未來核動力的出路在哪？

最新 03-21

科學幻想者和科學家們都知道，化學火箭已經接近理論極限，以後必然是核火箭的天下。我們都知道腦洞是人類的特色，但當你查看愛好者們有關核動力飛船的設計時，你還是會感嘆想像力的不足：將液態的核原料在噴口處混合產生鏈式反應的核鹽水火箭；通過不停的釋放小型核彈產生輻射風暴推動特製的帆在太空里「衝浪」的核動力帆船；甚至採用前後貫通的核反應堆，向後排除裂變碎片，前方則設置一個帆狀物拉著航天器飛行複合動力核飛船，各種奇特的設計比比皆是。

人類不可能永遠困守地球這個孤島

這些設計大多不甚可靠，今天我們就來介紹一下未來可能會成為我們星際旅行主力的火箭設計吧。

未來可期——核電火箭

首先我們先來看看初級選手：核電火箭。核電火箭指的是「核動力的電火箭」，而不僅僅是「核電動力的火箭」，那什麼叫電火箭呢？

電推火箭現在正在走成為一種風尚

日光燈是我們以前一個時代的記憶，中學時我們曾經學習到日光燈兩端的高壓會擊穿燈管內部的惰性氣體使氣體產生電離形成等離子體，之後經過一系列的物理過程會最終讓熒光粉發出可見光。而日光燈前面一段物理過程正應用於電火箭推進上。

固體燃料的電火箭會採用電熱的方式將固體材料加熱到氣態，之後就如同日光燈一樣利用高壓將氣態的工質電離到等離子體狀態。為什麼要電離到等離子體狀態呢？因為等離子體雖然整體不帶電，但是每個粒子都是帶電的，我們可以用電把他推出去產生推力！

日光燈啟動時內部會先由高壓電擊穿，整體形成等離子體

接下來就有兩種選擇，第一種類似於在衛星上安一個粒子加速器，採用靜電加速模式，在正電的離子在靜電場的作用下被加速成離子射束，噴射而產生推力。這種理論簡潔明了，但是有不少工程技術難點。比如怎麼樣產生噴射等離子體需要的高電壓？這是傳統動力衛星很難做到的。

靜電火箭發動機就像粒子加速器一樣，直接把粒子加速推出去

第二種發動機則類似於初中時我們學習的一個電磁實驗：帶電小棒在磁場里運動。我們都知道通電導體在磁場里會受到洛倫茲力的作用而運動。在電火箭里的等離子體就像我們那時候認識的小棒一樣在兩側電極板的幫助下通電，在電磁場的作用下，通過相互作用力把自己推出火箭的同時也將飛船加速送往深處的宇宙。

核電磁利用電場和磁場把等離子體推出火箭發動機

這兩種電火箭無論哪一種始終需要一個外部能源供電，但是當進入深空之時普通火箭無論是化學能還是太陽能都不足以滿足持續供電的要求，所以這時候就需要核動力為它續命！尤其是第一種核火箭噴出等離子時所需要的高壓，是傳統動力很難持續提供的，這時候我們唯一能做的就是把核能搬上天，成為新的能量來源。這就是所謂的「核動力的電火箭」。

什麼？你們覺得這種火箭還不夠純粹？不夠強？別急，我們還有大招！

星辰大海——聚變核火箭

核聚變發動機相信讀過大劉《三體》的朋友們是不會陌生的，在《三體》中它的名字叫無介質的輻射驅動飛船，而且還和章將軍有著極深的淵源呢。

……「章北海點點頭，嘆口氣說：『……可控核聚變技術一旦實現，馬上就要開始太空飛船的研究了。博士，你知道，目前有兩大方向工質推進飛船和無介質的輻射驅動飛船，圍繞著這兩個研究方向，形成了對立的兩大派別：航天系統主張研究工質推進飛船，而太空軍則力推輻射驅動飛船。這種研究要耗費巨大的資源，在兩個方向不可能平均力量同時進行，只能以其中一個方向為主。』」……「章北海扣動了扳機，手槍在寂靜中擊發，但他看到了槍口的火光，感到了後坐力。他對第一個目標擊發了十次，馬上飛快換上新的彈夾，對第二個目標又射出十發子彈；再次換上彈夾，把最後十顆子彈射向第三個目標。槍口閃爍丁三十次，如果黃河站方向這時真有人注意到的話，就像看到太空暗黑背景上的一隻螢火蟲。」……

要多想！

熟悉《三體》的人不會忘記章將軍用隕石子彈射殺了三個支持研發有工質推進飛船的科學家，將人類的研究道路向無工質推進的方向邁出了一大步。那什麼又是無工質推進聚變反應火箭呢？首先這涉及什麼叫工質。工質是實現熱能和機械能相互轉化的媒介物質，而核聚變發動機推力產生的核心是聚變直接產生帶電粒子，由磁場將它們推離火箭，整個可以視為不涉及熱能轉換為機械能，所以核聚變的噴出物可以不算工質，就是醬紫。

那麼核聚變是怎麼發生的呢？這就要從核反應說起了，核反應顧名思義是一種原子核受激發變成另外一種原子核的反應，它分為兩種：一種是比較重的原子核受到衝擊分裂，這種過程叫核裂變；另一種是輕的原子核受到壓迫變成相對較重的原子核的過程叫核聚變。這兩種反應幾乎可以說創造了我們這個世界。但是由於核聚變的門檻非常非常的高，所以我們現在還沒有掌握可控核聚變技術。