月球核電站：是深空駐留的唯一解，還是一場不容失敗的豪賭？

2025年，美國交通部部長肖恩·達(dá)菲（Sean Duffy）剛被任命為美國航空航天局（NASA）代理局長還不到一個(gè)月，就向全世界發(fā)布了一項(xiàng)令人側(cè)目的消息：NASA計(jì)劃在月球上部署一座核反應(yīng)堆。他表示，為了強(qiáng)化美國太空國家安全，這座反應(yīng)堆將在2030年前完成設(shè)計(jì)、建造、發(fā)射并送達(dá)月球表面。這一聲明讓許多觀察者感到難以置信，為什么要把核反應(yīng)堆放到月球上？

問題在于，如果美國或任何有航天能力的國家，想在月球長期駐留，并建立一座有人駐守、且能在漫長的寒冷月夜持續(xù)運(yùn)行的月球基地，僅靠太陽能并不能滿足需求。NASA希望通過“阿耳忒彌斯”計(jì)劃（Artemis program）將地球的這顆銀色衛(wèi)星變成科學(xué)前哨站、采礦基地，以及通向火星的火箭發(fā)射臺。

這項(xiàng)計(jì)劃不久前剛把四名宇航員送上繞月之旅。要做到這些，核能是唯一選擇。英國威爾士班戈大學(xué)核能未來研究所聯(lián)合所長西蒙·米德爾伯勒（Simon Middleburgh）表示：“這是讓月球基地長期維持正常運(yùn)營的唯一辦法。”中國和俄羅斯也正聯(lián)手準(zhǔn)備于2035年前在月球上建造自己的核反應(yīng)堆，為計(jì)劃中位于月球南極的“國際月球科研站”供電。不論是由哪個(gè)國家實(shí)現(xiàn)，“核能遲早會登上月球，”米德爾伯勒表示，“這是不可避免的。”

核電站比許多人想象的更安全。但把反應(yīng)堆送入太空的歷史，可謂跌宕起伏。1978年，蘇聯(lián)“宇宙954號”（Kosmos 954）衛(wèi)星搭載的小型核反應(yīng)堆意外在地球大氣層中解體，引發(fā)了一場國際事件。而月球表面是一片嚴(yán)酷的火山荒漠，溫度起伏劇烈，小行星頻繁撞擊，還有持續(xù)不斷的月震。在那次事件后，還沒有人專門設(shè)計(jì)過適用于月球這種外太空環(huán)境的核反應(yīng)堆。

專家質(zhì)疑達(dá)菲提出的月球核電站計(jì)劃在時(shí)間安排和規(guī)模上是否可行。在2030年前，在人類尚未踏足過的月球南極，部署一座足以為80個(gè)美國家庭供電的反應(yīng)堆，這件事就算有可能，也顯得太過倉促。沒人希望美國為了搶先，匆忙推進(jìn)月球核反應(yīng)堆的構(gòu)想、建造、發(fā)射和著陸。“我認(rèn)為最糟糕的情況可能是，為了爭第一，我們忽略了重要的設(shè)計(jì)與安全環(huán)節(jié)，”美國蘭德公共政策學(xué)院空間政策教授、NASA前代理首席技術(shù)官兼技術(shù)、政策與戰(zhàn)略副署長巴維亞·拉爾（Bhavya Lal）說，“率先做到當(dāng)然好，競爭也是好事，但我們必須把事情做對。”

如果美國成功了，這座核動力月球基地將成為人類探索太陽系，甚至邁向群星的立足點(diǎn)。但也可能發(fā)生失誤。無論是無意間把放射性廢物噴到了古老的水冰中，還是在月球黑夜里失去電力供應(yīng)讓宇航員陷入致命困境，月球上的核災(zāi)難，用米德爾伯勒的話說，都會是“一場足以讓人類蒙羞的災(zāi)難性爛攤子”。

一種可能的月球核電站形式。

地球外的反應(yīng)堆

凱蒂·赫夫（Katy Huff）想先澄清一點(diǎn)：鈾，這種臭名昭著的放射性元素，既能用來為核電站供能，也能在稍加改造后賦予核武器毀滅性的力量。但至少從某種意義上說，它本身相當(dāng)乏味。

赫夫是美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的核工程師，曾在拜登政府中擔(dān)任核能助理部長。核能是她最熟悉的領(lǐng)域。赫夫在最近一次視頻通話中表示，未使用的核燃料“從放射學(xué)角度看很平常”，其放射性并不強(qiáng)。她指著桌上的一個(gè)東西說：“我那只紙箱里就有一些鈾。”你把鈾塊拿在手里也不會出事，這個(gè)事實(shí)也許會讓很多人感到驚訝。米德爾伯勒表示：“你可以把它拿起來，它像鉛一樣毒性很強(qiáng)，所以切勿食用。”

