月球核电站断电，将比核泄漏更可怕环球科学

美国航空航天局想用一座核反应堆为月球基地供电。在这篇来自《环球科学》2026年7月新刊的文章中，作者罗宾·乔治·安德鲁斯向我们展示了，把核反应堆放到月球上听起来很疯狂，实际却不一定。

2025年，美国交通部部长肖恩·达菲（Sean Duffy）刚被任命为美国航空航天局（NASA）代理局长还不到一个月，就向全世界发布了一项令人侧目的消息：NASA计划在月球上部署一座核反应堆。他表示，为了强化美国太空国家安全，这座反应堆将在2030年前完成设计、建造、发射并送达月球表面。这一声明让许多观察者感到难以置信，为什么要把核反应堆放到月球上？

问题在于，如果美国或任何有航天能力的国家，想在月球长期驻留，并建立一座有人驻守、且能在漫长的寒冷月夜持续运行的月球基地，仅靠太阳能并不能满足需求。NASA希望通过“阿耳忒弥斯”计划（Artemis program）将地球的这颗银色卫星变成科学前哨站、采矿基地，以及通向火星的火箭发射台。

这项计划不久前刚把四名宇航员送上绕月之旅。要做到这些，核能是唯一选择。英国威尔士班戈大学核能未来研究所联合所长西蒙·米德尔伯勒（Simon Middleburgh）表示：“这是让月球基地长期维持正常运营的唯一办法。”中国和俄罗斯也正联手准备于2035年前在月球上建造自己的核反应堆，为计划中位于月球南极的“国际月球科研站”供电。不论是由哪个国家实现，“核能迟早会登上月球，”米德尔伯勒表示，“这是不可避免的。”

核电站比许多人想象的更安全。但把反应堆送入太空的历史，可谓跌宕起伏。1978年，苏联“宇宙954号”（Kosmos 954）卫星搭载的小型核反应堆意外在地球大气层中解体，引发了一场国际事件。而月球表面是一片严酷的火山荒漠，温度起伏剧烈，小行星频繁撞击，还有持续不断的月震。在那次事件后，还没有人专门设计过适用于月球这种外太空环境的核反应堆。

专家质疑达菲提出的月球核电站计划在时间安排和规模上是否可行。在2030年前，在人类尚未踏足过的月球南极，部署一座足以为80个美国家庭供电的反应堆，这件事就算有可能，也显得太过仓促。没人希望美国为了抢先，匆忙推进月球核反应堆的构想、建造、发射和着陆。“我认为最糟糕的情况可能是，为了争第一，我们忽略了重要的设计与安全环节，”美国兰德公共政策学院空间政策教授、NASA前代理首席技术官兼技术、政策与战略副署长巴维亚·拉尔（Bhavya Lal）说，“率先做到当然好，竞争也是好事，但我们必须把事情做对。”

如果美国成功了，这座核动力月球基地将成为人类探索太阳系，甚至迈向群星的立足点。但也可能发生失误。无论是无意间把放射性废物喷到了古老的水冰中，还是在月球黑夜里失去电力供应让宇航员陷入致命困境，月球上的核灾难，用米德尔伯勒的话说，都会是“一场足以让人类蒙羞的灾难性烂摊子”。

一种可能的月球核电站形式。

地球外的反应堆

凯蒂·赫夫（Katy Huff）想先澄清一点：铀，这种臭名昭著的放射性元素，既能用来为核电站供能，也能在稍加改造后赋予核武器毁灭性的力量。但至少从某种意义上说，它本身相当乏味。

赫夫是美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核工程师，曾在拜登政府中担任核能助理部长。核能是她最熟悉的领域。赫夫在最近一次视频通话中表示，未使用的核燃料“从放射学角度看很平常”，其放射性并不强。她指着桌上的一个东西说：“我那只纸箱里就有一些铀。”你把铀块拿在手里也不会出事，这个事实也许会让很多人感到惊讶。米德尔伯勒表示：“你可以把它拿起来，它像铅一样毒性很强，所以切勿食用。”

当你把铀投入核反应堆并用中子轰击它，它就会变得既危险又有用。中子撞击会让铀不稳定的原子核分裂，释放出更多中子，这些中子又会让更多原子核分裂。于是就发生了释放热量的核裂变反应。只要反应没有失控，就可以用反应热量把液体（通常是水）转化为蒸汽，蒸汽再推动涡轮机旋转，从而发电。

一旦铀燃料被中子轰击过，你就不再会想把它拿在手里了。赫夫说：“那时铀会变成具有高度放射性的裂变产物，这也是为什么核废料如此危险。”这种级联反应能持续很长时间，正因如此，核能是一种极佳的能源。尤其是在太空中，它几年甚至几十年内都不需要补充燃料。

