核火箭或让前往火星时间减半，然反应堆很难搞

美国国家航空航天局（NASA）计划在未来十年内派遣载人任务前往火星，但前往这颗红色星球的1.4 亿英里（2.25 亿公里）的旅程往返可能需要数月甚至数年。

这种相对较长的运输时间是因为使用了传统的化学火箭燃料。该机构目前正在开发的化学推进火箭的替代技术被称为核热推进，它利用核裂变，并且或许有一天能为火箭提供动力，使行程时间缩短一半。

核裂变涉及获取当一个原子被中子分裂时释放出的巨大能量。这种反应被称为裂变反应。裂变技术在发电和核动力潜艇中已经成熟，其应用于驱动或为火箭提供动力，有朝一日可能为 NASA 提供一种比化学驱动火箭更快、更强大的替代方案。

美国国家航空航天局和国防高级研究计划局正在共同开发 NTP 技术。他们计划于 2027 年在太空中部署并展示原型系统的能力——这有可能让其成为美国首批建造和运行的此类系统之一。

核热推进有一天也可能为可操纵的空间平台提供动力，这些平台将保护美国在地球轨道内和轨道外的卫星。但该技术仍在开发中。

我是佐治亚理工学院核工程系的副教授，我的研究小组建立模型和模拟，以改进和优化核热推进系统的设计。我的希望和热情在于协助设计能将载人任务送往火星的核热推进引擎。

传统的化学推进系统利用涉及轻质推进剂（如氢）和氧化剂的化学反应。当两者混合在一起时，会被点燃，导致推进剂迅速从喷管喷出，从而推动火箭。

科学家和工程师们正在研究核热推进系统，该系统将采用氢推进剂，将其泵入核反应堆来产生能量，并把推进剂从喷管排出以推动火箭。美国国家航空航天局格伦研究中心

这些系统不需要任何点火系统，因此它们是可靠的。但这些火箭必须携带氧气进入太空，这可能会增加它们的重量。与化学推进系统不同，核热推进系统依靠核裂变反应来加热推进剂，然后从喷管排出以产生驱动力或推力。

在许多裂变反应中，研究人员向铀的较轻同位素铀 - 235 发送一个中子。铀吸收中子，形成铀 - 236。接着铀 - 236 分裂成两个碎片，也就是裂变产物，而且反应还会释放出一些各类粒子。

裂变反应产生大量热能。

全球目前有超过 400 个核反应堆在运行，都使用核裂变技术。这些运行中的核反应堆大多数是轻水反应堆。这些裂变反应堆使用水来减慢中子速度，并吸收和传递热量。水可以在堆芯或蒸汽发生器中直接产生蒸汽，驱动涡轮机发电。

核热推进系统的运行方式类似，但它们使用的是含铀 - 235 更多的不同核燃料。它们的运行温度也要高得多，这使得它们极其强大和紧凑。核热推进系统的功率密度约为传统轻水反应堆的 10 倍。

核推进可能因一些原因比化学推进更具优势。

核推进会非常迅速地从发动机喷嘴排出推进剂，产生高推力。这种高推力使火箭能够更快地加速。

这些系统还具有高比冲。所谓比冲，就是衡量推进剂产生推力效率的指标。

在 1955 年至 1973 年期间，美国国家航空航天局（NASA）、通用电气和阿贡国家实验室的项目生产了 20 个核热推进发动机，并进行了地面测试。

但这些 1973 年之前的设计依赖于高浓缩铀燃料。由于其存在扩散风险，也就是与核材料和技术的传播相关的风险，这种燃料不再被使用。

全球威胁削减倡议由能源部和国家核安全管理局发起，其目的是将众多使用高浓缩铀燃料的研究反应堆转换为高分析低浓缩铀或 HALEU 燃料。

与高浓缩铀燃料相比，高分析低浓缩铀燃料能够发生裂变反应的材料较少。因此，火箭需要装载更多的 HALEU 燃料，这使得发动机更重。为了解决这个问题，研究人员正在研究在这些反应堆中能更有效地使用燃料的特殊材料。

美国国家航空航天局（NASA）和美国国防高级研究计划局（DARPA）的敏捷环月行动示范火箭，即 DRACO 计划，打算于 2027 年发射其火箭。

作为 DRACO 计划的一部分，航空航天公司洛克希德·马丁已与 BWX 技术公司合作，进行反应堆和燃料的设计开发。

这些团体正在开发的核热推进引擎需要符合特定的性能和安全标准。

它们需要有一个能在任务期间运行，并为快速前往火星执行必要机动动作的核心。

在工程师能够设计出满足所有这些标准的引擎之前，他们得从模型和模拟入手。

这些模型能帮助研究人员，像我所在的团队，了解引擎怎样处理启动和关闭。

核热推进引擎跟所有现有的裂变动力系统都不同，所以工程师需要构建适用于这种新引擎的软件工具。

我的团队利用模型 设计和分析 核热推进反应堆。

我们给这些复杂的反应堆系统建模，以了解温度变化等因素可能会怎样影响反应堆和火箭的安全性。

但模拟这些影响可能得需要大量昂贵的计算能力。

我们一直在努力 开发新的计算工具 ，来模拟这些反应堆在 启动和运行 时的表现，且不耗费那么多的计算能力。

我和我的同事们希望这项研究有一天能够帮助开发出可以自主控制反应堆的模型。