太空中的核电站

    1978年1月24日，前苏联军用卫星“宇宙954”号因控制机构失灵而坠入大气层，变成许多小碎片，散落在加拿大的西北部地区。加拿大政府就此向前苏联提出抗议，并要求赔偿损失。国外一些报刊也就此纷纷发表评论。

　　怎么卫星坠毁于他国，竟引起抗议和纠纷呢？原来在前苏联这颗军用卫星上装有核反应堆，卫星失事后变成碎片散落在地面上，就会产生污染。人们由此知道，核反应堆已被搬上太空，成为当时超级大国争夺空间的重要工具。

　　其实，美国在这方面也毫不示弱。早在1965年，它就发射了一颗装有核反应堆的卫星。

　　将核反应堆装在卫星上，主要是用它提供重量轻、性能可靠、使用寿命长和成本较低的电能。

　　在卫星上装有各种电子设备，包括电子计算机、自动控制装置、通信联络机构、电视摄像和发送系统等，都需要使用大量可靠的电能。对于用来探测火星、木星等星体的行星际飞行器，配备的电子设备就更多更复杂，而且来回航程就要数年至十几年。在此期间，还要与地球保持不断的联系，因此，这种太空飞行器上所用的电源，就要求容量更大，性能更加可靠。

　　为了满足太空卫星和飞行器的用电要求，人们进行了各种试验研究。

　　60年代初期，首先在卫星和太空飞行器上使用了燃料电池。这种电池和普通化学电池（即干电池）不同，它实际上是一种发电设备。只要向电池中不断地注入反应物质（流体）。排出反应的产物，燃料电池就能长期连续地进行工作。

　　通常广泛采用的是氢－氧燃料电池。由于这种燃料电池是一种把燃料具有的化学能，也就是氢－氧燃料的燃烧热能连续而直接地转变成电能，没有作机械运动的零部件，所以它的工作稳定可靠。不仅如此，它除了能得到需要的电能外，还可以得到与燃料的消耗量相同的水。这种水经过净化以后就可供人饮用。这对太空飞行器来说，是一种宝贵的副产品。美国的“阿波罗”飞船登上月球，就采用了氢－氧燃料电池。但是，燃料电池的成本高，使用寿命最长为几十天，不能满足长期使用的要求。

　　堪称空间电源大力士的核反应堆，其电容量从500瓦至几千瓦，甚至可高达百万瓦。在这种情况下，对于要求电源容量越来越大的一些太空飞行器来说，就理所当然地选用核反应堆作电源了。

　　太空核反应堆在工作原理上与陆地上的核反应堆基本一样，只是前者由于在太空飞行中使用，要求反应堆体积小，轻便实用。为此，太空核反应堆所用的燃料是纯铀－235。这种核反应堆连同控制装置，大约像2千克重的小西瓜那么大。反应堆运行时产生的热量，一般用以下两种办法转换成电能：一种办法是，将装有液态金属（如水银或钾钠合金）的管子从反应堆中通过，液态金属就吸收热量变成蒸气，来推动汽轮发电机发电。它的优点是，能量转换效率高，可达30%。缺点是，汽轮机的转速很高，达到每分钟1万转，这在空间飞行无人维修的情况下，很难做到长期安全运行。因此，这种办法未能得到实际使用。另一种方法是，以热电偶或热离子方式发电。它不需要转速很高的汽轮机，所以使用简便，可以长期稳定地发电。但热电偶的转换效率只有2%，绝大多数热量都浪费掉了。而热离子转换效率比热电偶高得多，是很有发展前途的一种换能方法。

　　热离子换能是利用热离子二极管来完成。它是将热离子二极管的发射极（阴极）紧靠着反应堆中的燃料元件。当核裂变产生的热量将发射极加热到1500～2000℃的高温时，发射极中的自由电子就得到足够的能量而飞出。这时二极管的收集极（阳极）就将电子收集起来，结果在阳极和阴极之间形成通路，产生了电流。

　　太空核反应堆不仅用作空间飞行器和卫星的主要能源，而且还是未来用于考察和开采月球矿藏的理想电源。在人类征服宇宙空间的伟大事业中，空间核反应堆无疑将是最得力的助手之一。