谁能告诉我核能在太空中的应用

谁能告诉我核能在太空中的应用
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核能推进——把核反应炉搬上太空

核能推进是利用核反应产生的能量加热工质或产生等离子体高速喷射产生推力。从理论上讲,原子核反应的能量密度是化学反应能量密度的上百万倍,这种高能量密度使核能推进成为大推进技术的理想选择。

早在20世纪60年代,美国就制定了利用核能制造大型航太运载工具的研究。虽然反应堆的尺寸、重量和形式都适合於运载火箭,但研究发现除了昂贵的投资经费外,主要是因为核火箭发动机的喷气射流严重污染发射台设备及其周围环境,所以这种核推进系统还不会用於运载火箭第一级的动力,至今无法实际应用。但由於核火箭发动机的大功率、高效率,如果用於大气层外火箭飞行,很适合於行星际探测任务。2003年1月,美国制订的新太空政策中提出了利用核动力推进太空船探索火星的“普罗米修斯计划”,大力加强了核能推进的研究。同样,欲发展地面先进的、大推力、高推重比且可用於单级入轨的大型运载系统,应优先考虑发展核能推进技术。
美国的登月计划就有核动力火箭的参与,推动登月飞船的是土星号运载火箭,它有35层楼房那样高。然后,由太空运输船将燃料箱运往太空,并一一挂在核动力火箭上。带足燃料的核动力火箭,载着宇航员离开地球轨道,飞向遥远的星球,然后模仿登月航行,派登陆舱在外星体上着落。在完成考察任务后返回等候在轨道上的母船,对接后重返地球轨道。核动力火箭在地球轨道和遥远星球之间往返运行,长期肩负星际航行的任务,无需返回地面。核火箭用的发动机是靠核燃料裂变时产生的巨大热能,将推进剂加热到极高温度(4000℃以上)。推进剂因而获得动能,以极高速度从尾部喷出,从而推动火箭高速飞行。由于核燃料体积小、发热量大,核火箭可做到重量轻、体积小,化学燃料火箭根本不能与它抗衡。
传统推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术,主要是指液体和固体化学推进。从1926年美国人戈达德研制成以液氧/汽油为推进剂的液体火箭发动机至今,化学推进已经有近80年的发展历史,目前其理论体系和应用技术基本成熟,发射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力,一直以来是航天领域使用最多的推进技术,而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。

新世纪以来,随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展,各国竞相出台新太空政策,人类又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮,而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测的需要。它最主要的不足是能量密度低,目前单纯依靠化学推进来提高喷气速度加速航天器的方法,已经接近了极限。由于能量密度低,利用化学推进需要携带大量的燃料。目前液体和固体火箭发动机所携带的燃料,要占到总重量的90%以上,而有效载荷只占1%~1.5%,将1千克的载荷送入轨道的费用达上万美元。同时,现在的运载工具需要有2~3级火箭持续加速才能将航天器送入轨道,这样就导致了化学推进效费比低、系统可靠性降低等。化学推进需要消耗大量燃料,且不能将航天器加速到足够的速度,这是无法满足深空探测要求的。

新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的,是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进的非化学推进。目前,世界各国正在竞相研究各种新型推进技术,以满足未来太空探索的需要。

核能推进——把核反应堆搬上太空

核能推进是利用核反应产生的能量加热工质或产生等离子体高速喷射产生推力。从理论上讲,原子核反应的能量密度是化学反应能量密度的上百万倍,这种高能量密度使核能推进成为大推进技术的理想选择。

