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月，就向全世界發布了一項令人側目的消息：NASA計劃在月球上部署一座核反應堆。他表示，為了強化美國太空國家安全，這座反應堆將在2030年前完成設計、建造、發射并送達月球表面。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運行的月球基地，僅靠太陽能并不能滿足需求。NASA希望通過“阿耳忒彌斯”計劃（Artemis program）將地球的這顆銀色衛星變成科學前哨站、采礦基地，以及通向火星的火箭發射臺。

這項計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核能未來研究所聯合所長西蒙·米德爾伯勒（Simon Middleburgh）表示：“這是讓月球基地長期維持正常運營的唯一辦法。”中國和俄羅斯也正聯手準備于2035年前在月球上建造自己的核反應堆，為計劃中位于月球南極的“國際月球科研站”供電。不論是由哪個國家實現，“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。但把反應堆送入太空的歷史，可謂跌宕起伏。1978年，蘇聯“宇宙954號”（Kosmos 954）衛星搭載的小型核反應堆意外在地球大氣層中解體，引發了一場國際事件。而月球表面是一片嚴酷的火山荒漠，溫度起伏劇烈，小行星頻繁撞擊，還有持續不斷的月震。在那次事件后，還沒有人專門設計過適用于月球這種外太空環境的核反應堆。

專家質疑達菲提出的月球核電站計劃在時間安排和規模上是否可行。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個美國家庭供電的反應堆，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，匆忙推進月球核反應堆的構想、建造、發射和著陸。“我認為最糟糕的情況可能是，為了爭第一，我們忽略了重要的設計與安全環節，”美國蘭德公共政策學院空間政策教授、NASA前代理首席技術官兼技術、政策與戰略副署長巴維亞·拉爾（Bhavya Lal）說，“率先做到當然好，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。但也可能發生失誤。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讓宇航員陷入致命困境，月球上的核災難，用米德爾伯勒的話說，都會是“一場足以讓人類蒙羞的災難性爛攤子”。

一種可能的月球核電站形式。

地球外的反應堆

凱蒂·赫夫（Katy Huff）想先澄清一點：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，它本身相當乏味。

赫夫是美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的核工程師，曾在拜登政府中擔任核能助理部長。核能是她最熟悉的領域。赫夫在最近一次視頻通話中表示，未使用的核燃料“從放射學角度看很平常”，其放射性并不強。她指著桌上的一個東西說：“我那只紙箱里就有一些鈾。”你把鈾塊拿在手里也不會出事，這個事實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，所以切勿食用。”

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

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：“那時鈾會變成具有高度放射性的裂變產物，這也是為什么核廢料如此危險。”這種級聯反應能持續很長時間，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都不需要補充燃料。

宇宙“954號”

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

1965年，美國首次將核反應堆送入太空，那是一臺實驗性的核動力輔助系統10A反應堆（Systems for Nuclear Auxiliary Power 10A，SNAP-10A）。它僅有一個垃圾桶大小，功率600瓦，僅持續運行了43天，電壓調節器就出現了故障。該反應堆至今仍在繞地球軌道運行，也是美國唯一一次嘗試在地球外運行核反應堆。

1965年發射的核動力輔助系統10A反應堆（Systems for Nuclear Auxiliary Power10A，SNAP-10A），是第一座被送入太空的核反應堆。反應堆（頂部）產生的熱量由錐形結構轉換為電能。

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

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

美國當局公開質疑，當一座高溫核反應堆墜回地球時，究竟該怎么辦。時任美國國防部長特別助理古斯·韋斯（Gus Weiss）當時表示：“快速查閱文獻后發現，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域，約3.9萬平方千米。加拿大和美國聯合開展了“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。

據團隊成員稱，一些衛星部件的放射性不強，但另一些碎片會讓隨身攜帶的個人輻射劑量計響得像“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。蘇聯向加拿大支付了300萬加元作為賠償。“宇宙954號”風波留下了一個明確的教訓：在月球核反應堆成功著陸之前切勿啟動。“在啟動之前，內部不會產生任何核廢料，”赫夫說。

