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太空核能

已有 822 次阅读 2021-5-30 23:56 |个人分类:下一次革命|系统分类:科普集锦

孤独的旅行者与衰变电源

人类派往外太空的第一位使者,旅行者一号,已经在太空飞行了四十多年,距离地球已经超过200亿公里。在这个距离上,地球已经不可见,太阳亮度不到地球上看到的万分之一,只是天上最亮的一颗星星。旅行者一号发出的信号,差不多一天后,地球才能收到。

但是,它仍然在工作,还在不断为人类传回太阳系边缘的信息。任何人类制造的设备,工作都离不开能源。在这个距离上,不可能利用太阳能。那么,它依靠什么能源工作呢?

到目前为止,人类发射到远离太阳的深空探测器,依赖的能源只有一种,衰变核能。

旅行者一号上装配了三个百瓦级同位素衰变热电电源(Multihundred-Watt radioisotope thermoelectric generators, MHW-RTG),每个电源有24个压缩氧化鈈238球。发射的时候,电源总发电能力是470瓦。鈈238的半衰期是87.7年,用来发电的热电偶的发电效率也会随时间降低,所以电源的发电能力会不断衰减。到目前为止,电源应该还能支持几年,如果幸运,也许能坚持到2050年。

人类社会的运行离不开持续不断的外来能源。如果没有外接能源,我们的手机支持不了几天,电器都不能使用。不间断电源一般不超过几小时,飞机只能飞行几个小时,轮船不超过一个月。但是同位素衰变电源可以持续不断供电几十年,不能不说是一个奇迹。

但是,衰变电源其实效率极低。首先,衰变电源利用热电偶发电,而热电偶的发电效率极低,一般不超过5%。也就是,对应旅行者一号初始470瓦的发电功率,同位素鈈238的衰变热功率需要达到10千瓦。衰变能的95%就那么浪费了。其次,同位素衰变无法控制功率输出。即使不需要,也不能暂停。衰变热,以及发出来的电,如果用不了,只能浪费掉,无法保存。

衰变电源,作为目前深空探索的唯一电源,还有一个更大的问题,就是,存货没有了。或者说,几乎没有了,以后指望不上了。这是因为鈈238自然界不存在,需要在反应堆生产,然后通过复杂,昂贵,危险的后处理程序提取。美国已经禁止后处理核废料,手上的鈈238用一点少一点。不用也在减少。其它国家的后处理主要是为核能工业生产,而鈈238需要用专门的反应堆生产。由于后处理的问题,世界上的主要核大国都放弃了鈈238的生产。虽然现在也有计划恢复,但前景并不明朗。

衰变电源的低效不仅因为生产成本奇高,能量利用效率很低,它的核能利用率也很低。一个鈈238核,如果裂变,能放出两百多兆电子伏特的能量,而一次衰变却只能放出5.6兆电子伏特,然后得到一个比较稳定的铀234,半衰期很长,对衰变电源的热能贡献可以忽略。

还有没有别的同位素,可以用来做衰变电源呢?从能量密度,可生产性,供能时间等角度考虑,鈈238可以说是最佳的,甚至是唯一的选择了。其它的同位素,要么生产成本更高,要么半衰期过长或过短,要么无法提供足够的量。

那么衰变电源为什么不用发点效率高一些的机制,比如卡诺热机发电呢?因为有机械运动的热机会有疲劳,磨损等机械问题,需要定期检修,连续工作一般不超过几个月。对于需要工作几十年的,无法检修的深空探测器,不可能采用。而热电偶只是固体,没有机械运动,虽然也有性能缓慢衰减的问题,但比机械好多了。

正是因为衰变电源成本高,效率低,虽然可以稳定供电很长时间,却只能满足探测器少量供能的需求。如果需要大量能源,必须考虑别的方案。

                                             

旅行者一号的同位素衰变热电电源(radioisotope thermoelectric generators, RTG)

 

空间核电站

空间开发不同于探测,需要大量能源供给。地球轨道附近太阳能非常丰富,所以下一步月球大开发的时候,并不需要考虑别的能源。月球开发之后,提供的大量物资,可以保证火星的开发也只依靠太阳能。在更远的小行星带,太阳能已经降到地球附近的1/10左右,作为动力能源已经非常勉强了。更远的木星卫星及其伴随小行星群,土星天王星卫星,柯伊伯带矮行星,等的开发,已经不可能依靠太阳能。

太空开发的很长一段时间内,我们只需要考虑靠近太阳的类地行星的开发,暂时不需要操心能源的问题。但如果要开发人类居住地,太空生命生态圈,我们仍然需要大量深空天体中的轻元素,主要是氢碳氮氧等。这些元素在类地行星中非常缺乏,我们也不可能大规模从地球上搬运,因为会破坏地球的自然环境,只能依靠远离太阳的天体提供。

为了节约能源,同时维持太阳系的引力现状,近地行星与远地深空天体之间的物资交换应该通过天机索进行等量交换。正好近地行星缺乏轻元素,而远地天体缺乏重元素。

但是深空社区需要大量能源。除了核能,已经没有其它可能的能源。

在地球上,核能应用已经相当成熟。那么能不能直接把地球上的核电站搬到空间呢?

