NASA勾画月球核电站蓝图

邱林

月壤中富含氦-3

开始征集月球核电站方案

据美国《大众科学》杂志报道，月球和火星是两颗与地球截然不同的星体，缺少水和大气。想在它们的表面部署能源设施，是一件非常困难的事情。NASA为了更好地开展太空探索工作，为未来建立月球和火星基地作好准备，正在推进一个重要项目：在月球和火星上部署核电站，生产电能，为未来的基地提供能源。

NASA、美国能源部、橡树岭国家实验室和爱达荷国家实验室等4家机构定期召开行业技术会议，就月球核电站计划进行讨论。科学家们确定的工作流程如下：由NASA向众多美国科技公司征集地外核电站设计方案，初步形成可行性分析报告，由爱达荷国家实验室、橡树岭国家实验室和美国能源部进行评估，形成更细致的方案。最后，经过评估具备可行性的方案交由NASA做进一步研究。

《大众科学》指出，NASA征集到的方案基本上包括两个方面：一是根据月球和火星上的环境，设计核反应堆，力求核反应堆能够在特殊的环境中运行，减小核泄漏或其他重大事故发生的可能性;二是打造一个用于测试的核反应堆，利用火箭的飞行系统和着陆器，将核反应堆带至目的地——月球表面进行实验，通过观测其变化情况来收集数据，再对核反应堆进行改进。

NASA太空技术局核技术部负责人安东尼·卡洛米诺表示，NASA勾画的月球核电站蓝图如果能够实现，将成为一项具有划时代意义的技术创新，对于人类探索开发太空以及未来的星际移民都具有重要意义。

月球上的核原料——氦-3

美国《连线》杂志披露，在NASA征集到的方案中，有一个方案另避蹊径，令科学家们眼前一亮。其核心是利用月球上富含的氦-3元素作为核原料，部署并运行安全高效的核电站。

氦-3是氦的同位素之一，是一种无色、无味、稳定的元素。1996年，科学家发现氦-3可以作为核聚变原料。其核聚变反应不生成中子，所以几乎无放射性，而且使用氦-3作为原料，核聚变反应的发生过程更容易被掌控，从而使人类以安全、高效、环保的方式运行核聚变反应堆。它比用氢做原料进行核聚变还要安全、清洁，能源利用率也更高。因此，有科学家认为，“即使将氦-3核电站建在地球城市中的闹市区也是安全的。这种可控型核聚变反应，能够确保人类在数千年内都不会面临能源危机”。

然而，氦-3在地球上难觅踪影。据估算，氦-3在全世界的总储量不超过100千克，大部分是由氚元素衰变而成的。即使算上深海气井和火山气体中的氚衰变而成的氦-3，全世界一年最多也只能产生10—20千克。这么一点“产量”，即使用作科研原料也显得捉襟见肘，哪里谈得上作为核聚变原料来发电呢？

值得关注的是，氦-3大量存在于月球上。科学家估算，约有100万吨氦-3嵌附在月球表层，只需要加热到合适的温度，90%以上的氦-3就会释放出来。月球上氦-3的总储量如果都用作核原料来发电，可供人类使用700年！

氦-3罕见于地球，却在月球上大量存在，其主要原因在于，月球40亿年来一直是太阳风粒子的“收集器”，有2亿—5亿吨氦-3粒子嵌入月球表层10—50米的土层中。由于月球的磁场极弱，使氦-3粒子能够在月壤中“安营扎寨”。相比之下，地球上的氦-3粒子在磁场的作用下，沿着磁力线运动，最终被大气层“俘获”。

月球也是“提炼”氦-3的合适场所。那里的环境接近真空、引力小（仅为地球引力的1/6）、温差大（130℃到-183℃之间），采用合适的方法，能够将月壤加热，将氦-3分离出来。

