进的火箭铺平道路，使它们在地球以外的任务更快、更具成本效益！

蝌蚪工作人员从科学警报，翻译李同信，转载必须授权

他们设计了一个概念性的核聚变反应堆，但是当它变成一个大型发电厂的规模时，它的成本将和一个产生相似电量的燃煤发电厂一样。该研究小组的核聚变反应堆设计和成本分析于去年春天发表，并将于10月17日在俄罗斯圣彼得堡举行的国际原子能机构聚变能源会议上发表。

"到目前为止，这种设计在生产非常经济的核聚变发电方面有很大的潜力."华盛顿大学航空学教授和物理学副教授Thomas Jarboe说。华盛顿大学研究小组设计的dynomak反应堆始于两年前加伯接手的一个班级项目。课程结束时，贾比尔和他的博士生德里克·萨瑟兰继续发展和修改这个概念，他之前在麻省理工学院研究过反应堆设计。

这种设计基于现有技术，并且在封闭空间中产生磁场，以确保等离子体停留足够长的时间来引发核聚变的产生，导致热等离子体反应并燃烧。反应堆本身主要是自我维持的，这意味着它可以持续加热等离子体以维持热核状态。反应堆产生的热量将加热用于旋转涡轮机和发电的冷却剂，这类似于典型的原子动力反应堆的工作原理。

有几种方法可以产生磁场，这对维持核聚变反应的进行至关重要。华盛顿大学的反应堆设计被称为球形马克·斯球形马克(一种自组织环形等离子体形式)，这意味着它可以通过向等离子体中驱动电流来产生大部分磁场。这大大减少了所需材料的数量，使研究人员能够缩小反应器的整体尺寸。

其他设计，如国际热核聚变实验堆(ITER)，一个目前正在法国建造的实验性核聚变反应堆，比华盛顿大学的设计要大得多，因为它依靠围绕在设备外部的超导线圈来提供类似的磁场。与法国的核聚变反应堆概念相比，华盛顿大学的设计成本要低得多——约为ITER的1/10——但同时产生的能量是前者的5倍。

华盛顿大学的研究人员计算了用他们的设计建造的核聚变反应堆发电厂的成本，并将其与燃煤发电厂的成本进行了比较。他们使用了一种叫做隔夜资本成本的方法，包括所有成本，尤其是初始基础设施成本。分析表明，一座核聚变发电厂需要27亿美元才能产生10亿瓦的电力，而一座燃煤发电厂需要28亿美元才能产生同样数量的电力。

“如果我们投资这种类型的核聚变，我们肯定能获得回报，因为这个商业反应堆看起来已经非常经济，这真的很令人兴奋。”现在，华盛顿大学研究小组的概念仅仅是实际产品尺寸和能量输出的1/10，所以仍有许多年的工作要做。目前，研究人员已经测试了原型有效维持等离子体的能力。随着他们不断开发和扩大设备的规模，他们可以升级到更高温度的等离子体，并获得更大的核聚变能量输出。

该研究小组已经申请了华盛顿大学商业化中心的反应堆设计概念的专利。他们计划继续开发和扩展原型。研究小组的其他成员包括物理学的凯尔·摩根；航空航天科学的埃里克·拉文、迈克尔·休斯、乔治·马克林、克里斯·汉森、布赖恩·维克托、迈克尔·普法夫和艾伦·霍斯萨克；电子工程系的布莱恩·尼尔森，前华盛顿大学的俞上川和菲利普·安德里斯特。这项研究由美国能源部资助。

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反应堆是指能够在受控下(所以不会发生原子弹那样爆炸)持续进行核裂变链式(连锁)反应的装置。所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的。后来，其他不用石墨的核反应装置，仍沿用这种叫法。

热中子反应堆是一种进行核裂变的反应堆。目前，已经实用化的核反应堆有轻水堆和重水堆(重水是氢的同位素氘(重氢)同氧的化合物)之别。目前使用的多为轻水堆。在轻水堆中，水被兼作减速(和石墨一样起控制反应速度的作用)和冷却用。轻水堆又可分为压水型和沸腾水型的，现在大多数核电站用的都是压水型的。

压水堆最初被用作核潜艇的动力。它的冷却水分为一次系统和二次系统两部分。一次系统的冷却水保持在约160气压这样的高压，所以加热到约325℃仍能保持为液体状态。为了吸收核裂变中的中子，水中加入一点硼，用以调整核反应的速度。一次冷却水直接同核袭变部分接触，将它产生的热量带走。经由蒸气发生器进行热交换，使二次冷却水被加热至沸腾。二次冷却水在60大气压下被加热到275℃，成为蒸气用以驱动发电用的汽轮机。

压水堆利用浓缩铀工厂提供的低浓度铀235作为核燃料。铀235是铀的一种放射性同位素，是自然界中唯一存在的裂变核燃料。裂变中产生的中子，或被燃料棒中铀238所吸心，或使铀235发生裂变，或逸出于燃料棒之外。如中了速度快，则使铀235发生裂变的机会就小了，所以要用水(轻水或重水)和石墨作为减速材料，放在燃料棒四周，使中子速度减慢以有助于使铀235发生裂变。减速后的中子能量最后都变为热能，为了把它运到外部，需要使用冷却材料(通常也用水)。把含有硼等吸收中子物质的控制棒放在堆芯中，当它插入燃料中时，产生的中子数量达不到临界值，裂变无法连续进行下去。当控制棒拔起来时，中子数目加多，通过连销反应，铀的裂变便可连续进行下去。这种速度变慢的中子称为热中子，利用热中子使铀235裂变的核反应堆，称为热中子反应堆

日本福岛核电站的反应堆属于“沸水反应堆”，利用反应堆中核燃料裂变链式反应所产生的热能，再按火电厂的发电方式进行发电，沸水反应堆和我们平时用的蒸汽压力锅类似，核燃料对水进行加热，水沸腾后汽化，然后蒸汽驱动汽轮机产生电流，蒸汽冷却后再次回到液态，再把这些水送回核燃料处进行加热，下面来具体的看一下沸水反应堆指的什么吧？

沸水反应堆以轻水（普通水H2O）作为冷却剂和中子慢化剂。反应堆冷却系统内压强保持在70个大气压。在这里，来自汽轮机的给水进入压力容器后，在280℃左右沸腾。汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后直接送到汽轮机。离开汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水（给水）后，回流至反应堆，完成一个循环。

因沸水堆中一次蒸汽直接通往汽轮机，故该系统被称为直接循环系统。由于此时堆芯的传热速度直接由系统中水的循环速度所决定，因此大型的沸水堆的堆芯围筒（coreshroud）外均装有喷射泵（jetpump），以加快循环速度。

与压水反应堆相比，沸水反应堆的构造更为简单，且大大降低了反应堆的工作压力和堆芯温度，因此显著提高了反应堆的安全性，降低了造价。但由于沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和汽轮机，因此可能造成汽轮机受到放射性污染，给设计和维修带来麻烦。