早在20世纪60年代,美国就制定了利用核能制造大型航天运载工具的研究。虽然反应堆的尺寸、重量和形式都适合于运载火箭,但研究发现除了昂贵的投资经费外,主要是因为核火箭发动机的喷气射流严重污染发射台设备及其周围环境,所以这种核推进系统还不会用于运载火箭第一级的动力,至今无法实际应用。但由于核火箭发动机的大功率、高效率,如果用于大气层外火箭飞行,很适合于行星际探测任务。2003年1月,美国制订的新太空政策中提出了利用核动力推进太空船探索火星的“普罗米修斯计划”,大力加强了核能推进的研究。同样,欲发展地面先进的、大推力、高推重比且可用于单级入轨的大型运载系统,应优先考虑发展核能推进技术。
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第1个回答  2008-10-14
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88期国外新闻
4740字)
专论:核电的成本
近期以来,许多针对各种发电成本比较的研究报告均显示:核能
发电受到青睐的情形正在增加.
英国皇家工程学会在其3月份的报告中,对资金成本做了些保守
的预估,并且对风力发电的输出估得相当宽松,结果出来的数据显示
英国未来的核能发电前景看俏,尤其是如果把碳的排放列入考量的
话.天然气仍然是取代核能的最佳替代能源,不过其价格高涨的隐忧
——还不包括其机会成本——都使得它的应用受到限制.在此报告中,
再生能发电足以取代基载电厂的虚幻性显露无遗,恐怕英国政府不能
再视若无睹;而风力发电的成本无论如何都比核电贵上两倍.
扣除风力发电的稳定度不论,近来发表的「欧洲电力研究」针对
其输送每单位电力所需补贴的实际财务分析,也颇堪各界深思.整体
而言,若依目前的趋势不变,到2010年为止,对再生能发电进行补
贴所需花费的金额,将达到每年超过115亿欧元之谱.这将对消费者
用电的电价产生重大冲击.在2001年,直接用於补助再生能发电的
金额是33亿欧元.德国的核能发电厂对风力发电提供每度电6.6分
的补贴金的事实,更突显了德国政府针对核电所采取的愚蠢姿态.尤
其,除非其他类型的发电厂自动降低效率与经济性,否则风力发电已
经愈来愈难在并联发电和其他电厂相配合.因此,对一种无法提供持
续性可靠电力输出的发电模式继续给予大量的补贴是否明智,已经引
发公开的质疑.
接著发表的安大略评议委员会报告,也清楚建议何者才是解决北
美地区迫在眉睫的电力短缺危机最具成本效益的发电方式——核电仍
在该报告所建议的未来电力供应计画方案里占著关键的地位.已经
有人提及,安大略电力公司希望藉由沿著该省与美国密西根州与纽约
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州边境兴建一系列现代化的核能电厂,来提升自己在北美东北部地区
的电力供应者角色.
美国
能源法案再度叩关
一份新的能源法案日前再度送到了美国参议院备审.这份新的法
案预计将花费约140亿美元,这个数字,比去年没有通过的旧案少了
约莫一半之谱,而且新案里并不包括过去备受争议的汽油添加物豁免
权.有关核能的主要条文并没有变动,虽然其中有关进步型反应器每
度电1.8美分的排碳配额颇受怀疑.这项新法案将会直接交付参议院
院会表决,而不再透过相关委员会审查.这项法案预计也将会更新针
对风力发电所进行的每度电1.8分的补贴.该办法已经在去年12月
期满.
氢经济需要核能
一份由美国研究评议会以及国家工程学院所提出,名为《氢经济》
的报告,肯定氢能不论在能源安定性与环保上,都具有「无与伦比且
戏剧性的好处」,不过要完全过渡到以氢为主要能源,可能还要再等
数十年.就短期而言,透过风力涡轮机,以电析法来制造氢,是无污
染的最佳方式,其生产成本为每公斤6.6美元(无并联发电支援时为
10.7美元);长期而言,仰赖天然气作为氢的原料,则具有相当的不
确定性——而这正是现阶段最主要的来源.因此,能源部也应该开发
用国产煤碳(并且将过程中产生的碳加以捕捉,隔离)以及核子热处
理来制造氢的相关事宜.
在加拿大举行的一场核能研讨会中,一名美国能源部资深官员表
示,美国已经订下每年生产3000万吨氢的目标,用以取代美国目前
石油消费量的1/4,并且需要为数约225,000百万瓦的核能热能.
美国提出能源预算
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美国能源部日前提出该部在2005会计年度里的能源预算需求,
总数为243亿美元,其中包括拨给核能科学与技术计画的4.1亿美元
——这比2004年的预算提高了500万美元.在有关核能研究的部分,
具优先性的是第四代反应器计画——共有3100万元投入这个攸关下
一世代进步型能源系统的研发工作.此型反应器有著低核子扩散性,
同时还有降低生命周期成本的优点.其他的核能研究经费则遭到了删
减.这项预算需求同时也支持重新启用爱达荷国家工程与环境实验室
