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未来20年 核动力飞机能否上天?

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行业新闻
2015/09/18
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【摘要】:
“核动力飞机”乍听起来只是好莱坞大片中的科幻题材,因为在继人们打造出核潜艇、核动力航空母舰、核动力破冰船等系列杰作之后,核动力飞机从来都被认为是“异想天开”:哪有载着“核威慑”到处飞的家伙? 然而,波音公司近日获批的一项技术专利却显示,核动力飞机似乎距离人们越来越近了:该专利涉及利用激光引发核聚变、核裂变进而为飞行器输送动力的系统。波音希望用这种核动力引擎代替目前应用在飞机上的主流的涡轮引擎,甚至

“核动力飞机”乍听起来只是好莱坞大片中的科幻题材,因为在继人们打造出核潜艇、核动力航空母舰、核动力破冰船等系列杰作之后,核动力飞机从来都被认为是“异想天开”:哪有载着“核威慑”到处飞的家伙?

 

然而,波音公司近日获批的一项技术专利却显示,核动力飞机似乎距离人们越来越近了:该专利涉及利用激光引发核聚变、核裂变进而为飞行器输送动力的系统。波音希望用这种核动力引擎代替目前应用在飞机上的主流的涡轮引擎,甚至代替航天器的助推火箭系统。

 

人们梦想用核动力取代涡轮引擎。

 

一般而言,每一项技术从宣布到可用的版本出现,大约都需要20年的时间。那么,20年后,核动力飞机能否飞上天?

 

核动力飞机 冷战制造

 

其实,人们对核动力飞机的设想由来已久。早在上世纪五六十年代的冷战时期,美苏两国就已经打算把这种设想变成现实了,只是因为解决不好辐射防护和重量的问题才没有真正用于实战。

 

当时,军备竞赛美苏两国研制核动力飞机的出发点是要造出高性能的远程战略轰炸机,“绕地球转几圈不用加油”,从而摆脱对军事基地的依赖。美国率先启动了一项名为“NEPA计划”的项目,先后投入1000万美元研制核动力远程战略轰炸机和高性能飞机。后来,该项目被美国原子能委员会和美国空军的联合飞机核推进项目取代,即ANP项目。苏联起初对核动力飞机的讨论只是停留在报告上,后来在美国研制“NB-36H”核动力飞机“进展顺利”的刺激下,苏联高层也下令投入研发。

 

“NB-36H”核动力飞机是由当时翼展最大的军用飞机B-36轰炸机改装而来,美国人将核反应堆装上之后,“B-36”前就多了个N:Nuclear。

 

核动力飞机可不是仅仅改装一个核反应堆动力装置那么简单,除了选择合适的驱动方式之外,还要克服一个非常实际的困难:如何保护驾驶员不被反应堆长时间辐射?若飞机坠毁后,带来的地面核污染如何避免?

 

为了解决这个难题,技术人员对NB-36H的驾驶舱用厚厚的铅和橡胶屏蔽层包裹,重达12吨。而在NB-36H试飞时,旁边还跟着另一架装满了士兵的飞机——万一NB-36H坠毁,这些士兵要第一时间冲下去封锁现场,避免核辐射伤及无辜。

 

此后,NB-36H搭载试验反应堆在1955年至1957年间共完成了47次飞行。虽然携带反应堆,但它仍依靠常规动力飞行。后来的苏联核动力飞机图-119的60多次飞行试验亦是如此。

 

知名航空专家、《航空知识》杂志副主编王亚男告诉《中国科学报》记者,因核动力而来的核安全管理问题正是核动力飞机迄今未能问世的根本原因,且不提成本,其管理难度之大难以估量。

 

此外,核动力航母和核潜艇可以利用取之不尽的海水来冷却堆芯,而在飞机上的核反应堆,只能采用气冷技术,这在当时的技术水平上也难以企及。

 

真正阻碍核动力飞机出炉的原因,则是替代品洲际导弹的出现。可携带核弹头的洲际导弹可以大量部署在核潜艇、航母和陆地上。此时,用核动力飞机实现战略轰炸就显得效率低下了。

 

核聚变带来发展契机?

