關於天朝2040年代核動力太空梭計劃的簡單思考

雖然我早就知道這消息但是看到國內媒體大肆報道吹噓、還有很多無知評論後我就忍不住在知乎發文簡評科普一下相關問題。

美媒關注中國核動力太空梭計劃：雄心勃勃且充滿自信_《參考消息》官方網站

一.太空梭上用核動力有什麼優勢？

核熱火箭引擎的效率是目前最好的液氫-液氧火箭引擎的2倍多（比沖800-1000秒，噴氣速度），因此用同樣質量的推進劑能送更多載荷去太空。

二太空梭用核動力是基於什麼原理

原理是用高溫（2000-3000K）的反應堆堆芯直接加熱液氫之類的低沸點液體，使其猛烈膨脹，以近10,000米/秒的速度急速噴出，和火箭一樣藉助反作用力產生推力。所以跟核潛艇上能連續運轉十幾年乃至更久的核推進系統不同，核熱火箭受推進劑的限制，產生同等推力的情況下引擎工作時間只不過是常規化學火箭的2倍。

三.那核動力用於太空梭有什麼問題？

1.核熱火箭工作時會產生放射性廢氣，因為堆芯被熾熱而高溫的氫推進劑猛烈侵蝕下會剝落一些微粒碎片，有點像岩石風化。含有這些放射性微粒的廢氣會污染環境。

2.眾所周知核反應堆工作會發出強烈的電離輻射，需要有效的防護，否則核動力太空梭就從載人航天變成宰人航天了，就算是用於無人貨運，電子設備也受不了電離輻射。核反應產生的中子還會導致中子脆化和中子活化效應，前者是中子「擊打」材料微觀的晶格結構，導致強度下降、脆化。後者則是中子的轟擊把原本沒有放射性的元素變成其他有放射性的元素、同位素。

所以輻射防護非常重要，輻射防護原理有三種：時間防護、距離防護、屏蔽防護。時間防護就是設法縮短受輻射時間，控制總的受輻射劑量。距離防護則是拉開跟輻射源的距離，畢竟電離輻射和光一樣適用於反平方定律會隨著距離而迅速衰減。屏蔽防護就不用說了，阻隔屏蔽。

關於核動力太空梭的輻射防護，時間防護就不討論，因為這跟任務規劃有關，要想儘快入軌減少核火箭工作時間那只有加大反應堆功率、推力，然而那又會增加反應堆電離輻射的功率。

那距離防護呢？太空梭相對緊湊，美國太空梭組合體也不過56.1米高，不像在太空可以用上百米長的桁架把反應堆放的遠遠的，所以距離防護上可施展空間很小。

然後是屏蔽防護，眾所周知輻射屏蔽比較笨重，需要鉛、混凝土、水等。對質量敏感的航天器而言，用鉛、混凝土等過於奢侈。好在鋰以及氫等對中子有良好的屏蔽作用，密度比鉛、混凝土輕的多，儘管如此，在時間、距離防護措施受限的情況下要屏蔽功率巨大（通常1000兆瓦熱功率以上）的核熱火箭反應堆的輻射依舊是艱巨的挑戰。

出於質量和引擎結構等的考慮只能屏蔽局部方向，也就是朝著前方的含有航電、載荷、人員的錐形區域。而兩側和後方是裸露的。要全包起來的話笨重的屏蔽很可能會抵消核熱火箭高比沖的優點導致得不償失，不如用更便宜、安全的化學火箭。這就意味著發射時發射場會籠罩在危險的核輻射里。發射架等設備會被反應堆的中子脆化、活化，給維護出問題。

就算解決了輻射防護問題，太空梭上天入軌後，核熱火箭關機停堆後是不是就安全了？並不是這樣，反應堆停止裂變反應後依舊會放出電離輻射。這主要是來自被中子活化的物質和乏燃料（核裂變的產物，可以說是核反應的灰燼）衰變導致的。福島、切爾諾貝利早就停止核反應，然而那些放射性物質衰變產生的輻射依舊危險，導致了周圍的無人區。所以太空梭釋放載荷、跟其他航天器對接時一定要確保對方處在錐形屏蔽區內，以免遭到輻射，帶來風險和不便。太空梭返回在機場降落時那些危險的輻射更會導致地面服務、維修的不便。非常的危險、成本高昂。最終讓核動力太空梭毫無經濟性。

另外核動力太空梭在發射或者降落時出事，那就不是摔死（挑戰者、哥倫比亞號）、砸死幾個人（國際通訊衛星708號）那麼簡單了，而是重大核事故了，會造成持久的大片無人區。如果落入海洋，那可能更糟糕。福島只是泄漏放射性污水，而不是直接把高危核廢料撒海里。以往的核潛艇沉沒，反應堆也是完整的，沒四分五裂，哪怕是庫爾斯克號上的魚雷大殉爆也沒傷害核反應堆。而核動力太空梭墜毀就不同了，看挑戰者號、哥倫比亞號的殘骸就知道了，會嚴重的多。

所以從安全性、經濟上講，天朝在2040年搞核動力太空梭完全是天方夜譚。那是不是核反應堆就不能上天？也不是，如果核反應堆在地面保持惰性不開機，進入了軌道在啟動。那其實很安全，因為鈾235、鈈239等核裂變燃料的放射性很低，赤手去摸也沒事，一張紙、或者皮膚就能阻擋微弱的α輻射（氦核），只要不吸入這些核燃料的粉塵就沒事。比同位素髮系統（俗稱核電池）用的鈈238安全多。就是墜毀了清理也相對容易。而反應堆一旦運行過就會產生中子活化放射性物質和最危險的乏燃料。

因此航天使用核反應堆千萬要記住，不要在地面啟動核反應堆，等安全入軌（最好高度500千米以上，軌道壽命長）後再啟動，這樣就安全了。況且在太空也有無限的空間能把反應堆挑的遠遠的讓輻射衰減。

順便說一下，記得分清衰變、裂變、聚變。好奇號火星車、卡西尼號土星探測器等用的是放射性同位素核衰變，不是核裂變，不屬於核反應堆，是俗稱的核電池。而蘇聯在上世紀發射的一系列雷達型海洋監視衛星例如著名的宇宙954號和美國的SNAP-10A試驗空間反應堆等才是真正的太空核反應堆。