INEEL)的计画,并打算将该实验室建设为美国核能研发的中心.
在2005会计年度里,爱达荷国立实验室将会和阿岗国家实验室—西
区合并,成立爱达荷国家实验室,并让该单位在整个第四代反应器研
发工作里扮演领导者的角色,此外,该实验室也将开发核能在太空中
的应用,并测试海军用的核子反应器.至於核子废弃物处置方面的经
费,大部分都将拨给雅卡山的执照申请所需——数目是9075万美元,
比去年的经费多了3030万元.
欧洲
英国有关发电成本的报告
英国皇家工程学院日前针对英国各新发电厂的发电成本,做了一
份截至目前为止比较基础最可靠的研究报告.尤其重要的是,这份报
告的目的乃在於发展出一套「坚实有力的方法,以便直接比较间歇性
发电模式与可靠的发电模式之间的成本差异.」这意谓著风力发电所
需的备用容量,还有燃煤与天然气发电所需的碳税(每吨二氧化碳要
30英镑,或每吨碳110英镑).据此,风力发电的成本比核能发电贵
两倍以上.
再生能成本量化
若依目前的趋势不变,到2010年为止,对再生能发电进行补贴
所需花费的金额,将达到每年超过115亿欧元之谱.这将对消费者用
电的电价产生重大冲击.在2001年,直接用於补助再生能发电的金
额是33亿欧元.根据欧洲电力量化报告所显示,预计到了2010年,
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再生能的直接补贴范围,会从芬兰的每度电0.4分到德国的6.6分不
.
在另一份单独的报告中,欧洲电力与工业能源消费者联盟指出:
「引进再生能将无可避免地造成电价的提高,这不仅在於其实际发电
成本就已经较高,也在於间歇性能源来源——如风力——就意谓著必需
拥有备载电力容量,而这将加重末端用户的电价.」虽然这两个机构
原则上都完全支持使用再生能,但是「为了减少二氧化碳的排放而提
倡使用再生能,对消费者来说,终究会造成电价的高不可攀.」
欧盟委员会主张核能的必需性
欧盟的经济与社会委员会(ESC)日前明确表示,欧洲有必要维
持使用核电,而且若想达成未来气候变迁相关议题与能源安定的目
标,就更少不了核能.尤其是,在面对充分供应电力这一大挑战上,
「再生能并没有办法自立自强」,「任何部分或全部放弃核能发电的举
措,都将使得欧盟难以达成她对气候变迁议题所作的承诺.」「核能
能够确保稳定的生产价格的事实」是其经济上的重要优点.这个委员
会代表了「组织化的公民社团」,并且常向欧盟执委会与欧洲议会针
对关键议题正式提出建议,虽然其中有不少团体是由欧盟资助,以非
政府组织的型式在独立运作——如环保方面的绿色八号(Green-8)共同
体.
ESC的报告认为,「假设再生能可以做到同样的无碳发电工作,
是完全不合理的」.同样的,「对欧洲的电力用户来说,放弃核能的代
价将昂贵无比」,此外,未来新核能电厂的卖方价格将会滑落.核能
发电提供了稳定供应方面的「重要优势」,因为「它能够在一个电力
市场内部价格开始缓步攀升时,仍然具有稳定且具竞争力的价格」.
ESC的这份报告也指出,关於核能安全与辐射防护的问题,目前都已
经透过技术与管制手段而加以解决了,而有关最终的核子废弃物问
题,根据几个欧洲国家的计画来看,也正在解决当中.据此,「我们
应该致力於提供资讯,将核能工业相关议题的真相传达出去,如供应
的安定性,无碳排放,价格竞争力与安全,以及用过核子燃料的管理
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等等,如此,组织化的公民社团才能够去理性地考虑核能. 」
俄罗斯核能外销畅旺
在2003年里,俄国的米纳顿(Minatom)总共外销了30亿美元
的核子燃料与设备,这样的实质成长,反映了该公司的营运表现转好
的迹象.核子燃料整件的销售则成长了25%.
俄国总统普丁日前在克拉斯诺亚斯克(Krasnoyarsk),面对西伯
利亚州立大学的学生聚会演讲时曾表示:他强力支持将产自俄国的用
过核子燃料运回俄国进行再处理的计画.尽管必须注意环保方面的关
切,但他看不出这样做有什麼问题,而且这一切的程序都是「正当且
正确的」.俄国的立法当局早在两年前就已经批准了这类的进口案(实
际上是作为出口后的服务),自此以后,俄国就活跃於出口动力反应
器新燃料的市场中.最近一桩交易是卖燃料给墨西哥,传统上,那是
美国的市场.
◎ 德国贮存计画陷入混乱
德国政府日前打算放弃对高尔本(Gorleben)盐坑的研究,并另起炉
灶,重新寻找新的场址,以建立一个全国性的单一地层处置场,用以
收纳全德国的放射性废弃物.高尔本目前已经有一个运作中的中期贮
存设施,主要是以地表贮存法来收藏高放射性废弃物,而且一般认为
该地在地质上颇适合成为一个较长期处置场.德国的稽查部门估计:
这样的政策改变,最多会造成高达100亿欧元的损失,加上时程延误
而且多做许多白工.该部门认为也该进行康拉德(Konard)场址的相
关事宜(该地点倾向作为中放射性废弃物的贮存场).负责经营高尔
