見識了核威力后，人類對于核武器的發(fā)展是抵制的，并一直在努力防止核擴散。
出品：科普中國
制作：寒木釣萌
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
打開了原子的大門，進入了核的世界，人類異常興奮，就像一個小孩第一次學會自行車，認為可以騎行到任何地方。
核武器的研制和發(fā)展主要來自一種安全上的需求，就像馬斯洛需求層次理論，它屬于比較底層的需求，見識了核威力后，人類對于核武器的發(fā)展是抵制的，并一直在努力防止核擴散。
馬斯洛需求層次理論
而核能的和平利用則是一種自我實現(xiàn)式的高級需求。除了核電站，各國都希望核能可以做得更多一些，他們希望建造一艘排水量超過10萬噸，50年不用換燃料的大船，成功了，這就是航空母艦，還有核動力商船、破冰船，也成功了。
核動力破冰船
他們還希望建造一艘可在深海潛游的大船，也成功了，這就是核潛艇。
到這里就止步了嗎？那是不可能的，科學家們還希望建造能在天上繞地球飛幾十圈而不用降落的飛機，這就是核動力飛機。
核動力飛機暢想圖
核動力飛機
二戰(zhàn)還沒有結束，準備用原子彈終結二戰(zhàn)的“曼哈頓計劃”還在如火如荼地進行時，著名科學家費米就對那些科學家說，除了原子彈，大家也不要忘了研制核動力飛機。
果然，二戰(zhàn)剛結束，核動力飛機的研制工作還真就大張旗鼓地上馬了。
美國研制核動力飛機，出發(fā)點是想造出高性能的遠程戰(zhàn)略轟炸機，繞地球轉十幾圈也不用加油，這誘惑是如此的大，這種飛機能擺脫對大量機場的依賴，擺脫對空中加油機的依賴。如果改裝成核動力運輸機，那效率也是沒得說。
前蘇聯(lián)呢，他們的動力更大，那時，蘇聯(lián)還沒有航程很遠的轟炸機，所以蘇聯(lián)領導人非常希望能研發(fā)出一種可以輕松飛到美國任何地方的上空，進行轟炸后，還能返航的轟炸機。
1946年5月，由美國空軍主持，核動力飛機開始啟動，到1948年時，美國空軍已為此投入了1000萬美元。
蘇聯(lián)對核動力飛機的行動在早期只是只停留在報告上，直到后來，蘇聯(lián)得到情報，美國正在研制一種名為 NB-36H的核動力飛機，且進展順利。于是，蘇聯(lián)領導人也慌了，下令研制！
如何提高動力？
美國的設計方案中，有兩種驅動方式。
第一種是，飛機在天上飛行時，反應堆啟動，加熱堆芯周圍的液態(tài)金屬，接著讓高速氣流與高溫液態(tài)金屬接觸，于是氣流變成高溫高壓氣體，經(jīng)過導流，這些氣體通向各個引擎的增壓渦輪，最后噴出產(chǎn)生后推力。這種設計是一種混合動力，即飛機起降時發(fā)動機使用的還是燃油，爬升至高空后，才切換為核動力。為什么起降時不使用核動力？因為高速氣流通過堆芯的液體金屬，再排出，核污染比較嚴重。
第二種方案是，空氣不直接進入堆芯，而是使用熱交換器加熱空氣。熱交換器里面有水或者液態(tài)金屬，它們循環(huán)流動，不斷把熱量從堆芯帶出來，并加熱從外面通過的空氣，如此往復。
蘇聯(lián)的設計在細節(jié)上稍有不同，但本質(zhì)上都差不多。
技術難點有哪些？
這是蘇聯(lián)核動力飛機的駕駛艙設計，圖中5和6是厚重的鉛防護層和橡膠防護層。
B-36轟炸機是翼展最大的軍用飛機，美國人把反應堆加上去后，改編號為 NB-36H。
圖為 NB-36H的駕駛艙，用鉛和橡膠屏蔽層包裹，重12噸。
以上圖片告訴我們，研制核動力飛機很大的一個難點是，如何保護駕駛員不被長時間輻射？還有，若飛機墜毀后，帶來的地面核污染如何避免？當年 NB-36H裝反應堆試飛，測試反應堆對駕駛員的輻射水平時， NB-36H旁邊還跟著另一架飛機，上面裝滿了士兵，就是為了萬一NB-36H墜毀，能第一時間沖下去，封鎖現(xiàn)場，避免周圍群眾受到核輻射。
