核動力人類還能玩出什麼花樣？
前些天沸沸揚揚的俄羅斯超級武器計劃依舊是吸引著人們的眼球，但是科學家們對於核能利用的設想和實踐遠沒有停留在大氣層以內，事實上核在航天方面的應用要遠多於航空。有人可能會問，核在航天方面有什麼樣的運用呢？仔細看下面的文章，也許某天聊天的時候你就會成為話題中心呢。
一切的開始——核電池：
電池是生活中常見的事物，但是核電池就極不普通了。但核電池遠沒有大多數人想像的那麼高大上，它能像普通電池一樣輕便小巧，最早的核電池甚至可以追溯到1913年，比最早的核反應堆要早近30年！
1942年建成的世界上第一個核反應堆，簡陋的「芝加哥一號堆」
核電池採用了和核反應堆完全不同的原理——利用自己原子核的核衰變發出的熱和電子發電。如果將核裂變反應比作燃燒，那麼核衰變就更接近自燃。粒子的原子核在成型後就它按照一定比例發生衰變，整個過程中會和自燃一樣發出光和熱，同時也會發出自燃沒有的帶電射線。由於衰變受外界影響小干擾，核電池性質穩定、壽命一般以年計、甚至不受宇宙溫度日照的影響，是太空長時間活動的利器。
非常美麗的衰變粒子圖像
核電池原理簡單，能源利用手段種類多樣比如：用熱生電和直接利用核衰變產生的電子變成電。電流是電子的定向移動，而電池的核心作用就是讓電子實現定向移動。
第一種電池就像一個暖爐，通過衰變發熱加熱特定電子元件，讓元件內部的電壓不同讓電子在元件內部產生定向移動，就像燒水一樣。當你加熱水壺裡的水的時候，下面的水受熱會向上運動，上面的水由於下面水的作用被壓了下去，這樣形成一個循環。這種電池一般是低壓電池，也是早期核電池的主力。這種電池最著名的用戶是「旅行者」系列探測器。對！就是搭載了人類信息飛出太陽系準備和外星人交流的探測器。
利用溫差發電工作的電風扇
溫差發電原理示意圖
旅行者號探測器是1977年美國發射的兩顆行星探測器，它們在1980年掠過了土星、2011年抵達了太陽系的邊緣，北京時間2014年9月13日凌晨2點，美國國家航空航天局(NASA)召開新聞發布會，宣布37年前發射的「旅行者一號」探測器已經離開太陽系，正在飛向別的恆星！這是首個衝出太陽系的人類製造的飛行器，是人類航空航天史上成為一座無可超越的里程碑。
「旅行者1號」和「2號」探測器上都搭載著記載著人類信息的金屬唱片
現在「旅行者」們已經離開了太陽系，靜靜的向深空遠去，走好！
深空環境極冷，使用溫差核電池的旅行者不僅可以利用核衰變得到電力，還可以得到電路運行必要的溫度環境。核電池到底能有多持久呢？按照計劃，「旅行者」們會在2020年由於電池耗盡開始關閉部分儀器，至2025年完全沉睡時已經是「旅行者」們飛行的第48個年頭了！可以說核電池是人類深空探險第一功臣！
「旅行者」上任勞任怨工作48年的核電池
第二種核電池原理則更為更簡單，由於核衰變產生的電子是有較高動能的，就像一把舞動的鎚子，而半導體元件里的電子就像一根根釘子。射出的電子打到半導體上就像鎚子不停的錘擊釘子一樣錘動半導體內原有的電子產生定向移動，由於半導體元件電流只能沿著一個方向運動，所以電子需要繞一圈才能回來，這樣「逼走」才產生了電流。
微型核電池結構示意圖
這種電池現在經常出現在新興的醫用微型核電池、手機核電池等領域，它不僅能量高，電壓穩定，而且時間長，不怕低溫高溫，可謂是居家出門不二之選。尤其是在醫用領域，裝在心臟起搏器里讓甚至可能可以做到一生都不用換電池。而且這東西輻射少，對人體基本無害。但在未來也許只需要一個硬幣大小的電池，就可以讓我們的手機5000年不用充電，縱使這種電池只能用一次性又有何妨？
未來微型核電池的應用將相當廣泛
但是核電池只能解決航天器長時間的用電問題，並不能解決航天器飛行動力的問題，那怎麼辦呢？人類既然發現了核動力這個寶藏，當然野心肯定不會止步於區區核電池了——核火箭應運而生。
更進一步——核熱火箭：
對我發表在3月7日局座召忠微信公眾號上《核動力巡航導彈究竟是怎麼回事？》一文還有印象的朋友們應該還記得核動力巡航導彈的核心就是用空氣冷卻反應堆，同時反應堆加熱空氣得到飛行所需要的推力。那麼核熱火箭呢？
首先我們來了解一下常規火箭發動機是怎麼運作的吧，火箭發動機分為固體和液體兩類，常見的運載火箭大多數是使用液體火箭發動機，通過燃燒液體推進劑推動火箭上天。大家都知道歷史上第一種彈道導彈是V2，它採用酒精作為燃料，酒精會先在發動機噴管處預熱（同時也是吸取發動機噴管熱量防止噴管毀傷）變成氣態，在與雙氧水分解後的氧混合，運送到主燃燒室燃燒，從而產生推力。
V2火箭發動機結構示意圖
看到這，相信有一些朋友應該已經明白核熱火箭的工作原理了，核熱火箭就是將化學燃料的燃燒室換成了反應堆。
事實也大致如此，早在上世紀50年代，核動力熱潮方興未艾，美國人在將放了核反應堆的B-36轟炸機送上天以後，一個大膽的設想開始實施了——用核動力驅動火箭上天，這就是1961年立項的NERVA發動機計劃！NERVA發動機核心是一個經過特殊設計的核反應堆。液氫先被泵出儲存罐，通過預熱以氣態的形式進入反應堆核心，在堆芯加熱後的氫離子有極佳的導熱性同時也會吸納極大的熱量。經過加熱膨脹氫離子以遠高於化學火箭所能提供溫度和速度噴出。理論上核熱火箭甚至可以使載人火星任務周期縮短一百天左右，也許未來坐著核熱火箭去趟火星也許就像我們現在坐著游輪橫渡一次太平洋和大西洋一樣容易，如此前景實在是誘人！
美國NERVA發動機結構示意圖
面對這樣美好的前景，早就做過相關研究的NASA在2015年9月就又再次評估起核熱火箭了。可以說核熱火箭是現有技術條件下航天能力再突破首選技術！
現實不是「坎巴拉太空計劃」，人類也不可能一直抱著化學火箭不放
已近頂點，那麼就再出發吧
你以為核熱火箭就是人類的極限了嗎？Naive！核熱火箭只是核動力火箭與化學火箭之間的過渡產品。核熱火箭有相對於傳統火箭無與倫比的優勢，但是對於核火箭來說，這只是開始。真正的核火箭怎麼可能只滿足於比化學火箭好一點呢？請看下篇：核電火箭與無工質推進核火箭！
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