有关核聚变火箭的报道是真是假?

报道如《科学家设计核聚变火箭:火星之旅只需数个月》http://tech.china.com/science/fancy/11031874/20130409/17768595.html

核聚变现在能利用,岂不是已经用到发电上去了吗,怎么一蹦天高到火箭上去了?如果能用到火箭上,岂不是更成熟的核裂变先用到火箭上?

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13个答案
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2013-06-09 14:34

(这个设想在《三体》里面明确地出现过,也不是不可能成为现实,贴一段我们马上要出的新书《太空将来时》里面对于核动力火箭的描述吧,作者是航天史博士赵洋。)

无工质核聚变火箭为何胜出?

在探测三体舰队虚实的“阶梯计划”进行的同时,人类开始研究太阳系防御事宜。首当其冲的问题就是,用什么动力推进庞大的太空战舰?核聚变是当时人类最有可能掌握的高密度能源,该怎样使用核聚变能呢?固守化学燃料火箭思路的航天界实力派主张研发工质推进飞船,以核聚变能推动有质量的工质,产生反推力推进飞船。而太空军则力主研发不需要工质的辐射驱动飞船。

要理解二者的分歧所在,需要考察核火箭的发展历程。

核能推进的设想最早是由参与曼哈顿工程的斯塔尼斯拉夫· 乌拉姆和弗雷德里克· 霍夫曼在1944 年提出的。后来,美国原子能委员会与NASA 联合实施了NERVA (火箭飞行器用核发动机)项目,该项目主要研究工质推进核火箭。其原理是核反应堆内的核燃料产生热量,推进工质流经反应堆吸收热量后,通过火箭喷嘴喷射出去。

NERVA 采用氢气作为工质兼冷却剂。氢气具有优良的导热性能,在高温低压状态下容易离解为原子氢,并吸收大量的热。而且氢的导热性能可与金属材料相媲美,是最好的冷却介质之一,同时由于其分子量小而成为最优良的推进工质。1955 年到1968 年间,美国政府投资15 亿美元,在内华达州核试验场进行了多次核火箭测试。最后制出了重0.2 吨,推力达到100 吨的核火箭发动机,可使宇航员乘坐通勤飞船在24 小时内到达月球或从月球返回地球。

然而,就在功率4000 兆瓦的核火箭发动机开始测试时,阿波罗登月计划遭到了尼克松政府大幅度的预算裁减。将更多的宇航员送上月球和载人火星计划被无限期推迟。1972 年,已无用武之地的NERVA 计划被取消。
后来,航天工程师,载人火星计划的大力鼓吹者罗伯特· 祖布林又提出了一种核盐水火箭的构思。这种火箭以溶解了含有钚或铀235 的盐水作为燃料。这些含核燃料的盐水存储在特殊设计的容器内,通过几何构造或中子吸收的方法来保证其不达到核反应所需的临界质量。推力通过加热这些放射性盐水来产生核裂变,并通过喷嘴排出产生推力。水在这里既作为中子减速剂也被当作推进工质。

无论是用氢还是盐水,工质核火箭都无法摆脱工质的束缚。核动力虽给飞船带来持久的续航力,但工质的消耗却令飞船难以远离补给站,就像蒸汽时代的铁路机车无法摆脱加水站一样。正是在这种情况下,太空军的灵魂人物章北海激愤地说:“工质推进飞船不过是个大火箭,要用超过三分之二的运载能力运载推进工质,且工质消耗很快,这种飞船只能以行星基地为依托,在太阳系内航行。这样做,是在重复甲午战争的悲剧,太阳系就是威海卫!”(《三体Ⅱ》p221)

进入三体危机纪元后,为尽早造出核聚变火箭发动机,人类的可控核聚变项目设立了四个研究分支,分别按不同的研究方向进行。在现实中,受控核聚变的常用方式有两种,对应这两种方式,工程师提出了两种核聚变火箭发动机方案,它们各有优劣。

1.磁约束聚变发动机。磁约束聚变也叫做持续性聚变,是将核燃料变成数百万度的高温等离子体,使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用强磁场来束缚它们,否则高温离子体会熔化任何束缚它们的容器。《三体Ⅱ》这样描述了磁约束聚变发动机试验失败的场景:

在人类太空舰队的发展方向确定为无工质辐射推进后,大功率反应堆开始进行太空实验。这时地面上的人们常常能看到三万公里的高空发出炫目的光芒。这被称作“核星”的光芒是失控的聚变堆产生的。核星爆发并不是聚变堆发生爆炸,只是反应器的外壳被核聚变产生的高温烧熔了,把聚变核心暴露出来。聚变核心像一个小太阳,地球上最耐高温的材料在它面前就像蜡一般熔化,所以只能用电磁场来约束它。(《三体Ⅱ》p242)