当然是不能的。这里有三个原因。首先是核电站实在太笨重了,巨大无比,还是整套的。一个部件,比如压力壳,就有几百吨重,现有的发射能力不行。第二个原因是,核电站发电效率仍然低,大约为三分之一。三分之二的热能必须散发出去。太空中,散热只有靠辐射,效率很低。所以,哪怕是地球上紧凑的反应堆,比如舰船用反应堆,在太空仍然需要做得很大,才能工作。第三,所有的机械设备,都需要定期检修,维护,一般需要更换部件。核电站也一样,检修周期为一到两年。太空中,至少在地面上的检修方案是不可行的,还没有考虑部件更换的问题。

那么,太空环境中可不可以建设核电站呢?当然可以,无论在轨道上,还是别的星球上。但是需要全新的设计。考虑到意外事故的不可预测性,和核废料问题的复杂性,所有的核电站都应该远离地球,和其它人类殖民点以及信息中心。从这个角度来说,长远地看,永远不要在近地空间建设太空核电站。

但是在远离太阳的深空,特别是在大行星卫星和柯伊伯带的矮行星上,还有恒星际航行的过程中,核能是唯一的能量来源,包括裂变核能和聚变核能。

先讨论裂变核能。

我们对裂变核能的了解已经非常多了,也提出了多种空间裂变核能反应堆概念,并且做了相当多的研究。由于目前对空间核能的需求不大,所以现在的空间概念堆功率都不大。如果要在深空星球上建立殖民点,我们会需要大功率核反应堆,比如百万千瓦量级,也就是现在地球上的主流核电站功率。考虑主要原材料物资,包括核燃料,由月球提供,并不需要从地球发射,所以我们并不在乎核电站规模很大。这样的话,地球上现有的主要核电站方案,可以做适应性修改后,在深空星球上使用。深空星球的冷却条件远远比地球上好,并且废热也是非常重要的资源。一般,这些星球上没有地质活动,没有大气,安全性也更容易得到保证。所以在这些星球上,核电站的效能远远地高于地球,问题却远远少于地球。对于困扰地球核能的核废料问题,可以就近扔到木星土星这样的气态行星上。这些大型气态行星,我们在几百万年内都不太可能,也不需要开发。

聚变电站

大规模开发类地行星附近空间之后,我们必然走向深空,走向其它恒星。深空开发的初期,我们可以使用裂变核电站。因为裂变电站的技术相对成熟,门槛低,需要的原材料也比较少。但长远地看,裂变电站的资源量,即铀和钍元素在太阳系的丰度,并不高,虽然可以用很长时间。更长远的能源只能是核聚变。

可控核聚变很困难。考虑到太空时代将很快到来,在地球上实现聚变能源的设想,首先不切实际,其次也没有必要。因为地球上能接收到的太阳能太多了,与太空开发有关的采矿冶金等高能耗行业,已经转移到太空。地球上人类社会的正常运行,只需要太阳能以及其它可再生能源已经足够。人类在地球上高品质生存,也并不需要那么多额外的能源。

在地球上,聚变能源即使技术上可行,成本也会非常高。跟可再生能源相比,没有经济性。这是因为,聚变几乎一定要洁净的高真空环境,也几乎一定需要超导。而超导,除了使用大量昂贵的材料,还需要能量效率极低超低温环境。聚变的中子防护意味着很厚的保护层。即使能够实现,也意味着聚变反应堆将极其庞大,需要的基本材料,如超导线材,液氦,反应室表面处理,散热部件,氚增殖部件,都非常昂贵。但这些问题,长远来说,在太空时代已经到来的情况下,远远比在地球上容易解决。

因为近地轨道空间并不需要聚变能源,所以考虑的应用环境就是深空,比如木星的卫星,冥王星,等。首先,由于月球和水星的大规模开发在先,原材料和物资的问题已经得到解决,大量在地球上昂贵的材料,这时候已经非常丰富。考虑天机索,以及太阳帆高速公路的存在,物资的大规模运输也不是问题。深空星球上,氢元素非常丰富,为聚变提供了大量初级能源。对于地球上才有的问题,比如难以实现高真空,难以实现超导需要的低温,在深空星球上不存在,或者容易得多。甚至因反应堆装置庞大在地球上带来的结构问题,在这些地方也不存在,因为这些地方的重力小得多,对结构强度,至少是支撑强度的要求就会低很多。因为重力小,施工建设也容易得多。

深空开发是太空开发的下一阶段,我们并不需要着急实现聚变能源。即使开始有需求,我们还有远远更容易实现的裂变能源。

但长远来说,总是要开发聚变能源的,而聚变能源又很难,所以研究还是会持续进行,并在适当时候,建设原理验证性的聚变反应堆。这样的聚变反应堆什么时候会出现,大概是什么样的,需要花多少钱呢?

