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核动力航天飞机 孔祥涛 （兰州大学核科学与技术学院） 摘要：核动力航天飞机以热中子诱发的裂变为能量来源，利用裂变后产生的大量高能带电粒子与发动机内壁的作用，产生使航天飞机向前加速的推力。本文的目的是用经典力学的方法算出这个推力。之后，对比核动力发动机和化学能发动机的性能，仿照美国航天飞机来设计核动力航天飞机。最后，展望未来航天新时代。 关键词：核动力航天飞机，裂变，推力，航天新时代。 一，引言 从1896年贝克勒尔发现放射性元素开始，核物理及核能应用得到了快速而长远的发展。首先是理论上的发展：1932年9月，Szilard就提出了用中子诱发裂变的概念，并提出了用这种方法可以制造原子弹。很快，到1938年，两名德国物理学家就从实验上证明了热中子诱发裂变产生两个碎片。此后，核科学的发展速度是惊人的，在理论尚未完成之际，核能的应用就开始了。首先是在军事上，当时正值二战后期，为尽快结束战争，美国于1942年8月开启了曼哈顿计划，很快在1945年就制造出了原子弹。核能不仅在军事上应用广泛，而且在民用领域也发展迅速，特别是核电站。从1942年实现第一次反应堆临界，截止到2006年，全世界有37个国家正在运行的发电反应堆共计442座，提供全世界电力的17%，总输出约40000MW。 另外，人们还提出了核聚变的理论。然而，现在实际应用的核电站和核武器都用中子诱发的裂变作为能量来源。所以，目前人们研究的核裂变较其他核反应更为深入，实验数据也更齐全，其应用技术也更为成熟。这是我为何选用核裂变做为研究对象的原因。 核能发电已取得巨大的发展，而核能应用于航天却是一个全新的领域。目前，航天普遍采用化学反应作为能量来源。虽然航天已取得了举世瞩目的成绩，但却始终存在以下几大问题：（1）化学燃料比冲太小，这就意味着将一定质量的载荷送入太空需要贮存很多燃料，如一般火箭的燃料会占总质量的90%以上。（2）限于化学能的低效率（将载荷送入太空后燃料几乎耗尽），航天器在太空中的飞行只能依靠引力，这不仅降低了航天器的机动性，还增加了航天器飞行的控制难度。（3）高难度的飞行控制导致的直接后果是复杂的计算和数据处理。另外，增加了大量监控设备和配套系统，致使航天工程变成了一个很复杂的大系统。复杂的操作和复杂的系统不仅降低了效率，更重要的是增加了成本，使航天工程成为一个烧钱的大项目，如美国的阿波罗登月计划前后耗资255亿美元。（4）然而，耗巨资发展起来的航天，现在却遇到了继续发展的瓶颈。因为进入太空的航天器的燃料基本耗尽，再加速就很困难，致使速度很低，要做进一步的深空探测则需要很长时间，如去火星需要500天，更不要奢谈星际旅行了。 一次和的化合反应（航天中常用的）只放出2.51eV的能量，而一个核裂变释放出约200MeV的能量。二者相差100万倍，可以想象，假如核能应用于航天，其定会给航天带来空前的革命。再不需要复杂的系统来保障航天器的飞行，因为航天器有充足的燃料做机动飞行。依靠大推力的发动机，航天飞机可以加速到很高的速度，星际航行也会成为现实。 因为本文是关于核能的应用，应先将核裂变的过程和核裂变后的产物组成说清楚，特别是裂变碎片的质量、动能分布。 二，中子诱发的核裂变 2.1裂变过程 下面按液滴模型的观点，简述裂变的全过程。 图2-1 处于激发态的原子核（例如，铀-235核吸收一个中子之后，就形成激发态的铀-236核）发生形变时，一部分激发能转化为形变势能。随着原子核逐步拉长，形变能将经历一个先增大后减小的过程。这是因为有两种因素在起作用：来自核力的表面能是随形变而增大的；来自质子之间静电斥力的库仑能却是随形变的增大而减小的。两种因素综合作用的结果形成一个裂变势垒，原子核只有通过势垒才能发生裂变。势垒的顶点称为鞍点，如图2-1。以上从能量角度说明裂变过程，下面引自液滴模型，将复合核视为液滴，形象展示复合核的运动过程。 当吸收中子后形成激发的复合核，开始时呈球形A，之后经过如图2-1一系列状态。 /s 阶段 0 鞍点 断点 动能达最大值 瞬发中子 瞬发射线 衰变 当复合核经振荡态B到达哑铃状C，若表面能超过了体积能，它就不会再回到状态A，而是裂变成了两个碎片（E态），由于静电排斥，它们向相反的方向飞开。这时静电库仑能转化成两碎片的动能。初生碎片具有很大的形变，它们很快收缩成球形，碎片的形变能就转变成为它们的内部激发能。具有相当高激发能的碎片，以发射若干中子和γ射线的方式退激，