作為白宮推動太空核動力系統(tǒng)的一部分，美國宇航局(NASA)和能源部(DOE)正在擴大合作，這項舉措是NASA在選擇采用何種燃料和技術(shù)開發(fā)路線所面臨的關(guān)鍵決策時提出的。當(dāng)前，NASA、DOE和白宮希望核能在太空探索中發(fā)揮更大作用，并在維持人類在月球上的持久存在以及隨后的載人火星之旅相關(guān)規(guī)劃中體現(xiàn)。
NASA目前正在考慮不同表面動力(surface power)和推進方法(核熱推進或核電推進)，并正在尋求DOE和DOD反應(yīng)堆設(shè)計的共性。
NASA還必須決定使用高濃鈾(HEU)還是低濃鈾作為燃料。盡管HEU具有諸如高功率密度之類的某些優(yōu)勢，但不擴散倡導(dǎo)者認為，HEU的使用會破壞美國為限制該材料的長期應(yīng)用所作的努力，該材料可用于核武器。
太空委員會強調(diào)跨政府方法
白宮國家太空委員會于7月23日發(fā)布了深空探索戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略確定DOE對發(fā)展核電和推進技術(shù)至關(guān)重要。它指出，NASA計劃開發(fā)一種動力反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆可以為月球表面基地供電，并且正在探索核動力方法，這將大大減少深空航行時間。
國家太空委員會民用太空政策總監(jiān)Ryan Whitley在本月由美國宇航學(xué)會召開的座談會上，闡述了政府為促進各機構(gòu)之間的核技術(shù)發(fā)展所做的工作。
Whitley指出，NASA“迫切需要”一種能夠長期進行月球探測的表面裂變反應(yīng)堆，因為當(dāng)前基于放射性同位素衰變的系統(tǒng)無法為必須穿越月夜或陰影區(qū)的大型任務(wù)提供足夠的動力。他補充說，核推進是一項長期的優(yōu)先事項，因為它有能力使最終的火星任務(wù)及以后的任務(wù)得以執(zhí)行。
NASA和美國國家核安全管理局(NNSA)已經(jīng)通過其聯(lián)合的Kilopower項目對表面反應(yīng)堆進行了測試，該項目正在開發(fā)一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為載人行星基地提供高達10千瓦的電力。對于推進技術(shù)，NASA于10月啟動了火星運輸評估研究，該研究評估了核熱推進(NTP)與核電推進(NEP)的優(yōu)缺點。兩者都使用核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量，NTP系統(tǒng)通過排出氣體，而NEP系統(tǒng)則將熱量轉(zhuǎn)換成電能，然后推進。
Whitley表示，政府的近期目標(biāo)之一是建立一種生產(chǎn)高豐度低濃鈾(high-assay low-enriched uranium，HALEU)的能力，以作為一系列機構(gòu)任務(wù)的燃料。HALEU的鈾235含量為5%至20%，去年，DOE宣布計劃建立國內(nèi)燃料供應(yīng)線，理由是下一代商業(yè)動力反應(yīng)堆的設(shè)計者提出了需求。NASA目前正在探索用HALEU替代HEU，并將其用于Kilopower測試。
Whitley指出，美國政府同樣希望利用NASA和DoD反應(yīng)堆設(shè)計之間的共性。該委員會的報告重點介紹了正在設(shè)計用于為軍事基地提供動力的移動反應(yīng)堆Pele項目以及DARPA的DRACO計劃，該計劃旨在開發(fā)可以在地球與月球之間快速機動的航天器。
在DARPA通過DRACO計劃進行NTP設(shè)計時，NASA尚未選擇特定的推進技術(shù)。在座談會上被問及NTP和NEP之間的選擇時，Whitley拒絕對NASA的考慮進行評論。他說：“兩者都有利弊，因此做出一個清晰的決定并不容易。”
國會推動核熱推進