宇宙“954号”

要在月球上部署核反应堆，必须先把它装到火箭上。太空核技术专家、美国弗吉尼亚州航空航天公司分析力学联合公司（Analytical Mechanics Associates）高级项目副总裁林赛·霍姆斯（Lindsey Holmes）表示，确保发射安全是最重要的因素之一。

1965年，美国首次将核反应堆送入太空，那是一台实验性的核动力辅助系统10A反应堆（Systems for Nuclear Auxiliary Power 10A，SNAP-10A）。它仅有一个垃圾桶大小，功率600瓦，仅持续运行了43天，电压调节器就出现了故障。该反应堆至今仍在绕地球轨道运行，也是美国唯一一次尝试在地球外运行核反应堆。

1965年发射的核动力辅助系统10A反应堆（Systems for Nuclear Auxiliary Power10A，SNAP-10A），是第一座被送入太空的核反应堆。反应堆（顶部）产生的热量由锥形结构转换为电能。

相比之下，苏联曾将二十多座核反应堆送出地球大气层。这些反应堆大多用来给雷达侦察卫星供电，发射均顺利完成，未发生事故。然而，霍姆斯指出，有一座反应堆“将放射性物质落到了加拿大”。它以极其惨痛的方式警示后人：千万不要这样做。

携带那座反应堆的航天器名称正是“宇宙954号”，它于1977年9月发射，约三个月后开始偏离预定轨道。苏联操作人员和美国官员都注意到卫星在晃动，但苏联方面最初保持沉默。苏联工程师试图在航天器坠回地球前将卫星上的活性核反应堆抛入太空，但未能成功。最终苏联向美方坦白了事实，并称“宇宙954号”的大气再入过程当时已经无法阻挡，不过它在这个过程中会完全烧毁，不会造成任何后果。

美国当局公开质疑，当一座高温核反应堆坠回地球时，究竟该怎么办。时任美国国防部长特别助理古斯·韦斯（Gus Weiss）当时表示：“快速查阅文献后发现，没有教科书式的答案，甚至连教科书式的问题都没有。”1978年1月，“宇宙954号”把致命残骸倾泻在加拿大北方一片人口相对稀少的区域，约3.9万平方千米。加拿大和美国联合开展了“晨光行动”（Operation Morning Light），工作人员身穿防化服，在冰封荒原上搜寻“宇宙954号”的残骸。

据团队成员称，一些卫星部件的放射性不强，但另一些碎片会让随身携带的个人辐射剂量计响得像“一大片蟋蟀在齐鸣”。奇迹般地，这场放射性劫难没有造成一人死亡。苏联向加拿大支付了300万加元作为赔偿。“宇宙954号”风波留下了一个明确的教训：在月球核反应堆成功着陆之前切勿启动。“在启动之前，内部不会产生任何核废料，”赫夫说。

理想情况下，月球反应堆的火箭发射轨迹应尽量经过海洋上空，因为一旦发射失败，让破碎的核反应堆落到海里比它砸向人口稠密地区要好得多。那次事件还表明，核燃料的选择至关重要，应选用不易大范围扩散的燃料。三重结构各向同性包覆燃料颗粒（即TRISO燃料）在此场景中大有用处。这种燃料由颗粒组成，米德尔伯勒解释称，这些颗粒本质上就是“像硬糖一样的燃料块”。每颗颗粒都是一个由铀、碳和氧构成的小团块，外面包覆着极其坚韧的碳和陶瓷外壳。它们不仅能在高速撞击后保持完整，就算把熔岩倒在上面也不会有影响。米德尔伯勒说：“如果发射失败，这会是一场巨大的经济损失，但你仍可以将所有残骸清扫干净。”

和许多同行一样，米德尔伯勒也为核能着迷。他滔滔不绝地谈起自己第一次在反应堆水池中看到切伦科夫辐射的经历：那是一种诡异的蓝色辉光。“电视和网络上的图片完全展现不出它震撼的效果。它如同乳白色的珍珠，就像魔法，宛如北极光。”但他清醒地认识到，将一座能正常运行的核反应堆送上月球虽然完全可行，但实际操作绝非易事。

先说坏消息：在地球上运行核电站比在月球要容易得多。月球是个糟糕的地方。那里是低重力环境，几乎没有大气层。月表温度经常从白天的约120摄氏度骤降至夜间的零下130摄氏度。月球还有月震，类似地球的构造地震，但更为奇特。频繁的小行星撞击，还会在月球表面的随机时间、随机地点制造出巨大的陨石坑。

