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嫦娥五号升空,与神秘的核聚变飞船有关系?探访外星球就靠它了

2020-11-24  经过风雨

嫦娥五号探月飞船已由胖五火箭成功发射升空,奔向月球,将实现“绕落回”和月球采样,把欧洲日本印度之流远远甩在身后,其意义之重大,就不用我赘述了。本期文章的重点,一个是探月登月,一个是能飞到另一颗恒星的核聚变飞船,然而探月根本用不着聚变飞船,化学火箭就足够了。这两者为什么能关联在一起呢?我是人马座A,一个来自核能界的科研狗,今天就和大家聊聊嫦娥五号、月球与核聚变飞船之间的重要关系。

嫦娥五号升空,与神秘的核聚变飞船有关系?探访外星球就靠它了

嫦娥五号发射成功

将这三者联系在一起的,是月球表面土壤中存在的一种神奇的物质,它就是氦3,氦3的原子核由2个质子和一个中子构成,将来有可能为核聚变飞船提供燃料,实现前往临近恒星的星际旅行。而嫦娥五号这次就是要取回月球土壤的样品,因此,几十年之后,当人们回顾中国核聚变飞船的发展历史时,没准儿就会以这次发射作为开端呢。

核聚变飞船的难题

您可能会问,目前的氢弹和可控聚变装置用的都是氘氚聚变,这个氦3算老几?有什么优势吗?别急,如果你想造一艘像《三体》描述的那样,以核聚变为能源的飞船的话,人马君会隆重推荐氦3聚变。为啥呢?先得从氘氚聚变的缺点说起:

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设想中的核聚变飞船

大家都知道,氘就是重氢,原子核由一个质子和一个中子构成,氚原子核则是一个质子两个中子,氘氚聚变是现在主流的研究方向,这是因为这种聚变所需要的条件最容易达到,但它的缺点也相当明显:一个是氚比较难生产,需要用中子轰击锂来获得,生产出来后还会不断衰变,据说美国现在总的氚存量也只有100公斤左右,基本都是为了维持核武库之用。另一个缺点更加致命:氘氚聚变会产生大量的高能中子,非常难以屏蔽,同时,由于聚变产生的能量有80%被中子带走了,这部分能量如何利用,是个大难题。

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建设中的国际热核试验堆ITER

在一般的可控核聚变装置中,在聚变区域外侧会设置一个巨大的包层,用水来屏蔽中子,同时吸收中子的能量。这在地面上能实现,但如果要造一艘核聚变飞船的话,就成了致命的缺陷,在飞船上根本没有条件设置包层,将能量转换为向后喷气的动量几乎没有可能。

未来的救世主:氦3

这个时候,就轮到救世主氦3出场了:它可以通过氘-氦3或氦3-氦3两种方式来聚变,以氘-氦3聚变为例,释放的能量比氘氚聚变还多,最可爱的是它的产物是氦4和质子,没有中子,非常便于屏蔽和能量转化,可以通过磁场等方式将聚变后的物质向后方喷出,形成强大的聚变发动机。

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氘和氦3聚变

根据上个世纪英国人提出的代达罗斯计划的数据,氘氦3聚变发动机的喷气速度可达1万公里每秒,当携带5万吨聚变燃料时,通过两级设计的发动机可达到光速的12%,可在50年内飞抵6光年外的巴纳德星。是不是很强很暴力?先不要过于high,氘氦3聚变虽然好,但它发生的条件比氘氚聚变要苛刻得多,温度要达到10亿度左右,简直难于登天,而且在这种温度下还有可能发生氘氘聚变,还是会有一些中子生成,只是能量不算太高。而完全“干净”的聚变是氦3和氦3自己聚变,完全不会产生中子,但这就更难实现了。

不管怎么说,如果要搞核聚变飞船,使用氦3仍然是必由之路,怎样实现它可以慢慢解决,但资源的问题必须提前考虑和布局。氦3主要存在于太阳风中,由于地磁场和大气层挡住了太阳风的侵袭,使得地球上的氦3非常少,据估计只有半吨。

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地球磁场挡住了太阳风

但月球没有大气层,更没有磁场,地质活动也早已熄灭,在经历了太阳风持续几十亿年的吹拂后,在月壤中就积累了大量的氦3。根据阿波罗计划对月壤中氦3含量的分析,月球上氦3的总储量超过了100万吨,这些氦3用作核聚变燃料的话,可供人类用上一万年。而我国玉兔号火星车对月壤厚度的测量结果表明,氦3的储量很可能还被低估了。

嫦娥五号的重大使命

既然月球上有如此宝藏,人类当然不能放过。曾经的两个超级大国:美国和苏联,都曾经将月球土壤带回地球。美国自不必说了,每次阿波罗登月都会带回20公斤以上的月球样品,而苏联在1970年代也曾发射多个探测器,每次能带回100多克样品。

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阿波罗飞船带回的月壤

随着美苏探月计划的偃旗息鼓,40多年来,人类再没有收到过来自月球的物质,但对月球资源的竞争绝对不会停止,毕竟跑马圈地很有必要。现在,嫦娥五号披挂出征,将在美国2024年重返月球之前,完成对月球土壤的采样,并将至少1公斤样品带回地球,如果成功,我国将超过苏联,成为月球采样方面的第二名,并向第一名发起强有力的挑战。更重要的是:可以首次对月球上的氦3资源进行“看得见摸得着”的研究,意义是非凡的。

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嫦娥五号使命重大

也许在多年以后,当我们驾驶着先进的聚变飞船,自由地穿越太阳系,甚至向临近恒星发起远征的时候,还会想起嫦娥五号发射成功这一刻呢!

#登月之旅开启!嫦娥五号成功发射##嫦娥五号为何是我国最复杂的航天任务#

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