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原创 NASA为何要在月球建造核反应堆

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2026-05-22 20:00:16

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不久前，在美国运输部长肖恩达菲被任命为美国国家航空航天局（NASA）代理局长后不到一个月，他向世界宣布了一项令人惊讶的消息：NASA计划在月球上安装一个核反应堆。他表示，作为加强美国太空国家安全的一部分，该反应堆将在2030年前完成设计、建造、发射并运送到月球表面。对许多观察人士来说，这一声明听起来有些大胆。为什么要在月球上安装核反应堆呢？

关键是，如果美国（或任何航天国家）想要在月球上建立永久存在——一个能在寒冷漫长的月夜期间运行的有人驻守站——太阳能是不够的。通过其阿尔忒弥斯计划（该计划曾派遣四名宇航员进行绕月飞行），美国国家航空航天局（NASA）希望将我们星球的银色伙伴转变为科学前哨、采矿场和指向火星的火箭发射台。要做到这一点，核能是唯一选择。这是我们能够长期妥善维持月球基地的唯一方法，威尔士班戈大学核未来研究所联合主任西蒙米德尔伯格说。难怪，和俄罗斯正计划合作到2035年在月球上部署他们自己的核反应堆，以供电给他们规划中的月球南极基地——国际月球科研站。迟早，无论来自哪个国家，月球上的核能都会成为现实，米德尔伯格说，这是不可避免的。

核电站比许多人想象的更安全。但在太空部署反应堆是一个历史复杂的概念。历史上曾有一座臭名昭著的反应堆在地球大气层中解体，引发了国际事件。而且从未有人为月球设计过反应堆——月球是一片恶劣的火山荒漠，面临着极端的温度波动、频繁的小行星撞击和持续的地震。

相关知识

月球是地球唯一的天然卫星，直径约3476公里，与地球平均距离约38.4万公里。它本身不发光，依靠反射太阳光呈现不同月相。表面遍布环形山、月海等地形，1969年人类首次登陆月球，为探索宇宙起源与演化提供了重要依据，也推动了空间技术的发展。

专家们对达菲提议的核电站的时间安排和规模都提出了质疑。在月球南极——一个人类尚未涉足的环境——建造一座能为80个美国家庭供电的反应堆，并计划在短期内完成，这听起来即使不是不可能，也过于仓促。而且没人希望相关方在月球核反应堆的构思、建造、发射和着陆过程中仓促行事。兰德公共政策学院太空政策教授、美国国家航空航天局前代理首席技术官兼技术、政策与战略副行政官巴维亚拉尔表示：我认为最坏的情况可能是，为了争第一，我们跳过了重要的设计和安全步骤。争第一是好的——竞争是有益的——但我们需要把事情做对。

如果美国成功的话，其核动力月球基地可能会成为太阳系探索的星际立足点。但失误在所难免。无论是不小心用放射性废物污染了古老的水冰储备，还是让宇航员不幸困在月球的黑暗中无电可用，正如米德尔堡所言，月球上的核灾难都将是一场定义人类的大麻烦。

凯蒂赫夫想澄清一件事：铀，这种臭名昭著的放射性元素，被用于为核电站提供动力，并且经过一些调整后，能让大多数核武器具有毁灭性的威力，但它其实很乏味——至少在某种意义上是这样。

赫夫是伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的核工程师，曾在拜登ZF担任核能助理部长。核能是她的专长领域。但她在最近一次图片通话中表示，重要的是要知道未使用的核燃料在辐射学上非常普通。它的放射性并不特别强。她指了指桌上的一个物品。那个硬纸板盒子里有一些铀。铀可以拿在手里而不会造成后果，这一事实可能会让很多人感到惊讶。你可以拿起它。它主要是有毒性，就像铅一样，米德尔伯格说。所以不要吃它。

