小“核”才露尖尖角——现实中的太空核能
太空，似乎很遥远。
核能，似乎也很遥远。
那太空核能呢？岂不是遥远的平方？
其实，太空广袤而深远，在这里，由于无人，所以辐射防护的要求低了很多；在这里，由于不是所有地方都能见到太阳，所以太阳能电池板不是无所不能；在这里，减重要求以克为计，所以不可能让航天器背着硕大的干电池上天……当一个个条件列完，蓦然回首，你会发现现实中太空中反倒是核能应用最早的领域，早在20世纪60年代就开始流行了，而至今，在“嫦娥”探月飞行器、“好奇号”火星车……很多耳熟能详的航天器上，都有核能的影子。
和传统电池相比，核反应堆功率密度高、持续时间长，在太空任务中一直扮演着重要角色，甚至成为大国核心竞争力和国际影响力的重要标志。中美俄等太空大国和核能应用大国都在持续进行空间核电源、核动力火箭的研制，进行了系统方案、关键技术和样机研究，建立了完整的研制体系与试验验证设施，也形成了众多应用成果。
而在未来，随着科技的进步，人类对太空的渴望也在不断增长，当幻想插上了科技的翅膀，太空电梯、核聚变火箭甚至反物质飞船、曲率驱动飞船这样“不明觉厉”的黑科技也越来越多地出现在科幻作品中。
2021年11月20日，“好奇号”火星车的自拍照（NASA官网）
空间核动力技术
太空中利用核能的技术有一个专有名词——空间核动力技术。按照对核能利用形式划分，空间核动力技术通常分为a核热源（俗称“核能热宝”）、b核电源（俗称“核能电池”）和c核推进（俗称“核动力火箭”）；而按照核能产生方式划分，则可分为A放射性同位素和B核反应堆这两种。
将这两种分类的五个名词各种排列组合，就会得到一些新的分类。比如，A+a，就得到“利用放射性同位素的核热源”，B+c，就得到“利用核反应堆的核动力火箭”。
各种空间核动力技术组合
先说A放射性同位素的核能产生方式，这种方式可以直接利用放射性核素衰变过程中产生的热量，直接作为热源（Radioisotope Heat Unit，RHU，同位素热源，即上文的A+a），也可以通过热电偶把热能转换成电能作为电源（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG，同位素电源或同位素电池，即上文的A+b），其功率一般在瓦级到数百瓦级之间，其常用的核素有钚-238、钋-210等。放射性同位素热源/电源寿命长、体积小、工作可靠、不受周围环境影响，广泛作为人造卫星、海洋灯塔、海底开发和远程航天器的信号电源使用。至于上文的A+c同位素推进，由于同位素功率太小，还无法实现。
美国1瓦标准模块RHU结构图
这就带来一个问题，靠同位素衰变能产生的能量有限，这样的电源或热源注定功率不会太大，更不能成为核火箭的动力。而如果需要更大的功率就需要考虑核反应堆了。太空核反应堆电源和核电站一样都可以利用铀等核燃料，通过核裂变发出热量，此热量可直接利用（即上文的B+a核能热宝），也可以通过热电偶或热离子转换器转化为电能（即上文的B+b核能电源）。至于B+c核火箭，我们放在后面的章节来单独聊。
1959年，世界上第一颗核电池在美国诞生。这颗电池重1.8千克，可以在280天内释放11.6度的电量。虽然看上去11.6度电只够一辆电动汽车跑100来公里，但却是普通电池远远无法企及的高度。不要说二十世纪中期，即使现在，想象一下一辆续航百公里的电动汽车锂电池大概有多重，就能理解核电池在当时有多“黑科技”了。
此后，核热源和核电源进入了飞速发展期。
1961年6月，美国成功发射了世界上第一颗核能卫星——“子午仪”4A军用导航卫星，开始进行让卫星携带核能进入天空的测试。卫星使用同位素电源（RTG）供电，电功率为2.6瓦。随后多颗“子午仪”卫星相继使用RTG。
1965年4月，由空军支持、用于验证空间核反应堆电源的SNAPSHOT卫星发射。这是世界上第一颗也是美国唯一一颗在轨使用核反应堆的航天器。SNAPSHOT卫星的电源全部来自SNAP-10A反应堆。和一般只有几瓦的同位素电源相比，SNAP-10A的功率达到了500瓦，设计寿命1年。卫星还搭载了一台离子发动机，在轨运行约1小时。运行43天后，SNAP-10A由于卫星电气系统问题而停堆并随即终止运行。
美国航天局（NASA）用于太空任务的核电池结构图(https://www.daowen.com)
“子午仪”卫星导航系统，由美国海军主导建立，又称“海军卫星导航系统”（Navy Navigation Satellite System，NNSS）
导航卫星Transit 5-A
1969年，阿波罗11号飞船成功登月，留下了人类在月球上的第一个脚印。但鲜为人知的是，它也携带了两颗使用钚-238的放射性同位素“暖宝宝”。此后的阿波罗12～17号飞船上均使用了同位素电源或热源。阿波罗计划使得美国同位素航天器技术逐步趋于成熟，并为人们普遍接受。和以前的核能卫星不同，阿波罗11号可是带着人的，实现了人与核能在航天器上的共存，那句“这是个人的一小步，却是人类的一大步”用在太空核能方面似乎也并没有违和感。
一个正在进行地面测试的SNAP 10A反应堆
艺术家对处于高极轨道中“SNAPSHOT”的想象图
和美国大量使用同位素热源或电池不同，苏联的研究重点似乎更倾向于可提供大功率的核反应堆系统上。20世纪60年代，在同位素电源卫星上天的同时，苏联并行启动了使用热电转换的反应堆电源系统项目，这种电源输出电功率能达到约3000瓦，远高于美国的同位素电源。1970—1988年，苏联共发射了32颗使用此类反应堆电源的“宇宙”系列卫星。
“阿波罗11号”任务中的登月舱“鹰”
苏联“宇宙”-954（Cosmos-954）雷达海洋侦察卫星
美国宇航局的“旅行者1号”航天器，自1977年以来一直在探索我们的太阳系，同时还有其双胞胎旅行者2号（NASA）
在太阳系外，也有核电池仍然在忠实地履行着职责。1977年，美国发射了“旅行者一号”航天器，先后收回木星、土星的详细照片，是人类科学发展史上的里程碑。它上面携带的同样是钚-238的核电池。这也是人类史上最远的飞行，迄今已经历时40多年，远离地球200多亿公里。随着它驶入星际空间，人类的科学梦想和科学事业又掀开了新的一页，核能电池也已成为星际探索不可或缺的一员。
20世纪后期，随着太阳能电池技术的飞速发展和美苏太空竞赛的结束，使用核能的航天器比例在不断下降，但是在远离太阳的空间旅行或缺少日光照射的场合，核能仍然发挥着不可替代的作用。
2011年发射的“好奇号”火星车采用全核动力供电，已经取消了太阳能电池板。
2013年，我国的探月飞行器“嫦娥三号”登月，为应对月夜零下150摄氏度以下的低温，我们的“嫦娥”也带上了核能“暖宝宝”——放射性同位素热源。这也是中国航天探测活动中首次应用核能。
“嫦娥三号”飞行器
核能热源和核能电池为人类解决了太空中的加热和用电问题，使太空探索可以摆脱笨重的太阳能电池板。但这些小功率的设备只是太空核能利用的小“核”才露尖尖角，要冲向星辰大海，仅解决加热和用电问题是不够的，还需要更澎湃的动力把飞行器推出地球推出太阳系，于是，人们把目标投向了——核动力火箭。