當(dāng)你把鈾投入核反應(yīng)堆并用中子轟擊它，它就會變得既危險(xiǎn)又有用。中子撞擊會讓鈾不穩(wěn)定的原子核分裂，釋放出更多中子，這些中子又會讓更多原子核分裂。于是就發(fā)生了釋放熱量的核裂變反應(yīng)。只要反應(yīng)沒有失控，就可以用反應(yīng)熱量把液體（通常是水）轉(zhuǎn)化為蒸汽，蒸汽再推動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)電。

一旦鈾燃料被中子轟擊過，你就不再會想把它拿在手里了。赫夫說：“那時(shí)鈾會變成具有高度放射性的裂變產(chǎn)物，這也是為什么核廢料如此危險(xiǎn)。”這種級聯(lián)反應(yīng)能持續(xù)很長時(shí)間，正因如此，核能是一種極佳的能源。尤其是在太空中，它幾年甚至幾十年內(nèi)都不需要補(bǔ)充燃料。

宇宙“954號”

要在月球上部署核反應(yīng)堆，必須先把它裝到火箭上。太空核技術(shù)專家、美國弗吉尼亞州航空航天公司分析力學(xué)聯(lián)合公司（Analytical Mechanics Associates）高級項(xiàng)目副總裁林賽·霍姆斯（Lindsey Holmes）表示，確保發(fā)射安全是最重要的因素之一。

1965年，美國首次將核反應(yīng)堆送入太空，那是一臺實(shí)驗(yàn)性的核動力輔助系統(tǒng)10A反應(yīng)堆（Systems for Nuclear Auxiliary Power 10A，SNAP-10A）。它僅有一個(gè)垃圾桶大小，功率600瓦，僅持續(xù)運(yùn)行了43天，電壓調(diào)節(jié)器就出現(xiàn)了故障。該反應(yīng)堆至今仍在繞地球軌道運(yùn)行，也是美國唯一一次嘗試在地球外運(yùn)行核反應(yīng)堆。

1965年發(fā)射的核動力輔助系統(tǒng)10A反應(yīng)堆（Systems for Nuclear Auxiliary Power10A，SNAP-10A），是第一座被送入太空的核反應(yīng)堆。反應(yīng)堆（頂部）產(chǎn)生的熱量由錐形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為電能。

相比之下，蘇聯(lián)曾將二十多座核反應(yīng)堆送出地球大氣層。這些反應(yīng)堆大多用來給雷達(dá)偵察衛(wèi)星供電，發(fā)射均順利完成，未發(fā)生事故。然而，霍姆斯指出，有一座反應(yīng)堆“將放射性物質(zhì)落到了加拿大”。它以極其慘痛的方式警示后人：千萬不要這樣做。

攜帶那座反應(yīng)堆的航天器名稱正是“宇宙954號”，它于1977年9月發(fā)射，約三個(gè)月后開始偏離預(yù)定軌道。蘇聯(lián)操作人員和美國官員都注意到衛(wèi)星在晃動，但蘇聯(lián)方面最初保持沉默。蘇聯(lián)工程師試圖在航天器墜回地球前將衛(wèi)星上的活性核反應(yīng)堆拋入太空，但未能成功。最終蘇聯(lián)向美方坦白了事實(shí)，并稱“宇宙954號”的大氣再入過程當(dāng)時(shí)已經(jīng)無法阻擋，不過它在這個(gè)過程中會完全燒毀，不會造成任何后果。

美國當(dāng)局公開質(zhì)疑，當(dāng)一座高溫核反應(yīng)堆墜回地球時(shí)，究竟該怎么辦。時(shí)任美國國防部長特別助理古斯·韋斯（Gus Weiss）當(dāng)時(shí)表示：“快速查閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，沒有教科書式的答案，甚至連教科書式的問題都沒有。”1978年1月，“宇宙954號”把致命殘骸傾瀉在加拿大北方一片人口相對稀少的區(qū)域，約3.9萬平方千米。加拿大和美國聯(lián)合開展了“晨光行動”（Operation Morning Light），工作人員身穿防化服，在冰封荒原上搜尋“宇宙954號”的殘骸。

據(jù)團(tuán)隊(duì)成員稱，一些衛(wèi)星部件的放射性不強(qiáng)，但另一些碎片會讓隨身攜帶的個(gè)人輻射劑量計(jì)響得像“一大片蟋蟀在齊鳴”。奇跡般地，這場放射性劫難沒有造成一人死亡。蘇聯(lián)向加拿大支付了300萬加元作為賠償。“宇宙954號”風(fēng)波留下了一個(gè)明確的教訓(xùn)：在月球核反應(yīng)堆成功著陸之前切勿啟動。“在啟動之前，內(nèi)部不會產(chǎn)生任何核廢料，”赫夫說。