正在試飛中的NB-36H
核動力航母和核潛艇之所以比較容易實現(xiàn)，是因為它們天生就在海里，可以用取之不盡的水來冷卻堆芯，另外就是航母和潛艇體積龐大，裝一個反應堆上去后，就算再加一個幾十噸的保護罩上去，體積和重量都是可以接受的。但飛機就不同了。
后來，洲際導彈的出現(xiàn)降低了對核動力遠程轟炸機的需求，加上各種技術困難，美蘇這才下馬了核動力飛機計劃。
瘋狂的核動力火箭
除了核動力飛機，人們對核動力火箭也充滿渴望，有科學家認為，如果我們使用核動力火箭飛往火星，只需要30天時間。
而早在20世紀初，得知居里夫婦提煉出放射性元素鐳之后，俄國航天之父齊奧爾科夫斯基就預言：“一噸重的火箭只要用一小撮鐳，就足以掙斷與太陽系的一切引力聯(lián)系。”
繼核動力飛機后，1957年，美國人又開始了核火箭的研制，這就是獵戶座核火箭計劃。
獵戶座核火箭計劃
這是一個現(xiàn)在看來相當瘋狂的計劃，即使出現(xiàn)在科幻小說中，也會給人一種異想天開的感覺，你猜他們是怎么推進火箭的？用原子彈爆炸的方式！
具體過程是這樣的，使用一顆顆小當量原子彈在火箭尾部相繼爆炸，火箭后面安裝的推進盤可以吸收爆炸產(chǎn)生的沖擊波，并借此獲得動力。
獵戶座核火箭升空示意圖
很容易想象，核火箭升空的過程就像海洋里的水母，一蹦一蹦的，每扔掉一顆原子彈，火箭就向上竄出一段距離。
根據(jù)設想，在起飛階段，每秒引爆一顆100噸TNT當量的小型原子彈，當火箭到達一定速度和高度后，引爆速率下降到每10秒一枚，由于已經(jīng)遠離地面，此時引爆的是2萬噸當量的核彈。
研究人員用常規(guī)炸彈試驗
研究人員用常規(guī)炸彈試驗
研究人員現(xiàn)場實驗照片
研究人員使用常規(guī)炸彈實驗照片
以地球喜歡的方式
以上這種方式對地球很不友好，注定胎死腹中。而另一個更安全的方式是，先用多根火箭把飛船升到太空，遠離人間后再盡情地拋灑核彈。
用常規(guī)火箭升空
獵戶座核火箭發(fā)射過程
獵戶座核火箭模擬發(fā)射過程
獵戶座核火箭模擬發(fā)射過程
到達外太空后，開始點燃核彈
顯然，使用小當量核彈爆炸以提供動力，這能達到極高的速度。1958年，美國核科學家泰勒設想，如果在大氣層外每顆原子彈的爆炸當量為2000噸TNT，那么引爆50顆這樣的原子彈后，飛船的最大速度可達70千米/秒。
核火箭在外太空前進簡單示意圖
但是問題來了，這到了火星怎么辦？沒關系，把“屁股”調(diào)過來。
到了火星后，把“屁股“調(diào)過來，繼續(xù)放核彈
現(xiàn)在回過頭去看，獵戶座核火箭計劃實在是過于瘋狂，但在當時的環(huán)境下，其實也是可以理解的。從1945年7月16日美國進行世界上首次核試驗到1989年底，各國共進行了2000多次核試驗。這其中，美、蘇兩國核試驗次數(shù)約占總數(shù)的80%。
既然都進行那么多次核試驗了，而且還是大當量的，那么用很多小當量核彈發(fā)射火箭又有何不可？這是那個年代的想法。另外，獵戶座核火箭計劃還有一個在那時聽上去很美好的借口：把美蘇巨大核武庫中的核材料充分利用起來，為人類探索宇宙做貢獻。
1963年，《禁止在大氣層和外層空間進行核試驗條約》生效，獵戶座核火箭計劃也隨之走到了終點。
有失敗更有成功
因為對環(huán)境不友好，以及技術原因，以上兩種對核能的利用均以失敗告終。然而，宇宙探索終究離不開核能，“旅行者1號”長久以來之所以還能與地球通訊，也全靠它上面的兩枚核電池。未來的太空探索，要想大大超越現(xiàn)今的成績，核能是唯一的選擇。
請關注“科普中國”，在下一個篇章我們將要說說在目前的宇宙探索中，已經(jīng)廣泛且成功的核能利用。
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