核辅助动力系统（SNAP）10A是首座被送入太空的核反应堆，反应堆（顶部）产生的热量通过锥形结构转化为电能。乔治莱因哈特科比斯历史盖蒂图片社

乔治莱因哈特考比斯历史图片库盖蒂图片社

铀在被投入核反应堆并受到中子轰击时，既会变得危险，也能发挥作用。这种撞击会使铀不稳定的原子核分裂，并释放出更多中子，这些中子又会导致更多原子核破裂——这样就产生了释放热量的核裂变反应。只要反应不失控，就可以利用这些热量将流体（通常是水）转化为蒸汽。蒸汽驱动涡轮机旋转，从而产生电能。

你不会想在铀燃料被中子轰击后再去触碰它。然后它会分裂，变成具有高放射性的裂变产物，这就是核废料危险的原因，赫夫说。但由于这种核链式反应能持续很长时间，它是一种极好的能源——尤其是在太空中，那里它可能数年甚至数十年都不需要补充燃料。

太空核动力的概念并不新鲜。过去几十年间，美国和其他一些国家曾向太空发射过大量放射性同位素热电发生器（简称RTG），为各种设备供电，包括地球轨道卫星、月球上的科学实验装置、火星探测器以及深空探测器等。钚是铀的化学同类元素，性质活泼，常被用于这些装置中。不过，RTG并非核反应堆。它们更像是核电池：由高温放射性物质组成，能提供少量但持久的热量，进而转化为电能。

但放射性同位素热电机（RTG）不足以给月球基地供电。宇航员需要的不只是维持照明的能量。他们需要夜间持续的热源，以及在月球白天温度飙升时排出热量的方法。如果他们想要能从月球土壤中提取珍贵水的机器——这些水用于宇航员和作物的补水，更关键的是，可通过电解分解成氢气和氧气来制造火箭燃料——那么他们将需要大量电力来驱动这些机器。

因此，在过去几年里，无论是在特朗普ZF时期还是拜登ZF时期，美国国家航空航天局（NASA）及其行业合作伙伴一直在研究40千瓦月球反应堆的设计方案，这是合理的。专家表示，这个功率大小足以供一栋办公楼使用，对于一个原型月球基地来说是比较合适的。

在某位NASA负责人的短暂任期内，这一数字跃升至100千瓦。为什么？我不清楚，赫夫说，我没有发现任何证据表明他们对这个数字的考虑超出了‘更大’这一点。与陆地上的标准美国核反应堆相比，100千瓦的功率很小——大约是其功率的万分之一，体积也只相当于一辆大型汽车。但赫夫表示，这种功率对太空而言意义重大，并指出100千瓦比目前已发射到太空的其他任何核反应堆的输出功率都高出整整一个数量级。

从技术上讲，在短短四年内将一台定制的100千瓦反应堆送上月球是可能的。这是一个有挑战性但可以实现的目标，美国能源部空间反应堆项目的国家技术总监塞巴斯蒂安科尔比西罗表示。

近期，美国国家航空航天局（NASA）现任局长贾里德艾萨克曼重申了在月球上部署核裂变动力装置的计划。随后，他宣布NASA将在2028年底前发射首艘采用核电力推进的星际航天器——太空反应堆1号自由号，前往火星。该任务将在美国在月球表面建立核电站之前，帮助在深空测试核裂变技术。

拉勒说：我非常有信心，美国启动的任何反应堆都不会有安全问题。然而，显然，事情总是可能出错的，世界上没有任何地方是100%安全的——任何说自己已经实现这一点的人都是在撒谎。

要在月球上放置核反应堆，首先必须将其送上火箭。确保其发射安全是最重要的因素之一，太空核技术专家、弗吉尼亚州航空航天公司AnalyticalMechanicsAssociates高级项目副总裁林赛霍姆斯表示。

美国曾发射首个进入太空的核反应堆——实验性核辅助动力系统10A反应堆。这个垃圾桶大小、功率为600瓦的装置仅运行43天就因电压调节器故障停止发电。它至今仍在绕地球运行，且仍是美国唯一一次在地球外运行核反应堆的尝试。

相比之下，苏联曾将二十多个核反应堆送入地球大气层之外。这些反应堆大多用于为雷达间谍卫星提供动力，发射时没有发生事故。不过，其中一个向加拿大全境喷射了放射性物质，霍姆斯表示，这为人们提供了一堂极其深刻的反面教材，告诉大家不该怎么做。