上述方案还大胆设想，氦-3不仅可以作为月球核电站的原料，还能为地球所用。虽然月地距离遥远，但在月球上开采、加工氦-3，然后将其运回地球发电，具备一定的可行性。据估算，宇航飞船从月球运回地球20吨液化氦-3，即可供应美国一年所需的电能。

安全性完全不必担忧

安东尼·卡洛米诺表示，无论最终采用哪一种方案，NASA的目标是到本世纪20年代末，开发出一个10千瓦级的核能电力系统，并在月球上运行。这种核电系统至少能够连续工作10年。

具体而言，该设施将在地球上制造和组装，并进行安全测试，确保能够正常运转。随后，可将该设施整合到月球着陆器上，由运载工具运送到绕月轨道。着陆器降落至月球表面，不需要再进行组装，这个小型核电设施即可运行。它可能采取核聚变或核裂变的反应方式，其堆芯能够产生能量。能量被转移到动力转换系统中。该系统由靠反应堆热能工作的发电机组成，发电机将热能转化为电能，可用于月球上的各种设备。

4套这样的系统，每套提供10千瓦电力，就可以解决小型月球基地的能源供应问题。利用核反应堆在月球表面生产电能，將使设计、建立月球基地以及开发利用月球资源成为可能。

据英国《新科学家》杂志报道，远有切尔诺贝利核事故，近有福岛核事故，很多人对于核电站的安全性感到担忧。对此，一家美国核能领域就业机构的负责人安德鲁·克拉布特里表示，人们完全不必担心地外核电设施的安全性，因为此前科学家已经在月球上利用过核能。美国阿波罗12号探测器就由一部放射性同位素热电机供电，它标志着人类首次在月球上使用核电设施。

《新科学家》指出，太空开发领域有个术语叫“核安全轨道”，指的是在飞行轨道足够高的卫星等航天器上使用核能设施是安全的，因为即使提供能源的核反应堆发生故障，也不会掉落到地球上。月球的运行轨道距地球有38万千米之遥，已经足够高。从理论上说，在月球上部署核反应堆是安全的。

目前有一些执行太空任务的探测器采用放射性同位素热电机，以钚-238作为电力来源。比如著名的卡西尼号土星探测器，就使用了钚-238。美国“自由生物安全”公司首席创新官莫瑞博士表示，即使这类设施在月球上发生事故，给地球造成的风险也很小，因为地球大气层能将核辐射阻挡在外层空间。

阿波罗12号由放射性同位素热电机供电

阿波罗12号由放射性同位素热电机供电NASA设想将小型核电站部署到月球上

NASA并未忽视安全问题，在评估月球核电站方案时，很重视其对环境的影响，在设计电力系统时，也会确保核原料在抵达月球后才被激活。在月球核电站10年的运行期结束后，NASA计划将该设施安全撤走。“该设施最终将关闭，核辐射将降低至人类可以接触和处理的安全水平。” 安东尼·卡洛米诺表示。

核能系统不可或缺

有些科学家反对在月球上部署核电站。他们的理由是，随着基于太阳能的清洁能源成本不断下降，没有理由再依靠建造耗时、费用昂贵且令人担忧的核电设施。《新科学家》杂志指出，目前各国在太空开发领域使用的能源主要分为三类：太阳能、化学能（燃料电池等）以及核能。随着未来太空探索任务需求量日益增大，以及太阳能、化学能在深空探索行动（如前往火星乃至更遥远的星体）中的局限性增大，以核反应堆为基础的核能系统是不可或缺的。

核反应堆支持的电力系统功率大、能量密度高，相比于其他电源具有较高的功率质量比，可在不易获得太阳能的环境中工作。例如，火星上的周期性沙尘暴可能持续数月;月球上永久阴影处的陨石坑内照不到阳光，在这些情况下难以利用太阳能。目前月球南极是各国的研究重点，因为那里有永久性阳光照射区，可以利用太阳能。但如果科学家想在月球表面的低纬度地区建立科考站，就将面临月夜，理想的能源解决方案之一就是建立核反应堆供电系统。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com