重新利用用于太空推进的核反应堆，在月球和火星上实现高密度电力
文 | Ajay Kothari
编译 | 卫网君
在最近的NASA空间技术任务理事会急需技术排名报告中，“月球/火星上的高功率能源产生”在总列表中被视为187个项目中的第二名。但是，与其将裂变反应堆运送到月球，不如将其用于奔月推进，着陆在月球表面，然后将其重新用于月球表面栖息地的能源。这可以提供二合一的解决方案。
裂变核反应的能量密度几乎是今天用于太空运输的化学能推进剂的一百万倍。如果我们能巧妙地使用它，就可以解决许多问题：不仅仅是太空推进，更重要的是能够重新利用反应堆部分，以获得月球或火星表面所需的丰富电力。一种第四代反应堆概念提供了这种可能性，因为它不在高压下运行，并且熔盐工质的液态更容易将能量输送到需要的地方，从而减轻反应器的重量。需要解决的问题是高温密封，过去几十年来，碳纤维增强碳和碳化硅双基体材料和碳化锆等高温材料的出现部分缓解了这个问题。为什么不利用以上所有因素来制定解决方案呢？
这种核能飞行器可以用星舰运送到低轨道。如果采用化学燃料，星舰需要8到20次加油飞行才能建成载人月球站（HLS），而HLS的成功概率很低。这个概念只需要一次飞行。将铀233溶解在FLiBe（氟化物-锂-铍）等热熔盐中的铀熔盐反应堆（UMSR）级，效果可以与相同任务、相同总有效载荷的氢氧火箭相提并论。与太阳能不同，核电可以在月夜提供不间断的电力。
高功率（数十到数百兆瓦）的电力生产对于未来的有人基地、机器和基础设施发展绝对至关重要，目前只有裂变发电才能提供这样的电力。此设计的一个缺点是，它也可以设计为在此阶段具有多个反应堆和火箭，类似于猎鹰9号或星舰。虽然这会抵消一些规模经济，但能够在许多（比如10到20个）地点分配此类发电站的优势可能远远超过潜在的劣势。
这一概念将为月球提供持续的电力，并可以在未来扩展到火星。这种发电技术也有可能在陆地上应用，这可以解决气候危机并确保人类有足够的能源。
一种可能的情况是星舰将这种核推进装置携带在其有效载荷舱中，并将其存放在高LEO（近地点约500千米）上。该设备的总重量为103吨，完全在单次星舰飞行的运载能力范围内，无需任何燃料补加。然后，该装置将通过引入产生中子的元件来启动其反应堆。溶解在熔盐中的铀233（铀233）会开始吸收其原子核中的一些中子并立即开始裂变。以2.48作为中子经济性（与维持链式反应所需的中子数相比，可以释放的引起裂变的中子数），链式反应将在石墨棒的控制下继续进行。熔盐被加热到大约1200摄氏度，然后将这些热量传递到位于其下方的热交换器。热交换器中的非放射性熔盐将液态氢加热至气态，推动位于推力室附近的涡轮泵。据计算，这种氢气可提供662秒的比冲，低于NERVA承诺的841秒，但高于液氢液氧化学反应。
核电推进器
直径：设计用于星舰9米整流罩（未使用新格伦7米整流罩和重型猎鹰5.2米整流罩）
每秒67千克氢气的质量流速将为103吨的飞行器提供431.2千牛的推力，使其在地月转移TLI）时燃烧10分钟，提供0.4至0.7g的加速度。在5到20分钟的范围内，燃烧时间的任何变化都会对所需的推力产生几乎线性的影响。这种推力可以根据地月转移的需要改变，首先在近地点，然后在到达月球附近时捕获月球轨道。然后把20吨的有效载荷（含13吨的反应堆）降落在月球表面，此外还有4吨的液氢罐（也可能用于月球基地，但不是主要目标。然后将反应堆和热交换器从火箭上拆下，并重新用于电力生产）。
通过改变泵速改变进入热交换器的熔盐流速，并插入或移除石墨棒慢化剂，改变电力输出功率。这当然与氢流体流动有关，一旦火箭有效载荷进入近地轨道，根据近地点的霍曼轨道转移冲量（确保超过约500公里的核安全距离）的推力水平不同，氢流体的流速也要发生相应变化。达到月球轨道捕获的霍曼轨道转移次数可以有所变化，因为时间不是至关重要的因素。
溶解在熔盐中的铀233为质量的1-2%。它通常非常小，以至于任何额外的铀233也可能对能量产生产生很大影响。由于铀233原子每次裂变产生的能量为200.1MeV，当乘以阿伏伽德罗数并转换为gm-mole时，只需一千克燃料即可在一整年内产生2.6兆瓦的能量：对于月球上的能源来说，这是一个非常有吸引力的解决方案。
首先，铀233将从地球上的钍232（Th232）转化而来。这种铀233可以储存和运输以供此类使用。
对执行相同任务的核（UMSR，左）和氢氧化物-氧气（右）飞行器进行了比较。由于UMSR级同时携带有效载荷和在月球上使用的反应堆（再利用），因此氢氧化物-氧气级的大小适合携带等效有效载荷加上反应堆。
这两款飞行器的设计和尺寸均针对地月转移（每秒3200米）、月球轨道捕获（每秒700米）和着陆（每秒1900米）的速度增量进行设计。考虑到不需要从月球起飞并返回地球轨道。它需要大约61吨液氢作为推进剂，而化学推进需要102吨液氢和液氧。它的直径为8.5米，可以安装在直径9米的星际飞船中。
然而，有一个问题：UMSR飞行器的长度比星舰有效载荷舱长近50%。这需要与SpaceX讨论修改。
一千克钍232或铀233可以在月球上提供一年的2.6兆瓦电力，这对于熔化风化层以制造砖块（用于着陆/起飞场）、建设道路基础设施以及为栖息地、生命支持系统和运行漫游车提供持续电力至关重要。
虽然这里评估的参考任务是针对完整的飞行系统，但开发可以逐步进行。起初，可以调整较小飞行器的大小，以便通过外部（化学）方式实施地月转移，并且核反应堆仅用于月球轨道捕获和着陆，提供每秒约2600米的速度增量。
看来，反应堆和热交换器的重新利用将大大增加月球和火星活动的可持续性。
原文刊载在thespacereview网站
https://thespacereview.com/article/4888/1
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