核能,能成为航天的燃料吗!

【专家解说】：利用核裂变、核聚变和反物质3种工作形式工作的核反应堆作为推进动力，就有望实现这个理想。 　　核裂变火箭 　　科学家们同核裂变打交道已有六十多年的经验。几十年前，他们利用核裂变原理制造了原子弹和可控核反应堆。 　　美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员在乔治·查普林的领导下，设计出了概念型、可控高速粒子的“裂变碎片”反应堆。该反应堆类似于一大摞“唱片”。“唱片”主体由石墨构成，石墨上有放射性核燃料(如钚和镅)。工作时，“唱片”旋转着进入圆柱形塔，同塔中其他放射性物质接触后迅速发生可控链式裂变反应。附加在“唱片”状反应堆上的强大磁场将反应产生的裂变碎片束缚在一起，以同一方向喷射而出，喷射所产生的巨大的反作用力能把火箭推到极高的速度，即每秒1.8万公里，约为光速的6%。 　　为使火箭飞行速度达到光速的十分之一，即每秒3万公里，弗里斯比提议把两个裂变火箭叠加起来成为二级核裂变火箭。该火箭第二级将能有效地将火箭(探测飞船)推到光速的12%。庋??死嗫删??6年漫长的星际旅行，进入阿尔法人马座恒星系中类似地球的行星的轨道。如果要探测离地球更远的星球，那么宇航员在有生之年根本无法完成漫长的星际旅行。即使可以采用更多级的核裂变火箭来协助飞行，他们也只能仰天长叹。 　　镅242并非自然界中存在的元素，它是通过用中子轰击钚而获得的放射性同位素。镅242是最理想的可作为核燃料的同位素，因为它只需达到裂变反应临界状态的铀或钚质量的1%，就能开始持续裂变。从传统的放射性燃料如铀235和钚239中不可能得到这样的裂变碎片，因为它们都需要巨大的燃料棒来吸收裂变产物。 　　为了大大减轻飞船的重量，使其尽可能的小，裂变火箭应该用镅242这样的、能产生可作为推进剂的高能高温裂变产物的核燃料。不过据美国 　　专家估算，飞向邻近恒星系的旅行需要大约200万吨镅。然而，如果改用铀或钚，那么所需燃料重量会大得更为惊人，这势必将增加探测器的体积和重量，使探测器变得十分庞大而不切实际。 　　核聚变火箭 　　弗里斯比认为，因为核聚变是将原子核结合在一起而不是将原子核分裂，所以该火箭的发动机在获取能量的方式上要比裂变发动机完美得多。聚变反应堆能够减少产生一些不必要的放射，另外聚变堆很容易获得补充燃料。这是因为在月球的表面和木星的大气中存在大量的燃料氘和氚。这意味着，采用利用核聚变火箭作为交通工具可在太阳系内的月球或木星上补充燃料，然后继续星际旅行。 　　但遗憾的是，科学家经过了数十载的努力，至今仍没有造出一个能正常工作的核聚变反应堆。人类已经知道如何引爆氢弹(氢弹爆炸时发生核聚变反应)，但却无法掌握控制技术。美国新泽西国家球形环试验装置(NSTX)和联合欧洲环(JET)等聚变实验平台将氘和氚原子核约束在磁场中，并加热至数百万度，当原子核发生碰撞并结合时有能量释放出来。但是，眼下这类试验所耗能量几乎是其产生能量的两倍。 　　不过，弗里斯比乐观地认为，聚变技术已不再遥远。一旦科学家掌握了受控核聚变，那么他们将控制反应中产生的带电粒子，并让它们从喷口喷射而出。从核聚变反应堆喷出的粒子能使二级火箭的速度达到光速的12%。核聚变火箭推进的宇宙飞船同采用核裂变火箭推进的星际旅行类似，能很快地飞抵最近的恒星系，但却没有更多潜力可挖。核聚变火箭需要的燃料大约也是200万吨，不过不需要厚厚的防辐射层，这意味着利用这种动力的空间仪器体积要小得多。 　　反物质火箭 　　阿尔伯特·爱因斯坦著名的能量方程(E＝mc2)表明：物质是能量的一种浓缩形式。