磁约束聚变或许是核能发电的最佳方式,但未必适用于太空飞行。要约束住高温等离子体,必须安装一个磁场发生装置。这种装置由永久磁铁和电磁线圈组成,体积庞大,重量惊人。这意味着火箭发动机必须造得很大。大刘的态度很明确:小说中,首次实现可控核聚变发电后,物理学家丁仪对章北海说,“我早就感觉到托卡马克方式是一条死路,方向对了,突破肯定会产生。(《三体Ⅱ》p220)”这里的托卡马克方式就是磁约束聚变。

2.惯性约束聚变发动机。惯性约束聚变也被称作脉冲性聚变,利用激光或者粒子束来照射核燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高的离子体,从而引发聚变反应。由于此时反应时间非常短,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应,所以无需强磁场束缚。在太空的真空环境中使用粒子束比在地球上具有明显的优势,可以不受大气分子的干扰。从这一点来说,此方案更为可行。不过,采用惯性约束还需安装激光器或粒子束发生器,并且需要给它们提供能量。虽然如此,此方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。

稳定功率输出的可控核聚变虽然还未实现,但其原理是明确的,障碍只存在于技术领域。假以时日,定能取得突破。而且航天器的尺寸、结构与功能也得在现有基础上有很大提升。目前的聚变反应堆容器非常大而且重,这使得其并不好用于星际旅行,在未来如磁约束或惯性约束和等离子不稳定性等技术问题解决后,小型的聚变反应堆有可能被设计制造出来。

所以,大刘认为在21 世纪内,人类有可能造出核聚变火箭。

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Topp天文研究生,摄影爱好者

2013-04-10 13:23

设想而已……

火箭不需要持续的动力,在摆脱某一个引力场以后就可以靠惯性运动了。而且火箭也不需要总的输出能量为正,只要能有快速的能量释放就行了,而发电一定需要总的输出能量为正的。

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所谓的核聚变火箭发动机是利用间歇的核聚变爆炸来推动火箭的,虽然受控核聚变也可以实现火箭推动,但实现方式不同。核聚变时会产生高能带电粒子流,用磁场约束朝特定的方向释放即可获得推力,但推力与爆炸相比会小很多,而且连续的产能受控核聚变目前还未能实现(目前的受控连续核聚变都是负能输出),聚变爆炸推动在工艺上基于现有科技则是有可能实现的,但受伦理以及高昂的研发、实验费用的制约,这方面的研究并未真正开展。

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啥也薄试远洋航天测控工程师

2013-06-09 11:30

火箭推进,目前根子上还都是依靠工质发动机,无非是将物质从火箭的喷口高速射出,利用反作用力来推动卫星飞船前进。
用于产生推力的燃料和喷射出来的物质当让越多越好,才可以飞的远飞的快,但是在另一个层面上来讲,对卫星的飞行是把双刃剑,一方面产生推力,另一方面本身还要消耗动力。按照这样的思路,才发展出了多级火箭的概念,用一段扔一段,保证推进的效率。
航天领域里,一直在谋求一种质量很低,能量密度很大的推进设备。核能是目前已知且可利用的最高能量、质量比的东西,自然地大家就会试图利用核能制造出实用的推进装置。由于不可避免地还要消耗工质,那就试图将低质量的物质,加速到极高速度,以满足推力要求。比如说粒子等级的物质。
由于核能的能量密度很大,又可以持续实用很长时间,而太空旅行往往消耗的时间很长,可以利用核能产生的能量,射出极低质量的粒子,虽然产生的推力较小,但是可以持续长时间使用,积累起来,完全可以将飞船或卫星推到一个较高的速度,却无需携带大量的工质。
由于核能利用安全性的问题,载人的话必然会要求巨大的防护设备,这反而增加了无效质量。所以,现在的核能利用,主要还是落脚在无人卫星飞船上,防护可以做的相对简单些。目前来讲,主要还是利用核能为卫星提供电力的,作为推进装置,实用化进程还是漫长的。

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核聚变的可控性是一个大问题...而且产生核聚变的条件之一是极高的温度。这两点不好处理啊

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相信未来,核聚变一定会突破技术难关。前景和利益实在太大了。

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HT民工高分子物理博士

2013-06-11 18:57

哼,曲速推进才是王道!
下面,我们去寻找负物质吧。。。

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可以实现,但不会应用,危险系数大,近乎反人类·····

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这样的噱头每隔一阵子就出来一个,反正吹牛不上税,事实是,1969年后,人类在航天推进系统上没有任何稍大一点的进展。本来规划20世纪末去火星,现在看来,21世纪末能去就算老天保佑。

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傅里叶变黄油猫软件工程师,应用数学专业

2013-04-10 17:26
支持者: 炸鸡君 窗敲雨

就是个设想,没说现在能实现。

有这个构想主要原因就是目前基于化学能的航天技术效率太低,限制了人类的探索太空能力。

如果要探索深空,必须利用能量密度很高的燃料和相应的发动机,这自然想到利用核聚变,还有正反物质湮灭也是一个思路,但目前来说,通通都是科幻构想。

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支持者: SSwhite

我更关心光速能否被突破,如不能那人类就是个悲剧

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美国做过核裂变火箭,后来美国很多人患了癌症,哈哈,弄虚作假的下场就是弄假成真。

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