如果把核反應堆送上太空，說不定某天會砸在你頭上

軍情 03-16

▲好奇號火星車發射

1978年1月24日格林尼治標準時間11:53分，一顆熾熱的火球從西南向東北划過了加拿大西部的天空，北美聯合空防司令部早在一天前便已禁止民用飛機從此空域飛過。這既不是彈道導彈試射，也不是軍事演習，聯合空防司令部等待這顆衛星分類編號10361的衛星再入已經有一個月，原因正是這顆被蘇聯稱為「宇宙-954」的衛星上，攜帶著50公斤鈾-235核燃料。

▲極具象徵意義的太空光伏陣列

說起太空飛行器，映入腦海的幾乎都是金色的太陽能電池板，利用光電效應發電幾乎成了宇宙飛行器的象徵。然而由於單片光伏陣列發電有限，為提供穩定電力需要連接多片陣列，外加上陣列本身的重量，對於質量和體積都有嚴苛要求的宇宙飛行器來說大量的電池板無疑是夢魘。且光伏陣列的發電效率取決於太陽光的強度，飛行器要不斷調整姿態確保光伏陣列能受陽光直射，更不用說離太陽越遠發電量越小，不適用於遠離太陽的深空探測。

國際空間站巨大的光伏陣列總計有262400個模組，總面積達2500平方米，單面陣列長達73米，超過波音777翼展。

既然太陽能不給力，那應該用什麼呢？正處於冷戰太空競賽的蘇聯工程師們自然地選擇了核能。在快中子反應堆的基礎上，蘇聯核工程師研發了太空專用的小型BES-5反應堆。此款總重僅385千克的反應堆以直徑0.2米，長0.6米，總重30千克的90%濃縮鈾-235燃料棒為中心，以液態金屬和貧鈾包裹，產生大約100千瓦的熱能後由熱粒子轉換器轉換為3千瓦的電能。

▲BES-5核反應堆設計圖

1967年使用BES-5的US-A蘇聯雷達海洋監測衛星發射升空。至1988年3月14日，US-A項目（為何我想到和蘇聯對立的另一個國家）先後將33顆核動力間諜衛星送入軌道，其中31顆使用的是BES-5型反應堆，剩下兩顆分別代號為「宇宙-1818」和「宇宙-1867」的衛星則使用的是更先進的TOPAZ反應堆。

TOPAZ由俄羅斯全國科研中心「庫爾恰托夫研究所」研發，原型機全重僅320千克，用12千克鈾-235即可在3-5年內穩定提供5千瓦電力。此性能提升主要得益於燃料棒使用液態鈉鉀合金降溫，更高的降溫效率使得反應堆溫度更高，除了提供衛星雷達所需電力的，還可提供電力測試裝在衛星上的代號為「Plazma-2 SPT」的離子推進引擎。

▲US-A系列間諜衛星，核反應堆燃料棒放置於衛星前段的圓柱體內。

▲US-A系列衛星設計圖，衛星壽命到期時會彈射出核燃料棒並送往廢棄軌道（圖左上）

1987年2月1日發射入軌的「宇宙-1818」成功工作6個月，同年7月10日發射入軌的「宇宙-1867「則將次紀錄延長到11個月，衛星載核反應堆的可行性在這兩顆衛星上得到充分驗證。儘管如此，整個US-A項目卻不盡如人意，核燃料的敏感性也因數次事故讓蘇聯承受了巨大的國際壓力，1988年時任蘇聯最高領導人的戈爾巴喬夫取消了US-A間諜衛星項目，蘇聯核反應堆衛星宣告終結。

▲TOPAZ反應堆等比模型，注意看和圖右椅子大小對比。

在US-A間諜衛星事故中，有三次最為嚴重，可謂直接導致了項目的終結。1973年4月25日，發射US-A間諜衛星的火箭失控導致核反應堆掉入日本北的太平洋海域，隨後美國空中檢測機探測到其釋放的核輻射。儘管蘇聯因保密原因沒有公布載荷且拒絕承認發射失敗，但蘇聯研發核反應堆衛星的事實已然暴露無遺。

▲宇宙-954衛星墜落軌道及碎片分布路徑

而最讓蘇聯尷尬的，是本文開頭的「宇宙-954」衛星。1977年9月18日發射入軌的這顆衛星在工作不到3個月後便失去聯絡，12月中旬北美空防司令部因其不穩定的軌道開始對「宇宙-954」進行密切監視，蘇聯也不得不在秘密會談中向美國政府承認已失去衛星控制。更為要命的是「宇宙-954」的核燃料棒分離裝置無法工作，這意味著和其餘US-A衛星不同，「宇宙-954」無法在壽命到期後將核燃料分離並推送入安全的廢棄軌道，換句話說這顆衛星要帶著核燃料棒一起不受控式在加拿大西北上空重返大氣層。