裂变和聚变反应仅仅将1%的反应物质转化成了能量。然而事实上，有一种方式能使物质与能量的转化率接近100%，这就是将物质与其镜像“孪生”兄弟———反物质相结合。物理学家让接近光速的基本粒子进行猛烈碰撞后获得了少量的反物质。瑞士CERN高能物理实验室的科学家不久前“捕获”到1百万个反氢原子。应该看到，反物质将是星际旅行火箭的重要燃料。然而，想要获得星际旅行火箭所需的大量反物质，也许是件不可思议的事情。但弗里斯比表示：这是一种相当直接的方式，我们已经拥有了产生反物质所需的磁场、辐射体和粒子束。 　　在反物质火箭中，一定量的反氢原子和等量的氢原子在燃烧室内混合发生“燃烧”。如果双方各自重量为半磅，那么在结合湮灭时所产生的能量将比10兆吨氢弹释放的能量还要大，伴随能量喷出的还有π介子和μ介子粒子流。采用同裂变火箭类似的方式将粒子束缚起来，让它们从喷嘴喷出，其喷射速度将达到光速的三分之一，这样火箭的最高速度将可达到光速的66%。 　　两级反物质火箭飞往阿尔法人马座恒星系需要90万吨燃料。在更远距离的星际旅行中，利用四级(两级加速，两级减速)火箭可使反物质火箭显示出自己的优势。据弗里斯比计算，飞往距离地球41光年的巨蝎座55恒星需要3800万吨燃料，耗时130年。而采用裂变火箭，同样的航程则需400年。 　　走出太阳系还有新动力 　　星际旅行的最佳方法将是放弃使用推动宇宙飞船飞行的大量燃料。 　　过去人类发射的水星探测器、完成的阿波罗登月计划和现在使用的航天飞机均暴露了采用火箭推进方式存在的缺陷：携带的大量燃料使航天器变得庞大低效，因为火箭产生的大量动力耗费在运载燃料上。这种较为原始的推进方式在发射人造卫星和登月计划中尚可采用，但是在星际旅行中，工程师们认为需要另外寻找更轻便、更灵活和更迅捷的推进系统，让飞船速度接近光速。这样的新型推进系统目前有两种，其中一种不久将接受测试；而另一种如同阿尔法人马座那样，离我们还十分遥远。 　　激光帆 　　1984年，美国休斯飞机公司研究实验室的物理学家罗伯特·福沃德在其标志性的论文中，提出了采取古老风帆技术进行星际旅行的理念。正如劲风能使帆船漂洋过海那样，强大的激光束也可以推动具有大“帆”的宇宙飞船在太空中畅游。激光的光束射到“帆”上后便转化成动力并推动宇宙飞船前进。科学家设想用太阳系中的激光器为飞船提供动力，让其逐渐提速，并奔向遥远的世界。 　　至今，工程师们已研制出一种简单的太空帆船，但它利用太阳光能而非激光束提供动力。在未来几个月内，行星学会(一个太空爱好者的私人组织)计划发射其首创的太阳“帆船”。此“帆船”名为宇宙1号(Cosmos1)，重50磅，其镀铝“帆”宽达100英尺。“帆船”计划于2005年从北冰洋巴伦支海海域利用潜艇发射升空。离开大气层后，太阳光将推动它进入更高的运行轨道。 　　太阳帆的工作原理是，帆将照射过来的太阳光(光子)反射回去。由于力的作用是相互的，太阳帆将光子“推”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力。就是这种反作用力推动飞船前进。NASA喷气推进器实验室太阳“帆船”负责人霍皮·普赖斯认为，这种不携带燃料的推进方式将开辟全新的星际旅行方式。但是，由于太阳光随着距离的增加而减弱，因此太阳“帆船”在远离太阳后将无法继续前进。 　　同太阳光相比，聚焦的激光束能够将“帆船”推至阿尔法人马座恒星系甚至更远，原因在于激光束不会像阳光那样随着距离的增加出现发散和减弱。根据福沃德的理念，弗里斯比描绘出人类飞向巨蝎座55星恒星的旅行方案。他采用600英里宽的铝制薄膜“帆”推动的宇宙飞船，旅行舱设在“帆”的中间。