核火箭或讓前往火星時間減半，然反應堆很難搞

美國國家航空航天局（NASA）計劃在未來十年內派遣載人任務前往火星，但前往這顆紅色星球的1.4 億英里（2.25 億公里）的旅程往返可能需要數月甚至數年。

這種相對較長的運輸時間是因爲使用了傳統的化學火箭燃料。該機構目前正在開發的化學推進火箭的替代技術被稱爲核熱推進，它利用核裂變，並且或許有一天能爲火箭提供動力，使行程時間縮短一半。

核裂變涉及獲取當一個原子被中子分裂時釋放出的巨大能量。這種反應被稱爲裂變反應。裂變技術在發電和核動力潛艇中已經成熟，其應用於驅動或爲火箭提供動力，有朝一日可能爲 NASA 提供一種比化學驅動火箭更快、更強大的替代方案。

美國國家航空航天局和國防高級研究計劃局正在共同開發 NTP 技術。他們計劃於 2027 年在太空中部署並展示原型系統的能力——這有可能讓其成爲美國首批建造和運行的此類系統之一。

核熱推進有一天也可能爲可操縱的空間平臺提供動力，這些平臺將保護美國在地球軌道內和軌道外的衛星。但該技術仍在開發中。

我是佐治亞理工學院核工程系的副教授，我的研究小組建立模型和模擬，以改進和優化核熱推進系統的設計。我的希望和熱情在於協助設計能將載人任務送往火星的核熱推進引擎。

傳統的化學推進系統利用涉及輕質推進劑（如氫）和氧化劑的化學反應。當兩者混合在一起時，會被點燃，導致推進劑迅速從噴管噴出，從而推動火箭。

科學家和工程師們正在研究核熱推進系統，該系統將採用氫推進劑，將其泵入核反應堆來產生能量，並把推進劑從噴管排出以推動火箭。美國國家航空航天局格倫研究中心

這些系統不需要任何點火系統，因此它們是可靠的。但這些火箭必須攜帶氧氣進入太空，這可能會增加它們的重量。與化學推進系統不同，核熱推進系統依靠核裂變反應來加熱推進劑，然後從噴管排出以產生驅動力或推力。

在許多裂變反應中，研究人員向鈾的較輕同位素鈾 - 235 發送一箇中子。鈾吸收中子，形成鈾 - 236。接着鈾 - 236 分裂成兩個碎片，也就是裂變產物，而且反應還會釋放出一些各類粒子。

裂變反應產生大量熱能。

全球目前有超過 400 個核反應堆在運行，都使用核裂變技術。這些運行中的核反應堆大多數是輕水反應堆。這些裂變反應堆使用水來減慢中子速度，並吸收和傳遞熱量。水可以在堆芯或蒸汽發生器中直接產生蒸汽，驅動渦輪機發電。

核熱推進系統的運行方式類似，但它們使用的是含鈾 - 235 更多的不同核燃料。它們的運行溫度也要高得多，這使得它們極其強大和緊湊。核熱推進系統的功率密度約爲傳統輕水反應堆的 10 倍。

核推進可能因一些原因比化學推進更具優勢。

核推進會非常迅速地從發動機噴嘴排出推進劑，產生高推力。這種高推力使火箭能夠更快地加速。

這些系統還具有高比衝。所謂比衝，就是衡量推進劑產生推力效率的指標。

在 1955 年至 1973 年期間，美國國家航空航天局（NASA）、通用電氣和阿貢國家實驗室的項目生產了 20 個核熱推進發動機，並進行了地面測試。

但這些 1973 年之前的設計依賴於高濃縮鈾燃料。由於其存在擴散風險，也就是與核材料和技術的傳播相關的風險，這種燃料不再被使用。

全球威脅削減倡議由能源部和國家核安全管理局發起，其目的是將衆多使用高濃縮鈾燃料的研究反應堆轉換爲高分析低濃縮鈾或 HALEU 燃料。

與高濃縮鈾燃料相比，高分析低濃縮鈾燃料能夠發生裂變反應的材料較少。因此，火箭需要裝載更多的 HALEU 燃料，這使得發動機更重。爲了解決這個問題，研究人員正在研究在這些反應堆中能更有效地使用燃料的特殊材料。

美國國家航空航天局（NASA）和美國國防高級研究計劃局（DARPA）的敏捷環月行動示範火箭，即 DRACO 計劃，打算於 2027 年發射其火箭。

作爲 DRACO 計劃的一部分，航空航天公司洛克希德·馬丁已與 BWX 技術公司合作，進行反應堆和燃料的設計開發。

這些團體正在開發的核熱推進引擎需要符合特定的性能和安全標準。

它們需要有一個能在任務期間運行，併爲快速前往火星執行必要機動動作的核心。

在工程師能夠設計出滿足所有這些標準的引擎之前，他們得從模型和模擬入手。

這些模型能幫助研究人員，像我所在的團隊，瞭解引擎怎樣處理啓動和關閉。

核熱推進引擎跟所有現有的裂變動力系統都不同，所以工程師需要構建適用於這種新引擎的軟件工具。

我的團隊利用模型 設計和分析 核熱推進反應堆。

我們給這些複雜的反應堆系統建模，以瞭解溫度變化等因素可能會怎樣影響反應堆和火箭的安全性。

但模擬這些影響可能得需要大量昂貴的計算能力。

我們一直在努力 開發新的計算工具 ，來模擬這些反應堆在 啓動和運行 時的表現，且不耗費那麼多的計算能力。

我和我的同事們希望這項研究有一天能夠幫助開發出可以自主控制反應堆的模型。