好消息是，核反应堆并不像人们想象的那样容易发生灾难性爆炸。如果反应堆过热又无法冷却，就会熔毁。但熔毁并非爆炸。现代反应堆的设计目标是：核燃料就算液化，反应堆也能将燃料限制在内部。

核电站也没那么脆弱。“一想到核，我们就会想到福岛和切尔诺贝利，”米德尔伯勒说道。但除了世界各地几十年来一直正常运行的核电站之外，“我们不会想到那些漂浮在海里的核电站。”毕竟核潜艇同样数量众多，它们处于极端环境中，经常遭遇颠簸冲击，而且设计用于作战情境。他说：“这些设备非常可靠。”因此没有理由认为它们不能承受月球环境的考验。

不过，月球上的核灾难确实有可能发生。假设一座核反应堆过热，并在月球表面熔毁，那将无疑是一次极其恶劣的事件，但至少大部分熔化燃料会被限制在事故现场。然而，赫夫指出，这意味着“月球表面将残留一块巨大的放射性金属块”。也许几代人都无法靠近它。如果这些放射性物质渗入附近的珍贵水冰储备库，这些具有颠覆性意义的资源（也是宇航员驻扎于此的根本原因），将会遭受永久污染。赫夫感慨道：“天哪，后果将不堪设想。一个国家如果对月球做这种事，将令人难以原谅。”但至少宇航员不会有事，对吧？

其实不一定。反应堆的辐射，即使包括熔毁中可能释放出来的辐射，也构不成重大威胁。事实上，月球上的太阳辐射和宇宙辐射对宇航员健康的威胁要大得多。真正棘手的问题在于核电站失效。假如月球基地依赖核电站供电，又在月球夜晚的两周内遭遇停电。在如此寒冷的环境中，电池系统只能维持一点点电量，很快就会耗尽。到那时宇航员将会陷入严重困境，美国马里兰大学学院市分校行星地震学家、地球物理学家尼古拉斯·施默尔（Nicholas Schmerr）说：“他们的生命保障系统都会瘫痪，宇航员根本无法存活。”

月球核电站供能的“阿耳忒弥斯”月球基地。

不过，专家并不认为我们有生之年会目睹一场月球上的切尔诺贝利事故。NASA发言人也表示，月面裂变能源系统的设计将充分考虑安全性。这让人松了一口气。对一座100千瓦核反应堆来说，更现实的最坏情形是：月球环境直接将其摧毁，让它在宇航员最需要的时候停止运行。因此，真正的问题是科比西罗所说的：我们设计的所有传感器、电子设备和相关部件到底能在恶劣的环境中稳定运行多久？

月球反应堆的运行方式将与地球上的反应堆截然不同。它很可能既不能用水作冷却剂，也不能将水用作吸热变成蒸汽从而驱动涡轮机发电的工质。赫夫指出，水在太空中存在诸多问题。在低重力环境下，水无法正常流动；月球上剧烈的温度波动可能导致蒸汽猛烈膨胀，或导致水结冰，从而损坏管道。相反，反应堆很可能会用从地球带来的空气吸收热量，并将热量传给涡轮机。这种设计虽然更复杂，但完全可行。

用其他介质取代水作为核反应堆的冷却剂更为棘手。铀裂变产生的大部分热量可用于发电，但仍会有一部分多余热量。这些“废热”必须排放到环境中。可是月球没有大气，也就没有类似空气的介质能轻易吸收这些热量。赫夫指出，防止核反应堆在真空中过热将极其困难。她和米德尔伯勒提出了相同的解决方案：帆状装置。这是一种巨大的鳍状附属结构，通过巨大的表面积把热量排到太空中。

别忘了微流星体，也就是卵石大小、像高超声速子弹一样的岩石。施默尔说：“月球不断被外星物质轰击，”而它不像地球一样有大气屏障阻挡微流星体。如果几颗微流星体击穿散热鳍片，电站就无法正常冷却。

也可能倒霉到极点：一颗直径3 ~ 4米的小行星撞到附近。施默尔说：“我们在阿波罗任务期间就观测到过新形成的陨石坑，宽70到80米。如果你刚好处在那种撞击的中心地带，那将会非常糟糕。”这些小行星更大更罕见，宇航员无法保护基地免受它们的撞击。但宇航员可以把电站埋到地下，以缓解那些体积微小，频繁的“太空子弹”的威胁。他们甚至不需要挖掘，月球上有众多中空熔岩管道，只要利用其中一个就好。

月震是另一个挑战。它的威力远不及地球的构造运动：阿波罗时代布设的地震仪记录到的最大月震震级在3到4级之间。尽管如此，核电站也不应紧邻可能活跃的断层，因为即便只是轻微的振动也可能导致高耸结构倒塌并破坏设施。