理想情況下，月球反應堆的火箭發射軌跡應盡量經過海洋上空，因為一旦發射失敗，讓破碎的核反應堆落到海里比它砸向人口稠密地區要好得多。那次事件還表明，核燃料的選擇至關重要，應選用不易大范圍擴散的燃料。三重結構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，這些顆粒本質上就是“像硬糖一樣的燃料塊”。每顆顆粒都是一個由鈾、碳和氧構成的小團塊，外面包覆著極其堅韌的碳和陶瓷外殼。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：“如果發射失敗，這會是一場巨大的經濟損失，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堆水池中看到切倫科夫輻射的經歷：那是一種詭異的藍色輝光。“電視和網絡上的圖片完全展現不出它震撼的效果。它如同乳白色的珍珠，就像魔法，宛如北極光。”但他清醒地認識到，將一座能正常運行的核反應堆送上月球雖然完全可行，但實際操作絕非易事。

先說壞消息：在地球上運行核電站比在月球要容易得多。月球是個糟糕的地方。那里是低重力環境，幾乎沒有大氣層。月表溫度經常從白天的約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時間、隨機地點制造出巨大的隕石坑。

好消息是，核反應堆并不像人們想象的那樣容易發生災難性爆炸。如果反應堆過熱又無法冷卻，就會熔毀。但熔毀并非爆炸。現代反應堆的設計目標是：核燃料就算液化，反應堆也能將燃料限制在內部。

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。”畢竟核潛艇同樣數量眾多，它們處于極端環境中，經常遭遇顛簸沖擊，而且設計用于作戰情境。他說：“這些設備非常可靠。”因此沒有理由認為它們不能承受月球環境的考驗。

不過，月球上的核災難確實有可能發生。假設一座核反應堆過熱，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，后果將不堪設想。一個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？

其實不一定。反應堆的輻射，即使包括熔毀中可能釋放出來的輻射，也構不成重大威脅。事實上，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遭遇停電。在如此寒冷的環境中，電池系統只能維持一點點電量，很快就會耗盡。到那時宇航員將會陷入嚴重困境，美國馬里蘭大學學院市分校行星地震學家、地球物理學家尼古拉斯·施默爾（Nicholas Schmerr）說：“他們的生命保障系統都會癱瘓，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發言人也表示，月面裂變能源系統的設計將充分考慮安全性。這讓人松了一口氣。對一座100千瓦核反應堆來說，更現實的最壞情形是：月球環境直接將其摧毀，讓它在宇航員最需要的時候停止運行。因此，真正的問題是科比西羅所說的：我們設計的所有傳感器、電子設備和相關部件到底能在惡劣的環境中穩定運行多久？

月面挑戰

月球反應堆的運行方式將與地球上的反應堆截然不同。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動渦輪機發電的工質。赫夫指出，水在太空中存在諸多問題。在低重力環境下，水無法正常流動；月球上劇烈的溫度波動可能導致蒸汽猛烈膨脹，或導致水結冰，從而損壞管道。相反，反應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。這種設計雖然更復雜，但完全可行。

用其他介質取代水作為核反應堆的冷卻劑更為棘手。鈾裂變產生的大部分熱量可用于發電，但仍會有一部分多余熱量。這些“廢熱”必須排放到環境中。可是月球沒有大氣，也就沒有類似空氣的介質能輕易吸收這些熱量。赫夫指出，防止核反應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構，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：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，只要利用其中一個就好。

月震是另一個挑戰。它的威力遠不及地球的構造運動：阿波羅時代布設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，核電站也不應緊鄰可能活躍的斷層，因為即便只是輕微的振動也可能導致高聳結構倒塌并破壞設施。

但與地震相比，月球的地質構造使得月震具有驚人的持久性，振動可能持續數小時。施默爾說：“建筑不是只晃一下，而是會長時間大幅度地晃。我們在地球上建造結構時通常不會想到這種情況。”

如果反應堆未能抵御月震危險，可能出現三種情況：反應堆損壞停止工作；燃料被晃成特殊的排列方式，裂變反應減緩；或者燃料位移，反應加速導致過熱，不得不停機，否則反應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。”要確切驗證一座月球反應堆能否正常運行且安全可靠，唯一辦法就是去月球上啟動它。

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

來源：環球科學

編輯：辣條

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