中国、俄罗斯和美国正在竞相在月球上建造核电站。中国和俄罗斯5月份同意共同努力， 在2036年前建成一座月球核反应堆。作为回应，美国宇航局代理局长肖恩·达菲（Sean Duffy）于8月宣布，美国将加快推进其月球核动力计划，力争在2030年前建成一座核反应堆。
但这种突如其来的狂热也引发了一些问题——比如，我们为什么要在月球上建造核反应堆？它们又是如何运作的？为了找到答案， IEEE Spectrum采访了核工程师、伊利诺伊大学香槟分校先进反应堆燃料循环实验室主任凯蒂·哈夫 (Katy Huff) 。哈夫曾担任美国能源部 (DOE) 核能助理部长。
为什么世界上最大的太空组织想要在月球上建造核反应堆？这些核反应堆将为月球提供什么动力？
凯蒂·哈夫：人类越来越希望在月球上更持久地存在，以进行科学探索。像氦-3这样可以用作聚变燃料的资源，或许是吸引人类的部分原因。美国宇航局计划通过其“阿尔忒弥斯”计划建造这种月球探索基地，中国和俄罗斯也正在合作建造一个名为“国际月球研究站”的基地。任何这样的月球基地都绝对需要核能。单靠可再生能源的间歇性太强，无法满足月球上生命的能源需求。此外，将物体送入太空的成本是按质量计算的，因此铀裂变无与伦比的能量密度是我们最大的机遇。
为什么突然要比赛？有什么紧急的事情吗？
赫夫：这一势头始于美国宇航局的裂变表面发电项目。该项目几年前征集了 40 千瓦月球微反应堆的设计方案。三种设计方案被选中，每种方案获得 500 万美元的资助。此后，中国和俄罗斯至少三次宣布联合设计自己的月球微反应堆，目标是在 2030 年代中期发射。作为回应，美国宇航局将美国反应堆的时间表提前到 2030 年，并将目标功率提高到 100 千瓦。肖恩·达菲曾公开表示，如果中国和俄罗斯率先宣称拥有月球电站，他们可以 宣布事实上的禁区，限制美国基地的选址。因此，美国的目标是抢在中俄之前占领这片可以获取水冰的地区。
设计月球核反应堆
设计月球核反应堆有哪些考虑？
哈夫：在极低重力环境下，流体的运动方式与地球不同。因此，需要重新计算反应堆冷却液的循环模式。月球的温度波动很大，昼夜温差可达数百度，这将要求反应堆 使用与这些波动更加隔离的系统。 在地球上，我们可以轻松地排出废热，因为有水体等热稳定的散热器。
您预计 NASA 会选择哪种反应堆？
凯蒂·哈夫曾任美国能源部（DOE）核能助理部长。凯蒂·哈夫
哈夫：如果 NASA 从之前为裂变表面发电计划选定的三种设计中选择一个，而不是从头开始，这将是合理的。但是，随着目标容量增加一倍以上，从 40 千瓦增加到 100 千瓦，将涉及一些重新设计，因为你不能只是转动旋钮。这三个奖项分别授予了洛克希德马丁/ BWXT 、 西屋/ Aerojet Rocketdyne和X-energy /波音。其中一些公司正在开发基于三结构各向同性 [TRISO] 燃料的微反应堆，这是一种高度坚固的铀燃料，所以我预计月球反应堆将使用它来设计。对于冷却剂，我不认为他们会选择水，因为水的热性质限制了它有效冷却的温度范围，从而限制了反应堆的效率。我也不认为它会是液态盐，因为液态盐具有腐蚀性，而这个月球反应堆需要连续运行十年而无需干预。所以我怀疑他们会选择氦气之类的气体。至于能量转换，NASA的指令明确规定，闭式布雷顿循环 将是一项要求。
运输和启动会是什么样子？
哈夫：反应堆将在地球上完全建造完毕，燃料到位后即可投入使用。我的预期是，在运输过程中，控制元件会完全插入反应堆内部，以防止运输过程中引发链式反应。抵达月球后，启动程序将通过远程方式或由宇航员启动。然后，控制棒将从反应堆中抽出，一个小型中子源（例如锎-252）将启动反应。
考虑到美国尚未完成反应堆的最终设计，也没有确定月球基地的计划，2030 年的最后期限显得相当仓促。
哈夫：没错。这个时间表确实看起来很雄心勃勃。在未来四年半的时间里，我们很难在地面部署这种规模的反应堆原型。如果到那时还无法准备好发射并送上月球，最终我们不得不解释为什么我们没能按时完成。 这可能会给核能带来声誉上的问题，比太空探索更严重，因为人们热爱NASA。小孩和大人都穿NASA的T恤。现在没人穿能源部的T恤了。
月球反应堆发射的风险
如果发射过程中出现问题，会有什么风险？
哈夫：非常幸运的是，新鲜铀燃料不像废铀那样具有放射性危害。只有当它变成裂变产物后，才会具有显著的放射性。因此，只要反应堆在发射前不运行，危害就很低。即使燃料散布到地球上，也不会对周围的人构成重大危险。我的办公桌旁就放着一个铀样本。此外，针对任何放射性物体，已经建立了一套严格的发射安全规程。NASA在这方面积累了丰富的经验，他们曾在之前的发射任务中发射过钚热电发电机（更像是一个核电池）。
先前发射到太空的一些裂变反应堆出现了问题；它们发生了什么事？
哈夫：迄今为止发射到太空的最大裂变反应堆是苏联计划中5千瓦的TOPAZ-I反应堆。其中一座反应堆发生严重事故，解体了。它现在在高轨道上，碎裂成碎片，包括一些钠冷却剂，它们就像液态金属球一样漂浮在那里。但这不会对地球造成影响，因为它只是距离地球极其遥远的极少量放射性源物质。更不幸的事故发生在苏联的Kosmos 954反应堆上，它在轨道运行后失控重返大气层，并在加拿大境内600公里的范围内解体。
如果小行星撞击月球，或者直接撞击月球核反应堆，会发生什么情况？
哈夫：直接撞击可能会损坏反应堆并导致燃料局部扩散。这可能是使用 TRISO 燃料的动机。它非常坚固，因为燃料和裂变产物被封装在数千个球形、奇亚籽大小的颗粒中，这些颗粒外面包裹着碳化硅。它可以承受难以置信的撞击和高温——远远超过熔岩的温度。测试表明，即使在1700°C 的高温下持续 300 小时，TRISO 仍能保留其裂变产物而不会发生故障。因此，在不太可能发生的情况下，如果在反应堆所在地与大型小行星发生正面碰撞，反应堆的碎片可能会散布在月球尘埃中，但所有这些 TRISO 小颗粒有望保持完好无损。
原文： https://spectrum.ieee.org/lunar-nuclear-reactor-nasa-moon