理想情況下，月球反應(yīng)堆的火箭發(fā)射軌跡應(yīng)盡量經(jīng)過海洋上空，因?yàn)橐坏┌l(fā)射失敗，讓破碎的核反應(yīng)堆落到海里比它砸向人口稠密地區(qū)要好得多。那次事件還表明，核燃料的選擇至關(guān)重要，應(yīng)選用不易大范圍擴(kuò)散的燃料。三重結(jié)構(gòu)各向同性包覆燃料顆粒（即TRISO燃料）在此場景中大有用處。這種燃料由顆粒組成，米德爾伯勒解釋稱，這些顆粒本質(zhì)上就是“像硬糖一樣的燃料塊”。每顆顆粒都是一個(gè)由鈾、碳和氧構(gòu)成的小團(tuán)塊，外面包覆著極其堅(jiān)韌的碳和陶瓷外殼。它們不僅能在高速撞擊后保持完整，就算把熔巖倒在上面也不會有影響。米德爾伯勒說：“如果發(fā)射失敗，這會是一場巨大的經(jīng)濟(jì)損失，但你仍可以將所有殘骸清掃干凈。”

和許多同行一樣，米德爾伯勒也為核能著迷。他滔滔不絕地談起自己第一次在反應(yīng)堆水池中看到切倫科夫輻射的經(jīng)歷：那是一種詭異的藍(lán)色輝光。“電視和網(wǎng)絡(luò)上的圖片完全展現(xiàn)不出它震撼的效果。它如同乳白色的珍珠，就像魔法，宛如北極光。”但他清醒地認(rèn)識到，將一座能正常運(yùn)行的核反應(yīng)堆送上月球雖然完全可行，但實(shí)際操作絕非易事。

先說壞消息：在地球上運(yùn)行核電站比在月球要容易得多。月球是個(gè)糟糕的地方。那里是低重力環(huán)境，幾乎沒有大氣層。月表溫度經(jīng)常從白天的約120攝氏度驟降至夜間的零下130攝氏度。月球還有月震，類似地球的構(gòu)造地震，但更為奇特。頻繁的小行星撞擊，還會在月球表面的隨機(jī)時(shí)間、隨機(jī)地點(diǎn)制造出巨大的隕石坑。

好消息是，核反應(yīng)堆并不像人們想象的那樣容易發(fā)生災(zāi)難性爆炸。如果反應(yīng)堆過熱又無法冷卻，就會熔毀。但熔毀并非爆炸。現(xiàn)代反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：核燃料就算液化，反應(yīng)堆也能將燃料限制在內(nèi)部。

核電站也沒那么脆弱。“一想到核，我們就會想到福島和切爾諾貝利，”米德爾伯勒說道。但除了世界各地幾十年來一直正常運(yùn)行的核電站之外，“我們不會想到那些漂浮在海里的核電站。”畢竟核潛艇同樣數(shù)量眾多，它們處于極端環(huán)境中，經(jīng)常遭遇顛簸沖擊，而且設(shè)計(jì)用于作戰(zhàn)情境。他說：“這些設(shè)備非常可靠。”因此沒有理由認(rèn)為它們不能承受月球環(huán)境的考驗(yàn)。

不過，月球上的核災(zāi)難確實(shí)有可能發(fā)生。假設(shè)一座核反應(yīng)堆過熱，并在月球表面熔毀，那將無疑是一次極其惡劣的事件，但至少大部分熔化燃料會被限制在事故現(xiàn)場。然而，赫夫指出，這意味著“月球表面將殘留一塊巨大的放射性金屬塊”。也許幾代人都無法靠近它。如果這些放射性物質(zhì)滲入附近的珍貴水冰儲備庫，這些具有顛覆性意義的資源（也是宇航員駐扎于此的根本原因），將會遭受永久污染。赫夫感慨道：“天哪，后果將不堪設(shè)想。一個(gè)國家如果對月球做這種事，將令人難以原諒。”但至少宇航員不會有事，對吧？

其實(shí)不一定。反應(yīng)堆的輻射，即使包括熔毀中可能釋放出來的輻射，也構(gòu)不成重大威脅。事實(shí)上，月球上的太陽輻射和宇宙輻射對宇航員健康的威脅要大得多。真正棘手的問題在于核電站失效。假如月球基地依賴核電站供電，又在月球夜晚的兩周內(nèi)遭遇停電。在如此寒冷的環(huán)境中，電池系統(tǒng)只能維持一點(diǎn)點(diǎn)電量，很快就會耗盡。到那時(shí)宇航員將會陷入嚴(yán)重困境，美國馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校行星地震學(xué)家、地球物理學(xué)家尼古拉斯·施默爾（Nicholas Schmerr）說：“他們的生命保障系統(tǒng)都會癱瘓，宇航員根本無法存活。”

