NASA 正在建造首艘核反應爐動力行星際太空船：它將如何運作？

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就在阿提米絲 2 號（Artemis II）展開歷史性的繞月彈射飛行前夕，剛獲得任命的 NASA 局長賈里德·艾薩克曼（Jared Isaacman）在華盛頓特區的總部發表了一連串公告。他表示，美國很快將進行更頻繁的登月任務，並在 2030 年前為月球南極基地奠定基礎。他還重申了航太總署在月球表面部署核反應爐的承諾。

這些目標大多在預料之中，但仍有一個驚喜。艾薩克曼表示，NASA 將建造史上首艘由核反應爐驅動的行星際太空船，並於 2028 年底前飛往火星。這艘太空船被命名為「太空反應爐 1 號：自由號」（Space Reactor-1 Freedom），簡稱 SR-1。他在活動中說道：「經過數十年的研究，以及在那些從未離開地球的構想上耗資數十億美元後，美國終於要在太空核能領域邁出實質步伐。我們將啟動這項史無前例的行星際任務。」

若任務成功，將預示著航太領域進入新紀元。根據多位專家的說法，屆時在地球、月球與火星之間的旅行將比以往任何時候都更快、更輕鬆。這也可能讓美國在與中國的競賽中取得優勢，使其領先這個最大的地緣政治對手，率先將太空人送上另一個行星。

儘管專家們一致認為時間表極其緊迫，但他們仍對美國航太總署及其產業夥伴能否創造工程奇蹟感到興奮。威爾斯班戈大學（Bangor University）核能未來研究所共同主任 Simon Middleburgh 表示：「一覺醒來聽到這個消息，真的會讓人露出燦爛的笑容。」

目前關於 SR-1 的公開細節很少，NASA 內部的航太研究人員也未回應置評請求。但《麻省理工科技評論》採訪了幾位核能與推進專家，以了解這艘新型核動力太空船可能的工作原理。

核推進基礎知識 101

傳統上，航太飛行一直由化學推進驅動。液態氫與液態氧在火箭內混合並點燃，爆炸產生的極高溫廢氣通過噴嘴排出，從而推動火箭前進。

化學推進能提供巨大的推力，在可預見的未來，仍將用於從地球發射太空船。但核推進將使太空船在太陽系中飛行的時間更長、速度更快，遠超目前的技術水平。

Middleburgh 表示：「每公斤燃料能產生更大的能量。」核燃料的能量密度遠高於傳統燃料，這意味著其效率高出好幾個數量級。維吉尼亞州航太公司 Analytical Mechanics Associates 的太空核技術專家兼高級項目副總裁 Lindsey Holmes 說：「它的效率真的、真的、非常高。」

這種方法還移除了傳統動力方程式中的另一個元素：太陽能。包括阿提米絲 2 號任務的 Orion 太空艙在內的太空船，通常依賴太陽獲取動力。但這可能成為問題，因為太空中並不總是陽光普照，特別是當行星或衛星擋住光線時；而且當你前往火星以外的外太陽系時，可利用的陽光會變得更少。

為了規避這個問題，核能源以前曾多次用於太空船，包括兩次航海家任務和探測土星的卡西尼號探測器。這些裝置被稱為放射性同位素熱電機（RTGs），利用鈽的放射性衰變產生熱量，再將熱量轉化為太空船使用的電力。然而，RTG 與核反應爐不同；它們更像是放射性電池，原理較原始且功率小得多。

那麼，由核反應爐驅動的太空船將如何運作？

儘管操作上有差異，但在太空運行核反應爐的基本原理與在地球上大致相同。首先，取得鈾燃料，然後用中子轟擊。這會破裂鈾不穩定的原子核，釋放出大量額外的中子，並迅速升級為自我維持、產生高熱的核分裂反應。其巨大的熱能輸出隨後可用於發電。

在太空中這樣做聽起來像瘋狂之舉，但事實並非如此：這個構想，甚至許多基礎技術，已經存在了數十年。蘇聯曾向軌道發射過數十個核反應爐（通常用於為間諜衛星供電），而美國在 1965 年僅部署過一個，名為 SNAP-10A——這是一項技術演示，旨在觀察其在太空是否能正常運行。當時的目標是讓反應爐發電至少一年，但由於太空船的高壓故障導致其故障並關閉，僅運行了一個多月。

現在，半個多世紀後，美國希望其第二個太空核反應爐能做些完全不同的事：為行星際太空船提供動力。

需要明確的是，美國曾啟動並終止過無數研究核推進的計畫。最近的一個受害者是 NASA 與國防部合作的 DRACO 計畫，該計畫於 2025 年結束。與之前的幾次嘗試一樣，DRACO 被取消的原因包括高昂的實驗成本、傳統火箭推進價格下降，以及難以確保地面測試能安全有效地進行（畢竟這是在創造極其強大的核反應）。