本的德国电力公司同时也在阿豪(Ahaus)拥有一座设施(贮存高与
中放射性废弃物),不过高放射性废弃物的最终处置是属於德国联邦
政府的职责.
亚洲
◎ 中国大陆计画在2020年前扩增4倍核能容量
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为了解决今年预估中电力需求成长高达12%,而容量增长速度却
只有9%的问题,中国大陆目前正在寻求快速扩增发电容量的方法.
中国国家核工业集团(CNNC)日前宣布,该集团计画在2020年前,
将中国大陆的核电容量由目前约8500百万瓦(其中6600百万瓦电正
在运转中,另有1900百万瓦电接近完工)扩增4倍,到达36000百
万瓦电的规模.
◎ 日本有关电力成本的研究
日本的电力公司联盟日前将2002年启用的新电厂(假设营运年
限至少40年,以80%容量系数运转)的营运相关成本加以量化.核
电的成本是每度5.6日圆,煤为5.9日圆,液态天然气为6.3日圆,
燃油为10.95日圆,水力则为13.6日圆.所有的数字都经过3%的折
扣.在2000-2002年的实际运转成本,核能是每度8.3日圆,而热能
发电则为10日圆.
◎ 日本MOX 的进展
日本福井县日前同意关西电力公司旗下的高滨(Takahama)3号
与4号反应器使用混合氧化物燃料(MOX).关西电力公司计画和法
国的科吉玛(Cogema)公司签署新的合约,以制造这批燃料,并在
2007年进行装填作业.那些在2001年以前为关西电力公司所制造的
混合氧化物燃料则将混入这批新的成品中,它们将需要通过日本管制
当局所制定的品质保证标准.
南韩徵求废弃物场址
南韩的商业,工业与能源部日前宣布:该部门开始接受各地方的
初步申请,以便从中择定一处,兴建一座核子废弃物设施——其中包
括一座低到中放射性废弃物贮存场,以及将存放20000吨用过核子燃
料的中期贮存场.预计这个贮存场将从2016年开始营运.提出申请
的地方政府,必须在5月底前出示当地居民超过1/3同意此案的文
件,主要是为了方便日后的财务补偿作业.去年,猬岛(Wido)曾
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经一度成为候选地点,不过因为当地的反对而作罢.
澳洲
贮存场的跨国审查
来自国际原子能总署(IAEA)辖下的「放射性废弃物处置安全
总处」的5名专家所组成的一个工作小组,日前审查了澳洲的国立放
射性废弃物贮存场的执照申请.他们的结论是:该贮存场的场址选定
程序完整,而最后选定的场址也可望符合经由国际背书的安全性目标
与准则.然而,该贮存场还需要更进一步的工作,「以证明申请执照
过程所想达到的安全性」.该小组完整的报告预计很快就会出炉.
国际
美国支持IAEA的法案
美国总统布希日前强力表达支持国际原子能总署为所有国家新
定特别草约的立场,并敦促美国参议院尽快批准此一条约.「身为『核
能供应成员国』的40个国家,都不应该把浓缩与再处理的相关设备
与技术,卖给那些尚未拥有完整且功能齐备的浓缩与再处理厂的国
家.这个步骤将可以防止有新的国家开发出制造核子弹的分裂物质的
方法.我们将不允许有国家透过操弄国际非核扩散条约,来取得制造
非法武器所需的物质与基础设施.」核能供应成员国——主要焦点摆
在技术上——早已对核子输出有所限制,除非买方国家符合国际非核
扩散条约所要求的保防机制与协定,否则将不允许向这些国家输出民
用的核子技术,包括一切的核子设施在内;新的提案,则将使得批准
国际原子能总署的附加非核扩散特别条约具有强制性(保防与协定的
焦点将放在分裂物质上).
南韩是目前最新一个在和国际原子能总署磋商后,批准了有关保
防协定的特别条约的国家,日后将允许国际原子能总署对该国的核子
活动进行侵入性的检查.这使得让此一条约批准生效的国家数目达到
39国,而已经签署的国家共有80个.
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(以上新闻译自澳洲UIC.因本刊篇幅有限,部分国外新闻将在网站
中刊登,网址:http://ess.nthu.edu.tw/~nicenter)
第2个回答  2008-10-09
卫星和太空探测器一般都携带核燃料电池
利用放射性物质产生是伽马射线可以对空间站进行检查,检查外壳受微流星撞击受损的程度
核能可以作为太空探测器的动力,如卡西尼号土星探测器
第3个回答  2008-10-18
航天器燃料如果核能化,那就不必考虑到航天器燃料不足难以远航的问题!航天器也不必去设计庞大的燃料室
核能的能量还可以供在太空做在地球不能做的试验,比如在太空可以用核能释放的射线检测受微流星撞击飞船的程度!
可以在外太空释放巨大的核能量,人工 造成相对论中时空留取的环境,一遍研究时空等模糊而在地球上无法做的物理试验
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