核能作為人類歷史上的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其中最常見(jiàn)的形式就是核能發(fā)電——核電提供了全球約10%的電力供應(yīng)。核能能量密度高，1千克鈾235全部裂變釋放出的能量相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量，并且高效清潔。但我們所熟知的核電站占地面積大，有的相當(dāng)于上百個(gè)足球場(chǎng)大小。其實(shí)，還有很多不同類型的核能應(yīng)用與人們生活相關(guān)，“體型”更小的反應(yīng)堆就是一類。下面就帶您從陸、海、空、天不同維度來(lái)認(rèn)識(shí)一些有趣的小型核反應(yīng)堆。
有一類小型核反應(yīng)堆被稱為小型模塊化反應(yīng)堆。所謂模塊化，指的是部件模塊化建造。模塊化出廠的部件可以使反應(yīng)堆的建設(shè)如同搭積木，能大大縮短核設(shè)施的建造周期以及檢修過(guò)程。更小的體積、更快的建設(shè)周期以及更簡(jiǎn)易的運(yùn)行，使這種反應(yīng)堆的靈活性得到極大提高。按照需要，這種小型反應(yīng)堆可快速部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島等地，提供電力、取暖、海水淡化、制氫等用途。
當(dāng)反應(yīng)堆的體積縮小至一定程度，還可用大型車載或船載，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化。其中最典型的是核動(dòng)力航母與核動(dòng)力潛艇上的核動(dòng)力堆，核能提供的持久強(qiáng)勁動(dòng)力可使其航行持續(xù)能力成數(shù)量級(jí)增加。1954年，世界上第一艘核動(dòng)力潛艇“鸚鵡螺”號(hào)建成，將凡爾納的幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，開(kāi)啟了核動(dòng)力艦船發(fā)展的新紀(jì)元。如今，艦船小型反應(yīng)堆的發(fā)展步入多功能民用時(shí)代，如俄羅斯KLT-40s型船舶用小型堆，不僅可為船舶提供動(dòng)力、電力供應(yīng)，還可進(jìn)行海水淡化，甚至破冰等。其中，僅破冰這一項(xiàng)便極具商業(yè)前景。如果北極航路能夠打通，船運(yùn)航程將大為縮短，對(duì)我國(guó)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
在空、天領(lǐng)域的應(yīng)用中，小型核反應(yīng)堆同樣大顯身手。
上世紀(jì)的美國(guó)、蘇聯(lián)軍備競(jìng)賽，將小型核反應(yīng)堆的應(yīng)用拓展到了核動(dòng)力飛機(jī)。當(dāng)時(shí)，美國(guó)改裝了當(dāng)時(shí)世界上最大的B36戰(zhàn)略轟炸機(jī)，而蘇聯(lián)改裝了圖95M大型轟炸機(jī)，兩者都裝載了核動(dòng)力裝置，并進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。但因?qū)崙?zhàn)性價(jià)比不足以及技術(shù)問(wèn)題，該類研究沒(méi)有深入進(jìn)行。
而在航天領(lǐng)域，人類正在對(duì)小型化的核反應(yīng)堆開(kāi)展更多范圍、更深層面的應(yīng)用研究。首先是太空核電源。航天器上的電源多采用太陽(yáng)能或化學(xué)能，無(wú)法完全滿足深空探索的需要，只有核能可以勝任此任務(wù)。最常見(jiàn)的太空核電源為同位素（如钚-238）熱/電源，以及核反應(yīng)堆電源。同位素?zé)?電源形式多樣，都是通過(guò)衰變放熱轉(zhuǎn)換或產(chǎn)生電能。而空間反應(yīng)堆電源較早的類型有美國(guó)的SNAP-10A和蘇聯(lián)的BUK和TOPAZ。其中，較成功的BUK反應(yīng)堆電源采用鈾鉬快堆，電功率約為3千瓦，使用液態(tài)金屬冷卻。1970年至1988年間，蘇聯(lián)共發(fā)射了32個(gè)攜帶BUK的海洋監(jiān)視衛(wèi)星。2012年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室提出了Kilopower項(xiàng)目，用以開(kāi)發(fā)新一代更加小型的空間反應(yīng)堆。Kilopower采用鈾-235堆芯，利用高效斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換輸出千瓦級(jí)別電力，體積僅有紙簍大小，但幾臺(tái)Kilopower即可為一座空間站提供所需電力供給。
我們的目標(biāo)是星辰大海，探索浩瀚宇宙，進(jìn)入無(wú)垠深空，這其中少不了核動(dòng)力推進(jìn)器的一席之地。早期核動(dòng)力推進(jìn)以核熱推進(jìn)為主，利用核裂變釋放能量加熱工質(zhì)，加熱的工質(zhì)高速噴出噴管產(chǎn)生推動(dòng)力，如美國(guó)早期的NERVA，以及蘇聯(lián)的RD-0410發(fā)動(dòng)機(jī)。但由于化學(xué)火箭可滿足當(dāng)時(shí)需求，熱核推進(jìn)技術(shù)一度得到擱置。
進(jìn)入21世紀(jì)，為推進(jìn)載人登陸火星任務(wù)，美國(guó)、歐盟及俄羅斯開(kāi)展了大功率電推進(jìn)技術(shù)研究，推出了核動(dòng)力搭配電推進(jìn)系統(tǒng)。它的工作原理是，利用核反應(yīng)堆及熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生電能，使工質(zhì)電離化，產(chǎn)生帶電粒子，在電場(chǎng)或電磁場(chǎng)作用下高速噴出噴管，產(chǎn)生反推力。與當(dāng)前化學(xué)推進(jìn)器相比，它的比沖提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。可見(jiàn)，核動(dòng)力推進(jìn)將幫助人類真正揭開(kāi)星際遠(yuǎn)征時(shí)代。
此外，還有為人類健康保駕護(hù)航的醫(yī)用同位素生產(chǎn)堆、各類研究堆以及探索階段的聚變堆等。隨著時(shí)代發(fā)展以及科技工作者們的不懈努力，相信核能將在陸、海、空、天有更為廣闊的應(yīng)用，更好地為人類服務(wù)。