技术上来说，在四年内将一个定制的100千瓦反应堆送上月球是可能的。

搭载该反应堆的航天器（Kosmos954）在发射约三个月后开始偏离目标。苏联的操作人员和美国官员都注意到它在晃动，但苏联方面最初保持沉默。他们的工程师试图在航天器坠回地球前将卫星的活性核反应堆弹射到太空，但未能成功。最终苏联方面向美国同行坦白了情况，但他们声称Kosmos954在当时已无法阻止的大气重返过程中会被烧毁，不会造成任何后果。

美国当局曾公开思考如何应对一个高温核反应堆坠落回地球的问题。时任国防部长特别助理的格斯韦斯当时表示：快速查阅文献后发现，既没有教科书式的答案，甚至连教科书式的问题都没有。最终，一颗名为Kosmos954的卫星将其致命碎片洒落在加拿大北部地区一片约15000平方英里、人口相对稀少的区域。在一次名为晨光的加美联合行动中，身着危险品防护服的人员在冰封之地搜寻Kosmos954的残骸。据团队一名成员称，卫星的部分部件放射性不高，但其他碎片让人员的个人辐射剂量计发出如一片蟋蟀叫声般的警报。奇迹般的是，这场放射性危机没有造成任何人员死亡——苏联向加拿大支付了300万加元作为赔偿。从Kosmos954事件中得出一个明确的教训：不要在月球核反应堆着陆月球前启动它。在启动之前，里面没有核废料，赫夫说。

理想情况下，月球反应堆应在海洋上空发射，因为溅落比在人口密集区域散落破碎的核反应堆碎片要好得多。这也表明，反应堆燃料的选择很重要，应选用不易大范围扩散的燃料类型。三结构各向同性颗粒燃料（更广为人知的名称是TRISO燃料）在这方面能发挥很好的作用。米德尔堡表示，它由颗粒组成，这些颗粒基本上是燃料做成的多层硬糖。每个颗粒本质上是一个由铀、碳和氧组成的团块，被包裹在超韧性的碳和陶瓷外壳中。它们不仅能在高速撞击下完好无损，就算把熔岩倒在上面也不会有任何影响。米德尔堡说：如果发射失败，会造成巨大的经济损失，但你可以把所有碎片都清理干净。

米德尔伯格和他的许多同事一样，对核能着迷。未经提示，他就热情洋溢地谈起第一次在反应堆池里看到切伦科夫辐射——一种诡异的蓝光——的情景：电视和网上的图片都无法展现它的真实面貌。它像珍珠母一样泛着光泽，充满魔力，就像北极光。但他很清楚，尽管在月球上安装一个能正常工作的核反应堆完全可行，但这绝非易事。

先来说说坏消息：在地球上运营核电站要容易得多。坦白说，月球是个糟糕的地方。它是一个低重力星球，基本没有大气层，这意味着其表面温度经常在白天的250华氏度到夜间的208华氏度之间波动。月球还有月震，这种震动类似地球的构造地震，但更怪异；频繁的小型小行星撞击会在表面随机的时间和地点形成巨大的陨石坑。

洛克希德马丁的插图展示了一个潜在的未来月球裂变发电站。洛克希德马丁

好消息是，核反应堆并不像你想象的那样容易发生灾难性爆炸。如果反应堆过热且无法冷却，就会熔化。但熔毁并非爆炸。现代反应堆的设计使得如果核燃料液化，它们会将其控制在核电站内部。

核电站也不是特别脆弱。提到核能，我们会想到福岛，想到切尔诺贝利，米德尔伯格说。但除了全球范围内无数座已正常运行数十年的核电站外，我们不会想到那些在海洋中漂浮的核设施。核潜艇数量也不少；它们处于相当极端的环境中，经常受到碰撞，且设计上能承受战斗场景。这些设备可以非常坚固，他说。它们没有理由不能承受月球环境的考验。

