【文/觀察者網(wǎng) 熊超然】對于美國國家航空航天局（NASA）的核反應(yīng)堆設(shè)計，中國的核工程師們?nèi)涨鞍l(fā)現(xiàn)了其中存在一個關(guān)鍵的效率問題。不過，正是由于中方人員發(fā)現(xiàn)了這些設(shè)計缺陷并汲取了經(jīng)驗，只需稍作結(jié)構(gòu)調(diào)整，就能將燃料消耗降低75%，同時提高功率輸出和延長使用壽命。

3月18日，香港《南華早報》報道指出，這些發(fā)現(xiàn)來自中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司首席專家趙守智領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，并已被納入中國的月球基地反應(yīng)堆計劃，這一研究直接對標(biāo)美方方案，也參考和借鑒了美國和蘇聯(lián)此前的設(shè)計。報道還認(rèn)為，這一進(jìn)展可能會使正在進(jìn)行的探月競賽向有利于中國的方向傾斜。

現(xiàn)階段，中國計劃在2030年前實(shí)施載人登月任務(wù)，月球基地的建設(shè)也在論證當(dāng)中。中方科研團(tuán)隊指出，建立月球基地首先要解決能源問題。在月球或火星等外天體上使用的空間核反應(yīng)堆電源，簡稱星表核電源，具有結(jié)構(gòu)緊湊、比功率大、壽命長、不依賴光照以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是星表基地最理想的能源解決方案。

NASA裂變表面動力項目（FSP）反應(yīng)堆概念圖。中國工程師指出了一些細(xì)微差異，使中國的月球核反應(yīng)堆比美國的更高效、更持久。 《南華早報》

中國核工程師團(tuán)隊發(fā)表在中文期刊《原子能科學(xué)技術(shù)》上的同行評議論文指出，美國在總結(jié)了其空間堆50多年發(fā)展歷程的經(jīng)驗后，近些年提出的空間核電源的參數(shù)指標(biāo)均以工程可實(shí)現(xiàn)性最大為前提，例如一種方案為電功率僅40kW，壽期8年。

中方團(tuán)隊認(rèn)為，這一參數(shù)指標(biāo)具有很好的參考意義，并以對標(biāo)為目的，確認(rèn)選擇電功率40kW、壽期10年作為方案的基本指標(biāo)。同時，該反應(yīng)堆利用環(huán)形燃料棒和氫化釔慢化劑塊克服了傳統(tǒng)設(shè)計的局限性。

趙守智團(tuán)隊表示，這種雙面環(huán)形燃料棒，包括美國西屋公司在內(nèi)的主要核公司都可以輕松生產(chǎn)——將環(huán)形燃料芯塊封裝在不銹鋼包殼中，允許在內(nèi)外表面同時進(jìn)行中子慢化和散熱。氫化釔慢化劑在極端溫度下保持穩(wěn)定，最大限度地減少了早期氫化鋯系統(tǒng)因氫泄漏而導(dǎo)致的不穩(wěn)定風(fēng)險。

這意味著，中國的反應(yīng)堆只需要一層薄薄的鈹反射層來捕獲逃逸的中子，從而提高效率。雙冷卻通道使NaK-78液態(tài)金屬流過內(nèi)外燃料間隙，將核心溫度保持在600攝氏度以下，而三根碳化硼安全棒和八個旋轉(zhuǎn)控制鼓提供了冗余的關(guān)閉機(jī)制。

報道稱，通過氫化釔將快中子轉(zhuǎn)化為熱中子，中國的設(shè)計方案只需約18.5公斤的鈾-235即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這約是NASA裂變表面動力項目（FSP）反應(yīng)堆所需70公斤鈾-235的四分之一。（鈾-235，化學(xué)式U-235，鈾元素里中子數(shù)為143的放射性同位素，是自然界唯一能夠發(fā)生可控裂變的同位素，主要用作核反應(yīng)中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。）

堆芯結(jié)構(gòu)示意圖 《原子能科學(xué)技術(shù)》

FSP反應(yīng)堆是美國在特朗普首個執(zhí)政任期內(nèi)根據(jù)月球計劃開發(fā)的，它依賴于沒有慢化劑的快中子譜。

趙守智團(tuán)隊指出，美方設(shè)計方案雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但其圓柱形鈾燃料棒需要高濃縮水平和厚厚的鈹屏蔽層來管理強(qiáng)中子通量。

中方團(tuán)隊很坦誠地表示，F(xiàn)SP是一個很好的設(shè)計，對中國反應(yīng)堆的開發(fā)也有所幫助。然而，美國反應(yīng)堆的使用壽命上限為八年，它受限于燃料膨脹，且依賴單路徑控制鼓進(jìn)行反應(yīng)性調(diào)整，缺乏中國的雙重關(guān)閉保護(hù)機(jī)制。

趙守智及其科研同事在論文中非常直接地表示，他們正是為了對標(biāo)美國FSP方案，通過集成創(chuàng)新，最終設(shè)計出了論文中所介紹的堆芯物理方案。論文最后也指出，該研究以美國FSP方案為參考，也借鑒了蘇聯(lián)TOPAZ-Ⅱ反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)。

近年來，中國的月球探索計劃進(jìn)展順利，載人登月發(fā)展穩(wěn)步推進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)行了多次繞月探測和取樣任務(wù)，為在2030年前實(shí)現(xiàn)中國人首次登陸月球奠定基礎(chǔ)。

2023年7月12日，中國載人航天工程辦公室副總師張海聯(lián)在武漢舉辦的第九屆中國(國際)商業(yè)航天高峰論壇上披露，中國計劃在2030年前實(shí)現(xiàn)載人登陸月球開展科學(xué)探索，其后將探索建造月球科研試驗站，開展系統(tǒng)、連續(xù)的月球探測和相關(guān)技術(shù)試驗驗證。

2024年11月21日，中國載人航天工程總設(shè)計師周建平在深圳召開的第六屆載人航天學(xué)術(shù)大會上表示，我國載人月球探測工程載人登月任務(wù)已經(jīng)完成了前期的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和深化論證，目前全面進(jìn)入了初樣研制階段。

《南華早報》稱，就在中方取得一系列突破之際，NASA正受到馬斯克領(lǐng)導(dǎo)的美“政府效率部”的圍追堵截，NASA首席科學(xué)家辦公室已有許多人員遭到裁撤。

除此之外，美國主導(dǎo)的“阿耳忒彌斯”返月計劃在2022年完成第一階段任務(wù)后，因技術(shù)問題屢遭推遲。如今，隨著特朗普回歸白宮，預(yù)計將對這個他首個任期內(nèi)啟動的項目做出眾多調(diào)整，而“阿耳忒彌斯”計劃也可能在預(yù)算不明朗的情況下繼續(xù)苦苦掙扎。

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