▲準備前往回收碎片的士兵

▲正在測量碎片輻射的士兵

美國和加拿大隨後聯合展開「晨光行動」回收「宇宙-954」的殘骸碎片，從1月24日到10月15日，美加軍隊通過空中和地面總共搜索了加拿大西北共計124000平方千米的地區。蘇聯在「宇宙-954」返回時聲稱衛星已被大氣摩擦徹底燒毀，但美加軍隊還是找到12塊大型碎片，其中10塊具有1.1西弗每小時的放射性，大約為一般民眾一年工作所受人工放射劑量。根據1972年簽訂的宇宙責任合約，衛星發射國要承擔其所發射衛星造成的所有損害，加拿大於是給蘇聯送了一張6百萬加元的賬單，蘇聯最終支付3百萬加元賠償，這亦是該合約簽訂至今唯一一次索賠。

▲搜尋到的「宇宙-954」殘骸

僅4年後的1982年4月30日，「宇宙-1402」間諜衛星在發射後故障沒有進入預定軌道。雖然核反應堆成功分離，但推進器故障導致核反應堆無法進入廢棄軌道，好在此次核反應堆在1983年2月7日墜入南大西洋公海，沒有造成更多麻煩。除去這三次嚴重事故，US-A系列衛星還製造了大量太空垃圾。這是因為反應堆分離時不可避免會有部分降溫用液態鈉鉀合金泄漏，好在凝固後的鈉鉀合金質量體積均不大，且飛行軌道較高，不會對現階段的載人太空飛行器和地面造成影響。

▲SNAP-10A核動力測試衛星

蘇聯這邊忙著開發核反應堆衛星，作為冷戰對手的美國也沒有閑著。1965年4月3日，一顆代號為SNAP-10A的核反應堆測試衛星在范登堡空軍基地發射入軌。作為世界上第一顆核反應堆供電衛星，SNAP-10A要比蘇聯的US-A間諜衛星大許多，反應爐長0.37米，寬0.224米，總重290千克，37根鈾-235燃料棒由液態鈉鉀合金降溫，共提供30千瓦的熱能。

▲SNAP-10A衛星設計圖，核反應堆放置在衛星前端圓錐體頂部。

▲反應堆液態鈉鉀合金降溫示意圖

諷刺的是，SNAP-10A在入軌後僅43天便因為熱粒子轉換裝置的穩壓器故障而無法發電，不得不終止任務並關閉核反應堆。隨後SNAP-10A和核反應堆一起被送入了1300千米高度的廢棄軌道，SNAP-10A也成為美國迄今為止發射過的唯一一個核反應堆衛星。

▲SNAP-10A核反應爐及熱粒子，轉換裝置和人大小對比

SNAP-10A的失敗讓NASA認識到核反應堆的不可靠，另一種發電量較小但卻更安全保險的核動力裝置應運而生，這便是放射性同位素熱電機（RTG）。嚴格意義上講RTG其實更像電池，其利用熱電偶陣列接收放射性物質在衰變時所放出的熱量，然後利用熱電效應將其轉成電能。由於不需要對高溫核裂變反應進行精密調控，RTG更易控制且輻射更少，甚至可以在宇航員附近使用。

放射性同位素熱電機經典構造。核心圓柱體內包裹同位素鈈-238產生熱量，圓柱體表面白色網格狀模組及為熱電偶陣列。以圓柱體為中心向四周展開的8組大型葉片是為電池降溫的散熱片，整個熱電機可直接暴露在真空中使用。

當然這並不意味著RTG就毫無危險可言，事實上在使用RTG的阿波羅12-17號任務中，宇航員都要求將為科學儀器供電的SNAP-27型RTG從登月艙卸下並遺留在月球表面。RTG在阿波羅計劃中的出色表現為深空探測器找到了可靠的電力來源，從早期的維京1,2號，先驅者10,11號，旅行者1,2號，尤利西斯號，到近期的伽利略號，卡西尼號，新視野號，再到5年前的好奇號火星車，RTG的身影可謂貫穿NASA幾乎所有深空探測計劃。儘管如此RTG仍然被裝在探測器最外緣，以便萬不得已時分離。

▲遺留在月球上的RTG

▲新視野號探測器，照片左下突出於探測器整體的黑色圓柱體及為RTG

深空探測器使用RTG幾乎唯一的例外是去年進入木星軌道的朱諾號。這並不是因為NASA不想，而是冷戰的結束讓美國一度停止了鈈-238的生產，直到2013年才剛剛恢復。事實上好奇號火星車上使用的RTG，其所用的鈈都是NASA向俄羅斯購買的。在俄羅斯也沒有鈈-238庫存後，NASA不得不在朱諾號上用回了傳統的太陽能電池板，這也是朱諾號和其他深空探測器相比要大許多的原因。當然為應對太陽光在木星軌道的衰減，朱諾號上的光伏陣列是人類造過的發電效率最高的太陽能發電裝置。