不过，月球上发生核灾难是有可能的。假设核反应堆确实过热，引发了月球上有史以来第一次核熔毁。这将是一项真正不光彩的成就，但至少大部分熔融燃料会被控制在现场。不过，这意味着月球表面会有一大块放射性金属块，赫夫说。也许几代人都无法接近它。如果它渗入附近珍贵的水冰储备，那项改变游戏规则的资源——宇航员在那里建立基地的全部原因——将被永久污染。哎呀，赫夫说，那太可怕了。很难原谅一个愿意对月球做出这种事的国家。但至少宇航员会没事，对吧？

嗯，并非如此。反应堆产生的辐射——即使是熔毁时可能释放的辐射——也不会是太大的担忧（事实上，月球上的太阳辐射和宇宙辐射对宇航员健康的影响要大得多）。电站的故障才是更大的问题。假设依赖该电站的月球基地在月球任意地点处于黑暗笼罩的两周期间断电。在如此寒冷的条件下，电池系统可能在耗尽前只能储存少量电量。马里兰大学帕克分校的行星地震学家和地球物理学家尼古拉斯施默尔表示：届时宇航员将陷入严重困境，因为他们的整个生命支持系统会瘫痪。他们将无法生存。

专家们预计我们这辈子不会看到月球版的切尔诺贝利事件。美国国家航空航天局（NASA）的一位发言人表示：裂变表面动力系统的设计将考虑到安全性。这让人松了一口气。对于一个100千瓦的核反应堆来说，更现实的最坏情况是月球环境损坏了它，导致它在宇航员最需要的时候停止工作。因此，真正的问题是：我们能设计出所有传感器、电子设备以及所有这些组件在相当恶劣的环境中持续工作多久？科比西埃罗问道。

月球反应堆的运作方式必须与地球上的有所不同。它可能无法将水用作冷却剂，也无法用作吸收热量、产生蒸汽以驱动涡轮发电的物质。水在太空中存在很多问题，赫夫说。它在低重力环境下无法正常流动，而且月球上剧烈的温度波动可能导致蒸汽剧烈膨胀或水结冰，在此过程中损坏管道。相反，反应堆可能会使用从地球带来的空气来吸收热量并将其输送到涡轮机。这在设计上更具挑战性，但并非不可能。

用其他物质替代水作为核反应堆的冷却剂要困难得多。铀裂变产生的大部分热量会被用来发电，但会有一部分多余的热量。这些废热需要散发到环境中，但如果没有大气层，就不会有类似空气的介质来轻易吸收这些热量。赫夫表示，在真空中防止核反应堆过热会很困难。她和米德尔堡提出了相同的解决方案：帆——一种巨大的鳍状装置，能够利用其巨大的表面积将热量散发到太空中。

听起来不错。但别忘了那些讨厌的微陨石——大小像鹅卵石、速度快如高超音速子弹的岩石。施默尔说：月球持续受到地外物质的撞击，而且没有大气层作为屏障来阻挡它们。如果这些陨石中的几颗刺穿了散热器鳍片，设备将无法正常冷却。

洛克希德马丁公司的插图展示了一个潜在的未来核动力阿尔忒弥斯月球基地。洛克希德马丁公司

你也可能极其倒霉，一颗十几英尺宽的小行星可能会撞击到附近的地面。我们看到阿波罗计划期间形成的新陨石坑有70至80米（230至260英尺）宽，施默尔说，如果你碰巧处于其中一次撞击的中心，那你这一天可就太糟糕了。

宇航员无法抵御这些更罕见的大型小行星撞击，但他们可以通过将发电厂埋在地下，来减轻更频繁但体积微小的太空子弹的威胁。他们甚至不需要挖掘——只需利用月球上众多的中空熔岩管之一即可。

月震是另一个挑战。它们远不如地球的构造运动剧烈：阿波罗时代放置的地震仪监测到的最大月震震级在3到4级之间。不过，核电站不应紧邻潜在的活动断层，因为即使是轻微的震动也可能推倒较高的建筑物并损坏物品。