月球核電站供能的“阿耳忒彌斯”月球基地。

不過，專家并不認(rèn)為我們有生之年會目睹一場月球上的切爾諾貝利事故。NASA發(fā)言人也表示，月面裂變能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將充分考慮安全性。這讓人松了一口氣。對一座100千瓦核反應(yīng)堆來說，更現(xiàn)實(shí)的最壞情形是：月球環(huán)境直接將其摧毀，讓它在宇航員最需要的時(shí)候停止運(yùn)行。因此，真正的問題是科比西羅所說的：我們設(shè)計(jì)的所有傳感器、電子設(shè)備和相關(guān)部件到底能在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行多久？

月面挑戰(zhàn)

月球反應(yīng)堆的運(yùn)行方式將與地球上的反應(yīng)堆截然不同。它很可能既不能用水作冷卻劑，也不能將水用作吸熱變成蒸汽從而驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電的工質(zhì)。赫夫指出，水在太空中存在諸多問題。在低重力環(huán)境下，水無法正常流動；月球上劇烈的溫度波動可能導(dǎo)致蒸汽猛烈膨脹，或?qū)е滤Y(jié)冰，從而損壞管道。相反，反應(yīng)堆很可能會用從地球帶來的空氣吸收熱量，并將熱量傳給渦輪機(jī)。這種設(shè)計(jì)雖然更復(fù)雜，但完全可行。

用其他介質(zhì)取代水作為核反應(yīng)堆的冷卻劑更為棘手。鈾裂變產(chǎn)生的大部分熱量可用于發(fā)電，但仍會有一部分多余熱量。這些“廢熱”必須排放到環(huán)境中。可是月球沒有大氣，也就沒有類似空氣的介質(zhì)能輕易吸收這些熱量。赫夫指出，防止核反應(yīng)堆在真空中過熱將極其困難。她和米德爾伯勒提出了相同的解決方案：帆狀裝置。這是一種巨大的鰭狀附屬結(jié)構(gòu)，通過巨大的表面積把熱量排到太空中。

別忘了微流星體，也就是卵石大小、像高超聲速子彈一樣的巖石。施默爾說：“月球不斷被外星物質(zhì)轟擊，”而它不像地球一樣有大氣屏障阻擋微流星體。如果幾顆微流星體擊穿散熱鰭片，電站就無法正常冷卻。

也可能倒霉到極點(diǎn)：一顆直徑3 ~ 4米的小行星撞到附近。施默爾說：“我們在阿波羅任務(wù)期間就觀測到過新形成的隕石坑，寬70到80米。如果你剛好處在那種撞擊的中心地帶，那將會非常糟糕。”這些小行星更大更罕見，宇航員無法保護(hù)基地免受它們的撞擊。但宇航員可以把電站埋到地下，以緩解那些體積微小，頻繁的“太空子彈”的威脅。他們甚至不需要挖掘，月球上有眾多中空熔巖管道，只要利用其中一個(gè)就好。

月震是另一個(gè)挑戰(zhàn)。它的威力遠(yuǎn)不及地球的構(gòu)造運(yùn)動：阿波羅時(shí)代布設(shè)的地震儀記錄到的最大月震震級在3到4級之間。盡管如此，核電站也不應(yīng)緊鄰可能活躍的斷層，因?yàn)榧幢阒皇禽p微的振動也可能導(dǎo)致高聳結(jié)構(gòu)倒塌并破壞設(shè)施。

但與地震相比，月球的地質(zhì)構(gòu)造使得月震具有驚人的持久性，振動可能持續(xù)數(shù)小時(shí)。施默爾說：“建筑不是只晃一下，而是會長時(shí)間大幅度地晃。我們在地球上建造結(jié)構(gòu)時(shí)通常不會想到這種情況。”

如果反應(yīng)堆未能抵御月震危險(xiǎn)，可能出現(xiàn)三種情況：反應(yīng)堆損壞停止工作；燃料被晃成特殊的排列方式，裂變反應(yīng)減緩；或者燃料位移，反應(yīng)加速導(dǎo)致過熱，不得不停機(jī)，否則反應(yīng)堆就會變成致命的熔融物。

盡管仍需克服諸多障礙，許多專家仍然對月球核反應(yīng)堆的可行性感到非常振奮。米德爾伯勒說：“我對此充滿熱情。”要確切驗(yàn)證一座月球反應(yīng)堆能否正常運(yùn)行且安全可靠，唯一辦法就是去月球上啟動它。

但米德爾伯勒也表示：“在月球核能事業(yè)初期階段，必須保持適度保守的態(tài)度。”無論前景多么激動人心、可能帶來何種突破，所有人都應(yīng)始終牢記一個(gè)問題：如果出錯(cuò)了會發(fā)生什么？

來源：環(huán)球科學(xué)

編輯：辣條

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