嫦娥五号胜利归来,捎回月球土特产三斤半,大长了国人的志气!嫦五成功之后,探月工程下一个大目标当然是载人登月,而再下一步就是建设月球基地,开发资源了。不知各位想过没有,在月球上建立长期运行的基地,应该用什么来发电?烧煤肯定是没戏了,“水洗”的都不行!甚至太阳能也不给力,只能用核反应堆,而且是特殊的空间反应堆来发电。作为我国在载人登月领域最大的竞争者, 美国人就计划在2027年将核反应堆送上月球,实现为月球基地供电。
为啥月球基地必须用核电呢?这回人马君就和大家聊一聊月亮上的核电站,看看为什么要建,以及建什么样的反应堆。
这个问题人马君在之前核电池的文章提到过:月球被地球潮汐锁定,自转周期与公转周期相同,都是28天,也就是说,月夜的长度达到了半个月!这可是零下180度的极寒之夜,如果你不想冬眠的话,不仅要用电,还是有供热,不然就冻成冰封王座了!而想靠在白天用太阳能发的电来支撑月夜的消耗,基本是做不到的,或者说成本难以承受。在这种情况下,就轮到专干重活的核能出马了。
在月球上用核能发电,可以选择用反应堆或者同位素电池。但同位素电池的功率较小,关键是钚238等材料实在是贵出天际,驱动个小装置没问题,要实现大规模发电真是承受不起。而核反应堆虽然也不便宜,但铀燃料毕竟唾手可得,功率也可以做得比较大,为月球供电实在是当仁不让!
但并不是所有的反应堆都可以用在月球上,比如常见的压水堆核电站,它需要经常补充水源,还需要用空气或海水来带走废热,在月球上根本不具备这些条件。所以必须使用经过特殊设计的空间堆,不依赖水的供应,也不依赖冷却条件,实现“无依托”发电。
空间堆堆型的选择有多种,目前比较流行的是用热管堆,利用热管中液态金属的相变来带走堆芯热量,传递给热电转换元件,或是斯特林发动机,实现由热能向电能的转化。美国的KiloPower空间堆就采用了效率相对较高的斯特林发动机,这种发动机与内燃机和汽轮机不同,是一种外燃机,用氦气作工质,可以发出1到10千瓦的电力,要知道好奇号带的核电池功率才125瓦,相比之下空间堆的发电功率要大得多,甚至还可以更大。
有心的网友还是会有疑问:不论用哪种发电方式,效率都不高,还是有大量的废热要排出,地球上的核电站可以用空气或海水来排废热,月球上一片真空,反应堆的废热往哪里排呢?只能用一个办法:辐射散热。根据黑体辐射定律,只要有温度,就会向外辐射热量,而且面积越大,散热能力越强。在真空中没办法热传导,那就造一个很大很大的辐射散热片,功率越大散热片就越大,所以大家会看到空间堆都带着一个巨大的“蘑菇头”,这个就是辐射散热装置。
还有朋友问,在月球上建反应堆,太科幻了,应该是很遥远的事儿吧!人马君曾经也这么认为,但现在事情起了变化:美国早已开始了雄心勃勃的“阿尔忒弥斯”计划,打算在2024年实现重返月球。毕竟美国在1960年代花了250亿美元来搞载人登月,如今却被无数人质疑说是造假,这口恶气实在咽不下去。而且现在中国航天的进展一日千里,NASA都开始焦虑,如果被我国先一步实现载人登月,它面子上可就挂不住了。
当年的阿波罗计划是到此一游,除了登月舱作为月球站又工作了几年之外,什么也没留下,这次的“阿尔忒弥斯”计划显然志向远大,会在月球上建立长期的存在。日前美国已经签署备忘录,要求研究空间堆,期望在2027年年底前,在月球表面建立核电站。其实,建核电站的目的是为了支持月球基地,而美国一旦建成月球基地,就意味着它成功实施了对月球的“跑马圈地”,用心可谓良苦。
当然,要想建设月球核电站可并非易事,起码运载火箭需要实现两点:运力要够大,安全系数要够高。KiloPower反应堆单台重量高达1.6吨,一个月球或火星基地需要4台,还需要配备着陆器来降落在月面,对火箭的要求非常高。更重要的是,这里面装了货真价实的核燃料,一旦发射失败坠落在地球上,会吃不了兜着走!所以火箭必须要极其可靠。目前NASA为重返月球而建造的SLS巨型火箭已经渐渐成形,也许用不了几年,月球上就会出现真正的核电站呢! 那么问题来了,中国要不要跟呢?