但月球的地质构成使得月震与地震相比具有惊人的持续性；这些震动可以持续数小时。你的系统不仅在震动，而且会长时间剧烈震动，施默尔说。这不是我们在地球上进行结构建造时通常会考虑的事情。

如果反应堆没有针对月球的地震危险做好适当加固，可能会发生三件事：反应堆可能损坏并停止运行；燃料可能会被晃动到异常的排列状态，从而减慢裂变反应；或者燃料可能移位导致反应加速——进而使发电厂过热，必须在它变成致命的炽热液体前关闭。

NASA的资深行业合作伙伴、自身深厚的专业知识及其尖端测试设施，无疑将助力打造具备抗灾能力的反应堆。但在地球上无法完美重现月球环境。在实验室中复现月球重力需要近乎魔法般的操作，而且尽管真空舱能模拟月球的极端温度和无大气环境，美国目前没有可在真空舱内运行反应堆的设施，科尔比西耶表示。

尽管仍需克服诸多障碍，许多专家对月球核反应堆的可能性充满热情。我对此很感兴趣，米德尔堡表示。但要确切知道它能否正常且安全运行，唯一的方法就是登上月球并启动它。

RAND公司的拉尔也对美国在月球上运行首个核反应堆的前景感到兴奋。但她花了很多时间思考NASA在这一过程中可能出错的所有事情。这些隐患包括其与的互动，是一个同样渴望在月球南极建立核动力立足点的航天国家。

在一种可能的未来场景中，和美国在月球南极各自拥有一片广阔区域。双方协调部分操作，分享大量科学发现，同时保持着相互尊重的距离。这是最佳情况，拉尔说。但这并非最现实的情况。和美国在地缘政治领域存在竞争，并且是新一轮月球探索竞赛中的竞争者。这片新土地不属于任何人，拉尔说，谁先到达那里，谁就制定规则。

联合国《外层空间条约》于1967年签署，其中规定外层空间不得通过主权主张、使用或占领等任何其他方式由国家据为己有。目前尚无人能合法拥有月球领土。但在达菲的某次声明中，他指出核电站可用于向其他方划定禁区：嘿，这是敏感、危险的设备——请远离

建立基地也会让一个国家对月球上某块特定区域拥有事实上的控制权。但核电站可以为任何目的放置在任何地方，远离宇航员，因此中美两国都可以像放置放射性旗帜一样部署它们。各国可以迅速对其认为有价值的任何土地——包括任何富含水的区域——提出并非完全合法的主张。

因此，拉尔表示：我们不想成为第一个在月球上拥有核反应堆的国家。美国应该成为第一个登陆月球并制定规范的国家。理想情况下，这些规范应包括以非攻击性方式放置设计安全的核反应堆。每个反应堆的部署也应提前向月球表面的邻国明确通报。她表示：我们需要能够与我们的朋友和对手对话。

但在当前的政治环境下，秘密行为可能会占上风。猜疑是无谓之失的温床。如果局势变得对抗性，核电站可能不是航天国家设立的唯一领土标志。如果他们想在月球上部署核武器，他们就会这么做，拉尔说。根据《外层空间条约》，在太空部署核武器是非法的。不过，外界认为某些国家正在为此开发此类武器。而且该条约不具有法律约束力，更像是一项指导原则。如果有人想作恶，就没有办法强迫他们不作恶，她补充道。

不过，不妨设想一下这样一个未来：有人在月球上建立了一座由首个月球核反应堆安全供电的基地。不用再局限于狭小的空间，他们现在可以为登月人员打造并维持一个小型村落。随着时间推移，这座基地会成为工程中心和燃料库——成为宇航员前往更遥远的赭色行星的跳板。

美国希望率先实现这一梦想，也是如此。希望它们在争夺领先地位的过程中，能谨慎地推进各自的核计划。在月球核项目的最初阶段，需要一些过度谨慎的态度，米德尔堡说。无论前景多么令人兴奋，也无论它能带来什么，有一个问题应该始终萦绕在每个人的脑海中：如果出了差错会怎样？

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