使用核熱推進的航天器概念圖
為了幫助其決策，NASA委托美國國家科學(xué)院研究委員會評估與NEP和NTP相關(guān)利弊，以及使用HEU與HALEU的優(yōu)缺點。NASA太空技術(shù)任務(wù)處處長Jim Reuter在6月份的啟動會上告訴委員會，該研究并非著眼于政策事項，除非涉及與燃料選擇有關(guān)的考慮。
近年來，國會優(yōu)先考慮NTP的開發(fā)，該計劃由馬歇爾太空飛行中心牽頭。在2020財年，為NTP專門提供了1.1億美元，其中至少8000萬美元準(zhǔn)備在2024年進行飛行演示。
Reuter表示，NASA已經(jīng)要求國會在未來的撥款中將目標(biāo)放在2020年代后期的一次演示活動上，而不是將所有資金用于NTP。他解釋說，最近的研究正在使該機構(gòu)考慮對NEP進行“進一步考察”，并且它希望在短期內(nèi)專注于表面動力。
Reuter指出，NASA在2021財年的預(yù)算申請中，有1億美元用于太空核技術(shù)投資組合，其中6200萬美元用于表面動力，其余用于推進，不限于NTP。該機構(gòu)預(yù)計，到2025財年，對投資組合的要求將增長到2.5億美元。
但是，眾議院建議NASA轉(zhuǎn)而推進NTP，再次包括1.1億美元。眾議院撥款委員會在其立法隨附的報告中指出，他們尚未收到授權(quán)的計劃。NASA正在努力在2024年之前進行NTP飛行演示。參議院尚未發(fā)布該年度NASA支出立法。
HEU討論升溫
隨著NASA推進和Kilopower項目的發(fā)展，防擴散倡導(dǎo)者對NASA使用HEU的持續(xù)興趣表示質(zhì)疑。
美國核協(xié)會在6月的年度會議上主持了關(guān)于該主題的辯論。盡管該協(xié)會過去一直普遍支持使用空間核能和推進技術(shù)，但它已決定在2021年春季之前就是否支持使用LEU制定一份立場聲明。
參加者中包括前費米實驗室物理學(xué)家、眾議員Bill Foster(D-IL)，他認為繼續(xù)推進HEU將樹立危險的先例。他說：“如果所有航天國家都開始在太空中使用HEU反應(yīng)堆，那么這將涉及大量武器級材料的利用。”相反，他繼續(xù)說，如果美國開發(fā)基于LEU的設(shè)計，它可能會成為“事實上的標(biāo)準(zhǔn)”。Foster還建議，與處理HEU相關(guān)的安全措施的高昂成本可能會超過使用這種材料的優(yōu)勢。
防核擴散項目的政策學(xué)者Alan Kuperman指出，自1970年代以來，美國為最大程度地減少在民用應(yīng)用中使用HEU的努力，認為它們“基于無例外的邏輯”。他說：“如果我們說‘好吧，我們將要有例外’，那么其他國家也會說‘好吧，我們也要有例外’，然后整個事情就崩潰了。”在提倡使用HEU的那些人中，Kilopower反應(yīng)堆首席設(shè)計師David Poston表示，根據(jù)他的經(jīng)驗，監(jiān)管機構(gòu)最關(guān)心的是導(dǎo)致高產(chǎn)額的臨界事故，他說，HEU系統(tǒng)傾向于緩解這種情況。NASA放射性同位素動力系統(tǒng)計劃執(zhí)行官Len Dudzinski也表示，LEU反應(yīng)堆的能力不足以執(zhí)行某些潛在任務(wù)，例如鉆入木衛(wèi)二或土衛(wèi)二衛(wèi)星上厚厚的冰蓋。
這次活動的另一位專家，國家科學(xué)院研究委員會成員Bhavya Lal認為，在HEU和LEU之間進行選擇最終是一項政治決定，而不是技術(shù)決定，并指出無論美國如何發(fā)展，其他國家或地區(qū)都可能會采用HEU系統(tǒng)。她主張不要對材料采取一攬子禁令。她說：“我們應(yīng)保持靈活性，并僅允許在沒有HEU時無法完成飛行任務(wù)或HEU成為任務(wù)或目標(biāo)的重要推動者的空間系統(tǒng)中使用HEU。”
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