架设在地球轨道或月球表面的激光器产生的高能激光束经过一面反射镜聚焦在飞船的“帆”上推动飞船。激光器将工作数年，保证飞船达到其巡航速度。然后在飞船抵达目的地前数年重新开始工作，以帮助飞船降低速度。 　　金属铝的熔点为华氏1220度，弗里斯比提出大尺寸“帆”的设想是为了解决“帆”自身的散热问题，“帆”过热由高能激光束所引起。如果计划在太空组装飞船“帆”，那么应采用更轻便、更富有弹性的材料。NASA格伦研究中心的杰弗里·兰迪斯正在研究采用金属铌(熔点为华氏4490度)或钻石(在华氏3270度时断裂成石墨)制作的薄膜。高温材料能够承受光斑更小但能量密度更高的激光束的照射。钻石“帆”具有与弗里斯比的铝“帆”相同的功能，但它对飞船的加速更快，可以缩短星际旅行时间。 　　如果激光束用来帮助人类飞向巨蝎座55星，那么激光器的输出功率将大得令人不可思议。根据弗里斯比的估算，推动飞船所需的激光器稳定能量输出应达17000万亿瓦特。要实现如此巨大的能量输出，弗里斯比提出利用特殊装置集聚太阳能来泵浦激光器，也就是说激光器在太阳的作用下产生会聚的、相干性高能光束。实际上，美国芝加哥大学的物理学家已展示了一种新系统，它能将普通光的密度提高84000倍。 　　如果掌握了激光帆技术，那么人类再也不用担心远距离飞行的燃料问题。此外，通过精巧的设计，当飞船到达目的地时，带有旅行舱的“帆”的中间部分将与“帆”脱离，失去中间部分的“帆”将激光束聚焦在旅行舱上，帮助它减速。根据弗里斯比的研究，激光“帆”飞船在不到10年的飞行时间内，其速度就可达到光速的一半。如果采用直径为200英里的激光“帆”，我们可以在12年半的时间内抵达阿尔法人马座；采用600英里宽的激光帆，与巨蝎座55星中类似地球的行星相会也只需86年。 　　聚变冲压式喷气发动机 　　理想的宇宙飞船应该同时具有激光帆和火箭的优点，这样，宇航员能操纵它随意飞行，同时又不必考虑携带和补充燃料的问题。 　　1960年，物理学家罗伯特·巴萨德提出的技术设想就能够满足如此苛刻的要求。他将自己的技术称为聚变冲压式喷气发动机。该发动机利用强大磁铁形成了直径巨大的磁漏斗，磁漏斗的作用是将星际旅行中沿途的氢收集起来作为飞船核聚变反应堆的燃料。没有燃料负载的飞船在聚变冲压式喷气发动机的推动下，能以接近光速的速度在宇宙中自由穿梭。 　　弗里斯比对聚变冲压式喷气发动机技术持十分谨慎的态度，认为这个概念现在还不成熟。此外，采用该技术的飞船在飞行速度不足光速的4%时，其情况同聚变火箭相当。速度进一步提高后，飞船的磁漏斗才能给反应堆提供足够的燃料。弗里斯比推断，采用聚变冲压式喷气发动机的飞船飞至阿尔法人马座和巨蝎座55星各需25年和90年。 　　聚变冲压式喷气发动机飞船存在着两个明显的问题。问题之一是聚变燃料在飞船的前方堆积会产生阻力降低飞船的速度，在星球密度比较高的区域，飞船也许会因摩擦而出现接近停滞不前的状况。事实上，宇航工程师罗伯特·朱布林曾建议利用类似的磁场作为星际旅行飞船的制动器，这样既能让飞船减速，同时又能节约燃料。问题之二是现在聚变试验反应使用的氘和氚在太空中十分稀少，虽然普通氢的含量较高，但还没有人知道如何让它发生核反应。 　　应该看到，虽然人类进行星际旅行最重要的是解决交通工具问题，根据弗里斯比的描述，我们似乎看到了人类走出太阳系的希望。不过，人类征服宇宙的道路还很漫长，在这条漫长的道路上还有许多问题，如宇航员生存和生活问题，在长达40多年的飞行中，他们的食物、氧气和水，以及他们的心理健康都是需要进行周密研究的课题。 　　愿人类早日圆了自己走出太阳系，实现星际旅行的梦想。