但現在外部因素可能正在改變這種考量。阿提米絲計畫重啟了美國重返月球的進程，新的太空競賽展現出明顯的勢頭。第一個部署核推進的國家將在深空導航中擁有巨大優勢。

佛羅里達太空研究所的航太工程研究員 Philip Metzger 表示：「我認為這是一項非常可行的技術。很高興看到他們終於開始著手這件事。」

這種技術的一種版本被稱為核熱推進（NTP）。首先需要一個在約 5,000°F 高溫下運作的核反應爐。Middleburgh 說，然後「你有一種冷氣體，將冷氣體噴射到熾熱的反應爐上。氣體膨脹，從噴嘴後部噴出，產生衝量，推動你前進。」

由於推力取決於噴出氣體的速度，推進劑氣體需要很輕，因此氫氣成為熱門選擇。但氫氣具有腐蝕性和爆炸性，在 NTP 引擎中使用會使操作變得危險。除此之外，NTP 的運作壽命不一定很長。

另一種選擇是核電推進（NEP），美國能源部太空反應爐計畫國家技術總監 Sebastian Corbisiero 表示，NEP「推力很低，但效率很高，因此可以長時間使用」。這種方法利用分裂反應爐的熱量發電，再利用電力使氣體帶電並將其噴出太空船，從而產生推力。

NTP 和 NEP 都受到了美國研究人員的調查，因為兩者都有助於讓人類探索太陽系變得更簡單、更安全。太空中的太空人會暴露在有害的宇宙輻射中，但由於核推進使太空船更快、更靈活，他們待在輻射環境中的時間會減少。Metzger 說：「它解決了輻射問題。這是發明更好的往返火星推進系統的主要動力之一。」

如何建造核動力太空船

對於 SR-1，NASA 選擇了核電推進。Middleburgh 表示，NEP 比核熱推進「簡單得多」。基本上，你只需要將核反應爐接入電力與推進系統。對 NASA 來說幸運的是，它已經擁有一個了。

多年來，NASA 與加拿大、歐洲、日本和中東的航太機構夥伴一直在籌備「門戶」（Gateway），這原定是人類首個繞月運行的太空站。艾薩克曼在三月取消了這個計畫，但這並不意味著其技術會被浪費；被取消太空站的電力與推進組件將改用於 SR-1。這個裝置原本打算由太陽能驅動，現在將連接到一個正在開發中、專為在太空生存而定制的核反應爐。

SR-1 看起來會是什麼樣子？《麻省理工科技評論》看到了 NASA 太空反應爐辦公室計畫執行官 Steve Sinacore 的一份簡報，其中提供了一些線索。到目前為止，概念圖讓它看起來像一支巨大的羽箭。後部是電力與推進系統，尖端則裝載一個 20 瓩（kW）或更高功率的裝鈾核反應爐。（作為參考，地球上典型的核電廠功率要強 5 萬倍，能產生 10 億瓦的電力。）

NASA

SR-1 上的「箭羽」是大型散熱片，用於讓反應爐降溫。Holmes 說：「你必須擁有非常大的散熱器」，因為核分裂過程會產生大量熱量，其中大部分必須排放到太空中——否則反應爐和太空船都會熔化。

根據該簡報，太空船的硬體開發預計將於今年 6 月開始。到 2028 年 1 月，SR-1 的系統應準備好進行組裝和測試。到當年 10 月，太空船將抵達發射場，準備在年底前升空。核反應爐能保持完好嗎？Middleburgh 說：「安全通過發射過程將是一個挑戰。你會經歷劇烈的震動、顛簸和翻滾。」

接著，他說：「一旦進入太空，度過了到達那裡的幾分鐘地獄後，你就要擔心零重力的考量了。」問題隨之而來：在地球上建造的反應爐機械結構，在太空還能運作嗎？

出於安全考慮，核反應爐將在發射後約兩天、當它安全進入太空後才開啟。鈾本身並不是極度危險，但反應爐啟動後產生的核廢料則不然，因此你不希望任何廢料掉回地球。

如果遵循這個時間表且 SR-1 按計畫運作，預計將在發射約一年後抵達火星。Holmes 說：「這是一個激進的時間表」，她懷疑這在一定程度上是受到中國和俄羅斯自身深空核能野心的推動。這兩個國家目標是在 2035 年前在月球表面放置自己的核反應爐，為計畫中的國際月球科研站（一個共同運作的月球基地）供電。

無論在太空成功還是失敗，SR-1 的運作都應能幫助 NASA 隨後在月球上部署核反應爐。Corbisiero 說：「我們學到的關於該系統在太空運行的所有知識，對於表面應用都非常有幫助，因為基本上是一樣的。月球上同樣沒有空氣。」

如果 SR-1 取得成功，這將是 NASA 改變遊戲規則的勝利。Middleburgh 說，坦白講，這也將是「人類的巨大勝利。這將是工程學上的奇蹟，並將推動人類向踏上火星邁出實質性的一步。」與包括 Holmes 在內的許多同事一樣，他對史上首艘核動力行星際太空船的前景感到興奮——儘管時間表極其大膽。

他說：「這些就是讓我們每天早上起床的動力。這些是我們老了以後會記住的事情。」