 

尽管人们关于核动力飞机的畅想一度中止,但核动力能源密度大的诱惑一直都让人们跃跃欲试——从理论上讲,一磅(大约454克)浓缩铀可以驱动一架飞机绕地球飞数十圈。

 

而前景更为诱人的核聚变,则给核动力飞机带来更多的想象空间。因此,尽管困难重重,核动力飞机也一直并未淡出工程师们的视野。

 

今年初,洛克希德˙马丁公司的臭鼬工厂宣布,该公司已经掌握了紧凑型核聚变发电技术,预计在未来十年内,可以用于为空军的飞机和海军的舰艇提供动力。

 

近几十年来,核聚变取代核裂变作为能量来源已经被证明有着更为广阔的前景:它更加高效,没有核废料需要处理,并且燃料可以容易地回收利用。

 

洛克希德公司所谓的“紧凑型核聚变反应堆”使用了磁约束核聚变版本,很像正在法国建设的国际核聚变工程——国际热核实验反应堆(ITER)。然而,甜甜圈形状的托卡马克国际热核实验反应堆直径达到16米。

 

但是洛克希德˙马丁公司声称,该公司已经掌握了封压温度极高的电离气体或等离子体的创新方法。这意味着紧凑型核聚变反应堆“能够安装在卡车或者军用运输机的后面”。

 

王亚男认为,目前而言,核聚变的技术难度还很大,仅仅在实验室阶段存在实验堆,迄今为止尚没有核聚变项目能够研制出真正的原型机,洛克希德公司的臭鼬工厂肯定有许多障碍需要克服。例如,降温装置和蒸汽发电机所占用的空间可能会远远超过为飞机提供动力所允许的空间。

 

在他看来,技术上的阻碍也许只是暂时的,管理上的问题才是核技术用于飞机上真正的障碍。

 

“我对核动力飞机不抱太多幻想。”王亚男告诉记者,无论核裂变还是核聚变,时至今日“核”仍是一个很敏感的话题。譬如核电站,都是由强有力的国家系统管辖,若将管理难度更大的核动力飞机置于公司管理框架下,很难有一套行之有效的安保措施可供使用并令人信服。

 

此外,王亚男指出,核燃料本身是可以被武器化的一种资源。在这种背景下,人们对核的忧虑是非常显见的。“会不会被恐怖分子或恐怖组织所利用?这在实际使用中不能不考虑。”

 

核动力汽车

 

但是人类安全利用核能的信心并没有削减。人们猜测核动力飞机一个可能的用武之地,就是货运飞机。核动力能帮助飞机实现载重大、不耗油、可连续十几年在不加油的情况下进行全球快速运输。如果核动力货运飞机出现,那么它就可节约大量的燃油,减少二氧化碳等气体的排放。

 

除了核动力飞机,汽车也被列入核动力驱动之列。

 

早在上世纪50年代福特汽车就推出了世界上第一款核动力概念车,名为Nucleon。福特的设计师计划在两个后轮之间加装核反应堆,并以铀元素的核裂变为能源,从而把水变成高压蒸汽,再推动涡轮叶片驱动汽车。然后蒸气在冷却之后返回核反应堆里面再次加热。只要核燃料还没用完,它就能不断发出动力。

 

另外一款核动力概念车“CadillacWTF ”则对核燃料进行了新的畅想 ——WTF即是取自World Thorium Fuel的词首字母,意思就是钍燃料。

 

钍是一种放射性的金属元素,它在地球上的储量几乎同铅一样丰富。钍在核反应中可以转化为原子燃料铀-233,钍所储藏的能量,比铀、煤、石油和其他燃料总和还要多许多。凭借着这一特性,驱动这辆车所需要的钍燃料极少。

 

“CadillacWTF”的设计者LorenKuleses是一位艺术家,除了形似宇宙飞船的造型,该车还有一个非常有意思的设计——每一个车轮都由六个圆环构成,每一个都是独立的驱动轮。在他的构想中,车身中部一个钍元素反应堆可以为那些驱动轮提供源源不断的动力,在不添加燃料、免维护的前提下持续运转100年。

 

原子能真的适合作为汽车的能源吗?至少在人类目前已经掌握技术的前提下,这是不切实际的。Loren Kuleses提到的钍燃料实际上是钍-232,人们无法直接使用钍-232通过原子反应产生能源。并且,艺术家描绘的小型反应堆现实中不存在,产生足以驱动一辆汽车所需能量的反应堆至少需要数十吨。

 

人类以核作为动力的历史才有60多年,未来核技术的发展也许会出乎今日我们所预料。而人们关于核动力的使用也超出了今日核技术的发展,而是存在于幻想之中,而幻想恰恰是人类进步的原动力。

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