NASA 和DARPA 正在開發核熱推進（NTP）技術，以實現更快的載人飛往火星的任務，有可能利用核分裂將旅行時間縮短一半。這項技術也適用於國防太空平台，其原型將於2027年進行太空演示，並有可能成為現實。 正在進行的研究重點是提高推進效率和安全性，這對於實現抵達火星的宏偉目標至關重要。

作者：Dan Kotlyar，喬治亞理工學院核子與輻射工程系副教授。改編自原刊於The Conversation的文章。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的目標是在2027 年之前展示一種核熱推進系統，利用核分裂實現更有效率的太空旅行，從而將火星旅行時間縮短一半。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

探索火星： 美國國家航空暨太空總署的下一個前沿

美國國家航空暨太空總署（NASA）計劃在未來十年內向火星派遣載人飛行任務。 然而，使用傳統的化學火箭燃料前往這顆紅色星球的1.4億英里（2.25億公里）旅程來回可能需要幾個月到幾年的時間。

為了縮短這漫長的運輸時間，NASA 正在探索一種名為核熱推進的替代方案。 這項創新技術利用核分裂變為火箭提供動力，可將前往火星的時間縮短一半。

核分裂是指利用中子分裂原子時釋放的巨大能量。 這種反應稱為裂變反應。 裂變技術已在發電和核動力潛艇中廣泛應用，將其用於驅動火箭或為火箭提供動力，有朝一日將為美國國家航空暨太空總署（NASA）提供更快、更強大的化學驅動火箭替代品。

NASA 和美國國防部高級研究計劃局正在共同開發NTP 技術。 他們計劃於2027 年在太空部署並演示原型系統的能力——有可能使其成為美國建造和運行的首批同類系統之一。

藝術家設計的低地球軌道雙模核熱火箭。 核動力火箭有朝一日可以實現更快的太空旅行。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

有朝一日，核熱推進也能為可操控的太空平台提供動力，進而保護地球軌道內外的美國衛星。 但這項技術仍處於開發階段。

我是喬治亞理工學院核子工程副教授，其研究小組建立模型和模擬，以改進和優化核熱推進系統的設計。 我希望並熱衷於協助設計核熱推進發動機，使載人火星任務能夠順利進行。

傳統的化學推進系統使用輕推進劑（如氫）和氧化劑的化學反應。 當兩者混合在一起時，會發生點火，使推進劑迅速從噴嘴噴出，推動火箭前進。

科學家和工程師正在研究核熱推進系統，該系統將採用氫推進劑，將其泵入核反應器以產生能量，然後將推進劑排出噴嘴，使火箭升空。 資料來源：美國國家航空暨太空總署格倫研究中心

這些系統不需要任何點火系統，因此非常可靠。 但這些火箭必須攜帶氧氣進入太空，這可能會使其重量增加。 與化學推進系統不同，核熱推進系統依靠核分裂反應來加熱推進劑，然後將推進劑從噴嘴中排出，產生驅動力或推力。

在許多裂變反應中，研究人員將一個中子送向較輕的鈾同位素，鈾-235。 鈾吸收中子，生成鈾-236。 然後，鈾-236 分裂成兩個碎片–裂變產物–反應釋放出一些各種粒子。

目前，全世界有400 多座運作中的核能反應器採用了核分裂技術。 這些運作中的核能反應器大多是輕水反應器。 這些裂變反應器用水來減緩中子的速度，並吸收和傳遞熱量。 水可以直接在核心或蒸汽發生器中產生蒸汽，從而驅動渦輪機發電。

核熱推進系統以類似的方式運行，但它們使用的是鈾-235含量更高的不同核燃料。 它們的運作溫度也要高得多，這使得它們的功率非常強大，結構也非常緊湊。 核熱推進系統的功率密度大約是傳統輕水反應器的10 倍。

由於一些原因，核子推進可能比化學推進更勝一籌。核推進可以從引擎噴嘴快速噴出推進劑，產生大推力。 這種大推力可使火箭加速更快。

這些系統的比沖也很高。比衝衡量推進劑產生推力的效率。 核熱推進系統的比衝大約是化學火箭的兩倍，這意味著它們可以將飛行時間縮短2 倍。

DRACO 計畫： 太空探索的先驅

幾十年來，美國政府一直在資助核子熱推進技術的開發。 1955 年至1973 年間，美國國家航空暨太空總署、通用電氣和阿爾貢國家實驗室的專案生產並地面測試了20 台核熱推進發動機。

然而，1973 年以前的這些設計依賴高濃縮鈾燃料。 這種燃料已不再使用，因為它存在擴散危險，或與核子材料和核子技術擴散有關的危險。

能源部和國家核安局發起的全球減少威脅倡議旨在將許多使用高濃縮鈾燃料的研究反應器轉換為高分析低濃縮鈾燃料。

與高濃縮鈾燃料相比，高分析低濃縮鈾燃料中能夠發生裂變反應的物質較少。 因此，火箭需要裝載更多的高濃縮鈾燃料，這使得引擎更重。 為了解決這個問題，研究人員正在研究能在這些反應器中更有效地利用燃料的特殊材料。

核推進的挑戰與發展

NASA 和DARPA 的“敏捷半月運行演示火箭”（或DRACO）計劃在其核熱推進發動機中使用這種高分析、低濃縮鈾燃料。 該計畫計劃於2027 年發射火箭。

作為DRACO 計劃的一部分，航空航太公司洛克希德-馬丁（Lockheed Martin）與BWX Technologies 合作開發反應器和燃料設計。

這些集團正在開發的核能熱推進引擎需要符合特定的性能和安全標準。 它們需要有一個能在任務期間運作的核心，並能執行快速火星之旅的必要機動。

理想情況下，引擎應能產生高比衝力，同時滿足高推力和低引擎品質的要求。

為太空效率和安全而創新

在工程師設計出滿足所有這些標準的引擎之前，他們需要從模型和模擬開始。 這些模型可以幫助研究人員（例如我所在小組的研究人員）了解引擎如何處理啟動和關閉。 這些操作需要快速、巨大的溫度和壓力變化。

核熱推進引擎將有別於現有的所有裂變動力系統，因此工程師需要建造與此新型引擎配合使用的軟體工具。

我所在的小組利用模型設計和分析核熱推進反應器。 我們對這些複雜的反應器系統進行建模，以了解溫度變化等因素對反應器和火箭安全的影響。 然而，模擬這些影響需要大量昂貴的運算能力。

我們一直在努力開發新的計算工具，以模擬這些反應器在啟動和運行時是如何動作的，而不需要使用那麼多的運算能力。我和我的同事希望這項研究有朝一日能幫助發展出能夠自主控制火箭的模型。