需要在太空实现的,面向长远能源的聚变技术,跟现在地球上急于实现的聚变技术,考虑的出发点不同。目前地球上希望实现的是最容易的聚变方案,也就是氘氚聚变方案。虽然它们本身也很难。长远来看,氘氚聚变面临无氚的难题。氚在自然界几乎不存在,现行的氚生产方案中,除了放射性等困难,还有产氚原料,也就是锂6,在自然界中也很少。相对来说,氘的丰度是比较高的。如果只是燃烧氘,深空大量由轻元素为主构成的星球,氘的储量非常大。

更长远来说,应该实现以氢为最终原料的聚变循环,即从氢生成氘。氘聚变会产生部分中子,这些中子可以与一些重元素反应,增殖产生更多的中子,再与氢结合,生产氘,完成氢聚变循环。这一循环需要补充部分中子,或者重元素。

所以太空时代的聚变能源,第一步需要实现的,是氘氘聚变。它比氘氚聚变难,但在装置尺寸更大,磁场更强,或者激光更强大的情况下,没有原则的困难,只是温度要高一点,能量约束性能要好一点。

从太空开发的节奏来看,我们应该几千年内都不需要聚变能源。但是,如果我们一直维持现在追求聚变能源的热情,或者的确需要开发深空,那么应该早一点实现。

我们知道聚变有一个“永远三十五年之后实现”的说法。这个说法差不多也有三十五年了。可是到底什么时候才能真的实现大规模聚变发电呢?

核聚变是颠覆性能源技术,我们可以参考人类历史上已有的颠覆式能源技术发展历史,从大的尺度,猜测一下大规模聚变发电实现的时间。

参考美国未来学家Raymond Kurzweil的思考方式,考虑核聚变能源可以解决人类未来发展的能源问题,以及长期核聚变研究积累的一些认识,第一座大型核聚变电站的建造成本会在十万亿人民币量级,时间在2130年左右。

如果按现在的币值,工业革命前,烧柴烧煤的成本是十元左右,刚成熟的蒸汽机内燃机成本在十万元左右,最先的核电站成本十亿元量级,成熟主力应用的功率分别是一百千瓦,一万千瓦,一百万千瓦,如果核聚变是下一代,刚启动时的成本应该是十万亿,主力功率应该是达到一亿千瓦。

蒸汽机经过很长时间才比较成熟,一般把瓦特改良蒸汽机当成工业革命开始,即1769年。而世界上第一座并网的核电站建于1954年,中间经过了185年。按照一般的指数发展曲线,前面的功率和成本都是指数增加,那么时间就是线性的,所以还需要大约185年,也就是到2129年,第一座聚变电站才会投入使用。

十万亿的成本不是我们这个时代能够承担的。还有一百多年的时间。这段时间里,太空开发应该初具规模,月球的开采生产出大量廉价的材料。根据现有的聚变研究外推,真正经济的聚变堆应该有很大的规模。而且,百万千瓦左右的需求,裂变电站就可以很好满足。如果要在深空星球上建立人类殖民点,每个殖民点需要一定的规模。因为殖民点之间相距遥远,每个殖民点必须有足够的多样性,自己成为一个独立完善的生态和智慧系统。自然生态系统对光的利用效率很低,需要总的能源量就很大。巨大的功率输出,也为冷到接近绝对零度的外太空星球维持生命友好的温度环境提供了支持。

核聚变应该是太空时代较晚时期的标准配置。地球时代太原始了,用不起,也没有必要。虽然我们很长时间都不需要,但是技术发展的加速性,以及月球一旦开发,不断倍增的工业能力,让我们可能在一百年左右的时间内实现大规模核聚变。也许我们还是希望早点实现核聚变,因为我们可能希望近地和深空同时开发。我们既需要近地星球的重元素,也需要深空星球的轻元素,而这种转运量应该是万亿吨量级的,各种设备和社区都需要大量能源。

大规模核聚变一旦实现,不仅深空开发水到渠成,恒星际旅行也就可以排上日程了。巨大星际殖民方舟携带的聚变反应堆和大量聚变能源,可以维持一个较大规模的殖民社区在几万年的旅行时间内正常运行。

 




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